摘要：針對在役港口起重機結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋缺陷后的安全評價問題，文中以裂紋、強度、剛度、變形和銹蝕等作為安全評價指標(biāo)，建立了基于層次分析法港口起重機帶裂紋結(jié)構(gòu)件的安全評價體系，基于結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場實測的數(shù)值，實現(xiàn)對港口起重機帶裂紋結(jié)構(gòu)件的安全評價。

０ 引言

港口起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代物流鏈上的重要組成部分，由于其工作環(huán)境惡劣，其金屬結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)的疲勞破壞時有發(fā)生，裂紋是威脅港口起重機金屬結(jié)構(gòu)安全性能主要的故障之一，其比例達(dá)８０％。主要受力結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋后，起重機相關(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)通常都有定性的規(guī)定，應(yīng)根據(jù)受力情況和裂紋情況采取防止措施，并采取加強或改變應(yīng)力分布措施，或停止使用。目前，國內(nèi)港口中有一大批己經(jīng)進(jìn)入服役后期或超期服役的港口起重機，對帶裂紋結(jié)構(gòu)件的檢測、維修及安全評價，一直是困擾港口企業(yè)的重要問題，也是研究的熱點之一。本文重點針對已含初始裂紋的結(jié)構(gòu)件，在對含初始裂紋金屬結(jié)構(gòu)剩余壽命研究基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)場實測的金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)值，以結(jié)構(gòu)件的裂紋、強度、剛度、變形和銹蝕等作為安全評價指標(biāo)，建立基于層次分析法港口起重機結(jié)構(gòu)件安全評價體系，以實現(xiàn)對港口起重機帶裂紋結(jié)構(gòu)件的安全評價。

１ 帶裂紋結(jié)構(gòu)件安全評價體系

１）單因素評價層是港口起重機帶裂紋結(jié)構(gòu)件安全評價的第一層次。在這一層中，影響結(jié)構(gòu)件安全性能的因素主要包括裂紋、強度、剛度、變形、銹蝕５個方面。在進(jìn)行單因素安全評價時，分別用相應(yīng)的測量儀器測出每個單因素的狀態(tài)值，然后進(jìn)行無量綱化處理，得到可以參與運算的評估值。

２）結(jié)構(gòu)件評價層 帶裂紋結(jié)構(gòu)件的整體安全性需由下一層各個單因素的安全評價結(jié)果進(jìn)行綜合評價，最后得到結(jié)構(gòu)件的狀態(tài)診斷值，即帶裂紋結(jié)構(gòu)件的安全指數(shù)，根據(jù)此指數(shù)的大小，可對結(jié)構(gòu)件的綜合安全性進(jìn)行評價。

港口起重機帶裂紋結(jié)構(gòu)件安全評價的層次結(jié)構(gòu)如圖１所示。

結(jié)構(gòu)件的安全評價過程主要包括：

１）單因素評價層各指標(biāo)安全評價 此過程包括評價指標(biāo)確定、指標(biāo)狀態(tài)的測取、指標(biāo)安全評價值確定等幾個步驟。

２）結(jié)構(gòu)件安全評價 通過層次分析法等確定結(jié)構(gòu)件各評價指標(biāo)的權(quán)重值，然后與各單因素安全評價值結(jié)合，即可獲得結(jié)構(gòu)件的安全評價值，從而可對其安全性進(jìn)行評判。

２ 基于層次分析法的評價指標(biāo)權(quán)重值確定

２１ 評價指標(biāo)權(quán)重值的確定方法

傳統(tǒng)的指標(biāo)權(quán)重確定方法是以專家打分為主的德爾菲法。層次分析法是一種將定性與定量相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，將與決策相關(guān)的所有因素分解成高低若干不同層次，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行多目標(biāo)決策。

將德爾菲法與層次分析法相結(jié)合，其確定的指標(biāo)權(quán)重值比單純的德爾菲法更加準(zhǔn)確和先進(jìn)。該方法可將復(fù)雜問題表示為有序遞階的層次結(jié)構(gòu)，先通過專家對影響結(jié)構(gòu)件各指標(biāo)的重要程度進(jìn)行評判，再利用層次分析法的數(shù)據(jù)處理能力，得到更加準(zhǔn)確合理的權(quán)重集。

