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期刊导读

基于模糊故障树的悬挑脚手架坍塌事故风险分析

Collapse Risk Analysis of Cantilever Scaffold Based on the Fuzzy Fault Tree Method

孔德伟 KONG De-wei;孙其珩 SUN Qi-heng
(南京工业大学,南京 211816)
(Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

摘要:悬挑脚手架作为高层建筑施工中被广泛运用的作业平台,其结构特点、搭设方式与普通的落地脚手架有所不同。针对悬挑脚手架的特点,文章以某型钢悬挑脚手架工程为例,运用模糊故障树分析方法,分析了悬挑脚手架在搭设、使用与拆除阶段中可能导致架体坍塌的风险因素,并提出相应的防范措施。
Abstract: Cantilever scaffold is a work platform which is widely used in high-rise building construction, its structural features and erection way are different from common ground scaffold. According to the characteristics of cantilever scaffold, this article utilizes the fuzzy fault tree analysis method, analyzes the risk factors which might cause the collapse of scaffold in the phase of the build-up, use and removal based on a steel cantilever scaffold project, and puts forward the corresponding preventive measures.
关键词:悬挑脚手架;脚手架坍塌;模糊故障树;施工风险分析
Key words: cantilevered scaffold;scaffold collapse;fuzzy fault tree;construction risk analysis
  中图分类号:TM753                                      文献标识码:A                                  文章编号:1006-4311(2017)01-0005-03

0  引言
悬挑脚手架作为高层建筑施工中被广泛运用的作业平台,其结构特点、搭设方式与普通的落地脚手架有所不同。近年来,悬挑脚手架的坍塌事故时有发生,比较典型的案例有,2010年3月13日下午15时30分,深圳市南山区某居民楼工程在搭设23层外悬挑脚手架过程中发生坍塌,造成9人死亡,1人受伤。2001年3月4日下午,在上海某高层住宅工程工地上,施工人员在进行13层脚手架的拆除作业时,悬挑脚手架突然发生倾覆,导致架体上的二名作业人员从高处坠落死亡。因此,针对悬挑脚手架的特点,对可能导致悬挑脚手架坍塌的风险因素进行系统性地识别与分析是十分必要的。
本文首先识别出导致悬挑脚手架在搭设、使用与拆除阶段发生坍塌的风险事件,然后根据其逻辑关系,建立起悬挑脚手架坍塌事故的模糊故障树,并确定基本风险事件发生的模糊概率,在此基础上计算得出顶事件发生概率的区间,最后通过敏感性分析确定其中的关键风险因素,并提出相应的预防措施。
1  模糊故障树分析的基本理论
故障树分析法(Fault Tree Analysis,FTA)使用树形图的方式表示一个系统中顶事件与子事件之间的逻辑关系(如图1所示),定性与定量地分析影响系统可靠性的各个因素,并确定导致顶事件发生的因素,从而对系统故障的原因进行诊断。该方法将系统的故障状态作为顶事件,然后找出可能导致顶事件发生的所有直接原因与间接原因,接着再细化,深人分解、跟踪每一种可能的原因,自顶向下,最终完成故障树的构造。由故障树分析的结果,可以确定系统的关键部位、薄弱环节、应对措施等。
在传统的故障树定量分析中,故障树顶事件和基本事件的发生概率被视为一精确值,然而在实际情况中,许多事件的发生概率本身就带有一定的不确定性。而在模糊故障树分析方法中,精确的概率值被替换为某个概率区间,即把基本事件的发生概率视为模糊数,最终通过模糊数学运算得出顶事件的发生概率。该方法与传统的故障树定量分析相比,可以克服获得概率精确值的困难,从而较为准确地计算出故障事件的发生概率。模糊故障树分析法中,模糊数的区间运算法则如下:
设论域U为实数域,p表示基本事件发生概率的三角模糊数,μp(x)表示该模糊数的隶属函数,该隶属函数的公式为
μp(x)=0          x<a■    a≤x≤m■    m≤x≤b0          x>b
其中,a、b表示该模糊数的置信上下限,m表示该模糊数的均值,当自变量取m时,对应隶属函数的取值为1。三角模糊数可由a、m、b三个参数表示,记为p=(a,m,b)。
假设p1=(a1,m1,b1),p2=(a2,m2,b2),则模糊数p1和p2的运算法则如下:
“+”运算:p1+p2=(a1+a2,m1+m2,b1+b2)
“×”运算:p1×p2=(a1a2,m1m2,b1b2)
故障树经过规范化之后,可以转化为仅含有顶事件、基本事件以及“与”门、“或”门、“非”门等逻辑门的故障树。对于基本事件为三角模糊数的故障树,其“与”门、“或”门的运算式分别为
Pand=∏■■Pi=[∏■■ai,∏■■mi,∏■■bi]
Por=1-∏■■(1-Pi)=[1-∏■■1-∏■■1-∏■■]
2  建立悬挑架坍塌事故的模糊故障树
2.1 工程案例
某高层住宅楼外脚手架施工采用型钢悬挑脚手架方案,架体采用扣件式钢管脚手架,搭设高度16.1m,脚手架立杆的横距为0.8m,纵距为1.5m,步距为1.8m,内立杆距建筑物外边设计为0.25m,架体与墙体采用扣件式连墙件进行拉结;悬挑梁材料采用16#工字钢,锚固点采用U型锚固螺栓,上拉杆件采用6×19钢丝绳卸荷,如图2所示。

