基于灰色理论钢板组合梁架设施工安全风险评估

盖 涛 李 佳

(1.中铁二十一局集团第一工程有限公司 新疆乌鲁木齐 830026；2.新疆大学建筑工程学院 新疆乌鲁木齐 830047)

1 引言

钢板组合梁桥是一种充分发挥钢材韧性与混凝土抗压性能的现代装配式建筑，具有稳定性好、承载力高、自重轻等优点，20世纪中期在全球范围已广泛应用于各种体量的桥梁建设[1－3]。灰色聚类是一种根据白化权函数将指标对象划分为若干个可定义类别的方法[4]。大量学者在实际工程中运用灰色聚类等方法对钢板组合梁施工和运行安全等进行风险评估研究，Xiaofei L[5]等将层次分析法与灰色模糊评价结合运用于大沽河单塔自锚式悬索桥施工安全风险评估中；汤天明[6]等在武汉青山长江公路大桥施工风险评估中运用了LEC法与指标体系法；牛发阳[7]等在青岛地铁1号线深基坑项目中将网络层次分析法与灰色聚类法相结合进行施工安全风险评价；吴波[8]运用熵权－可拓理论对瓦斯隧道施工安全风险进行了评估；魏雪萍[9]等在郑州大河路工程悬臂拼装梁施工中利用专家打分及灰色聚类方案进行安全风险评估。综上可知，现有应用多为传统灰色聚类与专家调查等方法结合，更多是对评估对象整体的风险等级评估，缺乏对高温差、大风环境下钢板组合梁施工风险评估的全面细致考虑，不能区分指标影响重要程度，且采用传统灰色聚类方法进行风险分类时对于聚类系数差别较小的指标归类仍存在不合理之处，亟待完善。

本文以新疆地区钢板组合梁桥为研究对象，以高温差、大风气候为环境背景，运用AHP、两阶段三角白化权函数灰色聚类、分类区分度聚类方法对组合梁架设施工阶段进行风险评估，计算各指标聚类系数、分类权重，制定针对性风险防控措施，为新疆地区同类工程项目施工安全风险评估提供理论借鉴。

2 工程概况

盆克特2号大桥建设项目位于G7京新高速巴里坤县与木垒县交界K227＋556.5处，全桥共4联:钢板组合梁位于4＃～7＃墩之间，共3跨，采用3×50 m钢板组合梁，左右幅每孔4片，共24片，桥墩空间分布构造如图1所示。钢梁由Q345D钢板焊接而成，钢梁上翼缘按«圆柱头焊钉»[10]密布焊接ϕ22剪力钉，采用后张预应力法预制C50自密实混凝土梁，如图2所示。项目地处大风、高温差地区，据气象数据统计在2019年与2020年项目主要施工期间，最大风速达21.8 m/s；最高气温为32.8℃，最低气温为－30.5℃，同日昼夜最大温差达23.1℃。为保证组合梁顺利安全施工，需对其施工架设阶段进行全面安全风险评估。

图1 桥墩分布构造(单位:cm)

图2 组合梁预制与架设施工

3 AHP指标权重计算及灰色聚类模型构建

3.1 事故及风险等级标准

对新疆高温差、大风环境下钢板组合梁架设及横梁安装阶段存在的可能风险源进行甄别筛查，从人员、设备、材料、施工方法及环境因素五部分考虑，结合同类工程事故致险因素对组合梁施工进行风险源论证汇总。专家打分规则采用“1～9标度法”，事故发生可能性划分及桥梁工程风险损失评分标准如表1、表2所示。

表1 风险事故发生可能性等级标准

表2 桥梁工程风险损失等级标准

3.2 两阶段三角白化权函数聚类模型

3.2.1 第一阶段三角白化权聚类函数建模

(1)按照评估要求所需划分灰类数s，将j指标的取值范围[a1，as－1] 划分为[a1，a2]，…，[ak－1，ak]，…，[aS－1，aS]，[aS，aS＋1]。

(2)令λk＝(ak＋ak＋1)/2属于第k个灰类的白化权函数值为1，连接(λk，1)与第k－1个灰类的起点ak－1和k＋1 个灰类的终点ak＋2，得到j指标关于k灰类的三角白化权函数:

(3)对于指标j的一个观测值X，可由式(2)计算其所属灰类k(k＝1，2，…，s)的白化权函数:

(4)计算对象i(i＝1，2，…，n)关于灰类k(k＝1，2，…，s)的综合聚类系数:

(5)计算聚类对象i的归一化聚类系数向量为:

3.2.2 第二阶段聚类函数模型

(1)计算归一化聚类系数向量中最大值与次大值之差θi。

(2)判断聚类系数是否有显著性差异:当θi≤1/2S时，称聚类对象i的聚类系数无显著性差异，转步骤(3)；否则称聚类对象i的聚类系数有显著性差异，转步骤(4)，并称θi为聚类对象的显著性差异系数。本文主要讨论聚类系数无显著性差异的情况。

