（道路与铁道工程专业论文）大跨度连续刚构桥建设期风险分析研究.pdf

摘要 近年来，大跨度连续刚构桥得到了迅速的发展。随着结构的创新和跨径的增大，施 工中各种不确定性因素显著增加，大跨度连续刚构桥工程建设正面临着前所未有的高风 险，必须给予足够的重视，否则极易发生工程事故，危及结构、财产和生命安全。本文 以大跨度连续刚构桥建设期间风险为主要研究对象，围绕以下几个方面展开研究： 1 对大跨度连续刚构桥梁建设期风险分析理论进行研究。阐述了风险的基本概念与 风险分析的基本原理，给出风险的一般性定义，提出桥梁风险分析方法；在明确桥梁建 设期结构风险的基础上，首先提出了大跨度连续刚构桥建设期风险分析理论。 2 针对目前桥梁结构的抗风评估方法关于不确定性参数只能粗略地考虑的现状，首 次从风险的角度对在建大跨径刚构桥梁结构的抗风评价进行全面、系统的研究。提出了 在建大跨连续刚构桥梁风荷载作用下发生抖振时的抗风风险评估方法；建立了结构在风 荷载作用下损失评价模型及抗风风险接受准则，提出了该类桥梁的抗风风险应对策略。 3 首次提出了基于r b p n n 网络的桥梁船撞风险概率模型，并编制了计算程序。以 桥梁跨径、水流流速、水流方向与桥轴法线的夹角以及桥区航道弯曲度等船撞主要影响 因素为参数，得出船撞事故的概率，建立r b p n n 网络。以现有典型桥梁的基础数据为 训练样本对r b p n n 网络进行训练，得到了能很好地反映上述影响因素的桥梁船撞事故概 率识别系统。提出了在建桥梁降低船撞风险的具体建议。 4 结合大跨连续刚构桥梁施工的特点，本文首次提出了一种基于有限元一r b 孙m 神经网络一蒙特卡罗模拟( f r m ) 的施工风险概率估计方法，对大跨连续刚构桥梁施 工风险损失进行了系统、全面的研究。阐述了桥梁施工风险评价的基本原理；提出了风 险评价模型的建模原则，建立了桥梁施工风险总体评价模型，提出了风险评价指标的制 定原则，建立了以风险接受准则与风险等级评价标准为代表的桥梁施工风险评价指标体 系，实现了大跨连续刚构桥施工风险多角度、全方位的综合评价。 5 在完成大跨连续刚构桥梁建设中的单目标风险评估研究后，本文尝试提出了一种 新的桥梁建设多目标风险评估方法。通过对现有风险评估方法和决策原理的归纳和总 结，建立了以灰色层次综合分析法和a l a r p 决策准则为主线的大跨度桥梁建设多目标 风险决策理论体系。并结合实桥北山大桥施工，研究了大跨连续刚构桥施工多目标风险 的评估和决策问题。 6 论文提出了科学合理、综合全面的桥梁施工风险决策原则和决策指南，解决了如 何选取最优的建设方案和最佳风险应对策略的问题，为风险决策者提供了重要的决策参 考。 关键词：大跨度连续刚构桥；船撞：风致；施工：神经网络；风险准则；评价指标； 风险应对；风险决策 n a b s t r a c t t h er e m a r k a b l ed e v e l o p m e n to fl o n gs p a nc o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e sh a st a k e n p l a c ei nr e c e n ty e a r s w mt h ei n n o v a t i o n so fs t r u c t u r e sa n dt h ei n c r e a s eo ft h es p a nl e n g t h ， a l lk i n d so fu n c e r t a i n t yh a v eb e e na r i s e n , a n dt h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni sf a c e d 、析m u n p r e c e d e n t e dh i g hr i s k t h ee n g i n e e r i n ga c c i d e n t sw h i c he n d a n g e rs a f e t yo fs t r u c t u r e s ， p r o p e r t i e sa n dp e o p l e sl i v e s ，m a yt a k ep l a c ei fe n o u g ha t t e n t i o nh a sn o tb ep a i d t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ec o n s t r u c t i o nr i s ko fl o n gs p a nc o n t i n u o u sr i g i d - f r a m eb r i d g e s ， w h i c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h et h e o r e t i c a ls k e l e t o ni se s t a b l i s h e d i nt h i sp a p e r , t h er i s kc o n c e p t i o na n