摘要：將改進型事件樹分析法應用于橋梁事故分析中，該方法系統考慮所有可能引起事故發生的原因及機理，并形成事故分析所需的事件樹和確定事故方案。 通過對各種事故方案進行仿真計算，找出事故原因及機理。 結合大橋施工階段的事故分析表明，該方法對橋梁事故分析較為可行。

　　關鍵詞：改進型事件樹分析；橋梁事故；仿真；事故原因

　　橋梁的興建與暢通，促進了人類社會的文化和經濟生活的繁榮與發展[1]。 但橋梁事故時有發生，對人民群眾的生命和財產構成威脅，因此，橋梁事故的研究分析就顯得尤為重要。

　　迄今為止，國內外對橋梁工程事故分析存在許多方法. 但實際橋梁工程事故調查分析中，經驗不足的或經驗豐富的調查者應用這些方法時都經常犯同樣的錯誤，在調查分析橋梁工程事故時都可能不夠全面地考慮所有可能引起事故的假定。 例如，決策法在調查分析時作為主要的分析方法，由于未能系統考慮可能引起事故發生的原因，很難判斷事故原因；選取主要可能破壞的假定也存在一定難度。因此，本文研究采用改進型事件樹分析法對橋梁事故進行分析[2]，并結合事故仿真對橋梁事故進行定量分析[3-5]。

　　1 改進型事件樹分析方法

　　在應用改進型事件樹分析法進行橋梁事故分析時，首先通過專家意見、現場調查、文獻搜集及回顧等方面來確定所有可能的事故原因事件；然后根據這些原因事件建造事件樹，確定成立的事故方案，并應用ANSYS軟件等工具計算出結構在各種可能原因事件以及各種可能事故方案的作用下的空間應力狀態；最后通過對這些可能事故方案的分析來確定事故的原因及機理. 具體分析過程如圖1所示。

 

　　如果某工程事故在事故原因調查分析時通過專家意見、現場調查、文獻搜集以及回顧等確定有3種可能事故原因事件(E₁,E₂,E₃)，則有6種可能事故方案，如圖2所示。

 

　　123EEE，在完成事件樹建造之后，下一步就是對每個破壞事件進行品質分析(也即這些事件發生的條件概率)和確定每種事故方案的發生概率。 如果事故方案中的某一事件的條件概率小于事故發生的極限概率值，則認為該事故方案不成立，而只需要對那些成立的方案進行分析，如圖3所示。

 

　　通過上述理論，可以形成改進型事件樹分析法對工程事故分析步驟。

　　(1) 確定或尋找可能導致工程事故的事件。 破壞事件可通過專家意見、工程現場調查、文獻搜集以及回顧等確定；

　　(2) 確定可能導致工程嚴重后果的初因破壞事件，所有的工程失效事件都有可能是初因失效事件；并對初因事件進行分類，對于那些可能導致相同事件樹的初因事件可劃分為一類；

　　(3) 建造事件樹，對事件進行分析，排除包含事件的條件概率小于極限失效概率值的事故方案，確定成立的事故方案；

　　(4) 對事故方案進行仿真計算，計算出各種事件作用時對結構的應力狀態影響，并比較分析確定這些事件對事故的權重；

　　(5) 評價被調查的事故方案發生的可能性，找出事故原因。

　　2 工程實例

　　2.1 工程概況[6,7]

　　該橋的主橋為五跨連續帶協作體系的獨塔雙索面不對稱飄浮體系的斜拉橋. 橋跨布置為75m+ 258m+102m+83m+50m. 主梁為預應力鋼筋混凝土結構，梁高2.5m，梁寬29.5m. 標準截面為雙箱單室開口箱形截面，開口部分寬度為13.5m，頂板厚度為22cm，底板及斜腹板厚度均為18cm，橫隔梁間距為4m. 橋縱向分為1個長24m的0號塊，25個長8m的標準塊，1個長3m的非標準塊和1個長2m的合龍塊. 在岸側16號塊處設有臨時支撐墩(23號墩)，墩頂設有拉力支座，通過拉力索與主梁相連，用以增加主梁在河側單懸臂施工及臺風經過時的穩定性. 主梁利用牽索掛籃以8m為1個節段，由橋塔處向兩岸懸臂現澆施工。

　　本橋主體工程于1995年5月動工興建，1998年3月27日主塔封頂，1998年8月18日岸側合龍，隨后進入單懸臂現澆施工. 1998年9月24日凌晨4:25斜拉橋主梁施工至23號塊時，主梁上游側16號塊－17號塊施工縫附近的底板、斜腹板和直腹板混凝土發生壓潰破壞，幾分鐘之后下游側15號塊－16號塊施工縫附近的底板、斜腹板和直腹板發生了壓潰破壞，狀態如圖4所示。

 

　　事故發生后，很多專家學者對該橋梁事故給出的多是定性的且原則性的意見和建議，其中有專家認為是橋梁底板太薄，還有認為是設計、施工和規范綜合影響，也有提出了海洋脈動風作用所致的觀點等[8]，現場技術人員認為是施工超張拉所致，但至今也沒有真正搞清該橋梁事故的機理與原因。 因此，本文采用改進型事件樹分析法來對該橋梁事故原因進行分析，并結合事故仿真來定量分析該橋梁事故原因。

