在桥梁的安全施工管理中应用基于风险的工程学的探讨

在桥梁的安全施工管理中应用基于风险的工程学的探讨

张力山

中建八局西南分公司重庆分公司

摘要：钢拱桥安全施工管理的结果证实，基于故障安全施工的新架设设计方法和用于观 测拱桥结构和安全条件影响因素的监测系统是实施安全施工管理的基本要素技术，但其 有效性尚未得到验证。本文尝试将基于风险的工程学应用于钢桥的安全施工管理，且系 统地整理了其概念和步骤，并验证了其实用性。结果表明，基于风险的施工和管理保证 了架设工程的安全，在实际应用中是合理和有效的。

关键字：安全施工管理，基于风险的工程，故障安全设计，监测

1.简介

风险管理作为建设安全社会的基础，其重要性在许多领域都得到了强调。基于风险 的工程学是一种系统的学说，将工程需求与社会需求 (如最终的盈亏) 联系起来 (2) 。在 桥梁的架设中，确保安全也是最重要的课题，而一直以来，施工管理中的安全管理主要 基于经验，即安全评估 (3) 。以此为基础的管理成为主体。因此，最好是在风险评估的基 础上制定一个更合理的方法，但这还没有得到实施。

在本论文中，从桥梁架设中确保安全性的观点出发，除了安全评价之外，还介绍了 导入基于风险基础工程学的施工 (Risk-Based Construction：以下称为RBC) 时的想法 和步骤。另外，已经提出的桥梁安全施工管理(4)，虽然与RBC类似，但在风险评价和系统、 合理处理方面有所不同。此外，本文还研究了将RBC应用于以前实施的安全施工管理的 有效性。

2.基于风险工程的桥梁安全施工管理

自1990年以来，一系列拱桥倒塌事故揭露了钢拱桥架设中存在的安全问题。住建局 提出了“关于拱桥施工过程中预防桥梁和其他结构倒塌的总体安全评估”的要求。受此 影响，在钢拱桥的架设中，除了常规的安全评估(3) ,还有以安全为主要内容的施工管理， 即安全施工管理。

具体来说，为了提高施工管理的安全性和可靠性，我们开发了一个安全施工管理系

统，用于采用缆索架设和缆索悬挂方法的钢拱桥的信息技术施工，该系统不断观察和监 测对安全有重大影响的因素，在施工中反映观察结果，在出现危险情况时，可以发出警 报并采取紧急措施。此外，我们尝试将该系统应用于一座真实的桥梁，其实用性得到了 证实。

为了从根本上解决问题，安全施工管理系统还包括了故障安全设计，检查和验证整 个架设结构系统，包括临时结构，如斜拉式设备，即使系统的部分功能失效，也不会达 到危险状态。

从钢拱桥安全施工管理的实施结果(4) 来看，证实了基于故障安全的架设设计方法和 监控系统是实施安全施工管理的有用的要素和技术，但其有效性还未得到验证。因此， 本文的主要目的之一是尝试将风险工程应用于钢结构桥梁的安全施工管理 (应用RBC) ，

重新组织基于故障安全的架设设计方法、测量项目和监控中的控制余量的概念和程序， 并通过RBC在上述 (4) 安全施工管理中的应用，确认和验证其可能性和有效性。下面概述 了作为正常安全管理的主要组成部分的安全评估、越来越多地用于采用斜向悬挂法的拱 桥的安全施工管理，以及作为更系统的安全施工管理形式的RBC，并具体说明了两者之 间的区别。

(1)安全评估

在桥梁的架设施工中，不同类型的桥梁架设方式不同，即使是同一形式的桥梁，也 会因架设地点的地形、环境条件等而不同，因此，从施工计划阶段就统一设定安全对策， 从目前的情况来看是很困难的，因此，在施工开始前确保安全是极其重要的，特别是通 过事先评估，以防发生桥梁倒塌等事故 (3)。

桥梁架设工程安全评估的意义在于提前对施工过程中的危险进行定量和定性评估， 并考虑采取必要的对策来提高施工过程中的安全性，其程序和方法如下 (3) 。

1) 为了实施危险性的评价 (与后述的风险计算不同) 以及安全对策的讨论，力求 收集基础资料，并促成以下的展开。

2) 在桥梁架设工程中，影响危险性的因素中，关于架桥地点、架设施工方法、架 设时期等与施工相关的附带条件，根据这些因素进行危险性的定量评价 (与风险评价不 同) 。

3) 关于确保施工时的安全性的必要事项 (基本事项) ，探讨是否拟定了适当的对 策。

4) 在研究了上述3) 的基本事项之后，作为桥梁架设工程中特有的严重事故，或者 多发事故，提出倒塌事故等，关于其对策特别说明。

安全评估的基本观点是，考虑到过去发生的事故，  对2) 的附带条件进行定量评估               (例如，关于①结构形式，②最大支距，③结构物的平面形状，④梁下高度，⑤架设施 工方法，⑥起重机 (用于主体组装) ，⑦地形，⑧地基条件，⑨架设时期和架设地区， ⑩架设时间。对于施工过程中的①至⑩的要素 (例如，关于② ，条件大于100m的，其得 分大于2，如果条件超过50m，小于100m的，则得分1，如果条件小于50m，则得分0) ， 并将得出的危险性评分(各要素总计) 进行危险性分级。具体来说，按照危险性评分 (最