di t s a n a l y s i sp r i n c i p l ea r ed i s c u s s e d t h ed e f i n i t i o no fr i s ka n dt h es e l e c t i o np r i n c i p l eo fr i s k a n a l y s i sm e t h o d sa r ep u tf o r w a r d ，a n dt h et h e o r e t i c a ls k e l e t o no fc o n s t r u c t i o nr i s ka n a l y s i sf o r b r i d g e si sb u i l tf i r s t l yo nt h eb a s i so fg i v i n gd e f i n i t i o no fs t r u c t u r er i s k so fb r i d g e sd u r i n g c o n s t r u c t i o n 2 c o n v e n t i o n a lm e t h o d so fw i n d - r e s i s t a n tp e r f o r m a n c eo fb r i d g e sd e a l 、析t l lu n c e r t a i n p a r a m e t e r sb ys i m p l e m e a n s t h em o d e ma p p r o a c hi n a s s e s s i n gt h ew i n d - r e s i s t a n t p e r f o r m a n c eo fb r i d g e si sf i r s tt ob ei n v e s t i g a t e df r o mt h ep o 妯to fr i s ka s s e s s m e n t t h e s y s t e mo fr i s ka s s e s s m e n ta n da n a l y s e so fb u f f e t i n gw h e nb r i d g es t r u c t u r e su n d e rw i n da r e b u i l t ，a n dl o s ta s s e s s m e n tm o d e li sa l s oe s t a b l i s h e d t h ep r i n c i p l eo fr i s ka c c e p t a n c ec r i t e r i ai s i n t r o d u c e d ，a n dt h es t r a t e g ya n dt e c h n i q u e so fr i s kr e s p o n s eo fb r i d g es t r u c t u r e su n d e rw i n di s a l s ob u i l t 3 i nt h i sp a p e r , a na p p r o a c ho ft h es y s t e m a t i ca r t i f i c i a ln e u t r a ln e tw a si n t r o d u c e di n t o t h ea n a l y s i so nt h es h i p - a g a i n s t - b r i d g e sp r o b a b i l i t yw i t hac o m p u t e rp r o g r a m s b a s e do nt h e b a s i sd a t ao ft h ep r e s e n tt y p i c a lb r i d g e sa st h es a m p l e ，c h i e fi n f l u e n t i a lf a c t o r sa st h ei n p u t c o e f f i c i e n t ，s u c ha st h eb r i d g es p a n , t h ew a t e rf l o wr a t e ，t h ei n c l i n ea n g l eb e t w e e nw a t e rf l o w d i r e c t i o na n dt h ed i r e c t i o nn o r m a lt ob r i d g ea x i s ，a n dt h ec u i v ei nt h ec o u r s en e a rt h eb r i d g e a r e a , w i t ht h es h i p - a g a i n s t - b r i d g ep r o b a b i l i t ya st h eo u t p u tc o e f f i c i e n t , t h ei n t e l l i g e n tj u d g i n g s y s t e mo ft h es h i