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斜拉桥施工阶段风险识别及易损性评估

文档作者：周江朱华军杜胜兵周敉文档来源： 1．中交第一公路勘察设计研究院有限公司 2．湖北省宜昌至巴东高速公路建设指挥部 3．长安大学		点击数：	更新时间： 2020年11月26日
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BRIDGE AND TUNNEL CoNSTRUCTIoN AND M ACHINERY
文章编号：1000—033X(2013)09—0079-04
斜拉桥施工阶段风险识别及易损性评估
周 江 ，朱华军 ，杜胜兵。，周 敉。
(1．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075；2．湖北省宜昌至巴东高速公路建设指挥部，
湖北兴山443700；3．长安大学旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室，陕西西安 710O64)
摘要：从结构易损性原理出发，结合空间有限元计算，对某斜拉桥最大悬臂阶段在不同风压作用
下的内力及应力分布进行分析，并引入损伤系数这一参数来确定全桥结构中的易损单元。分析结
果表明：该预应力混凝土斜拉桥在最大悬臂施工阶段的易损结构件为塔梁临时固结处及部分斜
拉索。
关键词：斜拉桥；风险评估；损伤系数；易损单元
中图分类号：U448．27 文献标志码：B
Risk and Vulnerability Assessment of Cable-stayed
Bridge in Construction Stage
ZHOU Jiang ，ZHU Hua—j un。，DU Sheng—bing。，ZHOU Mi。
(1． CCCC First Highway Consultants Co． Ltd．，Xi’an 710075，Shaanxi，China；2．Yichang—Badong Highway
Construction Headquarters of Hubei，Xingshan 443700，Hubei，China；3．Key Laboratory for Old Bridge Detection
and Reinforcement Technology of Ministry of Transportation，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China)
Abstract：Starting from the principle of vulnerability，combined with finite element calculation，
internal force and stress distribution of cable—stayed bridge in largest cantilever stage were
analyzed．Damage coefficient was determined to find the vulnerability unit in the bridge．Risk
analysis results show that in largest cantilever construction phase of cable—stayed bridge，tower
beam’S temporary rigid fixity area and specific cable are prone to vulnerability．
Key words：cable—stayed bridge；risk assessment；damage coefficient；vulnerability unit
0 引 言
频发的桥梁事故已经给公众的生命和财产带
来巨大损失，据统计，这些事故主要发生在桥梁的
施工建设期间。美国土木工程师协会结构安全度
委员会对混凝土结构的事故调查和分析表明：有
一半以上的施工错误导致了结构的损伤或倒塌。
l977～1981年间美国对84起各种工程结构发生
塌毁事故进行统计分析 ]，其中有21起发生在施
工期间，占倒塌总数25 。据不完全统计，2007～
2O12年年间，中国共有37座桥梁发生垮塌事故，
其中50 左右发生在桥梁的施工期间。由此可
见，桥梁施工期间风险高，必须引起足够的重视。
为了降低桥梁施工期的风险水平，避免人身伤亡
和财产损失的发生，开展桥梁施工风险分析研究
是十分必要和迫切的。
在桥梁建设期间的风险评估中，许多研究者采
用专家调查法_2]、层次分析法l3 或模糊综合评价
法 对工程风险进行评估，对风险予以识别并取得
了良好的效果；也有许多研究者将神经网络技术 ]
应用于工程风险评估中，对风险评估进行定量化分。
针对斜拉桥建设期间的风险因素，本文运用层次分
析法进行了风险因素的识别，运用易损性理论并结
合有限元分析方法，对某双塔双索面斜拉桥在最大
悬臂阶段横风作用下的易损部位和构件进行了分析
研究。
收稿日期：2012 1卜25
