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1、?文章编号:1671-2579(2010)02-0153-05国外桥梁工程项目风险及评估研究综述项贻强,张婷婷,孙筠(浙江大学 土木工程系,浙江 杭州?310058)摘?要:桥梁工程风险包括桥梁投资风险、设计风险、施工风险、运营及管理风险等。笔者以桥梁的生命过程为顺序,介绍了国外桥梁在其全寿命过程中各个方面的风险评估的现状及发展状况;并简要介绍了对桥梁进行风险评价的方法和应用。关键词:桥梁工程;风险评估;投资风险;设计风险;施工风险;运营风险收稿日期:2009-08-01作者简介:项贻强,男,教授,博士生导师.E-mail:Xiangyiq ?风险是指在某一特定环境下,在某一特定时间段内,某种
2、损失发生的可能性。风险是由风险因素、风险事故和风险损失等要素组成。风险因素的增加会导致风险事故发生的可能性增加;而风险事故的发生可能导致损失的出现。这就是风险要素之间的辨证关系。随着社会的发展,在经营规模日益增大的形势下产生了为减少风险损失进行风险管理的思想。风险问题的研究最初是从风险管理思想中引申出来的,到了 20 世纪 50 年代,美国才将风险管理发展成为一门独立的学科。笔者以桥梁的生命过程为顺序,综述了国外在桥梁工程风险评估方面的研究现状;并简要介绍了对桥梁进行风险评价的方法和应用。1?风险分析评估科学框架体系图 1 给出了风险科学的体系框架。应该说风险分析与评估是一门综合性边缘学科。风
3、险分析研究的内容主要包括风险识别、风险估计、风险评价、风险控制等 4 个方面的内容,这 4 个部分是一个统一的整体,相辅相成,不可分割,缺少任何一部分,风险分析都是不完整的。桥梁工程风险分析评估是由船桥碰撞问题首先开始,至今已有约 30年。事实上桥梁在其全寿命过程中的每时每刻都面临着风险,桥梁工程风险包括桥梁投资风险、设计风险、施工风险、运营及管理风险等。2?投资风险目前关于桥梁投资风险的研究较少,主要集中在土木工程一般项目投资的风险研究上。这方面的研究图 1?风险科学的基本体系主要有:Ryuji Kakimoto,Prianka N.Seneviratne 指出不断变化的航运业惯例、货物组成
4、、世界市场和港口之间的竞争都使收入的估计不准确。该文用蒙特卡罗仿真法来审查风险来源的不确定性以及它们对投资风险的影响。S.Ping Ho,Liang Y.Liu 指出很多新兴的建筑/工程/建设(A/E/C)技术投资具有战略重要性而且可能创造未来的发展机遇。因此,从战略的角度看,当未来是不确定的时候,需要一个更好的管理方法,可以量化技术投资的战略价值并建议最佳的投资策略。该作者为了评估在 A/E/C 技术中的重大投资,基于现代期权定价理论提出了一个定量评价方法。这一框架特别考虑了技术的投资风险和嵌入式管理办法。它进一步使投资评估过程和金融市场保持统一。分析可以帮助 A/E/C 企业更准确地评价在
5、新兴技术中的投153第30卷?第2期2 0 1 0 年 4 月中?外?公?路?资,例如信息技术和自动化,并且在不确定情况下进行战略性投资决策。Massoud Javid 等指出尽管停车场收费是主要的收入来源,机场停车基础设施的提供主要是根据预计的需求。尽管这是一个合理的根据,高投资成本和管理费用要求开发者和金融家仔细地分析投资风险。该文着重于机场停车基础设施发展中的投资风险来源,并讨论了应用蒙特卡罗模拟来评估和理解现金流量的不确定性对项目可行性的影响。结果表明在建设项目的发展中常见的费用超支将对回报风险产生最重要的影响。Ryuji Kakimoto 等指出回报风险是港口建设开发商和金融家的重要
6、考虑因素。该文使用两状态法检验在港口基础设施发展中的各种风险来源的影响。在不同的情况下对随机收入和成本变数的风险易感性进行测试,包括变量是非正态和相关的情况。3?桥梁建设及设计方案的风险桥梁建设及设计方案主要针对所确定的环境,综合考虑道路线形、地理位置、地质条件、景观协调性、工程造价、经济社会效益等因素,选择最佳的桥位及桥梁设计方案。为此,有必要对可能的桥位及全桥方案进行方案风险论证研究。包括对桥梁可能面临的地震、风毁、船撞、超载、耐久性、恐怖袭击与财务效益等风险问题进行评估研究。Fabian 通过对 150 座倒塌、失效桥梁进行检查和分析研究,指出了导致桥梁破坏的原因主要在 6 个方面:结构
