英译汉-中文译文

1、运用故障树分析方法分析Schoharie小河桥梁垮塌事件Keary H. LeBeau, P.E., S.M.ASCE1; Sara J. Wadia-Fascetti, M.ASCE21作者联系方式：邮箱地址：摘要：美国已经发生了一些桥梁坍塌导致人员伤亡的事件。其中一个失败的例子就是什科哈里溪特大桥(1987年)，激发了对桥梁管理有关政策和程序的改善。本文运用事故树分析的方法对桥梁坍塌事件做了详细地审查。故障树是用图形描绘了各种导致恶果的故障的路径。它会将船舶碰撞到火灾等一系列灾难性的事件考虑进去。故障树还提供了定量评估和比较不同的失效机制。分析结果显示，

2、在现实根源中冲刷是桥梁坍塌的根本原因。特别是在类似桥型的桥梁管理知识上，允许存在只专注关键环节的漏洞。对过去的桥坍塌事件的认识提醒着现在的做决策的桥梁工程师和管理人员，要促进公众的安全和结构的保护。吸取经验教训，有助于在未来避免类似的灾难性事件的发生。CE数据库关键词：桥梁；故障；复原；坍塌介绍纵观历史，灾难性的桥梁坍塌事件已经发生，造成人类生命的损失，商业的中断，巨大的维修费用。桥梁是我们国家基础设施的重要环节，必须加以保护，以便为公众提供安全性和可维护性。桥梁的设计应不断提高，维护和复原方案应该保护这些宝贵的资产。对过去发生的桥梁坍塌事件的深入审查，为今天的结构工程师和桥梁管理者提供了宝贵

3、的知识和见解。本文是介绍使用故障树分析方法分析过去发生的Schoharie小河大桥坍塌事件。除了直观简化地将桥梁作为一个系统，故障树定性描述了导致故障发生的不同路径，对其逻辑关系进行对比分析。建立故障树并对其进行评估来替代故障场景。故障树模型的桥梁垮塌故障树提供了一种塑造复杂系统的方法(在这种情况下，该系统是一个桥)，考虑系统不同组成部分之间的相互作用，为建立系统水平的失效概率评价模型提供了一种方法(Sianipar和Adams 1997；约翰逊1999)。它确定故障路径和关键要素，如桥墩基础。一个故障树的优点是它能够通过图形化描述和布尔代数推出桥梁系统相互的逻辑关系。这座桥可以塑造它的全部，

4、包括元素的相互作用、冗余、恶化的机制，如腐蚀和疲劳，以及环境因素。表1提供了故障树中使用的符号解释。对桥梁管理的需求和目标而言，关键故障的路径的知识是有用的。物理推理的桥梁设计师运用失效机理的相对重要的信息，能够提高恢复现在桥梁和未来的桥梁的设计。此外，对桥梁状况进行评估时，易出故障的元素对现场监察者来说是很重要的。故障树的状态评估信息也可以决定维修桥梁时的优先次序。虽然Schoharie小河大桥坍塌事件发生的十分突然，但是桥梁灾难性的瞬间坍塌时没有办法的。下面应用故障树分析法分析Schoharie小河大桥的坍塌来说明事件的恶化，最终导致坍塌的局面。表1 故障树中使用的符号含义Schohari

5、e小河大桥Schoharie小河大桥横跨Schoharie小河，位于纽约中央纽约州高速公路(I-90)，是莫霍克河的主要支流。该桥建于1953年到1955年，有五个简单的支撑跨度，总长度约540英尺(165米)。四车道的流量，每个方向有两个，在水上大约80英尺(24米)，如图1所示。图1 Schoharie小河大桥的海拔示意图 (WJE/ MRCE1987)每个桥跨的上层建筑是由两个钢梁和地板梁系统组成，下部结构包括四个混凝土桥墩和两个桥墩。每个码头是由两列平行排列的梁连接在顶部。并列梁的底部深入到混凝土基座的上面(图2)。大桥在使用三十二年后，在1987年4月5日的一场严重的洪水中桥梁发生了

6、坍塌，10人丧生。由于冲刷导致了机制恶化，三号码头支撑失效；立足点周围的抛石没能有效防止河床的侵蚀，底座和基础断裂张力的不足，导致了码头的坍塌。跨度3和4紧接着坍塌，跨度2在几个小时内也发生坍塌。图3是桥梁坍塌的照片。Schoharie小河大桥的故障树模型本文的目的是演示如何使用故障树分析法分析桥梁坍塌事件。在设计阶段，建立一个事故树预测模型；换句话说，用事故树列出导致Schoharie小河大桥坍塌的一切可能的事件。故障树代表一个时间点，而这恰好是桥梁坍塌的时间，或者更具体的说就是Schoharie小河大桥使用32年的时间。总之，在设计阶段建立的这个事故树，推测在32年后桥梁会坍塌。故障树先要

