梁晓飞， 李忠梅， 郑小燕

(1.山东理工大学 建筑工程学院, 山东 淄博 255049;

2.合肥工业大学 交通运输工程学院， 安徽 合肥 230009)



基于FCE的桥梁运营阶段风险分析

梁晓飞1， 李忠梅1， 郑小燕2

(1.山东理工大学 建筑工程学院, 山东 淄博 255049;

2.合肥工业大学 交通运输工程学院， 安徽 合肥 230009)

摘要：为了对桥梁事故进行源头管理，提高桥梁运营阶段的安全性，从风险发生机理出发，建立了风险评估模型、风险接受准则和风险等级评价标准.考虑到风险损失的不确定性和模糊性，将模糊数学方法与层次分析法相结合构建了基于模糊综合评判(FCE)的失效后果评价方法，使风险损失量化，从而客观地对桥梁运营期风险进行评价.实例证明该方法具有可行性和有效性.

关键词：风险估计；层次分析法；风险损失；隶属度函数

桥梁工程在设计和施工阶段，通过多种形式的科研，已经对来自自然、人为和意外等各种风险事态进行了有效的控制，但对于运营阶段来说，大桥仍面临来自自然灾害、交通事故、意外事故，蓄意事故等各种风险事态对大桥运营安全、结构安全、人员安全等各方面的影响.近年来频发的桥梁事故给国家造成了巨大的经济损失，同时带来了严重的社会不良影响[1-2].运营期桥梁风险发生机理如图1所示，在风险因素的诱导下，桥梁的孕险环境产生的风险事故使各种承载体发生了不同程度的损失.项目的决策者就是要在这些风险事故发生之前对风险可能带来的损失进行分析，并根据分析结果采取相应措施规避或降低损失，事故的潜在性说明其损失是不确定的，而是随着风险发生、发展和变化产生相应的波动.桥梁运营阶段的风险分析即是以这些潜在损失为主体的研究过程.

图1 公路桥梁运营期风险发生机理

1　风险估计模型及评价标准

1.1 风险估计模型

营期桥梁风险从风险不确定性、风险事故及风险后果三方面进行风险的度量.采用工程领域普遍认可的风险表达方式[3]为

R=f(P,C)

(1)

式中，R为风险；P为风险事故发生的概率；C表示

风险事故产生的后果(或损失).

1.2 风险评价标准

为了能够直观、形象地反映系统风险的程度，使之易于理解和接受，本文根据工程风险发生的概率(或频率)和风险损失的严重程度分别将风险概率分为5级、风险损失分为5级、风险等级分为4级，并依此建立风险分级评价矩阵[4-6](简称风险评价矩阵)，见表1.

表1　风险评价矩阵

注：P为风险事故发生概率.

风险等级风险损失1.可忽略2.需考虑3.严重4.非常严重5.灾难性风险概率1.P<3×10-4Ⅰ级Ⅰ级Ⅱ级Ⅱ级Ⅲ级2.3×10-4≤P<3×10-3Ⅰ级Ⅱ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅲ级3.3×10-3≤P<3×10-2Ⅱ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅲ级Ⅳ级4.3×10-2≤P<0.3Ⅱ级Ⅲ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅳ级5.P≥0.3Ⅲ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅳ级Ⅳ级注：P为风险事故发生概率.

风险等级不同采用的风险控制对策与处置措施也不应相同，结合表1列出的风险评价矩阵，对不同等级风险制定的接受准则和控制对策见表2.

表2　风险接受准则[6]

2　风险事态发生的概率

对于运营期桥梁，风险概率可以用结构的失效概率来表示，即将风险概率的求解转变为结构失效概率的求解，按照结构失效概率的求解原理计算风险概率[7].目前常用的方法有均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法、JC法、几何法以及响应面法等.