7、设计、设计细节、施工、结构物的维护、材料、外部荷载。其中,设计方面的不足和选型不恰当是导致桥梁破坏的一个主要原因。M.Ala Saadeghvaziri 等指出在桥面板建好之后,经常会出现早期的横向开裂。横向开裂会增加桥梁结构的养护费用,减少使用寿命。设计因素是桥面板开裂的最主要原因。通过建立 2D 和 3D 的线性和非线性有限元模型,得到不同设计参数对开裂的影响。4?桥梁施工风险研究同样的一座桥梁,由于采用的施工工艺及控制手段不同,可能导致施工在施工过程、工期及安全方面存在不同的风险。Sexsmith 研究了基于风险管理的脚手架等桥梁施工临时设施安全系数的确定方法,他认为,在施工过程中更应该
8、使用安全储备,而不是使用安全系数,更能反映使用中恒载对结构安全性能的影响,并给出了风、地震等偶然荷载的考虑方法。Ossama A.Abdou 指出施工是一个受复杂的合同控制的过程并且涉及到几个层次上的复杂关系,在施工过程中有很多的风险。一般来说,有 3 种施工风险,涉及到施工费用、施工工期和设计。鉴于在项目中已有的涉及设计、发展、施工之间不同的合同关系,该文识别了这些风险,并确定了在施工风险的分析和管理中要采取的适当步骤。奇怪的是,尽管在业主和承包商之间以及在建筑师/工程师和业主之间有个人合同,但是在建筑师/工程师和承包商之间几乎不存在官方的合同。这种关系表明在建筑设计和施工中的参与实体的责任
9、是不平等的。此外,该文还列出了在风险生成和管理过程中涉及的不同实体,并且提出了能够制止在不同施工阶段出现这种风险的战略措施。Kalayjian,Wayne H.讨论了在第三世界国家中频频遇到的施工风险,主要包括现场安全、现场的现金储备、劳动力的费用和进度安排、材料和设备的采购、通信方式、交通、医疗和健康问题、现场安保、语言和文化的障碍。通过积极识别这些微妙的风险来调整预算方案和时间表,在第三世界国家的建设项目可以获得更大的盈利。5?运营风险研究桥梁运营阶段的风险研究,主要是对运营中的桥梁结构安全性与可靠性进行风险评估,主要有船撞风险、车撞风险、超载风险、地震风险、洪灾与火灾风险等风险问题。5.
10、1?船撞桥的风险在美国的 AASHT O 设计指南中,引入了风险分析方法。具体做法是将控制船撞桥导致的桥梁倒塌的概率 Pf作为强制标准,目的是尽量减少灾难性事故,在桥梁设计中,要求将船撞桥事故作用与永久的和可变的载荷一起考虑。根据桥梁的重要性,分为重要类和普通类,明确规定了船撞桥设计的目标风险概率。AASHTO 设计指南给出了船撞桥风险评估的准则,越重要的桥梁风险越大,而目标的风险概率会越小。M.W.Whitney 等指出 AASHTO 船撞桥设计指南中的方法?主要是针对船只的影响设计。因此,154?中?外?公?路?第 30卷?目前方法?中的规范主要被限制在海上航道上的桥梁。然而,在内陆航道上
11、的桥梁更容易受到驳船的影响。但是,还没有对内陆航道上的桥梁根据船队规模的巨大变化、驳船类型和驳船大小用方法?来进行驳船的防撞设计。在那里作者提出了一种方法,按照方法?利用驳船和船队的数据来对船撞桥设计进行风险管理的过程,该法适用于美国和世界的所有通航内陆水道。Rafal Wuttrich 等指出桥梁的防撞系统是用来指引通过内陆航道桥梁下的船只的。对于保证桥墩的完整性来说,它们似乎是一个非常有吸引力并且廉价的解决方法。然而,直到现在还没有设计出来能够承受横向力的防撞板。因此,它们现有的影响力是未知的。作者根据美国佛罗里达州交通部资助的研究,评估系统的防撞性并且提出可能的改造建议。在这项研究中致力
12、于计算分析一个巨型的漏斗形驳船对普通制造的防撞板的影响。用一个非线性显式动力学有限元软件LS-DYNA 来分析。用不同的初始速度和影响角度来代表可能的碰撞条件,通过计算分析来评估防撞系统的防撞性能,并为了可能的改造确定其最薄弱的部分。这种改造可能会进一步提高现有防撞系统吸收能量的能力。Gary R.Consolazio 等指出评价驳船对桥墩碰撞的结构响应和易损性通常涉及要么使用静态桩分析软件和设计规范规定的同等静荷载条件,要么利用通用有限元软件和漫长的发展过程模型。该文作者提出了另一种方法,就是通过在一个高计算效率和模块化的方式里添加动态驳船的行为来改变已有的非线性动态桩分析程序的适用性。通过