p - a g a i n s t - b r i d g e sp r o b a b i l i t yr e f l e c t i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ea b o v ei n p u t p a r a m e t e r si so b t a i n e da f t e rt r a i n i n g s o ，ag e n e r a lf r a m e w o r kf o rt h er i s ka n a l y s i so ft h es h i p i m p a c ta g a i n s tb r i d g e si ss e tu p t h es p e c i f i cs u g g e s t i o n st od e c r e a s i n gs h i pc o l l i s i o n so nt h e b r i d g eh a v eb e e np r e s e n t e d 4 d u et ot h ep e r f o r m a n c ef u n c t i o n so fl o n g s p a nc o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e s c o n s t r u c t i o n ，am e t h o d ， c o m b i n i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d sa n dr b p n n n e u r a ln e t w o r ka n d m o n t e c a r l os i m u l a t i o n ，i sp r e s e n t e d ，w h i c hi sc a l l e df r m t h ep r i n c i p l eo fc o n s t r u c t i o n i l l r i s ka s s e s s m e n tf o rb r i d g e si sd i s c u s s e d t h ep r i n c i p l ef o rb u i l d i n gam o d e lo fr i s ka s s e s s m e n t i sp r e s e n t e d t h em o d e lo fc o m p r e h e n s i v er i s k sa s s e s s m e n tf o rb r i d g e si sb u i l t t h ep r i n c i p l e f o re s t a b l i s h i n gr i s ka s s e s s m e n ti n d i c e si sp u tf o r w a r d t h ec o n s t r u c t i o nr i s ka s s e s s m e n ti n d e x s y s t e mf o rb r i d g e s ，w h i c hi n c l u d e sr i s ka c c e p t a n c ec r i t e r i aa n dr i s kg r a d ea s s e s s m e n ts t a n d a r d ， i sb u i l t t h i sm a k e si tp o s s i b l et oc o m p r e h e n s i v e l ya s s e s sc o n s t r u c t i o nr i s ko fb r i d g e si n a l l r o u n dw a y 5 b a s i cb r i d g er i s ka s s e s s m e n ta p p r o a c h , m u l t i o b j e c t i v eb r i d g er i s ka s s e s s m e n tm e t h o d a n dp u b l i cs a f e t yo r i e n t e db r i d g er i s ka s s e s s m e n ti n v e s t i g a t e di nd e t a i la f t e rs i n g l eo b j e c t i v e b r i d g er i s ka s s e s s m e n t c o m p a r e d 谢mo t h e rr i s ka s s e s s m e n tm e t h o d s ，m u l t i - o b j e c t i v eb r i d g e r i s ka s s e s s m e n ts y s t e mb a s e do na h p g r a pa n da l a r pi sb u i l t d u et ob e is h a hb r i d