　　2.2 事件樹的建造

　　雖然混凝土強度、混凝土溫度以及海上脈動風等都可能是事故原因，但經過綜合考慮上述專家意見、現場調查、已有的事故分析報告以及研究分析等確定這些事件引起事故的條件概率小于極限失效概率，故排除包含這些事件的事故方案，并初步認為下列事件對該橋梁工程事故發生具有重要的影響：(1) 施工階段索力分布情況(E1)；(2) 箱梁的底板設計厚度(E2)。

　　由改進型事件樹分析法可得如下2種成立的事故方案：E1→E2和E2→E1。

　　事件對橋梁事故的影響權重采用事件的不同參數進行仿真計算來確定。 E1考慮2種索力分布情況：拉索未局部超張拉(A1)，如圖5(a)所示，此時索力變化比較平穩(與成橋索力分布基本一致)，且左右索力分布較對稱，索力最大值為5400kN(C23和C23＇)，最小值為1800kN；拉索局部超張拉(A2)，如圖5(b)所示，此時索力局部變化非常劇烈，索力最大值為7800kN(C15～C17)，最小值只有1000 kN左右. E2考慮2種底板厚度：18cm(B1)和28cm 其中18cm為原設計厚度，28cm為后來的加固厚度。 則共有4種分析組合：A(B2)，1+B1，A1+B2，A2+ B1，A2+B2。

　　3 事故仿真

　　3.1 建模

　　應用大型通用工程軟件ANSYS生成仿真計算模型。其中，箱梁采用SOLID65模擬，橫隔梁采用SHELL143模擬，拉索采用LINK10模擬，主塔及橋墩采用BEAM189和BEAM44模擬，主塔橫梁采用BEAM4模擬。 模型網格劃分之后，共生成38 392個單元。 主塔及橋墩的底部約束所有自由度，主塔與主梁之間有橫向約束，橋墩與主梁之間有豎向和側向約束。 主梁端部施工荷載按半個主梁節段的重量以集中力的形式作用于主梁端部。

 

　　3.2 基于事故的仿真結果及分析

　　對提出的4種分析組合應用ANSYS軟件進行仿真反演計算，計算結果如表1和圖7所示。 其中，圖7中(a)、(b)、(c)、(d)分別為A1+B1、A2+B1、A1+B2、A2+B2這4種分析組合時，底板15#～17#塊的X向應力云圖。

 

 

　　從表1和圖7的計算結果可知主梁15#～17#塊的空間應力情況.

　　A1+B1組合時，底板xσ的最大值只有-11.2 MPa左右，遠小于C50混凝土抗壓設計強度值(-28.5 MPa)；同時，頂板、斜腹板以及直腹板的空間應力值均小于C50混凝土的抗拉、壓強度的設計值，其中C50混凝土的抗拉強度設計值為+2.45 MPa. 在這種組合情況下該區域不會發生壓潰破壞。

　　A2+B1組合時，底板xσ最大值為-34.6 MPa左右，超過了C50混凝土抗壓設計強度值；頂板xσ最大值達9.48 MPa，也超過了C50混凝土抗拉設計強度值；其他空間應力值均小于C50混凝土的抗拉、壓強度的設計值. 即在這種組合情況下該區域發生壓潰破壞。

　　A1+B2組合時，底板xσ壓應力值只有-7.59MPa左右，遠小于C50混凝土抗壓設計強度值；同時，頂板、斜腹板以及直腹板的空間應力值也均小于C50混凝土的抗拉、壓強度的設計值。 在這種組合情況下該區域不會發生壓潰破壞。

　　A2+B2組合時，底板xσ最大值為-28.4 MPa左右，與C50混凝土抗壓設計強度值接近；頂板xσ最大值達9.14 MPa，直腹板zσ為3.63 MPa，均超過了C50混凝土抗拉設計強度值；其他空間應力值均小于C50混凝土的抗拉、壓強度的設計值。在這種組合情況下該區域底板處于發生壓潰破壞的邊緣，且頂板和直腹板被拉壞。

　　通過上面的結果和分析可知，A2+B1組合時該區域底板X向最大應力值xσ比A1+B1組合時增加了207.843%；A2+B2組合時該區域底板X向最大應力值xσ比A1+B2組合時增加了274.325%；A1+B1組合時該區域底板X向最大應力值xσ比A1+B2組合時增加了48.1%；A2+B1組合時該區域底板X向最大應力值xσ比A2+B2組合時增加了21.8%。 由此可知，拉索局部超張拉比底板厚度對橋梁事故的影響劇烈，且直接決定著主梁的空間應力分布情況；底板厚度對主梁的空間應力值有一定的影響，但其影響與索力對主梁空間應力的影響相比較小. 也即施工階段索力分布情況(E1)比箱梁的底板設計厚度(E2)更決定著該橋梁事故的發生。

　　4 結語

　　通過應用改進型事件樹分析法和事故仿真對大橋施工階段事故的分析，可以得出如下結論：

　　(1) 該橋梁事故并不是單一原因所致，而是兩種原因事件相繼作用的結果，其中最主要原因是斜拉索局部超張拉，其次才是底板厚度不足。

　　(2) 改進型事件樹分析法對事故分析時考慮了所有可能事故原因及機理，使得橋梁事故原因分析更為系統、全面。