7、假设已经根据设计和规格建造好了桥梁，还要假定该桥梁在使用的32年中没有进行过大规模的维修和任何检查或保养。目前，人们经常对桥梁进行，但是像Schoharie小河大桥超过它的使用期限的，往往缺乏检查的标准，甚至是不存在的。在故障树中考虑到了这一点，并认为上述是最坏的情况。建立故障树，其顶上事件是使用32年的Schoharie小河大桥的坍塌，如图4，在图5中进行了详细的介绍。每个故障树事件中必须描述该事件是什么，什么时候发生的(Haasl等，1981)。因此，对于这个事件，Schoharie小河大桥倒塌的是什么，具体地说，部分桥梁的坍塌导致无法通行。时间是32年，这是桥梁坍塌时桥梁的年龄。一旦确定

8、了顶上事件，它就会认为是系统故障，促使着辨别导致其发生的原因。图2 Schoharie小河大桥码头 (WJE/MRCE 1987)图3 坍塌的Schoharie小河大桥 图片来自斯克内克塔迪公报(1902)图4 Schoharie小河大桥坍塌事件的事故树：顶上事件和其层次结构示意图作为一个系统的桥梁主要是由下部结构支持的上层建筑。分析上层建筑的顶上事件，桥梁的坍塌可以详细地定义为上层建筑中每一个跨度的坍塌，如图4所示。这些都是组成上层建筑的每个起到简单支撑作用的跨度的坍塌事件。有五个具体的事件：使用32年的上层建筑跨度X的坍塌，其中X = 1到5，分别代表5个跨度，如图4所示。这些事件是独立的

9、，基于一个合理的假设，每个跨度都是简单的而不是连续的。上层建筑事件或输入事件通过一个或门输出使用32年的Schoharie小河大桥坍塌事件。或门就是5个跨度中的任何一个发生坍塌时就会导致桥梁坍塌事件的发生。请注意，因果关系永远不会通过一个“或”门来表达，输入事件是有详细定义并且进行重新表达了的输出事件(Haasl等 1981)。图5 故障树分支：上层建筑跨度3的坍塌下面将讨论Schoharie小河大桥故障树设计中的元素。由于空间的限制，加上故障树又十分庞大，该树没有在本文中画出。然而，故障树的发展集中在上层建筑跨度3的坍塌上，在下面的讨论中，可以参考图5和表2的内容。考虑到上层建筑的跨度是由它

10、自己的包含着混凝土桥面、两个主要的支撑梁和地板梁系统的子系统组成的，上层建筑跨度3的坍塌故障也是系统故障。现在的问题是子系统及其后续组件发生坍塌的原因。当然，支持元素，桥台或码头的倒塌就会导致上层建筑跨度的坍塌。轴承也可能无法保证上层建筑在灾难性的船只相撞事件中不会出现问题。想象一下，一个大型的不符合垂直净空要求的船舶撞击上层建筑中部跨度位置。碰撞的横向力可能会克服轴承的锚定作用，使得跨度推离了码头。请记住，故障树是在设计阶段创建的，并试图解释所有可能解释塌桥的事件。表2 上层建筑跨度3坍塌的故障树分支的事件说明该故障也可能在上层建筑子系统中。上层建筑是由两个钢梁和支持混凝土桥面的地板横梁系统

11、组成的。一个钢梁的失效由于其他的钢梁无法承受载荷可能会导致上层建筑跨度的坍塌。另一方面，如果地板横梁系统失效，主梁仍然支持跨度，混凝土桥面可能会失效，导致上层建筑跨度的坍塌。因此，失效的地板梁系统和混凝土桥面不包括在故障树中。这使得两个主梁的失效事件作为上层建筑子系统的故障。因为只有两个主梁，上层建筑缺乏冗余，这个缺少冗余在故障树中反映了出来。主梁的失效认为是一个组件发生故障。通过初级和次级的故障模式，进一步明确了组件故障。在故障树手册中，主要故障是在组件合格的情况中，一个组件发生的内部故障(Haasl等 1981)。次要故障是在组件不合格的情况下，组件发生的外部故障(Haasl等 1981)