13、对共同的碰撞冲击力下的非线性驳船和桩响应的耦合,对耦合系统的加速度收敛采用数值程序,对桥墩可能受到驳船碰撞的风险进行有效和快速的动态分析。影响参数考虑了驳船类型和质量、影响速度和角度、桥墩配置等。Sexsmith 对船撞等桥梁风险评估加以介绍,同时针对船撞,提出了在设计方面应采取的保护性措施。Hideyuki 介绍了日本学者基于故障树方法建立的船撞风险分析系统,并认为船撞事故中人为因素占很大一部分。5.2?车撞桥的风险Zenonas 对车撞桥的风险进行了详细研究,研究认为,车撞引起的损失可以从对桥梁造成的损失、对车辆及其运送货物造成的损失、对人员造成的伤害、在维修期间造成的交通堵塞等间接损失、
14、交通系统不畅造成的社会和经济损失、对环境造成的损失等方面考虑。Piere 对法国车辆撞击桥梁墩柱问题进行了比较详尽的研究,对车桥碰撞概率、碰撞后倒塌等各种概率进行了分析。5.3?地震的风险Ehrfried 给出了一个多阶段地震风险评估的流程,包括快速风险检查、风险严重性计算和风险回避研究等内容。在第一阶段,主要用 风险水平!来区分风险等级,并在第二阶段引入了投资-收益比来辅助决策。Miyamoto 介绍了一个桥梁结构的地震风险评估系统,它应用马尔可夫过程并基于概率计算,对桥梁结构在地震作用过程中结构性能的变化过程给出了定量的评价,从而可以方便地确定损失函数。W.A.Zatar 等为了识别和优先
15、考虑容易破坏的桥堤,提出一种简单的方法来进行初步的地震评估和桥堤的分级,产生了一个分级模型,按最高地震破坏风险提供了一个桥堤优先列表。优先清单可以使决策者在最高地震破坏风险条件下,决定对桥堤要么进行进一步的详细评价,要么考虑其他合适的行动。5.4?对具有未知基础的桥梁风险Zayed and Chang 指出具有未知基础的伴随着高风险的桥梁意味着必须在分析和管理它们风险的时候特别注意。Elias 选定了一个模型来评估具有未知基础的越过河流的桥梁的安全风险,通过依靠全国大桥详细目录的信息数据库,他的模型主要是针对冲刷破坏风险和其他的一些风险参数。这个模型可用于基于风险的桥梁等级评价,而且相应的经济
16、性也对确定这些参数有帮助。S.M.Stein 等指出因为在缺乏跟基础有关信息的情况下,关键的冲刷深度不能确定,桥梁破坏风险的管理是很困难的,为此有必要研究提出桥梁的风险评估指南。Tarek Zayed 等建立了具有未知基础的桥梁的物理风险评估模型,提出了一个风险指数(R)来对未知基础的桥梁进行风险评估和桥梁分级,识别并分析了主要的风险因素及参数(图 2),并且设计了 R 的计算模型。5.5?跨河桥梁的冲刷风险研究W.Ron Gardner 等为了便于存储和审查桥址的数据收集,开发了一个数据库。并且结合该数据库,利用VB开发了冲刷项目的风险评估界面。该界面允许155?2010 年 第 2 期?项
17、贻强,等:国外桥梁工程项目风险及评估研究综述?图 2?风险参数和因素的层次使用者查看实地观测数据、照片、桥梁外观截面的屏幕图:包括地面线、水面和现场草图。每座桥梁的位置被储存在一个地理信息系统中用于冲刷项目。该冲刷项目的风险评估过程包括:数据搜集、数据存储与检索、冲刷易感性排名和代码赋值、输出报告。Stuart M.Stein 等研究了一个方法用来评估受到冲刷威胁的桥梁基础的风险。在评估桥梁冲刷的过程中,为了量化桥梁受到冲刷破坏的易损性需要桥梁的基础信息,而且对很多桥梁来说这个信息是不能获取的。在该研究中制定的方法为桥梁的基础资料的搜集确定优先事项。冲刷破坏的风险用失效成本和失效概率来计算。该
18、方法基于各州桥梁详细目录中的数据(其中大部分是主观的)。用冲刷评估中的基础数据确定桥梁的风险等级。A.Melih Yanmaz等指出洪水期间在桥梁的墩台附近将会发生严重的冲刷,可能导致相当大的损害或结构崩溃。因此,基脚的设计必须依靠估计的通过桥孔的可能最大冲刷深度。冲刷预测方程的确定是基于简化假设而且跟冲刷变量的随机性无关,这些随机性导致了基脚设计中不可避免的风险。这项研究涉及了利用阻力加载方法开发的新的可靠度模型用来计算在桥墩附近的冲刷效应。该模型的准确性用改进的一次二阶距和蒙特卡罗模拟来测试。5.6?恐怖袭击的风险Eric B.Williamson,David G.Winget 总结了目前