多21分) 从高到低的顺序，分为：  Ⅰ (15分以上：危险性极高) ， Ⅱ (10分~14分：危 险性高) ，Ⅲ (5 分~9分：有危险性) ，Ⅳ (4分以下：危险性低) ，并考虑和实施与 危险性程度相匹配的安全措施。

在此，作为危险性评价结果的评分和分级等不是基于对特定坍塌模式风险点评估， 而是基于与安全性相关的①~⑩的因素进行综合考虑的结果，与后述的RBC在概念和处理 上有很大的不同，后者是基于个别检查的结果进行综合诊断和判断。

(2)安全施工管理与风险基础施工

为了对RBC进行概述，现将其应用于架设一座下承式拱桥，以得出与普通安全施工 管理的区别。由于桥梁位置的限制，  该桥的架设采用了电缆起重机-系带式斜吊施工方 法.该施工方法不共用电缆起重机用铁塔和斜吊用铁塔，而是在桥墩上设置鞍座，通过 这个鞍座将支撑拱肋的斜吊电缆的张力传递给设置在桥台一侧的固定部位. 另外，由于 具有不需要在高处进行电缆夹的加固作业的优点，所以这种方法使用相对广泛。

a)倒塌事故的主要原因分析和倒塌模式的推定

在上述“关于在拱形桥梁建设工程中防止桥墩等倒塌的安全总检查”中，作为倒塌 事故的事例，报告了使用斜吊施工法的拱桥的事例 (5) 。据此，参考技术委员会给出的事 故对策中的报告要点，实施了如图1的钢拱桥的安全施工管理。该报告要点中，关于拱 构件掉落事故，原因有以下几点：

1) 塔顶五金件断裂；

2) 斜吊铁塔水平材料断裂；

图1 案例下承式拱桥示意图

3) 斜吊铁塔基部地脚螺栓断裂；

4) 前索的电缆夹部的滑动；

5) 电缆起重机设备损坏；

6) 后部缆夹滑动

假设事故发生的原因是1) 至6) 中的任意几项，斜吊电缆支撑的拱形部件变得不稳

定，从而导致事故的发生。该委员会进行了讨论，推断6) 是事故的导火索，并对电缆 夹进行了彻底的紧固管理 (认为这是降低风险的一种对策) 。

上述结果表明，在所有情况下，由于临时结构物的一部分损坏或断裂，斜吊电缆不 能有效地发挥作用，从而导致整个架设结构系统的倒塌。因此，为了保证架设工程的安 全性，就要事先分析引发事故的主要因素，采取适当的对策，同时在发生不测的情况下， 也能设法采取适当的应对措施。换而言之，要准确了解临时结构在每个架设阶段的机械 变形行为，特别是电缆悬索和电缆夹，一边在发生意外事件时采取适当的措施。

因此，在安全施工管理中，通过分析各种因素，参照过去的事故案例，对定性预估 风险最高的模式 (缆索-悬挂式缆索断裂或缆索夹松弛) 实施防故障设计，并确定了坍 塌模型(5) 。另一方面，在RBC中，根据图2所示程序，对相对高风险的倒塌模型 (电缆断 裂或电缆夹下垂，轴承损坏，塔架局部屈曲等) 进行了故障安全设计。

(b)RBC的安全施工管理程序

图3RBC辅助系统 (监控系统) 构成

表1 测量项目，测量装置以及管理界限值 (容许值)

RBC的操作步骤如图2所示。它显示了基于风险基础工程学的一般W流程，且由于不包 含桥梁领域的具体问题的特点，因此可以很容易地进行展开。该程序概述如下，首先， 进行过去事故的主要原因分析，推测破坏/倒塌模式。这是在风险分析中对对应事故 和损伤等的识别。其次，在识别风险之后，定量、定性地把握风险表面化的概率 (或 者可能性) 以及风险发生后的事故规模 (进行风险计算) ，以确定风险的优先次序。

使用风险矩阵，判断作为对象的风险是否处于可接受的水平，当处于不可接受的水 平时，则实施降低风险的 对策，并对剩余风险进行评估，以上就是RBC的程序。为了提 高其精度，过去的事故 (破坏、倒塌等损伤) 例子的数据库化是不可缺少的。另外，通过 数值分析等研究桥梁的坍塌机理，进行要因分析和倒塌模式的鉴定也是有效的，  因此，使 用故障安全和FCM概念的方法的展开也是有意义的。

其次，作为实际的风险降低对策，从监视成为事故诱因的现象是很重要的一环，关 于这点我们提出了两个方面:①开发了RBC支援系统 (监视系统) ，并在测量和监视中 使用。②另外关于风险的回避，提出并应用了基于故障安全的架设计算法，以确保 安全性。