基金项目：中国博士后科学基金项目(2012M511959)；湖北省交通厅交通科技项目(2011—700—2．18)
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BRIDGE AND TUNNEL CONSTRUCTIoN AND M ACHINERy
l 斜拉桥施工阶段的风险识别
1．1 工程概况
某桥为预应力混凝土双塔双索面斜拉桥，其跨
径布置为140 m+320 m+140 m。采用箱型截面，
主梁顶面板宽27．1 m，设有2 的横坡，为预应力混
凝土结构，桥型布置和节段断面见图1、2。
图1 桥型总体布置
电位：cm
图2 箱梁标准节段断面
1．2 风险因素识别
1．2．1 建立层次分析模型
经过对主桥施工方案的深入研究，将复杂的问
题层次化，确定以结构施工阶段抗风险能力为最终
目标。子目标层定义为人员伤亡、时间损失和投资
增加，自然因素、人为因素、结构特殊性、设备安全、
资金到位和施工工艺定义为基本风险因素，构成的
层次结构模型如图3所示。
1．2．2 构造判断矩阵
通过专家问卷的形式得到判断矩阵。专家按照
表l给出的标度进行打分，从而得到风险评估矩阵。
用a， 的值将这种关系量化表达，即a =c，／c，。对于
一个判断矩阵，其最大特征值对应的特征向量经归
一化处理后即为该层次风险权重Ⅲ6]。为消除人的主
观性对风险因素判断不一致的影响，需对矩阵进行
一致性检验。一致性检验指标CI=( 一 ) (”一
1)，一致性比率CR—CUR1。其中”为该层次所含
80
s 斜拉桥施工风险分析层次结构
的因素个数，RI为平均随机一致性指标，其取值见
表2。CR<0．1，则一致性检验通过，否则应对判断
矩阵进行适当修正。根据回收的调查问卷，经过数
据整理，通过一致性检验，可以得到风险评估矩阵与
各风险因素对其上一层次目标的权重值。对总体目
标而言各子目标元素的相对权重见表3；表4为风
险因素对各子目标而言的相对权重；表5为风险指
标权重总排序。
表l 目标重要性判断矩阵元素取值及其含义
标度 含义
l 表示两因素相比，具有同样的重要性
表示两3 因素相比，前一 个因素 ( )比后 一个因素
(J)稍微重要
表示两因素相比，前一个因素(i)比后一个因素
(J)明显重要
7 表示两因素相 比，前一个因素( )比后 一个 因素
(J)强烈重要
9 表示两 因素相 比，前一个因素(i)比后一个 因素
0)极端重要
2、4、6、8 ± 述两相邻判断的中间值
表2 平均随机一致性系数
l 2 3 4 5 6 7
RJ O O 0．58 0．9 1．1 2 1．24 1．32
表3 评估矩阵A～口 对总体目标而言的相对权重
指标 B1 1l t32 1l t3、
权重QA o．285 7 l ()．1／i2 8 l ()．571
表4 风险因素Cf对各子目标B 而言的相对权重
指标 (、l C一， (、l (、 1 (’l (、“
权重QBl 0．156 6 0．059 0．302 2 0．268 4 0．138 3 0．075 5
权重QB2 0．17l 5 0．079 0．185 2 0．158 3 0．348 5 0．056 6
权重QB。 0．1 59 0．1 99 0．246 4 o．053 3 ()．266 7 0．o75 5
BRJDGE AND TUNNEL CONSTRUCTION AND M ACHINERY
表5 风险指标权重总排序
风险指标 结构特殊性 施工工艺 自然因素 人为因素 设备安全 资金状况
权重 0．253 6 0．24l 8 0．16 0．141 9 0．129 7 0．072 8
2 基于易损性理论的风险评估理论
易损性(Vulnerability)是指事物容易受到伤害
或损伤的程度，它反映了特定条件下事物的脆弱性，
对于工程结构来说，构件的易损性能反映承载能力
安全储备的大小，安全储备越小，则构件就越容易发
生损伤。Blaikie_7 等特别强调了易损性问题，认为
灾害是易损性承载体与致灾因子相互作用的结果。
JitendraA等对结构易损性的解释是，局部很小的破
坏可以导致结构的连锁破坏，显然一个整体性好的
结构，即结构的局部破坏不影响结构的整体安全性
时，结构的易损性就小。
斜拉桥在施工状态下的易损性分析，受到很多
因素的影响，在斜拉桥设计中各种参数的取值不仅
影响其整体结构体系的外形，而且会对整个斜拉桥
的力学性能产生重要的影响。所以正常使用状态下
的易损性分析只能针对某一特定的结构体系而开
展，找到结构易损性大的构件或者部位。进行工程
结构设计时，安全系数是各类设计规范要求考虑的
设计参数，它是表明结构或者构件达到某种失效状
态(破坏或者开裂)时的计算临界承载力与计算荷载
作用力之间的比例关系的系数。通过安全系数可引
入损伤系数，损伤系数是应力增大值占应力原始值
的百分比。本文采用通过计算损伤系数的方法来确
定斜拉桥的易损梁段以及易损斜拉索。
3 实桥施工阶段静风效应分析
根据风险因素识别结果，结构特殊性和施工工
艺为该桥风险指标中权重较大的因素。进一步考虑
到该桥桥型为大跨径斜拉桥，施工工艺采取悬臂浇
筑方法进行施工，桥址处于深切峡谷复杂地形，因
此，狭管效应、抗风问题突出 ]。本节着重对主桥施