g e ， r i s ka s s e s s m e n ta n dr i s k d e c i s i o n m a k i n gf o rl o n g - s p a n c o n t i n u o u sr i g i d - f r a m e b r i d g e s c o n s t r u c t i o nm u l t i - o b j e c t i v eb r i d g er i s ka r es t u d i e d 6 i nt h i sp a p e r , t h es c i e n t i f i c ，r a t i o n a l ，s y n t h e t i c a la n dc o m p r e h e n s i v eg u i d e sa r ep u t f o r w a r d t h i sm a k e sh o wt os e l e c tb e s tc o n s t r u c t i o np r o j e c ta n do p t i m u mt r e a t m e n ts t r a t e g i e s f o rc o n s t r u c t i o nr i s ko fb r i d g e sp o s s i b l e ，a n dp r o v i d e si m p o r t a n td e c i s i o nr e f e r e n c e st or i s k s d e c i s i o nm a k e r s k e y w o r d s ：l o n gs p a nc o n t i n u o u sr i g i d f r a m eb r i d g e s ；s h i pi m p a c ta g a i n s tb r i d g e ； r i s ku n d e rw i n d ；c o n s t r u c t i o n ；n e u t r a ln e t w o r k ；r i s kc r i t e r i a ：r i s ka s s e s s m e n t ； r i s ka c c e p t a n c ec r i t e r i a ；r i s kt r e a t m e n t ；r i s kd e c i s i o n - m a k i n g i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 似7 年6 月少日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 7 干忌 导师签名：孥炯吣 彻7 年多月叫日 瑚7 年6 月胪日 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 大跨度连续刚构桥梁的发展概况与前景 1 1 1 大跨度连续刚构桥梁的的发展概况 大跨度连续刚构桥以其刚度大、整体性好、养护费用低等特点，在跨越山谷沟壑地 带的桥型选择时往往备受青睐。连续刚构桥是在带铰t 形刚构桥梁的基础上发展起来 的，1 9 6 4 年原联邦德国建成的主跨为2 0 8 m 的本道夫( b e n d o r f ) 桥就是一个带铰的连 续一刚构体系，这种体系跨越能力较强，但在跨中设铰处行车不平顺。 1 9 8 2 年美国在 修建休斯敦( h o u s t o n ) 运河桥时取消了上部箱梁跨中的铰构造，直接将跨中部分固结 起来，形成了跨径为1 1 4 + 2 2 8 6 + 11 4 m 的连续刚构体系，使行车更加舒适平顺，这便是 世界上第一座真正意义上的大跨度连续刚构桥。随后1 9 8 5 年澳大利亚建成了跨径为 1 4 5 + 2 6 0 + 1 4 5 m 的门道桥( g a t e w a y ) ，这座桥是连续刚构桥梁修建史上的一座里程碑式 建筑，它将该类桥型最大跨径的世界记录保持了1 2 年之久。目前国外最大跨径预应力 混凝土连续刚构桥是挪威的s t o l m a 桥，其主跨跨径已达3 0 1 m ，它的姊妹桥r a f ts u n d e t 的主跨跨径也达到了2 9 8 m 。国外部分大跨径连续刚构桥梁资料见表1 1 。 表1 1国外一些大跨径连续刚构桥 桥名国名跨径( m )建成年 s t o l m a 桥 挪威9 4 + 3 0l + 7 21 9 9 8 r a f ts u n d e t 桥挪威8 6 + 2 0 2 + 2 9 8 + 1 2 51 9 9 8 g a t e w a y 桥 澳大利亚 1 4 5 + 2 6 0 + 1 4 51 9 8 5 s c h o tt w i e n 桥奥地利2 5 01 9 8 9 d o u t o r 桥 葡萄牙2 5 0 1 9 9 l h o u s t o n 运河桥 美国 1 1 4 + 2 2 8 6 + 1 1 4 1 9 8 5 m o o n e y 桥 澳大利亚1 3 0 + 2 2 0 + 1 3 0 1 9 8 5 o r w e i l 桥英国 1 9 01 9 8 4 1 9 9 0 年建成的广东洛溪大桥( 主跨1 8 0 m ) ，开创了我国修建大跨径连续刚构桥的先 例。