西北干寒地区在役桥梁安全风险评价与应用研究

彭 雪

(咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

桥梁安全评估是确定现有桥梁质量的一种方法，可为桥梁安全提供科学指导。道路和桥梁建设过程中存在着安全风险，如果得不到充分预防，将可能导致人员伤亡。桥梁安全风险评估不断深入发展，可以采用模糊综合评价与层次分析相结合的方法，构建评价模型识别，计算具体的安全风险因素，为诸多风险控制提供重要数据。

1 在役桥梁安全风险评价的重要性

桥梁的安全性尤为重要，这是一种在荷载作用下仍能正常工作而不发生事故的能力。影响这种能力的因素很多，涉及桥梁结构设计、材料选择和施工技术，也受维护程度、完工后使用情况的影响。桥梁对于保障交通系统运行至关重要，其发生故障可能会对区域安全、交通和经济造成严重威胁。恶劣的环境条件和不断增加的交通量可能会导致桥梁恶化，及时维护至关重要。桥梁风险评估是避免桥梁安全事故、保障公众安全的重要手段。桥梁主要受到两种危险类别的影响，即自然灾害和人为灾害，其中地震、海啸、飓风、洪水、碎片、冲刷、冰、土壤和桥梁年龄属于自然灾害类别，这些风险因素不可预测且不可控制，其来源于自然；人为灾害则包括碰撞、超载、变质、结构设计、火灾等。我国公路桥梁出现问题的主要原因是过度使用及使用过程中未进行维护[1]。

科学的识别方法和评价分析是控制施工期安全风险的基础。用于风险评估的主要方法有蒙特卡洛模拟分析、层次分析法(AHP)、理想解相似性排序偏好技术(TOPSIS)、机器学习方法、三角模糊数(TFN)。

风险分析的概念起源于法国，最早应用于保险业。20世纪50年代，风险管理被确立为一门独立的学科。风险分析包括对事物的风险评估。进行安全风险评估有助于了解结构的风险状态和识别特定的风险源因素。许多学者对大型复杂桥梁施工期间的安全风险评估进行了研究。Peng等[2]应用综合层次分析方法和云模型，提出了一种云聚类的聚类决策方法，通过专家评分，确定主要风险因素和风险损失，并应用云生成器计算专家评分的数值特征，以定量评估桥梁安全风险。刘林等[3]总结了桥梁施工期的风险因素，不同因素会根据其影响程度产生不同的后果，当几个风险因素相互交叉时，风险概率会大大增加。刘沐宇等[4]在研究先进风险管理的基础上，应用多层次评价指标体系，对桥梁施工安全风险进行评价，可以有效地为桥梁安全风险管理提供指导。

2 西北干寒地区在役桥梁安全风险评价体系

2.1 安全风险评价体系的建立

主要从文献研究方法、事故原因理论分析、事故统计分析和施工方法分析4个角度确定了桥梁施工过程中的主要风险因素。公路和桥梁施工风险源可分解为人员风险、材料和设备风险、施工环境风险和施工技术风险。通过事故原因的理论分析、事故统计分析、施工方法分析，得出人员风险、材料设备风险、施工环境风险、施工技术风险的相关风险指标，确定了重要风险因素，建立了桥梁施工安全风险评估指标体系，如图2所示。此外，经济合同问题、材料和设备运输、安全措施不足、非法施工作业、施工监控情况、施工现场条件，其他风险因素可能会对桥梁施工产生不利影响。需充分关注桥梁施工过程，尽可能降低桥梁施工风险水平。

图1 桥梁施工安全风险评价指标体系Fig.1 Bridge construction safety risk evaluation index system

2.2 基于熵权法的安全风险权重计算

桥梁施工安全风险评价指标体系使用3个参数Ex、En和He来描述数值的大小、振荡程度和分散程度，与熵概念基本相同，但数据内涵更丰富，更符合实际分布。使用桥梁施工安全风险评价指标体系并参考熵法对指标可变性进行改进，得到了计算指标权重的改进模型。专家的主观判断通过云模型处理为代表不确定性的关键代表性参数，改进的计算模型通过主观和客观测量的有机结合，尽可能科学地反映风险因素重要性的权重分布。