19、正在进行的对经济有重要影响的研究结果来减轻恐怖袭击对重要桥梁的风险。它概述了一项建议计划通过验证的风险管理技术、列出可能的成本效益的安全措施、讨论爆炸对桥梁和经济的影响、提供结构设计和改造的指导方针来减少这些威胁。此外,还讨论了目前正在进行的对基于性能的设计方法的研究,通过使用适当的风险管理技术,运输管理人员和桥梁工程师可以将恐怖分子对重要桥梁的袭击风险减轻到可以接受的水平,同时确保有效地利用有限的资源。James C.Ray 研究了一种基于风险的方法用来对个别桥梁的恐怖威胁减灾战略进行分级。这个方法的独特之处在于它是专为一个单独的桥梁设计,而且风险跟很多单独的结构构件有关。文中介绍了对一个特
20、殊组件进行恐怖袭击而产生的相对潜在的后果。根据组件对整个结构稳定的重要性、位置以及是否方便恐怖分子到达和它对特殊袭击的耐久力等因素描述了具体风险因素及其属性。该方法的结果是以袭击风险为主的对组件的分级列表,允许对桥梁的减轻风险设计进行排序和优化。一旦减灾计划被确定,这个方法可以用来重新计算减轻了的风险,允许直接表明减灾设计的成本收益。5.7?火灾的风险William G.Byers 从 10 年中观察 8 851 km 长的道路上的桥梁破坏频率中得出损坏概率受到桥型的影响很大,同时也受到当地桥位和通过桥梁的交通密度的影响。68 件严重破坏事件是由高的或移动的荷载、火灾、洪水、碰撞和出轨事故引起
21、的。火灾对开孔式木材栈桥的破坏风险比密闭式的大,而且随着栈桥长度的增加而增加。年度总的严重破坏概率是0.001 6,而出轨导致的年度机械损坏概率为 0.000 19,高荷载对地下通道的破坏概率为 0.010,不考虑交通密度,移动荷载穿过桁架造成的损坏为 0.030,高水位对所有长度的木材栈桥的破坏概率为 0.000 27,火灾的破坏概率为0.000 36。Piere对车辆引起桥梁火灾的风险进行了研究,研究表明车辆在桥上发生火灾的概率是很低的,同时,文中给出了一些典型事故的数据及其描述。5.8?其他方面的风险Bryan 对桥梁超载和洪水风险进行了评价。通过对超载和洪水分别建立极限状态,使用基于概
22、率的方法验算桥梁在各种极限状态下的失效概率,确定结构在某种风险状态下的失效概率,然后再次利用联合概率法则将洪水和超载风险结合起来,确定最终的失效概率。这样的决策虽然达到了评价的目的,但过于保守。Teresa 从项目风险管理的角度,介绍了某桥梁工程项目的风险管理情况,讨论了项目所面临的技术、环境和社会等方面的风险,并提出了减轻风险的措施。Mark 提出了基于可靠性的桥梁评估方法,并重点论述了该方法在桥梁工程中的风险决策分析与寿命期成本分析这两方面的应用。Ng 利用蒙特卡罗法等方法对某石拱桥进行了基156?中?外?公?路?第 30卷?于风险的桥梁评估,对影响桥梁失效的荷载等参数进行了敏感性分析。6
23、?结论与展望综上所述,风险分析作为一门新兴的边缘学科,虽然已在其他领域有了较为广泛的研究,但在桥梁工程领域的研究目前才刚刚开始,且多集中在桥梁运营阶段的船撞、车撞、抗震、桥梁管理等方面,而针对桥梁结构全寿命过程的风险的系统性研究基本属于空白。最近中国地铁坍塌、桥梁施工船撞、车辆撞击及火灾、冲刷、施工过程等因素造成的桥梁突然坍塌、毁损事件过于平凡,因此,有必要重视和加强在这方面的风险评估和研究,使灾难事故的发生降低到最小限度,确保桥梁建设、施工及运营的安全,发挥更大的投资效益。文章以桥梁的生命过程为顺序,讨论了国外桥梁在其全寿命过程中各个方面的风险评估的发展状况及现状;并简要地介绍了对桥梁进行风
24、险评价的方法。从风险评价的趋势来看,桥梁的风险评价在工程建设中扮演着越来越重要的角色,风险评价贯穿于整个工程规划、设计、施工、运营各个阶段,可供工程界参考。参考文献:1?阮欣.桥梁工程风险评估体系及关键问题研究D.同济大学博士学位论文,2006.2?RyujiKakimoto and Prianka N.Seneviratne.Finacial Riskof Port Infrastructure Development J.Journal of Wa?terway,Port,Coastal,and Ocean Engineering,2000(12):281-287.3?S.Ping Ho