近二十年来，在全国范围内已建成跨径大于2 0 0 m 的连续刚构桥有数十座。世界已 建成跨度大于2 4 0 m 连续刚构桥1 8 座中，中国就占9 座，其中西部地区占5 座。1 9 9 7 年建成的虎门大桥辅航道桥( 主跨2 7 0 m ) 为连续刚构当时世界第一跨径。随后相继建 成了福建宁德下白石特大桥( 主跨2 6 0 m ) 、泸州长江二桥( 主跨2 5 2 m ) 、重庆黄花园大 第一章绪论 桥( 主跨2 5 0 m ) 、黄石长江大桥( 主跨2 4 5 m ) 、重庆高家花园桥( 主跨2 4 0 m ) 、贵州六 广河大桥( 主跨2 4 0 m ) ，以上的数据说明我国大跨径连续刚构桥的设计与施工技术，已 居世界领先水平。随着我国西部大开发战略的深入，预计在西部深沟险壑地区修建的连 续刚构桥将越来越多，同时在设计及施工技术水平上将有新的突破。表1 2 列出了国内 部分跨径在2 4 0 m 以上己建成预应力混凝土连续刚构桥的有关资料。 表1 2 国内典型的预应力混凝土连续刚构桥一览表 序号名称主跨径( m )建成年 l 虎门大桥辅航道桥 1 5 0 + 2 7 0 + 1 5 01 9 9 7 2 云南红河特大桥 5 8 + 1 8 2 + 2 6 5 + 1 9 4 + 7 02 0 0 3 3 下白石特大桥 1 4 5 + 2 x 2 6 0 + 1 4 52 0 0 3 4 泸州长江二桥 1 4 5 + 2 5 2 + 5 4 82 0 0 l 5 重庆黄花园犬桥 1 3 7 + 3 x 2 5 0 + 1 3 71 9 9 9 6 黄石长江大桥 1 6 2 5 + 3 2 4 5 + 1 6 2 51 9 9 5 7 江津长江大桥 1 4 0 + 2 4 0 + 1 4 01 9 9 7 8 重庆高家花园大桥 1 4 0 + 2 4 0 + 1 4 0 1 9 9 7 1 1 2 大跨连续刚构桥梁的的发展趋势 随着桥梁建筑材料性能的不断改进，先进的设计理念、各种轻质高强的材料与先进 的施工工艺、方法不断被应用到连续刚构桥的工程建设中，为这类桥型的进一步发展提 供了空间。连续刚构桥正在向以下几个方向发展 2 1 ： 1 ) 跨径将进一步增大 目前，北欧国家挪威修建的预应力混凝土连续刚构桥其主跨已达3 0 1 m ，我国该类 桥的最大跨径为2 7 0 m ，因此应该有进一步提升的空间。随着我国西部大开发的进一步 深入，随着东部沿海地区连江跨海工程的实施，这类桥型的修建高潮仍在继续；并且随 着设计水平的提高和施工工艺的改善，性能优越的新材料应用，我国连续刚构桥的主跨 径突破3 0 0 m 指日可待。 2 ) 上部结构将轻型化 连续刚构桥梁很大的一个缺点就是恒载大，这一缺点阻碍了其跨越能力的进一步增 大，因此只要能够有效的减轻上部结构自重，使其轻型化，就能够达到增大跨径、改善 结构受力、降低挂篮要求、节约材料的目的。目前采用的主要方法有采用高强轻质混凝 土、跨中部分梁段采用钢箱梁等。重庆石板坡大桥在这方面就做了有益的尝试，该桥在 中跨部分采用了钢箱梁结构，减少了结构自重，使连续刚构桥的跨径达到3 3 0 m 。 2 长安大学博士学位论文 3 ) 采用真空吸浆工艺 预应力混凝土桥梁存在最大的问题之一是管道压浆不密实，现在越来越多的预应力 管道压浆采用了真空吸浆工艺，保证了预应力管道密实度，使预应力钢筋得到了有效的 保护。 4 ) 取消边跨落地支架 连续刚构桥边跨的一部分一般要采用落地支架现浇，对边墩较高或者处于深水区域 的桥梁进行边跨现浇段施工就存在很大困难，很难搭设落地支架。因此通过分析计算在 结构不出现负反力的前提下确定合适的边、中跨比，就可以取消边跨落地支架，将这部 分混凝土箱梁利用导梁进行现浇后实现边跨合龙，这样既方便了施工，也降低了工程造 价。 5 ) 上部结构连续长度增加 增加桥梁上部结构的连续长度，使车辆行驶的舒适度增加，这是桥梁发展的又一大 趋势，我国连续刚构桥的连续长度已由广东洛溪大桥的4 8 0 m ( 6 5 + 1 2 5 + 1 8 0 + 1 1 0 ) 发展到 黄石长江大桥的1 0 6 0 m ( 1 6 2 5 + 3x 2 4 5 + 1 6 2 5 ) ，从目前的发展势头来看，桥梁上部结构连 续长度的记录有进一步突破的可能性。 6 ) 桥墩越来越高 中国西部多为高原地形，许多高等级公路沿线地貌起伏较大，山峰畦地相间，坡陡 谷深，因而在跨越深水、峡谷时多采用高墩大跨度连续刚构桥型；近年来爬模、翻模技 术的发展与应用也促进了超高桥梁的建设，如我国的龙潭河大桥( 主跨2 0 0 m ) 墩高已达 1 7 9 米。 1 2 大跨度连续刚构桥梁施工风险分析研究的必要性 1 2 1 施工中的不确定性 对于大跨径连续刚构桥来说，由于结构刚度相对较柔，材料非线性特别是几何非线 性效应的影响就更加显著；在施工过程中存在体系转换，所引起的次内力必然给结构带 来复杂的内力及位移变化，所以存在着大量的不确定性。这种桥型常采用悬臂法进行施 工，其主要缺点是施工周期短、工序多，施工控制难度大且要求高。