基于改进型事件树分析法的桥梁事故分析

　　摘要：将改进型事件树分析法应用于桥梁事故分析中，该方法系统考虑所有可能引起事故发生的原因及机理，并形成事故分析所需的事件树和确定事故方案。 通过对各种事故方案进行仿真计算，找出事故原因及机理。 结合大桥施工阶段的事故分析表明，该方法对桥梁事故分析较为可行。

　　关键词：改进型事件树分析；桥梁事故；仿真；事故原因

　　桥梁的兴建与畅通，促进了人类社会的文化和经济生活的繁荣与发展[1]。 但桥梁事故时有发生，对人民群众的生命和财产构成威胁，因此，桥梁事故的研究分析就显得尤为重要。

　　迄今为止，国内外对桥梁工程事故分析存在许多方法. 但实际桥梁工程事故调查分析中，经验不足的或经验丰富的调查者应用这些方法时都经常犯同样的错误，在调查分析桥梁工程事故时都可能不够全面地考虑所有可能引起事故的假定。 例如，决策法在调查分析时作为主要的分析方法，由于未能系统考虑可能引起事故发生的原因，很难判断事故原因；选取主要可能破坏的假定也存在一定难度。因此，本文研究采用改进型事件树分析法对桥梁事故进行分析[2]，并结合事故仿真对桥梁事故进行定量分析[3-5]。

　　1 改进型事件树分析方法

　　在应用改进型事件树分析法进行桥梁事故分析时，首先通过专家意见、现场调查、文献搜集及回顾等方面来确定所有可能的事故原因事件；然后根据这些原因事件建造事件树，确定成立的事故方案，并应用ANSYS软件等工具计算出结构在各种可能原因事件以及各种可能事故方案的作用下的空间应力状态；最后通过对这些可能事故方案的分析来确定事故的原因及机理. 具体分析过程如图1所示。

 

　　如果某工程事故在事故原因调查分析时通过专家意见、现场调查、文献搜集以及回顾等确定有3种可能事故原因事件(E₁,E₂,E₃)，则有6种可能事故方案，如图2所示。

 

　　123EEE，在完成事件树建造之后，下一步就是对每个破坏事件进行品质分析(也即这些事件发生的条件概率)和确定每种事故方案的发生概率。 如果事故方案中的某一事件的条件概率小于事故发生的极限概率值，则认为该事故方案不成立，而只需要对那些成立的方案进行分析，如图3所示。

 

　　通过上述理论，可以形成改进型事件树分析法对工程事故分析步骤。

　　(1) 确定或寻找可能导致工程事故的事件。 破坏事件可通过专家意见、工程现场调查、文献搜集以及回顾等确定；

　　(2) 确定可能导致工程严重后果的初因破坏事件，所有的工程失效事件都有可能是初因失效事件；并对初因事件进行分类，对于那些可能导致相同事件树的初因事件可划分为一类；

　　(3) 建造事件树，对事件进行分析，排除包含事件的条件概率小于极限失效概率值的事故方案，确定成立的事故方案；

　　(4) 对事故方案进行仿真计算，计算出各种事件作用时对结构的应力状态影响，并比较分析确定这些事件对事故的权重；

　　(5) 评价被调查的事故方案发生的可能性，找出事故原因。

　　2 工程实例

　　2.1 工程概况[6,7]

　　该桥的主桥为五跨连续带协作体系的独塔双索面不对称飘浮体系的斜拉桥. 桥跨布置为75m+ 258m+102m+83m+50m. 主梁为预应力钢筋混凝土结构，梁高2.5m，梁宽29.5m. 标准截面为双箱单室开口箱形截面，开口部分宽度为13.5m，顶板厚度为22cm，底板及斜腹板厚度均为18cm，横隔梁间距为4m. 桥纵向分为1个长24m的0号块，25个长8m的标准块，1个长3m的非标准块和1个长2m的合龙块. 在岸侧16号块处设有临时支撑墩(23号墩)，墩顶设有拉力支座，通过拉力索与主梁相连，用以增加主梁在河侧单悬臂施工及台风经过时的稳定性. 主梁利用牵索挂篮以8m为1个节段，由桥塔处向两岸悬臂现浇施工。

　　本桥主体工程于1995年5月动工兴建，1998年3月27日主塔封顶，1998年8月18日岸侧合龙，随后进入单悬臂现浇施工. 1998年9月24日凌晨4:25斜拉桥主梁施工至23号块时，主梁上游侧16号块－17号块施工缝附近的底板、斜腹板和直腹板混凝土发生压溃破坏，几分钟之后下游侧15号块－16号块施工缝附近的底板、斜腹板和直腹板发生了压溃破坏，状态如图4所示。

 

　　事故发生后，很多专家学者对该桥梁事故给出的多是定性的且原则性的意见和建议，其中有专家认为是桥梁底板太薄，还有认为是设计、施工和规范综合影响，也有提出了海洋脉动风作用所致的观点等[8]，现场技术人员认为是施工超张拉所致，但至今也没有真正搞清该桥梁事故的机理与原因。 因此，本文采用改进型事件树分析法来对该桥梁事故原因进行分析，并结合事故仿真来定量分析该桥梁事故原因。