確定指標(biāo)權(quán)重的步驟包括建立系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣；計算各層次相對權(quán)重及檢驗結(jié)果的一致性。

２２ 結(jié)構(gòu)件評價體系的層次結(jié)構(gòu)

針對港口起重機帶裂紋的結(jié)構(gòu)件，基于現(xiàn)場實測的金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)值，建立二層次安全評價指標(biāo)體系。

２３ 構(gòu)造比較判斷矩陣

該方法主要是對每一層次中各因素相對重要性給出的判斷，這些判斷通過引入合適的標(biāo)度用數(shù)值表示出來，寫成判斷矩陣。判斷矩陣表示針對上一層次因素，本層次與之有關(guān)因素之間相對重要性的比較。

對于ｎ個元素來說，得到兩兩比較判斷矩陣Ａ＝（ａｉｊ）ｎ×ｎ。構(gòu)造判斷矩陣的形式為

矩陣Ａ具有性質(zhì)為ａｉｊ＞０，ａｊｉ＝１／ａｉｊ（ｉ≠ｊ），ａｉ＝１（ｉ，ｊ＝１，２，…，ｎ）

Ａ矩陣為正互反矩陣，為了使決策判斷定量化，形成上述數(shù)值判斷矩陣，常依據(jù)一定的比率標(biāo)度將判斷結(jié)果定量化。表１提供了一種１－９標(biāo)度法。

表１ 比較判斷矩陣標(biāo)度及其含義

重要等級 ａｉｊ賦值

ｉ，ｊ兩元素同等重要 １

ｉ元素比ｊ元素稍重要 ３

ｉ元素比ｊ元素明顯重要 ５

ｉ元素比ｊ元素強烈重要 ７

ｉ元素比ｊ元素極端重要 ９

ｉ元素比ｊ元素稍不重要 １／３

ｉ元素比ｊ元素明顯不重要 １／５

ｉ元素比ｊ元素強烈不重要 １／７

ｉ元素比ｊ元素極端不重要 １／９

ａｉｊ＝｛２ ４ ６ ８ １／２ １／４ １／６ １／８｝也

是表示指標(biāo)間的相對重要程度，其重要性等級介

于ａｉｊ＝｛１ ３ ５ ７ ９ １／３ １／５ １／７ １／９｝之間。這些數(shù)字是根據(jù)專家進(jìn)行定性分析的經(jīng)驗和判斷力而確定的。

２４ 層次單排序及一致性檢驗

層次單排序是將二維數(shù)組的比較判斷矩陣轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組的權(quán)重集的過程，其計算問題可歸結(jié)為計算判斷矩陣的最大特征根及其特征向量的問題。

各層次相對權(quán)重單排序的計算，要根據(jù)判斷矩陣Ａ＝（ａｉｊ）ｎ×ｎ求出這些元素對于上一層因素的Ｔ相對權(quán)重向量Ｗ ＝（ｗ１，ｗ２，…，ｗｎ），并進(jìn)行一致

性檢驗。

１）判斷矩陣 Ａ中各行元素 ａｉｊ的乘積 Ｕｉ

ｎ

Ｕｉ ＝∏ａｉｊ ｉ＝１，２，３，…，ｎ （２）

ｊ＝１

２）Ｕｉ的開 ｎ次方根 αｉ

ｎ

αｉ＝槡Ｕｉ （３）

３）對向量 α＝（α１，α２，…，αｎ）歸一化處理

ｗｉ ＝ αｉ （ｉ＝１，２，…，ｎ） （４）

ｎ

∑αｉ

ｉ＝１

４）計算判斷矩陣 Ａ的最大特征根 λｍａｘ

１ ｎ （Ａｗ）

λｍａｘ ＝ ∑ ｊ （５）

ｗｉ

ｎｉ＝１

５）判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗。


對于３階及３階以上判斷矩陣，當(dāng)隨機一致性比率ＣＲ ＜０１時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性結(jié)果是可以接受的；反之，當(dāng)ＣＲ ＞０１時，適當(dāng)修正原判斷矩陣，然后重新計算新的判斷矩陣的一致性，直到得出一個較滿意的判斷矩陣為止。


如果判斷矩陣的一致性結(jié)果是可以接受的，則可得到各元素對于上一層的相對權(quán)重向量Ｗ ＝
Ｔ
（ｗ１，ｗ２，…，ｗｎ）。