3　桥梁风险损失

运营期的风险损失包括经济损失和非经济损失，其中经济损失指桥梁风险事故直接或间接造成的能够采用货币计量的损失，非经济损失指结构耐久性、人员伤亡、社会影响等难于进行经济量化的损失.损失不能量化的部分使得风险分析时需要结合客观的科学方法和主观的专家经验判断，这导致许多指标具有主观性，即存在大量的模糊现象和模糊概念.为了使损失具有客观性，本文采用结合模糊集理论和最大隶属度原则的模糊评价方法把上述边界不清，难于定量的因素进行量化[8-9]，对损失结果评价，评价步骤如下：

(1)建立评价对象的因素论域

评价对象因素集U={u1,u2,…，un}，ui={ui1,ui2,…，uim}(i=1,2,…，n)，式中ui代表各影响因素，n为影响因素个数，m为影响程度等级.

(2)确定评语等级论域

评价集V={v1,v2,…，vk}由用[0,1]间取值的隶属度函数量化.

(3)建立因素等级模糊关系矩阵

因素等级对于评价集的影响程度采用隶属度函数表示，化成矩阵R为

(2)

(4)建立因素等级的权重集

权重值采用模糊层次分析法确定，由于因素的等级等同于因素本身的重要程度，故取Ai=(ai1,ai2,…,aim)与ui相同.

(5)一级模糊综合评价

将评价因素的权向量Ai和模糊矩阵Ri合成模糊综合评价结果向量Bi，作为一种单因素的评价.

Bi=Ai·Ri=(bi1,bi2,…,bim)

(3)

将由式(3)得出的各因素综合起来即为一级模糊矩阵

(4)

(6)建立因素权重集

为了反映因素集中的各因素之间的重要程度，采用1-9标度法[10]由专家对其进行两两比较判断，建立判断矩阵R=(αij)n×n，通过一致性检验衡量判断矩阵是否合理，当一致性比值CR=CI/RI<0.1(CI=λmax-1/n-1)时，判断矩阵具有一致性，对矩阵最大特征值λmax的特征向量进行归一化处理即可得到因素的权重集.

(7)二级模糊综合评判

应用模糊变换原理和最大隶属度原则，对评价对象相关的各因素做综合评价，得到模糊综合评价集

C=A·B=(c1,c2,…,ck)

(5)

依照最大隶属度准则，取最大值cl对应的评价指标vl作为最终的评价结果，即

(6)

4　工程应用

目前超载超限现象比较严重，因此桥梁在超载情况下能否安全运行存在风险.本文以某一级公路上的一座特大桥运营期超载事故为例，说明模糊综合评价法评价事故造成后果的严重性，并利用风险评价矩阵确定风险等级.

4.1 工程概况

大桥地处中温带，高原丘陵地形，无通航要求，双向六车道，荷载标准为公路一级，设计车速80km/h.主桥上部结构为(95+168+95)m三跨连续变截面预应力混凝土刚构桥.桥梁所在的公路是该地区的交通命脉，承担着当地矿产、煤炭、以及其他资源的外运重任，超载现象较为严重，据当地交管统计平均超载幅度约为30%.大桥2001年建成通车，2007年桥梁全面普查时鉴定为一类桥梁.

4.2 桥梁超载风险概率

结合概率极限状态的桥梁设计规范，不考虑桥梁结构抗力的退化，对于一级公路桥梁主要组合的可靠度指标取β0=4.4[7,11]，则超载30%的情况下的失效概率为1×10-3.

4.3 桥梁超载风险损失

(1) 建立评价对象的因素论域

参照文献[3,4]编制如表3的因素等级表，设U={u1,u2,…，u6}，每个因素分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ5个等级，记为ui={ui1,ui2,…，ui5}，选择三角函数作为隶属度函数的取值，如图2所示[12].

根据超载的具体情况和损失大小，结合专家判断对于超载30%的情况设定：u1(人员死亡)：Ⅰ级；u2(人员受伤)：Ⅱ级；u3(社会影响)：Ⅲ级；u4(经济损失)：Ⅰ级；u5(结构损伤程度)：Ⅱ级；u6(对交通的影响)：Ⅱ级；u7(对环境的影响)：Ⅱ级.由图2可知每个因素对应的隶属函数列于表4.