25、and Liang Y.Liu.How to Evaluate and In?vest in Emerging A E C Technologies under Uncertainty J.Journal of Construction Engineering and Manage?ment,2003(2):16-24.4?Massoud Javid and Prianka N.Seneviratne.InvestmentRisk Analysis in Airport Parking Facility Development J.Journal of Construction Enginee
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35、重点。该文回顾了近年来碳纤维筋锚固体系的研究现状,重点针对锚固体系的类型、静动载试验、数值分析及实际应用情况等几个方面,系统地归纳和总结了其研究成果,同时指出了碳纤维筋锚固体系尚存的有待进一步研究的问题,探讨了今后研究发展的方向。关键词:CFRP 筋;锚固体系;锚具;试验收稿日期:2009-11-25基金项目:国家 863 计划资助项目(编号:2008AA11Z101)作者简介:诸葛萍,男,博士.E-mail:zhuge.ping 1?前言碳纤维(CFRP)筋是采用多股连续碳纤维作为增强纤维,热固性树脂作为基体材料,将增强纤维和基体树脂胶合,通过固定截面形状的模具挤压、拉拔快速固化成型的复合材
36、料。CFRP 筋具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、低松弛、电磁绝缘性好及减震性能好等特点,因此,它在作为结构重要的受力构件方面有着非常好的应用前景,特别是在超大跨桥中的应用,如可应用于超大跨悬索桥的主缆,超大跨斜拉桥的拉索等,在预应力梁中用它来代替易受环境腐蚀而失效且松弛损失大的预应力钢筋也有着很好的经济效益。CFRP筋为各向异性材料,其轴向性能优异,轴向 22?Elias,V.Strategies for M anaging Unknown BridgeFoundations.FHWA-RD-92-030,1994.23?S.M.Stein and K.A.Sedmera.Using Risk
37、 to M anageBridges with Unknown Foundations A.World Envi?ronmental and Water Resources Congress,2007(C).24?T arek Zayed;R.Edward Minchin Jr.;AndrewJ.Boyd,et al.Model for the Physical Risk Assessment ofBridges with Unknown Foundation J.Journal of Per?formance of Constructed Facilities,2007(2):44-52.2
38、5?W.Ron Gardner,James R.Stahl,Stephen R.Noe.Kentucky Bridge Scour Program A,WRPMD,1999(C).26?Stuart M.Stein,G.Kenneth Young,Roy E.Trent,etal.Prioritizing Scour Vulnerable Bridges Using Risk J.Journal of Infrastructure Systems,1999(9):95-101.27?A.M elih Yanmaz1 and Tugsan Celebi.Evaluation ofScouring
39、 Reliability at Bridge Abutments A.WorldWater Congress,2004(C).28?Eric B.Williamson and David G.Winget.Risk Manage?ment and Design of Critical Bridges for Terrorist Attacks J.Journal of Bridge Engineering,2005(2):96-106.29?James C.Ray.Risk-Based Prioritization of T erroristT hreat Mitigation Measure
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