基于改進(jìn)AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的山區(qū)在役柔性懸索橋運(yùn)營安全風(fēng)險評估

楊忠恒 簡平 李睿

摘 ?要： 針對傳統(tǒng)的層次分析法（AHP）在橋梁運(yùn)營安全評估中的不足之處，提出了基于改進(jìn)AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的在役懸索橋運(yùn)營安全風(fēng)險評估分析方法。該方法通過定量、客觀的分析，克服傳統(tǒng)評估方法中各個風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重值計算的局限性，做到了主觀權(quán)重和客觀權(quán)重相結(jié)合，為在役懸索橋制定科學(xué)、正確、合理的管理方案提供了重要參考。同時以云南新龍橋?yàn)槔M(jìn)行驗(yàn)證，得到各個風(fēng)險源的權(quán)重值，并找到超載風(fēng)險是影響懸索橋安全運(yùn)營的主要影響風(fēng)險源。運(yùn)用有限元軟件對懸索橋運(yùn)營階段基于超載風(fēng)險的仿真分析，明確超載對該橋安全運(yùn)營的影響程度。研究表明該評估方法改進(jìn)和完善了在役懸索橋運(yùn)營風(fēng)險綜合評估方法，同時對其他橋型的風(fēng)險評估也有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)險評估;懸索橋;AHP;熵權(quán)法;超載，有限元軟件

中圖分類號： TB115 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.013

本文著錄格式：楊忠恒，簡平，李睿，等. 基于改進(jìn)AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的山區(qū)在役柔性懸索橋運(yùn)營安全風(fēng)險評估[J]. 軟件，2019，40（6）：5763

【Abstract】： Aiming at the shortcomings of traditional analytic hierarchy process （AHP） in bridge operation safety assessment， this paper proposes an operational safety risk assessment analysis method based on the combination of improved AHP and entropy weight method. The method overcomes the limitation of the calculation of the weight value of each risk index in the traditional evaluation method through quantitative and objective analysis， and combines the subjective weight with the objective weight to provide an important， scientific and correct management plan for the suspension bridge in service. reference. At the same time， the Yunnan Xinlong Bridge is taken as an example to obtain the weight value of each risk source， and finding the overload risk is a key risk source affecting the safe operation of the suspension bridge. Using finite element software to simulate the overload risk based on the overload stage of the suspension bridge， the impact of overload on the safety operation of the bridge is clarified. The research indicates that the evaluation method improves and perfects the comprehensive assessment method of operational risk of suspension bridges in service， and also has certain reference significance for the risk assessment of other bridge types.

【Key words】： Risk assessment; Suspension bridge; AHP; Entropy weight method; Overload; Finite element software

0 ?引言

近幾年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國的橋梁建設(shè)也取得了舉世矚目的成就。懸索橋由于其跨越能力強(qiáng)，受力明確，材料利用率高，造型美觀，施工快捷等優(yōu)點(diǎn)，成為了跨越山川河流的最佳橋型之一[1-2]。但是懸索橋因其結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，跨度大，在運(yùn)營期間存在許多不確定因素，從而引發(fā)橋梁安全事故。因此，預(yù)防和控制懸索橋風(fēng)險因素是保證橋梁安全運(yùn)營的關(guān)鍵問題。為解決該問題，首先應(yīng)明確懸索橋在運(yùn)營期間的風(fēng)險因素，并對風(fēng)險因素進(jìn)行評估，得到各個風(fēng)險因素對懸索橋的影響程度，最后根據(jù)影響程度的大小制定相應(yīng)的預(yù)防和控制措施[3-4]。當(dāng)前橋梁風(fēng)險評估研究大多是針對橋梁施工控制階段，對于運(yùn)營期間的風(fēng)險評估相對較少。在橋梁運(yùn)營期間，一旦橋梁出現(xiàn)事故，將造成巨大的損失。對于在運(yùn)營期間橋梁事故大多數(shù)是有規(guī)律可循，如果運(yùn)用科學(xué)合理的方法計算出風(fēng)險發(fā)生的概率以及該風(fēng)險對橋梁的影響程度，并對此制定合理科學(xué)的預(yù)防措施和應(yīng)急方案，將加強(qiáng)橋梁在運(yùn)營期間的風(fēng)險管理，極大的保證橋梁在運(yùn)營期間的安全運(yùn)營。

目前，國內(nèi)對于橋梁運(yùn)營安全評估方法主要是AHP[5-6]，該方法把影響橋梁安全運(yùn)營的因素分解成不同層次，在各層次上進(jìn)行定量和定性分析。但是橋梁風(fēng)險評估是個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的AHP在面對這類問題時可能會出現(xiàn)指標(biāo)間的影響程度模糊性或者不準(zhǔn)確性[7-8]。針對傳統(tǒng)AHP的不足之處，本文考慮將AHP和熵權(quán)法相結(jié)合，并對傳統(tǒng)的AHP和熵權(quán)法進(jìn)行優(yōu)化，從而得到各風(fēng)險源的最優(yōu)綜合權(quán)重值。該方法不僅能使專家的知識與經(jīng)驗(yàn)得到充分發(fā)揮，而且使客觀數(shù)據(jù)間相互結(jié)合，使評價的結(jié)果更加可靠和準(zhǔn)確。