表3　因素等级

表4 因素等级

图2 因素等级的隶属度函数

(2) 二级模糊综合评价

V={可忽略，需考虑，严重，非常严重，灾难性}

(3) 一级模糊评价

由公式2~式4)得到一级模糊评价矩阵

(4) 二级模糊综合评价

结合专家判断采用层次分析法构建各因素两两比较的判断矩阵

4.4 评价结果

超载30%的结构失效概率为1×10-3，失效后果为“需考虑的”，由表1可知风险等级为Ⅱ级可接受风险，需采用预防、控制措施来提升安全性.建议加强超载管理力度，严禁超限车辆在桥上通行；增加交管措施，严禁重车在桥上超车、停车并限制行车间距以防多辆重车密集造成超载，从而实现风险因素的源头管理；加强运营期的日常巡查，增加桥梁定检频率，及时发现损伤并进行相应的处理保证结构的承载能力.

5 结束语

频发的事故表明桥梁工程在运营阶段存在大量风险因素，该阶段的风险分析使潜在的风险具有预见性，公路风险管理工程人员依据评价结果采取相应措施能够削减风险概率，降低风险损失.本文结合运营期桥梁实际特点阐明了风险发生机理，构建了运营期桥梁风险评估模型和风险评价标准，提出了一种综合层次分析法和模糊数学理论的风险损失分析方法，将一些难以避免的模糊概念进行量化处理.本方法兼具定性分析和定量分析的优点，避免了传统分析方法对边界不清问题进行判断时产生的误差，从而使主观评价更加符合客观规律，并以超载风险为例验证了该方法在对运营期桥梁的现状进行综合评价时的实用性.

参考文献:

[1]徐洪涛，郭国忠，蒲焕玲，等.我国近年来桥梁事故发生的原因与教训[J].中国安全科学学报,2007,17(11):90-95.

[2]雷俊卿.桥梁安全耐久性与病害事故分析[J].中国安全科学学报，2005，15(2)：86-90.

[3]张媛.工程风险分析[D].天津:天津大学，2003.

[4]生产安全事故报告和调查处理条例,2007-06-01[S].

[5]中华人民共和国环境影响评价法,2002-10-28[S].

[6]公路桥隧工程安全风险评估文件汇编[G].北京：中华人民共和国交通运输部，2009.

[7]李士勇.工程模糊数学及应用[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004：101-108.

[8]SasmalS,RamanjaneyuluK.Conditionevaluationofexistingreinforcedconcretebridgesusingfuzzybasedanalytichierarchyapproach[J].ExpertSystemswithApplications, 2008,35(3):1 430-1 443.

[9]包龙生，刘克同，于玲，等. 基于灰色层次分析法的桥梁施工方案多目标风险分析及评价[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2009,25(4)：663-669.

[10]李扬海，鲍卫刚.公路桥梁结构可靠度与概率极限状态设计[M].北京：人民交通出版社，1997.

[11]杨晓艳,贡金鑫,冯岷,等.公路桥梁车辆荷载效应概率模型及可靠度分析[J].公路交通科技, 2012,29(10):59-65.

[12]张艳丽.工程风险评价方法的研究[D].南京：南京工业大学，2002.

(编辑：刘宝江)

Riskestimationinbridgeoperationstagebased

onfuzzycomprehensiveevaluation

LIANGXiao-fei1，LIZhong-mei1，ZHENGXiao-yan2

(1.SchoolofCivilandArchitectureEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;

2.SchoolofTransportationEngineering,HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009,China)

Abstract:In order to control bridge accident at the source and improve the safety performance at the bridge operation stage, risk assessment mode, risk acceptance criteria and risk level evaluation criteria were established from the mechanism of risk. Then, taking into account the risk loss of uncertainty and ambiguity, fuzzy comprehensive evaluation method of the consequences of failure was created based on the fuzzy mathematics methodand analytic hierarchy process to quantify the risk of loss and complete risk evaluation. Example showsthat the method is feasible and effective.

Key words:risk estimation； analytic hierarchy process； risklosses； membership functions

中图分类号：U 445.1

文献标志码：A

文章编号：1672-6197(2015)04-0001-05

作者简介：梁晓飞，女，78liangxiaofei@163.com

基金项目：山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EL010)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013G1502017)

收稿日期：2014-09-09