12、。在确定导致主梁倒塌的主要故障后，就有以下问题：为什么会在设计好的情况下，由于主要的故障而导致坍塌？虽然设计标准尽量确保组件有一定时间的抗蚀性，但是组件的劣化是可以理解的。在缺乏适当检查和维护的情况下，允许一定程度可能会危及组件的恶化。可能会影响钢梁，并导致其失效的恶化类型有腐蚀和疲劳。腐蚀是由环境因素，例如一个较低的横截面暴露于水和除冰盐中，影响梁的强度，容易受到局部屈曲和故障的劣化机制。疲劳是典型的钢构件因交通流量的循环载荷而导致的突然性的脆性破坏。外部或继发的事件可能会导致主梁的崩溃。例如，在一个极端的热事件过程中，当温度高于900时，强度明显降低导致梁的坍塌(AASHTO 2003)。

13、类似的情况是在桥下面被火焰吞没的船舶。另一个外部的或继发的事件是船只相撞，使梁承受能够导致脆性断裂和失效的力量。这样的船只如同飞机撞入上层建筑或船舶超过桥下净空高度。第三个继发的事件就是负载过重，可能导致主梁的坍塌，如同一辆卡车未经允许的情况下非法运载过量的负荷。综上所述，故障树种主梁的二次故障事件，要考虑极端高温，船舶碰撞和过载。分析轴承失效事件来保证上层建筑的安全，我们来看看当超过某一临界幅度和侧向力时使上层建筑滑落的主要原因。这种极端侧向力的来源可能是一个高风或风暴事件如飓风。船舶碰撞，无论是海洋或航空，也可以用处在临界量位置的侧向力来冲击上层建筑。在故障树的建立过程中，这些事件都设置了

14、禁止门和使用有条件的椭圆，来指定所产生的侧向力的关键幅度，以推动上层建筑关闭轴承。坝肩或码头故障可以导致上层建筑的崩溃。这些被认为是组件故障，将故障分为原发性和继发性两类。将码头作为一个主要故障，研究分析它为什么会以这样的方式失效，导致了它所支持的上层建筑的坍塌？码头内部的故障是桥墩基础材料的恶化导致了码头进行了垂直运动(向下)，将上层建筑的平衡破坏到这种程度，它的坍塌是有可能的。码头运动次要故障的来源：纵向，横向和旋转。桥墩的垂直和旋转运动，能够导致它所支撑的上层建筑的失效，其来源之一是土壤轴承故障。地震的发生可能会导致码头的垂直和横向运动。此外，海洋碰撞可能是横向或旋转运动的来源。桥墩基础

15、的冲刷，可能会导致码头通过破坏基础支撑的方式进行垂直和旋转运动。冲刷就是运用流体的侵蚀作用将材料从河床或堤上去除的过程(AASHTO 2003)。总之，这一节描述了Schoharie小河大桥坍塌事件的故障树。在构建故障树的过程中来看，梁工程师在设计阶段考虑了所有可能的桥梁坍塌的模式。故障树显示桥梁是在使用32年后发生坍塌事件，它反映了最坏的情况，就是假设在桥梁使用的全过程中没有进行任何的检查或维修。故障树定性解释了Schoharie小河大桥坍塌事件所有可能的故障模式，详细介绍了可能导致坍塌事件发生的所有来源的基本事件的细节。故障树能够描述出坍塌事件发生的故障机理，在下一节将对故障树进行评价。故

16、障树评价本文提出的对Schoharie小河大桥坍塌事件进行故障树分析，通过查找故障路径和关键要素的方式对其进行评估以此来揭示桥梁系统存在的弱点。每一个逻辑门都是布尔代数方程。在图4中，通过或门连接的输入和输出事件运用工程式子表示：T = SS1 + SS2 + SS3 + SS4 + SS5 (1)其中T表示使用32年的Schoharie小河大桥坍塌事件；SS1表示使用32年的Schoharie小河大桥跨度1的坍塌事件；SS2表示使用32年的Schoharie小河大桥跨度2的坍塌事件；SS3表示使用32年的Schoharie小河大桥跨度3的坍塌事件；SS4表示使用32年的Schoharie小河

17、大桥跨度4的坍塌事件；SS5表示使用32年的Schoharie小河大桥跨度5的坍塌事件。使用数学符号，上式也可以表示为：T = SS1 SS2 SS3 SS4 SS5 (2)评价故障树先从顶端的这个初始方程开始。在故障树的下面层中，每个事件又都被更详细的事件组合所替代。最终的目标是要将顶上事件分成各个基本事件的组合，通常叫做割集。在形式上，割集是各个基本和中间事件的组合，导致故障的发生，换句话说，就是故障发生路径的组合。最小割集就是包含的事件数最少的割集。在这个故障树中，有150多个割集，只有一个元素组成的割集被认为是最重要的故障路径。例如，一些单割集代表着因超载，船舶碰撞和火灾导致的塌桥事故

