斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法研究

張志東高級工程師 駱吉慶 何 莎高級工程師 杜 雷 李姝璇

（1.四川科特檢測技術(shù)有限公司，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢 618300；3.四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司，四川 廣漢 618300；4.中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100032）

0 引言

油氣管道斜拉索跨越是油氣管道跨越常用的結(jié)構(gòu)形式之一[1]，它往往是長輸管道的咽喉，具有極其重要的作用，一旦發(fā)生事故，不僅影響油氣的正常運輸，且會造成環(huán)境污染，帶來巨大的經(jīng)濟損失和不良社會影響。

目前，國內(nèi)針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法的研究成果較少?！豆窐蛄杭夹g(shù)狀況評定標準》提出了斜拉橋技術(shù)狀況評定方法及等級分類[2]，但并未涉及斜拉索跨越油氣管道?！秹毫艿蓝ㄆ跈z驗規(guī)則—工業(yè)管道》給出了在用工業(yè)管道的安全狀況等級的評定條件[3]，但只針對在用工業(yè)管道及其附屬設(shè)施，并未提及斜拉索跨越管橋中所包含的斜拉索、錨固墩等重要結(jié)構(gòu)。雖然已有學者對斜拉索跨越管橋的有限元模擬和風險評價方法進行了研究[4-6]，但缺乏專門針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法方面的研究，也未見相應(yīng)的標準與法律法規(guī)。

鑒于此，筆者將結(jié)合工程實際，借鑒《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》斜拉橋技術(shù)狀況評定思想，針對跨越油氣管道，增加“管橋系”模塊，構(gòu)建斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系。采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法計算指標的權(quán)重，進而求得斜拉索管橋的安全狀況評分，確定安全狀況評定等級，以期為管道企業(yè)安全運行管理提供一定的技術(shù)支持與理論依據(jù)。

1 斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系建立

本文結(jié)合油氣管道斜拉索跨越的現(xiàn)場工程實際，借鑒《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》斜拉橋技術(shù)狀況評定思想[2]，構(gòu)建安全狀況評定指標體系，包含3個一級指標和13個二級指標，如下圖。

圖 斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系Fig. Index system of safety evaluation for cable-stayed pipeline bridge

底層指標的評分標準參照文獻[2]，分值論域為[0, 100]，安全狀況越良好指標的分值越高。

斜拉索跨越管橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和管橋系的安全狀況評分按下式計算：

式中：

SP—上部結(jié)構(gòu)安全狀況總評分；

BPi—上部結(jié)構(gòu)中單個部件i的安全狀況評分；

SB—下部結(jié)構(gòu)安全狀況總評分；

BBi—下部結(jié)構(gòu)中單個部件i的安全狀況評分；

SD—管橋系安全狀況總評分；

BDi—管橋系中單個部件i的安全狀況評分；

ωi—部件i在斜拉索跨越管橋系統(tǒng)中的組合權(quán)重。

斜拉索跨越管橋的安全狀況評分按下列公式計算：

式中：

S—斜拉索跨越管橋的安全狀況評分。

2 指標權(quán)重計算

傳統(tǒng)的賦權(quán)方法大致可分為兩大類：主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)方法的優(yōu)點是專家可以根據(jù)實際問題，較為合理地確定各指標之間的排序，但主觀隨意性大?？陀^賦權(quán)法的原始數(shù)據(jù)來源于評價矩陣的實際數(shù)據(jù)，客觀性較強，但沒有考慮到?jīng)Q策者的偏好且易受數(shù)據(jù)波動的干擾[7]。為此，人們提出了綜合主、客觀賦權(quán)法的綜合集成賦權(quán)法[8-10]。本文在網(wǎng)絡(luò)層次分析法[11]（Analytic Network Process，ANP）和熵權(quán)法[12-13]基礎(chǔ)上，采用幾何平均賦權(quán)法計算指標組合賦權(quán)，使得最終確定的組合權(quán)重能更好地反映斜拉索跨越管橋的實際工程情況。

2.1 網(wǎng)絡(luò)層次分析法

考慮到各指標間存在相互影響，引入ANP計算各指標權(quán)重[14-15]，ANP是一種主觀賦權(quán)法。假定ANP結(jié)構(gòu)控制層中有元素D1，D2，…，DN，網(wǎng)絡(luò)層次中有N個元素集C1，C2，…，CN，Cp中有元素εp1，εp2，…，εpg（p=1，2，…，N），Cq中有元素εql（q=1，2，…，N），元素集Cp中元素按其對εql的影響大小進行兩兩比較，得到比較矩陣Wpq：

若Cp中元素對Cq中元素沒有影響，則Wpq=0，最終獲得超矩陣W。為使超矩陣W能夠收斂，決策者需要進一步比較信息使之隨機化。以DN為準則，對元素集Cp（p=1，2，…，N）的重要性進行比較。與Cp無關(guān)的元素集的排序向量分量為0，以此得到加權(quán)矩陣A[16]。

超矩陣W的加權(quán)超矩陣對加權(quán)超矩陣取λ→∞（λ表示決策者影響程度累加次數(shù)），得到的矩陣逐漸收斂至一固定值，即為ANP計算得到的權(quán)重，記為αi。

2.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，根據(jù)各評價指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標熵權(quán)，從而得到較為客觀的指標權(quán)重[17]。假設(shè)有m個評價對象，有n個底層指標，xij表示第j個評價對象的第i個指標的得分，構(gòu)建初始矩陣Xij=(xij)nm。