使用m个专家和n个评估度量，根据云模型逆生成器公式，获得了计算第j个评估度量的云模型数值特征值的公式，如下式所示：

(1)

(2)

(3)

式中，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；Exj，Enj，Hej分别是第j个指标的期望值、熵值和超熵值。传统的权重计算方法用于求解第j个评价指标权重βj，如等式4所示。

(4)

基于熵权法和对桥梁施工安全风险评价指标体系生成的准确性和有效性的需要，邀请了10位专家对西北干寒地区部分在役桥梁进行调查分析，根据风险概率大小和风险损失大小两个原则对风险指标进行评分，评分结果如表1所示。

表1 风险指标评分结果Tab.1 Scores of risk index

通过云模型逆生成器处理上表中的专家评分结果后，根据等式1～3获得每个风险因素的预期得分Exj、离散度Enj和随机度Hej。根据等式4，通过传统的权重计算方法计算权重βj，结果如表2所示。

表2 风险指标的客观加权Tab.2 Objective weight of risk index

表2分析表明，各风险指标的预期值分布良好，区间差异更为明显；熵值和超熵值表示专家意见的分散程度。通过权重计算方法获得的风险权重值一般为6%～9%，权重值分布相对均匀。这样的结果不利于区分主次权重，也不利于因素重要性的判断。

3 西北干寒地区在役桥梁安全长期性能研究

对于在役桥梁，检测结构或构件的涂层状况、材料腐蚀和疲劳裂纹，以评估长期性能。为了研究西北干寒地区在役桥梁的长期性能，通常采用不同的检测方法，包括无损检测、静态和动态测试、结构长期监测及多种检测措施。钢桥长期性能研究主要分为3部分，即试验研究、有限元分析和现场结构性能研究，具体内容如图2所示。其主要包括3个层面，即材料层面、元素层面和结构层面。材料水平上，研究基础桥梁上的钢的性能，包括抗拉强度性能、不同温度下的韧性和抗疲劳裂纹性能等。材料性能研究的试验结果有助于识别桥梁长期使用后的材料退化性能，这对于桥梁性能评估是必要的。在元件或部件层面，考虑到制造性能和腐蚀特性，通过全尺寸模型的静态和动态试验，研究桥梁中典型细节的疲劳性能，如钢桥面板、腹板间隙和典型连接。在结构层面，基于材料层面和元素层面获得的信息，可以监测或评估桥梁结构的性能，包括结构安全性、剩余疲劳寿命、创新加固方法研究和温度梯度监测。有限元数值研究是桥梁性能研究的一种有效且必要的方法，通常可以根据实验研究结果建立和校准有限元模型。该校准的有限元模型可用于扩展分析规模。此外，基于材料或元件性能参数，可以建立整个桥梁结构模型并评估结构性能。对于在役桥梁性能研究，选择典型钢桥，包括不同地区的公路和铁路钢桥，进行交通量调查、静态和动态试验、温度梯度监测、疲劳性能研究和结构安全评估、创新加固措施和维护策略研究。基于有限元分析、试验研究和在役桥梁性能研究，对在役钢桥长期性能进行评估，以获取实际工况，建立科学的钢桥设计、评估、加固和维护系统[5]。

图2 桥梁长期性能研究框架Fig.2 Bridge long-term performance research framework

4 结语

桥梁作为重要的陆路交通枢纽，直接影响着经济和社会发展。我国的基础设施建设不断加快，桥梁建设在跨度、施工难度、施工技术等方面都达到了新的高度。为了更好地保障桥梁安全，减少桥梁安全事故的发生，应在桥梁工程的安全施工中投入更多精力，建立桥梁安全评估模型时，应尽可能考虑所有因素，使评估结果更准确，确保桥梁工程安全。