3.验证RBC有效性及应用案例

截至目前，安全施工管理已应用于上承式支撑肋拱桥 (4) ，中承式钢拱桥 (6)   ，以确 保架设工程的安全性，其详细内容见文献 (4) ，  (6) ，此处省略。

本文利用以前的应用案例 (4) ，对基于故障安全的架设计算方法 (以下简称FSD) 的 有效性进行了验证。本桥为桥长369m，  宽10m，拱支距230m，拱距39m。斜拉索成对放 置，S0支撑靠近支撑点的拱肋，支撑拱肋主体的S1~S3各在上下游侧，  P1、P2桥墩，对 桥测量和监视表1所示的项目要素，并进行RBC。各架设阶段 (Step1：仅S1，Step2：S1 和S2，Step3：S1~S3) 的设计值与测量值如表2表示。

表2 每个架设步骤中，对角线悬索断裂前后的张力差异

在设计值 (1) 和测量值 (2) 中，对于 (1) 与 (2)  的误差，在最上段 (尖端) 的电缆中，Step1为4.8%，  Step2为8.6%，Step3为6.1%，两者比较良好地一致。另外，

在电缆全体中，Step1为4.8%，Step-2为17.7%，  Step-3为19.0%，基本对应，且在管理 界限值30%内( 在各Step中，作为下游最上段的电缆断裂的情况，实施了故障安全设计). 从这些结果可以推断，由于作为监测结果得到的测量值 (2) 和设计值 (1) 相对较好地 对应，因此基于FSD的计算值 (4) 也会给出合理的结果。在这样的考虑下，传统的架设 计算法 (以前的方法) 计算出的设计值和 (4) 的值进行比较时，应该注意到，在S1和 S2中，以前的方法的值给出危险侧的值，而不一定是安全侧的值。  (特别是以前的方法 可能没有认识到，如果电缆夹松弛导致电缆从斜向悬挂的电缆上松脱，该电缆也可能从 邻近的电缆上松脱，最终可能导致桥梁坍塌，这是一个需要注意的点) 。

通常，斜吊电缆的保证承载力和破断强度，由于使用的是比设计中设想的值还富余 的值，因此从以上结果来看，不能立即认为传统方法是问题，但是考虑到斜吊电缆在架 设现场反复使用的情况，根据传统方法设计的结果是有问题的，可以说今后应用FSD更 为合理。

接下来，尝试应用上述FCM的概念 (假设影响系数为0.4) 。如果使用的电缆材料， 其最大强度和最大刚度相对接近于从传统方法中得到的数值 (表2中的数值) 。在基于 以往安全施工管理的FSD中，只停留在表-2的 研究中，只是指出仅通过通常的架设设计 法进行的研究是不够的.在基于RBC的FSD和FCM中，还继续对相邻电缆断裂的危险性进行 评价，最终显示有可能导致桥梁倒塌，可以判断这与基于以往安全施工管理的FSD相比 具有显著性。

综上所述，基于RBC的FSD和FCM可以推测桥梁倒塌的 机理、分析主要原因、倒塌模 式的识别、风险计算等，也可以作为风险评估的一部分加以活用，与以往的安全施工管 理相比，FSD和FCM的优势在于：①可以进行更系统的管理，②可以进行定量的处理。 另外，作为倒塌模式的研究实例，我们列举了①拱肋支点部的损伤，②缆索起重机用 铁塔构成材料的局部屈曲，并进行了另外的研究。详细内容，在①中，  数值分析的结 果显示，由于以支点为中心进行刚性旋转，因此需要配置用于约束其的辅助电缆；在 ②中，由于倒塌的危险性较高，因此需要采用四柱钢塔，以提高其冗余度。

4.结语

对钢拱桥实施的安全施工管理结果表明，基于故障安全的架设设计法 (FSD) 和监 测、观察影响安全的因素正在成为降低倒塌风险的重要要素技术。本论文通过基于风险 的工程学在桥梁施工中的应用 (RBC) ，系统地组织和重新审视了FSD和监测作为减少风 险工具的作用，从而得出了以下结论。

(1)RBC与以往的安全施工管理相比，可以进行系统的研究，有可能实施更合理的安全 施工管理。

(2) 实施基于RBC的FSD的结果表明，根据以前的架设计算法计算出的设计值可能偏于 危险，需要给予充分的注意。同时，根据部位的不同，相邻的电缆有可能断裂，最终导 致桥梁的倒塌。

(3) 与以往一样，FSD和基于RBC的监测是降低风险方面有用的要素技术，与美国实施 的基于FractureCriticalMembers这一概念的冗余分析类似，有可能成为判断桥梁倒 塌危险性的有力工具。

本论文开展了基于RBC的安全施工管理，实施信息化施工，保证桥梁架设工程安全 性的新方法，并探讨了其可行性，研究刚刚起步。今后，将积累数据，在RBC，FSD， Monitoring，FCM和Redundancy的研究基础上继续深化，希望对提高架设工程的安全性 有所帮助。

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