1 ?AHP和熵權(quán)法改進(jìn)及運(yùn)用

1.1 ?AHP的改進(jìn)和運(yùn)用

層次分析法（簡稱AHP）是美國Satty[9]教授提出的，是一種將定性和定量相結(jié)合的方法。其主要思路是把需要決策的問題以總目標(biāo)，子目標(biāo)以及評價的準(zhǔn)則進(jìn)行分層，各個層次之間相互關(guān)聯(lián)，上一層支配下層，呈遞階關(guān)系。這種層次分析可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字，在運(yùn)用矩陣進(jìn)行判斷，得到在特定的準(zhǔn)則下的優(yōu)先順序，從而賦予各個影響因素的權(quán)重值[10]。其難點(diǎn)就在于構(gòu)造兩兩比較矩陣，這關(guān)系到評估權(quán)重的科學(xué)性、客觀性以及正確性。學(xué)者[11]提出采用“1～9標(biāo)度法”來描述各因素之間的相對重要性，但是在實(shí)際中遇到主觀不確定和認(rèn)知模糊的問題時，“1～9標(biāo)度法”容易把問題細(xì)化，使得評價結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)誤差。針對這種情況，研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用“0～2”三標(biāo)度法可以避免這種情況。三標(biāo)度法具體意義如表1。

2 ?工程實(shí)例

2.1 ?工程背景

新龍橋位于云南大理，是橫跨瀾滄江連接兩岸交通的主要通道。該橋主跨為180米的懸索橋，兩側(cè)引道分別為2×11米和1×10米的鋼筋混凝土空心板，橋面凈寬3.5米，設(shè)計速度為10 Km/h。下部結(jié)構(gòu)0號橋臺采用重力式橋臺，4號橋臺采用樁基礎(chǔ)。

2.2 ?建立風(fēng)險評價指標(biāo)體系

在役懸索橋在運(yùn)營期間的風(fēng)險評估是一個復(fù)雜且龐大的系統(tǒng)，考慮新龍橋內(nèi)外因素對其進(jìn)行風(fēng)險識別劃分，得到該橋運(yùn)營期間風(fēng)險評估指標(biāo)。分別劃分3個準(zhǔn)則層，以及每個準(zhǔn)則層下又分多個指標(biāo)，基本包含該橋在運(yùn)營期的各個風(fēng)險因素。具體如圖2所示。

2.3 ?基于改進(jìn)AHP法的主觀權(quán)重計算

由表8可知，隨著荷載不斷的增加，主梁豎向位移也在不斷增加，以設(shè)計荷載為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)超載系數(shù) =2時，主梁的豎向位移達(dá)到了1806 mm，其豎向位移增幅達(dá)到了45.7%，主梁的撓度已經(jīng)不滿足規(guī)范要求。同時，豎向撓度過大，增加豎向反復(fù)變形的疲勞程度，減少橋梁的服役年限。

4 ?結(jié)論

本文通過建立懸索橋風(fēng)險評估體系，并以新龍橋?yàn)楣こ虒?shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）基于改進(jìn)的AHP和改進(jìn)熵權(quán)法相結(jié)合對懸索橋進(jìn)行風(fēng)險評估，改進(jìn)和完善了懸索橋運(yùn)營風(fēng)險綜合評估方法，使評價過程變得清晰簡便，充分將專家的知識和經(jīng)驗(yàn)與客觀數(shù)據(jù)間相結(jié)合，避免了單獨(dú)運(yùn)用傳統(tǒng)AHP造成的主觀性較強(qiáng)的缺陷，使結(jié)果更為可靠準(zhǔn)確。

（2）文中基于懸索橋的內(nèi)外影響因數(shù)將懸索橋的運(yùn)營風(fēng)險評估體系劃分成包含人為災(zāi)害、自然災(zāi)害、偶然災(zāi)害三個綜合評估指標(biāo)，在三個指標(biāo)下又分成16個具體指標(biāo)對橋梁進(jìn)行風(fēng)險評估，該體系基本包含了影響懸索橋安全運(yùn)營的各個風(fēng)險因素，評估指標(biāo)體系是合理的。

（3）通過新龍橋風(fēng)險評估結(jié)果表明，影響新龍橋安全運(yùn)營的主要風(fēng)險是超載風(fēng)險。同時對于超載風(fēng)險建立空間有限元 模型分析，其結(jié)果表明，超載運(yùn)營對該橋影響較明顯，當(dāng)超載系數(shù)達(dá)到2時，縱梁應(yīng)力基本接近鋼材的允許應(yīng)力值，易造成主梁的破壞;豎向撓度超過了規(guī)范限值，嚴(yán)重影響行車舒適感?？刂瞥d運(yùn)營是十分有必要的。

（4）通過對運(yùn)營期的懸索橋風(fēng)險評估，將得到懸索橋運(yùn)營期間主要影響安全運(yùn)營的風(fēng)險源，對此做好預(yù)防措施以及應(yīng)急方案，將極大提高懸索橋的運(yùn)營安全，同時該評估方法對其他橋型在運(yùn)營安全評估一樣有參考價值。

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