2.2 模糊故障树的建立
本文将型钢悬挑脚手架的施工过程划分为搭设、使用和拆除三个阶段,根据悬挑脚手架的施工流程,构建型钢悬挑脚手架坍塌事故的故障树模型,如图3所示。该故障树模型将型钢悬挑脚手架的坍塌事故作为顶事件,将悬挑脚手架的搭设、使用和拆除作为中间事件,将架体搭设、使用与拆除中可能存在的问题作为基本事件。本文共识别了17个导致悬挑脚手架坍塌的影响因素作为故障树的基本事件。
2.3 基本事件概率的确定
根据施工现场技术人员的打分和相关的统计资料,得到该故障树中基本事件模糊概率的均值m和置信上下限a、b如表1所示。

2.4 顶事件发生概率的计算
根据第一节中所述的运算法则,将表1中各个基本事件发生概率的三角模糊数代入式(4)、(5),计算得到顶事件(型钢悬挑脚手架坍塌事故)发生的模糊概率:PT=(0.1046,0.1598,0.2117)。
计算结果表明,在充分考虑了基本事件发生的不确定因素时, 该工程悬挑脚手架坍塌事故发生的概率区间为[10.46%,21.17%]。
2.5 基本事件的敏感性分析
基本事件的敏感性分析公式如下:
Ci=■
式中,Ci表示基本事件Xi的敏感性指标,PTi表示顶事件在基本事件Xi不发生时发生的概率。通过对表1中的基本事件进行敏感性分析,可以得出各个基本事件的敏感性指标,如表2所示。
计算结果表明,X14(脚手架作业层材料堆放超载)、X17(将连墙件整层或数层拆除)、X10(脚手架连墙件设置间距过大)、X2(悬挑梁锚环锚固强度不足)、X4(脚手架立杆与悬挑梁固定不牢)等基本事件,对型钢悬挑脚手架坍塌事故发生概率的变化具有重要影响。因此在施工过程中,应从这些基本事件入手,加强对悬挑脚手架坍塌事故的防范。
2.6 防范措施
①在悬挑脚手架搭设阶段,应当采用刚性连墙件使架体与建筑物可靠连接,连墙件的安装应随脚手架搭设同步进行,不得滞后安装;此外,连墙件应靠脚手架主节点设置,设置间距应当符合设计与规范要求。
在悬挑脚手架搭设时,应保证固定于主体结构楼面的悬挑钢梁应有良好的抗拔脱能力。型钢悬挑梁内锚段的末端应采用2 个及以上的几型锚固螺栓或U型钢筋锚环与建筑物梁、板可靠固定,在结构梁、板浇筑混凝土之前,几型锚固螺栓或U形钢筋锚环应预埋至梁、板的底层钢筋位置,并且与梁、板的底层钢筋绑扎或焊接牢固。
此外,型钢悬挑梁外挑段的末端应设置能够使悬挑梁与脚手架立杆可靠连接的固定点,固定点距离悬挑梁端部不应小于100mm,防止脚手架立杆发生滑移脱落。
②在悬挑脚手架使用阶段,应保证脚手架作业层上的施工荷载符合设计要求,不得超载。悬挑脚手架架体严禁悬挂起重设备,并且不得将混凝土输送管、模板支撑架、缆风绳等物件固定在架体上,以防止架体受到额外的荷载。
③在悬挑脚手架拆除阶段,应保证架体的拆除有序进行。悬挑脚手架应当由上而下逐层拆除,严禁上下两层同时进行拆除作业;连墙件的拆除作业应当与架体拆除同时进行,严禁在拆除架体之前先将连墙件整层或数层拆除。
3  结论
①本文通过模糊故障树分析方法,确定了型钢悬挑脚手架在搭设、使用和拆除过程中可能导致架体坍塌的基本事件及其模糊概率,并根据这些基本事件的模糊概率,较为准确地描述出型钢悬挑脚手架坍塌事故的发生概率,同时能在一定程度上允许有描述的误差。
②脚手架作业层荷载、连墙件的设置与拆除、悬挑梁锚固、脚手架立杆与悬挑梁的固定等,是对型钢悬挑脚手架坍塌事故的发生概率影响较大的基本事件。因此在施工过程中,应从这些基本事件入手,加强对悬挑脚手架坍塌事故的防范。
参考文献:
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