工至最大悬臂阶段的横风效应进行分析。
3．1 基本风参数确定
要对结构的抗风安全问题进行分析，首先要确定
基本风速。
实桥桥位附近山体的平均海拔约450 rn，100年
重现期10 ITI高度的年最大风速平均为24．8 rn·S_。。
由于主桥桥面处于由大桥周围群峰形成的冠层以内，
大桥的设计基准风速应在桥位基本风速的基础上乘
以不大于1．0的地形修正因子，这里偏保守地按峡谷
风的分析结果取为1．0，于是桥面处的设计基准风速
= 24．8 m·s ，设计基准风压V 一O．362 5 kN·m 。。
对于施工阶段，重现期按10年考虑，则施工阶段的
设计基准风速为
一0．84Ud一0．84× 24．8— 2O．8 m ·S- (1)
重现期按1O年考虑，则施工阶段的设计基准风
压为
V 一0．84W d= 0．84× 0．362 5 —
0．304 5 kN ·m (2)
3．2 基本风压统计规律
根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》
(GB／T 50283-1999)，经统计假设检验，可认为年
最大风压概率分布服从极值I型分布，其分布函
数为
Fway 沪exp{-exp[一 ])㈦
其平均值为 一0．298W。k，标准差为 一0．
106 W。k，变异系数 ⋯ 一0．356 W。k，W。k为现行规
范规定的基准风压。将分布函数求导便可得概率密
度函数为
Pway( [200exp ]／
{ 7Wok X exp ])㈩
在此本文主要关注大于等于风压z时对桥梁
结构的影响。
3．3 主桥静风作用风险分析
采用三维有限元软件建立了主桥施工过程的有
限元分析模型 ]。桥墩、主梁和索塔采用三维梁单
元进行模拟，考虑了不同节段处钢筋的实际配置情
况，拉索采用桁架单元进行模拟，全桥有限元分析模
型如图4所示。
图4 全桥有限元模型
风压的分布概率及概率密度如以上所述，选取
81
BRIDGE AND TUNNEL CoNSTRUCTIoN AND M ACHINERY
5个具代表性的风压0．084、0．113、0．132、0．192、
0．310 kN·m ，它们对应的分布概率分别为0．5、
0．8、0．9、0．99、0．999 9，即风压超过O．084 kN ·m
的概率为0．5，风压超过0．113 kN ·iTI 的概率为
0．2，风压超过0．132 kN ·m 的概率为0．1，风压
超过0．192 kN ·m 的概率为0．01，风压超过
0．310 kN·m 的概率为0．000 1。将各风压施加
到有限元模型上进行求解，根据计算结果可知主梁
0号块175号单元内力、应力变化幅值最大。图5
为0．3l0 kN ·1TI一。风压作用下全桥主梁的弯矩
分布。
f l
～ q目-孵 — 。 _ 山— 础
图5 风压0．310 kN·m 作用时全桥主梁弯矩
计算最大悬臂在无风状态下与风险因素风压
0．084 kN ·m 、风压0．113 kN ·m 、风压0．132
kN·m 、风压0．192 kN ·m～ 、风压0．310 kN ·m_。
作用时两个桥塔的塔梁固结处主梁的内力差值△
及损伤系数。结果显示，随着风压的增加，塔梁固结
处的内力不断增加，尤其是8 塔梁固结处，在施工
中应予以重视，应当采取适当的保护加固措施。
表6为最大悬臂在无风状态下与风险因素风压
0．084 kN ·m 、风压0．113 kN ·rn一、风压0．132
kN ·m 、风压0．192 kN ·m ～ 、风压O．310 klN·m
分别作用时易损斜拉索对应的应力差值及损伤系
数。本文将无风状态和给定风压作用时应力变化幅
值最大的斜拉索定义为易损斜拉索。
表6 斜拉索应力
风压／(kN·m ) 单元号 A／kPa 损伤系数／
()．()84 449 1OO O．O77
E t
0．113 449 100 0．077
0．1 32 534 200 0．083
0．1 92 34 2OO 0．083
()．310 534 4OO 0．1 66
82
由表6可知：前两种工况下易损斜拉索为8号
塔Bl斜拉索(单元编号为449)，该拉索为8号塔左
侧第一对斜拉索；后三种工况下易损斜拉索为8号
塔C7斜拉索(单元编号为534)，该拉索为8号塔右
侧第七对斜拉索，位于中跨L／3附近。
4 结 语
(1)本文提出了结构易损性结合有限元建模的
风险评估方法，并采用了层次分析法对建设期间的
斜拉桥的风险源进行了分析。
(2)通过对实桥的风险因素识别和易损性分析
可得：横向静风作用在建设期间对塔梁临时固结处
梁段及部分斜拉索会产生较大的影响，并且随风压
的增大，斜拉索和梁段的易损性程度随之提高。
(3)施工过程中上部结构应力变化幅值可以通
过损伤系数来表征，并可以进一步确定斜拉桥的易
损梁段以及易损斜拉索，大跨径斜拉桥应重视悬臂
施工时横风引起的结构内力，并对易损性梁段和拉
索密切监控，积极采取措施防止事故发生。
参考文献：
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[责任编辑：杜卫华]

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