这些不利因素进一 步增加了大跨连续刚构桥建设过程中的不确定性。 大跨度连续刚构桥结构建设过程中的不确定性主要体现在以下几个方面。 1 计算模型的不确定性 连续刚构桥为了保证成桥时达到理想的线性及受力状态，必须进行施工控制，施工 3 第一章绪论 控制就必须根据施工的具体顺序建立计算模型，由于这种计算模型是对实际结构的简化 处理，因此就存在一定的误差，包括各种假定、边界条件的处理、模型本身的精度等等。 所有这些近似的处理，必然导致实际结构构件受力与变形与计算模型输出的结果有一定 程度的差异，因此必须引起足够的重视。 2 结构参数的不确定性 结构参数的不确定性主要包括以下内容。 ( 1 ) 结构几何尺寸的不确定性。任何施工都不可避免的存在误差，对于桥梁结构来 说，公路工程质量检验与评定标准中规定了桥梁结构允许出现的误差限值，只要不 超过标准中的规定，从质量验收的角度来讲应该是合格产品。但这种施工中产生的结构 几何尺寸的误差将直接导致结构几何特性产生变化，进而影响到结构的实际受力状态。 所以在具体的施工过程中应对结构的几何尺寸的不确定性进行严格控制。 ( 2 ) 材料弹性模量的不确定性。结构材料的弹性模量与结构的变形有直接的关系，对 于连续刚构桥这样的超静定结构来讲，弹性模量对结构分析的结果影响更大，每一个施 工阶段的混凝土的弹性模量与设计采用值总是有一定的差别，从而导致结构的实际变形 与理论计算值有差异，这就是结构材料弹性模量的不确定性。 ( 3 ) 施工荷载的不确定性。连续刚构桥在施工过程中，自始至终存在着各种施工荷 载的作用，如钢筋及混凝土材料重量、挂篮和施工设备的重量等，这种作用一直伴随着 整个施工过程，充满了随机性和不确定性，实际工程中又很难把握与控制，给桥梁的施 工安全造成了一定的威胁。因此，桥梁施工荷载的不确定性应予以足够的重视。 ( 4 ) 材料容重的不确定性。材料容重是施工过程中产生内力和变形的主要因素，实 际工程中所采用材料的容重与设计采用值有一定的差异，特别是混凝土材料，不同的集 料与不同的钢筋都会对容重产生影响，这就是材料容重的不确定性。施工过程中必须对 其进行准确识别与控制。 ( 5 ) 预应力的不确定性。预应力是混凝土连续刚构桥结构内力和变形控制要考虑的 重要因素，由于受张拉设备、管道摩阻、预应力钢筋截面尺寸与弹性模量的等因素的影 响，实测有效预应力的量值与设计计算值之间存在误差，有可能导致预应力损失过大或 预应力过度，预应力的这种不确定性对桥梁结构来说有时是致命的，会造成结构的先天 不足。 ( 6 ) 温度变化带来的不确定性。对于悬臂施工的大跨径连续刚构桥来说，温度变化对 结构的受力与变形影响很大，这种影响随时间的变化而改变。温度变化相当复杂，包括 4 长安大学博士学位论文 季节温差、日照温差、温度场变化等。在设计阶段往往是难以预测施工过程中的温度变 化情况的，因此温度变化带来的不确定性给施工质量控制及施工过程监控造成了很大的 难度。 ( 7 ) 材料收缩、徐变带来的不确定性。对于混凝土结构而言，材料的收缩、徐变对结 构内力及变形有较大的影响，这主要是由于大跨径桥梁施工时混凝土普遍存在加载龄期 小、各阶段龄期相差大所引起的，对于采用悬臂施工的连续刚构桥梁来说，这种影响尤 其显著，尽管在结构分析计算中已经考虑了材料收缩、徐变对结构受力与变形的作用， 但在施工过程中却很难准确把握这种不确定因素的影响，且这种不确定性还可能对桥梁 运营过程产生持久的影响。 3 人为因素的不确定性 在桥梁的施工过程中，人永远是整个活动的主体，必须考虑人为因素的不确定性。 由于受个人的身体状况、心理素质和环境压力等方面的影响，在处理具体问题时可能会 产生这样或那样的失误，这样就使整个桥梁施工过程一直存在着人为失误的隐忧，如果 不能很好的控制，将可能产生工程事故。 4 施工监测的不确定性 施工监测是桥梁的基本手段之一。监测包括应力监测及变形监测等。由于测量仪器、 仪器安装、测量方法、数据采集、环境情况等不确定因素的存在，所以施工过程中监测 数据总存在和控制值不相一致的结果，这除了客观方面的原因外，还存在施工监测人员 的人为误差。 总之，和其它复杂类型桥梁一样，大跨刚构桥在整个施工过程中存在着大量的不确 定性，这些不确定性时时刻刻在威胁桥梁的施工安全，因此必须对其进行风险评估，掌 握其基本规律，做好防范对策，使桥梁施工期间的风险水平降到最低。 1 2 2 施工中存在高风险 从上节对施工中桥梁结构存在的不确定性分析可以得知，桥梁的整个施工过程一直 伴随着各种各样的风险因素，这些风险因素如果不能得到妥善的处理，极易造成工程事 故。近年来的调查分析表明，工程结构尤其是桥梁结构在施工期的风险远远高于使用期。 以下是近年来国内发生的部分主要桥梁施工事故： 2 0 0 2 年1 月4 日，浙江省景宁畲族自治区境内的景泰公路改造工程中，一座正在合 龙的石拱桥突然发生坍塌，共有7 人死亡，1 7 人受伤。 2 0 0 5 年1 1 月5 日，遵义市务川至彭水公路珍珠大桥，在施工过程中悬拼拱架突然 第一章绪论 发生垮塌。这起事故共造成1 6 人死亡，3 人受伤，直接经济损失3 5 2 1 万元。 2 0 0 7 年8 月1 3 日，湖南省凤凰县正在施工的堤溪沱江大桥发生特大坍塌事故，这 起事故造成“人死亡、2 2 人受伤，这也是近年来最严重的一次桥梁坍塌事故。 