(3)当θi>1/2S时，按聚类系数最大原则进行聚类，即，判断对象i属于k∗灰类。

(4)当θi≤1/2S时，根据σi向量及聚类系数的权向量η＝ (1，2，3，…，s)T，计算对象i的综合聚类系数ψi＝σi˙η，若对象i的综合聚类系数，则称对象i属于第k灰类。

3.3 分类区分度聚类函数模型

(2)计算分类信息熵Ej。设白化权函数使对象i隶属于类别1，2，…，S的隶属测度向量为，则对象i的分类信息熵为:

(3)计算指标对于对象i的分类区分度，计算式为:

(4)称ηij为指标关于对象i的分类权重，计算式为:

4 钢板组合梁施工安全风险评估及分析

4.1 AHP指标权重计算结果

结合钢板组合梁专项设计施工方案、«公路桥涵施工技术规范»[12]及«公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南»，对我国已建成同类型桥梁施工经验及新疆高温差、大风区气候环境分析论证，得到36个二级风险源指标，根据AHP算法得指标重要性权重，如表3所示。

表3 钢板组合梁架设安装及横梁安装阶段风险指标体系

续表3

4.2 两阶段三角白化权函数灰色聚类风险评估结果

以层次分析指标重要性权重为基础，根据桥梁施工风险等级，将施工阶段的风险划分为5个等级，相应的评价灰类划分为5个灰类，分别对应施工风险接受准则中的5个风险等级(Ⅰ级不太可能、Ⅱ级偶尔发生、Ⅲ级可能发生、Ⅳ级很可能发生、Ⅴ级频繁发生)，5个灰类的取值范围分别是[0，1)，[1，2)，[2，3)，[3，4)，[4，5]，将风险事故发生可能性打分平均值按式(1)～式(4)建模步骤计算综合聚类系数，判断所属风险等级类别。

由计算可知，B4指标聚类显著性差异系数等于0.1，计算第二阶段指标综合聚类系数ψi∈[13/5，17/5](K＝3时)，判断为Ⅲ级风险。其余指标显著性差异系数较大，可根据最大聚类系数原则判断B层指标施工安全风险均为Ⅲ级风险。根据式(4)计算钢板组合梁架设施工阶段整体风险评估5个灰类的综合聚类系数如下:

由上可知，钢板组合梁架设施工阶段5种风险等级发生的概率大小排序为:Ⅲ级>Ⅱ级>Ⅳ级>Ⅰ级>Ⅴ级。根据，得钢板组合梁架设施工阶段安全风险等级为Ⅲ级。运用分类区分度聚类计算各指标分类权重，量化指标贡献量。

4.3 分类区分度聚类及风险防控措施制定

图3 钢板组合梁架设施工阶段指标分类权重

由图3a可知，同属B1指标下分类贡献度排序前三位为 C2、C3、C6，指标分类权重均为 0.027 11。对于C2特种人员上岗资质，在施工前应检查持证上岗情况；对C3施工人员专业技能，在上岗作业前应进行理论考核与专业技能考核。

由图3b可知，同属B2指标下分类贡献度排序前三位的指标为C10分类权重0.031 36、C8分类权重0.029 08、C7及C9分类权重0.027 11。对 C10施工设备抗风稳定性，应选择大吨位设备；对C8钢丝绳断裂致使设备损伤，应选用拉力测试合格且无断丝的钢丝绳。

由图3c可知，同属B3指标下分类贡献度排序前三的指标为C15、C20指标分类权重0.037 68，C16指标分类权重0.027 11。对C15高强螺栓校验，选择产品品质优质的供货商；对C20吊装钢丝绳断裂，应在施工前仔细检查并更换抗拉承载力满足要求的钢丝绳。

由图3d可知，同属B4指标下分类贡献度排序前三的指标为C26、C28指标分类权重0.037 68，C22、C24指标分类权重0.031 36。对C26组合梁温度应力控制，需改善骨料级配，在混凝土中添加引气剂或塑化剂，埋入水管；对C28吊装作业不同步组合梁倾覆，需要对吊装机械检修与保养；对C22混凝土浇筑振捣，在浇筑时可分为多层浇筑。

由图3e可知，同属B5指标下分类贡献度排序前三的指标为C34指标分类权重0.029，C35、C36指标分类权重0.027 11。对C34组合梁临时固定防风措施，可采取增加定位孔并用直径略小的钢柱定位；对C36编制事故应急预案，对分类权重大、发生概率高且不可避免的指标风险源制定详略得当的事故应急处理预案。

5 结论

本文运用AHP、两阶段灰色聚类、分类区分度聚类对钢板组合梁架设及横梁安装阶段施工安全风险进行评估，得出以下结论:

(1)AHP、两阶段三角白化权函数灰色聚类、分类区分度聚类方法优势互补，综合运用三种评估方法可更细致进行施工安全风险评估，钢板组合梁架设施工阶段一级指标风险源风险等级均为Ⅲ级。

(2)将钢板组合梁架设施工阶段整体风险评估判定为中等风险。钢板组合梁在架设施工中，通过提前采取一系列风险防控措施，未发生财产损失或人员伤亡，与本文评估风险级别“Ⅲ级”的结论相一致，结合验证实例证明了灰色聚类综合评估方法的正确性与可推广性。