18、。这些事件是至关重要的，因为坍塌事件是灾难性的、瞬时的。然而，一些割集都较大，包含两个或三个比较重要的事件，如表示冲刷的割集，其实就是桥梁坍塌的实际故障路径。这揭示了故障树定性方面的局限性。虽然它用图形展现出各种故障的组合，但是在桥梁比较薄弱的方面，需要正确地对另外的数值如基本事件的概率值进行计算。只要将基本事件的概率值输入故障树中，执行布尔代数，将会得出顶上事件发生的可能性大小和对割集的重要度的排序。在这个故障树中，基本事件的概率来自于由Wardhanah和Hadipriono(2003)统计的美国桥梁坍塌的数据。这项研究是基于超过12年的(1989-2000年)、500座以上坍塌桥梁的事故

19、模式。这些信息有几个来源，其中包括工程出版物，网站和一些国家交通部门的被编译的通信信息。对503座桥梁坍塌的部分研究中将失效的主要原因分为23个类别，包括冲刷、地震、过载，甚至包括罕见的火车相撞事件，还提供了桥梁在各个类别中站的百分比。此故障树的基本事件的概率直接取自这些百分比。考虑最坏的情况，假定条件事件在故障树中一定会发生，换句话说，如果条件事件在对碰撞时的横向力有一定的临界幅度，那它就被假设为，该条件一定是满足要求的。将故障树中布尔代数的执行结果考虑到事故发生的原因当中，换言之，一系列的故障路径可能是由地震导致的，但是在考虑过程中必须想到这一点才不会错误地添加故障因素。只有一个代表了上层

20、建筑跨度3坍塌事件的树枝在计算范围内，以保证分析的可操作性。考虑到所有的故障模式，Schoharie小河大桥上层建筑跨度3倒塌的概率是36。这种失效概率是不可接受的；根据美国陆军公司的工程师来说，失效概率高于7需要采取紧急行动(Johnson 1999)。图6 故障路径机制的相对重要性割集的相对重要性排序揭示了关键的故障路径机制，结果如图6所示。可以看出，导致上层建筑跨度3坍塌的是代表着冲刷的最小割集。因此，输入数据的故障树模型支持的结论是Schoharie小河大桥因冲刷而坍塌。此故障树的数值结果表明，桥梁设计很容易出现故障，必须加以改进。该树指出哪些元素是比其他的更容易发生：例如，桥墩基础。

21、非浅层地基的桥墩基础能够消除抵抗冲刷的脆弱性。过载是确定的可能发生的故障事件，是指两个主梁中其中一个梁所发生的故障。常规的设计方案是通过添加更多的梁桥来保证有更多的冗余。除了设计阶段，这些结果指出，冲刷是一个问题，促使定期进行水下检查。结语Schoharie小河大桥灾难性坍塌的故障树，导致了人员伤亡，并强调桥墩基础的易感性。故障树描述了作为一个系统的桥梁里面相互联系的组件。它通过图形描绘出恶化的机制和它们的触发点，允许一个可以跟踪这些导致潜在坍塌的来源。故障树分析可以找出关键要素，用于检查桥梁系统。很明显，准确地检查关键要素是很重要的。故障树也能够保证桥梁设计中一定的冗余。这种保证冗余的思维过

22、程能够帮助工程师充分改造现有的桥梁和改进新桥梁的设计。桥梁恶化过程的知识和其系统影响，允许桥梁管理者在优先维护计划中做出有效的决策。在正在进行的研究中，作者改进了代表着冲刷的树的分支，导致桥梁坍塌的机制。该层次的详细信息包括恶化机制，如长期冲刷，收缩冲刷和局部冲刷。这些进一步研究得到的，考虑到它们的来源，如由于河道修改、改变走线通道、通道尺寸的变化以及城市化进程的分水岭造成的自然侵蚀和加速。作者还认为，流动加速是由于水路收缩，自然(自然流的建设，形成沉积物，大量的植被)或人造(数量过多的桥墩或其他障碍物)。由于空间的限制，只讨论了冲刷分支的发展。在未来可以继续研究这个分支。故障树的定性分析在数

23、量方面也能够实现。这将涉及获得基本数值的概率，特别是此桥的，并纳入冲刷恶化的方程建模分析中。就像这样，将从模型中得到的结果与现有统计数据进行比较和校准。这将是可以被纳入现有的桥梁管理软件中的一个强大的工具，在个人和人口水平方面来辅助评估桥梁的状态。致谢获得美国国家科学基金会(NSF)的支持，获得职业发展奖，编号CMS-9702656，美国国家科学基金会资助的工程研究中心，CenSSIS(EEC-9986821)，也提供了一些支持。参考文献1 AASHTO. (2003). Manual for condition evaluation and load and resistance factor rating (LRFR) of highway bridges, Washington, D.C.2 Haasl, D., Roberts, N., Vesely, W., and Goldberg, F. (1981)