2 0 0 8 年1 0 月2 8 日，重庆市武隆县浩口乡境内的芙蓉江跨江大桥施工现场发生载 人吊斗坠落事故，造成1 1 人死亡，1 2 人受伤。 同济大学阮欣博士收集了国内外5 0 0 起桥梁事故( 国内3 6 8 起，占7 3 6 ；国外1 3 2 起，占2 6 4 ) 的资料，并对其进行了深入分析后得出结论：国外由于施工方面原因产 生的桥梁工程事故仅占5 ，而我国高达9 0 ，这里面当然存在统计方面的误差，但从 另一方面说明了我国桥梁施工管理水平和国外确实存在很大的差距。由此可见，桥梁施 工期间存在着高风险，必须引起足够的重视，否则极易发生工程事故，而这些工程事故 往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡，带来不良的社会影响。 和其它结构桥型一样，大跨连续刚构桥施工过程中的任一环节的错误和疏忽，都会 降低结构施工期间的安全性，甚至产生工程事故。在制定施工方案前应对各种可能发生 的风险进行评价，并根据评价结果制定相应的对策，这样才能做到有备无患、安全有序 的施工，最大限度的保障人员与施工设备的安全，且将各种可能出现的风险所造成的损 失降到最低。因此开展大跨连续刚构桥建设风险分析研究是十分必要。 1 3 风险分析的发展和研究现状 1 3 1 国外风险分析的发展和研究现状 风险的概念最早出现在西方的经济管理领域中。1 8 世纪产业革命时，法国人h e n r i f y a o l 首次把风险管理的思想引进了企业经营领域，由于人们对此还没有足够的认识， 所以当时并没有得到广泛的应用。 上世纪5 0 年代，美国和欧洲一些国家将风险分析方法应用于核电厂的安全性评估 之中。风险管理才开始发展成为一门独立的学科。 将概率理论引入风险研究是在上世纪6 0 年代，在此期间以概率理论为基础的风险 评估研究得到了快速发展。比如在英国就建立了专门的研究机构一故障数据库和可靠性 服务所进行概率风险研究。 1 9 7 3 年3 月，美国一核电厂发电机组发生事故，核电厂的概率安全评价( p s a ) 开始 为人们所关注。1 9 7 5 年，n r c 首次发表了商用核电站轻水反应堆的风险分析报告。1 9 7 9 年，英国和德国的一些机构对荷兰的一些工业设施进行了风险评价。随后，关于此类的 风险分析评价技术在西方许多发达国家的诸多工业项目中得到了广泛的应用，并且先后 6 长安大学博士学位论文 研究推出了一系列风险评价方法，至此，以风险理论为基础的风险分析方法才真正进入 了实际应用阶段【3 j 。 1 9 8 6 年，发生了两起震惊世界的重大事故，一个是美国“挑战者”号航天飞机发生 爆炸，另一个是前苏联切尔诺贝利核电站爆炸事故，这两起事故使人们开始重视工程领 域内存在的风险问题，从某种意义上说促进了风险分析与评价技术的进一步发展。 上世纪8 0 年代，随着发展中国家经济的起飞，风险管理愈加为这些国家所重视， 风险管理研究也从发达国家逐步向发展中国家扩散。为了将风险管理科学推广和普及到 广大发展中国家，1 9 8 7 年联合国有关机构编辑出版了有关风险管理方面的专题研究报告 1 1 l ep r o m o t i o no fm a n a g e m e n ti nd e v e l o p i n gc o u n r t i e s ) ) 。 上世纪9 0 年代以来，风险分析方法得到了极大发展。各国政府和研究机构越来越 关注风险分析与风险管理方面的研究。同时一些机构还研究开发了风险分析的专业软 件。 目前，风险分析方法己经应用到诸如机械工程、医药化工、电子工程、土木工程、 及经济管理等领域，取得了一系列研究成果。随着时间的推移，可以想象风险分析理论 的研究与应用将会更加深入与广泛。 1 3 2 我国风险分析理论的发展和研究现状 我国风险分析理论研究相对欧美国家来说起步比较晚，但是，随着我国经济的发展 和工程建设的需要，风险管理的重要性逐渐被人们认识。2 0 世纪8 0 年代初，相继出现 了风险分析方面的文章，如1 9 8 3 年，李存斌发表了建设项目经济效果风险分析的函 数偏导法。1 9 8 4 年，李正编写了投资的经济效果及其风险分析。进入上世纪9 0 年 代后，国家对诸多关系国计民生的大型项目开展了较为深入的风险研究，取得了可喜的 成果，工程项目风险评价理论也逐渐与国际接轨，为我国的风险分析理论的深入研究奠 定了基础。 “七五、“八五”期间，天津大学参加了国家级科技攻关课题“三峡工程重 大科学技术研究 中的关于中国三峡工程风险分析的研究，这是我国首次对大型工程项 目进行的风险分析和评价，相关学者结合该工程项目的实例，全面、系统地研究了风险 的理论和方法，在总结研究成果的基础上，编写了投资项目风险分析一书。 针对大型工程项目实施阶段的风险分析与风险管理，同济大学多位学者进行了深入 研究。武汉水利电力大学结合专长对大型水利工程中许多风险问题进行了大量专题研 究。 7 第一章绪论 自上世纪9 0 年代中后期，我国许多高等院校、研究机构对工程项目风险分析理论 进行了不同程度的探索性研究，写了大量有关风险分析的论文，与此同时风险分析理论 也开始在工程项目领域得到广泛应用。 