（1）計算第j個評價對象的第i個指標分值的比重Pij：

（2）確定各指標熵值Ei：

式中：

（3）信息熵確定后，計算第i個指標的熵權(quán)值βi：

2.3 組合權(quán)重

結(jié)合ANP和熵權(quán)法，采用幾何平均賦權(quán)法計算組合權(quán)重[18]，公式如下：

其中，θ為偏好系數(shù)，取值范圍為[0,1]。當專家經(jīng)驗不足時，客觀權(quán)重就較為重要，θ偏小，反之則偏大。由于θ的取值不同，計算結(jié)果也會有所差異[19]，應(yīng)用中要充分考慮實際情況，靈活取值，本文中θ取0.5。

3 安全狀況評定等級劃分

斜拉索跨越管橋的安全狀況評分S總體上反應(yīng)了管橋的安全狀況，借鑒文獻[2]中的橋梁總體技術(shù)狀況評定等級劃分原則，將斜拉索跨越管橋的安全狀況等級分為4級，管橋安全狀況等級的劃分及意義，見表1。

表1 斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級Tab.1 Safety evaluation grade of cable-stayed pipeline bridge

有下列情況之一時，斜拉索跨越管橋安全狀況應(yīng)評為4級：

（1）斜拉索鋼絲出現(xiàn)嚴重銹蝕、斷絲。

（2）索塔、橋墩、橋臺或墩臺基礎(chǔ)不穩(wěn)定，出現(xiàn)嚴重滑動、下沉、位移或傾斜等現(xiàn)象。

（3）管道由于第三方破壞或腐蝕等因素，導(dǎo)致剩余壁厚承壓能力不足，無法達到規(guī)范標準的相關(guān)要求。

斜拉索跨越管橋安全狀況評定時，當主要部件評分為3級或4級（主要部件安全狀況等級評定參照表1）且影響跨越管橋安全時，可按照斜拉索跨越管橋主要部件最差的缺損狀況評定。

4 實例分析

以西南地區(qū)某天然氣長輸管道的其中一段斜拉索跨越管橋為例，進行安全狀況評定。結(jié)合前期已開展的現(xiàn)場踏勘、資料審查、上部結(jié)構(gòu)檢測、下部結(jié)構(gòu)檢測和管橋系檢測等工作，邀請5位專家針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定的相關(guān)指標進行打分，并取平均值，見表2。

4.1 確定組合權(quán)重

由于加權(quán)超矩陣計算十分復(fù)雜，此處采用超級決策軟件Super Decisions（SD）計算指標的主觀權(quán)重αi，詳見文獻[16]；根據(jù)式（6）～（8）計算客觀權(quán)重βi；由式（9）確定組合權(quán)重ωi，詳細計算結(jié)果，見表2。

4.2 安全狀況等級評定

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1）～（4）和表1可得各指標及斜拉索跨越管橋的總體安全狀況等級，評定結(jié)果，見表3。

表2 指標評分及權(quán)重Tab.2 Evaluation value and weight of each index

表3 各指標及斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級Tab.3 Safety evaluation grade of each index and cable-stayed pipeline bridge

實際檢測發(fā)現(xiàn)，該斜拉索跨越管橋并未出現(xiàn)第3節(jié)列舉的情況，結(jié)合安全狀況評定等級劃分的相關(guān)要求，案例評定結(jié)果為：斜拉索跨越管橋安全狀況等級為3級。

4.3 評定結(jié)果分析

一級指標中，管橋系指標占40.16%，應(yīng)作為斜拉索跨越管橋安全保護工作的重點，這與斜拉索跨越管橋運行管理的實際情況相吻合?！板^固墩”評分為61.6，單項指標評定結(jié)果為3級，安全狀況較差，且“錨固墩”在整個評價體系中的組合權(quán)值為“0.1197”，重要程度僅次于“管道”（權(quán)值為0.3164）和“斜拉索系統(tǒng)”（權(quán)值為0.1479），故管道管理方應(yīng)盡快對錨固墩進行治理。該斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級為3級，表明管橋的使用功能已受到了嚴重影響，結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，其原因主要包括：斜拉索護套防護層破損、索塔和支座出現(xiàn)了一定程度的銹蝕、錨固墩混凝土碳化較為嚴重、護坡工程由于河水沖刷和風蝕損毀嚴重。管道管理方應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場檢測及安全狀況評定結(jié)果，制定全面的修治方案，以保障斜拉索跨越管橋的安全運行。

5 結(jié)論

（1）針對油氣長輸管道中斜拉索跨越管橋的實際情況，增加“管橋系”模塊，首次將斜拉橋技術(shù)狀況評定思想引入斜拉索跨越管橋的安全狀況評定，構(gòu)建斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系，具有一定的科學性。

（2）將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法有機結(jié)合，采用“網(wǎng)絡(luò)層次分析法+熵權(quán)法”的組合賦權(quán)方法，發(fā)揮各自優(yōu)勢的同時也在一定程度上避免了主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)所引起的權(quán)值偏差，使指標權(quán)重的確定更加合理。

（3）安全狀況評定等級反應(yīng)出斜拉索跨越管橋當前的安全程度，有助于管理方制定合理的安全修治方案，為企業(yè)的管道安全管理提供一定的技術(shù)支持與理論依據(jù)。

（4）筆者所建立的斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系中只涉及到一級和二級指標，三級甚至更底層指標的制定還需深入研究。