　　2.2 事件树的建造

　　虽然混凝土强度、混凝土温度以及海上脉动风等都可能是事故原因，但经过综合考虑上述专家意见、现场调查、已有的事故分析报告以及研究分析等确定这些事件引起事故的条件概率小于极限失效概率，故排除包含这些事件的事故方案，并初步认为下列事件对该桥梁工程事故发生具有重要的影响：(1) 施工阶段索力分布情况(E1)；(2) 箱梁的底板设计厚度(E2)。

　　由改进型事件树分析法可得如下2种成立的事故方案：E1→E2和E2→E1。

　　事件对桥梁事故的影响权重采用事件的不同参数进行仿真计算来确定。 E1考虑2种索力分布情况：拉索未局部超张拉(A1)，如图5(a)所示，此时索力变化比较平稳(与成桥索力分布基本一致)，且左右索力分布较对称，索力最大值为5400kN(C23和C23＇)，最小值为1800kN；拉索局部超张拉(A2)，如图5(b)所示，此时索力局部变化非常剧烈，索力最大值为7800kN(C15～C17)，最小值只有1000 kN左右. E2考虑2种底板厚度：18cm(B1)和28cm 其中18cm为原设计厚度，28cm为后来的加固厚度。 则共有4种分析组合：A(B2)，1+B1，A1+B2，A2+ B1，A2+B2。

　　3 事故仿真

　　3.1 建模

　　应用大型通用工程软件ANSYS生成仿真计算模型。其中，箱梁采用SOLID65模拟，横隔梁采用SHELL143模拟，拉索采用LINK10模拟，主塔及桥墩采用BEAM189和BEAM44模拟，主塔横梁采用BEAM4模拟。 模型网格划分之后，共生成38 392个单元。 主塔及桥墩的底部约束所有自由度，主塔与主梁之间有横向约束，桥墩与主梁之间有竖向和侧向约束。 主梁端部施工荷载按半个主梁节段的重量以集中力的形式作用于主梁端部。

 

　　3.2 基于事故的仿真结果及分析

　　对提出的4种分析组合应用ANSYS软件进行仿真反演计算，计算结果如表1和图7所示。 其中，图7中(a)、(b)、(c)、(d)分别为A1+B1、A2+B1、A1+B2、A2+B2这4种分析组合时，底板15#～17#块的X向应力云图。

 

 

　　从表1和图7的计算结果可知主梁15#～17#块的空间应力情况.

　　A1+B1组合时，底板xσ的最大值只有-11.2 MPa左右，远小于C50混凝土抗压设计强度值(-28.5 MPa)；同时，顶板、斜腹板以及直腹板的空间应力值均小于C50混凝土的抗拉、压强度的设计值，其中C50混凝土的抗拉强度设计值为+2.45 MPa. 在这种组合情况下该区域不会发生压溃破坏。

　　A2+B1组合时，底板xσ最大值为-34.6 MPa左右，超过了C50混凝土抗压设计强度值；顶板xσ最大值达9.48 MPa，也超过了C50混凝土抗拉设计强度值；其他空间应力值均小于C50混凝土的抗拉、压强度的设计值. 即在这种组合情况下该区域发生压溃破坏。

　　A1+B2组合时，底板xσ压应力值只有-7.59MPa左右，远小于C50混凝土抗压设计强度值；同时，顶板、斜腹板以及直腹板的空间应力值也均小于C50混凝土的抗拉、压强度的设计值。 在这种组合情况下该区域不会发生压溃破坏。

　　A2+B2组合时，底板xσ最大值为-28.4 MPa左右，与C50混凝土抗压设计强度值接近；顶板xσ最大值达9.14 MPa，直腹板zσ为3.63 MPa，均超过了C50混凝土抗拉设计强度值；其他空间应力值均小于C50混凝土的抗拉、压强度的设计值。在这种组合情况下该区域底板处于发生压溃破坏的边缘，且顶板和直腹板被拉坏。

　　通过上面的结果和分析可知，A2+B1组合时该区域底板X向最大应力值xσ比A1+B1组合时增加了207.843%；A2+B2组合时该区域底板X向最大应力值xσ比A1+B2组合时增加了274.325%；A1+B1组合时该区域底板X向最大应力值xσ比A1+B2组合时增加了48.1%；A2+B1组合时该区域底板X向最大应力值xσ比A2+B2组合时增加了21.8%。 由此可知，拉索局部超张拉比底板厚度对桥梁事故的影响剧烈，且直接决定着主梁的空间应力分布情况；底板厚度对主梁的空间应力值有一定的影响，但其影响与索力对主梁空间应力的影响相比较小. 也即施工阶段索力分布情况(E1)比箱梁的底板设计厚度(E2)更决定着该桥梁事故的发生。

　　4 结语

　　通过应用改进型事件树分析法和事故仿真对大桥施工阶段事故的分析，可以得出如下结论：

　　(1) 该桥梁事故并不是单一原因所致，而是两种原因事件相继作用的结果，其中最主要原因是斜拉索局部超张拉，其次才是底板厚度不足。

　　(2) 改进型事件树分析法对事故分析时考虑了所有可能事故原因及机理，使得桥梁事故原因分析更为系统、全面。