1 3 3 桥梁工程风险分析理论的研究和应用现状 风险评估理论在桥梁工程领域的研究起步较晚，应用也相对较少。根据国内外的风 险研究文献，这些研究和应用主要集中在以下几个方面1 3 j ： 1 桥梁船撞方面 s e x m i t h 针对桥梁的船撞风险，在1 9 8 3 年提出了桥梁在设计时应采取的保护性措施。 h i d e y u k i 于2 0 0 1 年介绍了船撞风险分析系统，他认为桥梁船撞事故人为因素占很大一 部分。2 0 0 2 年，同济大学的项海帆院士比较了中国规范与欧美规范( 或指南) 在处理船撞 问题上的异同。同年，哈尔滨工程大学的戴彤宇通过对国内许多船撞桥事故的分析比较， 建立了我国第一个桥梁船撞事故的数据库，并利用其研究成果对当时在建的哈尔滨松花 江斜拉桥进行了桥梁船撞风险分析研究，提出了降低桥梁船撞风险的具体建议。 2 桥梁车撞方面 2 0 0 1 年，z e n o n a s 在对桥梁遭受车辆撞击的风险进行了详细的研究后认为，可以从 以下几方面考虑桥梁车撞引起的损失：结构本身损失、车辆及货物损失、人员伤亡损失、 交通延误损失、社会和经济损失、环境损失等。同年，法国人p i e r e 对车桥碰撞概率、 碰撞后倒塌概率等进行了比较详尽的研究【3 2 0 l 。 3 桥梁抗震、抗风方面 2 0 0 1 年，m i y a m o t o 将马尔可夫过程应用到一种桥梁结构地震风险评估系统中，该 系统可以方便地确定结构损失函数，并利用这一系统对地震作用过程中桥梁结构性能的 变化给出了定量评价。同年，e h r f r i e d 考虑快速风险检查、风险严重性计算和风险回避， 给出了一个多阶段地震风险评估的流程。2 0 0 4 年，同济大学刘志文从风险的角度对缆索 承重桥梁的抗风性能评估进行了研究田l 。 4 桥梁超载、洪灾与火灾方面 b r y a n 针对一个8 座桥梁组成的道路交通系统，于2 0 0 1 年给出了超载和洪水风险评 价的例子。同年，p i e r e 对车辆所致桥梁火灾风险进行了研究，研究表明车辆在桥上发 生火灾的概率很低。 5 桥梁建设方案论证方面。 2 0 0 3 年，同济大学一批专家学者针对上海崇明越江通道的四个建设方案进行了建设 8 长安大学博士学位论文 方案风险论证研究。该研究对桥梁可能面临的多种风险问题进行了评估研究。该研究是 多项风险问题的研究，研究中各子项独立进行，评价方法也没有统要求，最后的风险 集成使用了定性方法。2 0 0 4 年，黎维祥等利用概率理论对由于河床演变、河道的变迁对 桥梁航道所产生的风险进行了定性评价。 6 桥梁试验方面 2 0 0 4 年，杨春侠利用可靠度理论对试验测试荷载的取值与结构失效概率的关系进行 了分析后指出：桥梁荷载试验时的试验风险与试验超载系数存在一一对应的关系，因此 在实施荷载试验时应严格控制试验荷载水平，防止因超载过大引起结构破坏。 7 桥梁施工方面 国内桥梁施工方面的风险研究相对较少，且大多采用定性的分析方法。2 0 0 2 年，朱 瑶宏采用专家打分法对杭州湾跨江大桥施工期风险进行风险辨识、风险分析，从建设者 的立场、工程管理的角度，以及从工程施工组织设计出发，研究制定了工程施工期风险 的防范措施。2 0 0 6 年，巩春领对大跨度斜拉桥施工风险分析与对策进行了研究，建立了 风险识别与评估模型，并提出了风险防范措施。 8 建设项目风险管理方面 2 0 0 0 年，夏卫根据代理重庆綦江彩虹桥垮塌事故工程质量纠纷案的体会，在对造成 工程质量问题的原因进行了深入分析的基础上，提出了减轻工程质量风险的对策及措 施。同年，黄俊结合工程保险，对桥梁工程建设项目的风险管理进行了基础性研究。2 0 0 4 年，t e r e s a 也从项目风险管理的角度，讨论了某桥梁工程项目所面临的多种风险，并给 出了减轻风险的措施。 9 桥梁管理与维护方面 该方面研究主要集中在对技术状况及桥梁承载能力的评定、桥梁养护维修与加固风 险研究两个方向上。2 0 0 1 年，m a r k 提出了基于可靠性理论的桥梁风险评估方法，并将 此方法应用到了桥梁的风险决策分析与运营期成本分析中。2 0 0 2 年，n g 利用m o n t e c a r l o 方法对某石拱桥进行了风险评估，并对影响结构失效的多个参数进行了深入的分 析研究。 1 4 本文主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要内容 为服务于大跨度桥梁工程的建设，本文以浙江北山特大桥施工项目为研究背景，从 风险分析理论、分析方法与分析体系等方面，对大跨连续刚构桥施工期的结构风险开展 9 第一章绪论 全面、系统的研究，研究制定出大跨连续刚构桥施工期结构风险的应对措施。研究内容 主要如下： 1 大跨度连续刚构桥建设风险评估理论研究。阐述风险的基本概念及风险度量的 合理表达式；论述风险分析的基本原理，在此基础上构建桥梁建设风险分析的总体理论 框架；在进行桥梁建设风险识别研究的基础上进行桥梁建设风险概率估计与损失模型问 题的研究；研究桥梁建设风险的评价方法和接受准则；开展桥梁建设风险应对策略和决 策准则研究。 2 大跨度连续刚构桥建设风致风险分析。针对传统桥梁结构的抗风性能评估中存 在的一些问题，从风险的角度对大