摘要：針對在役港口起重機結構件出現(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，建立了基于層次分析法港口起重機帶裂紋結構件的安全評價體系，基于結構件現(xiàn)場實測的數(shù)值，實現(xiàn)對港口起重機帶裂紋結構件的安全評價。

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，其金屬結構在使用期內(nèi)的疲勞破壞時有發(fā)生，裂紋是威脅港口起重機金屬結構安全性能主要的故障之一，其比例達８０％。主要受力結構件出現(xiàn)裂紋后，起重機相關法規(guī)或標準通常都有定性的規(guī)定，應根據(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)進入服役后期或超期服役的港口起重機，對帶裂紋結構件的檢測、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構件，在對含初始裂紋金屬結構剩余壽命研究基礎上，基于現(xiàn)場實測的金屬結構狀態(tài)值，以結構件的裂紋、強度、剛度、變形和銹蝕等作為安全評價指標，建立基于層次分析法港口起重機結構件安全評價體系，以實現(xiàn)對港口起重機帶裂紋結構件的安全評價。

１ 帶裂紋結構件安全評價體系

１）單因素評價層是港口起重機帶裂紋結構件安全評價的第一層次。在這一層中，影響結構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。在進行單因素安全評價時，分別用相應的測量儀器測出每個單因素的狀態(tài)值，然后進行無量綱化處理，得到可以參與運算的評估值。

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

港口起重機帶裂紋結構件安全評價的層次結構如圖１所示。

結構件的安全評價過程主要包括：

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

２）結構件安全評價 通過層次分析法等確定結構件各評價指標的權重值，然后與各單因素安全評價值結合，即可獲得結構件的安全評價值，從而可對其安全性進行評判。

２ 基于層次分析法的評價指標權重值確定

２１ 評價指標權重值的確定方法

傳統(tǒng)的指標權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合的多準則決策方法，將與決策相關的所有因素分解成高低若干不同層次，并在此基礎上，進行多目標決策。

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

確定指標權重的步驟包括建立系統(tǒng)的層次結構；構造兩兩比較判斷矩陣；計算各層次相對權重及檢驗結果的一致性。

２２ 結構件評價體系的層次結構

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

２３ 構造比較判斷矩陣

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)一定的比率標度將判斷結果定量化。表１提供了一種１－９標度法。

表１ 比較判斷矩陣標度及其含義

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)組的權重集的過程，其計算問題可歸結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相對權重向量Ｗ ＝（ｗ１，ｗ２，…，ｗｎ），并進行一致

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）判斷矩陣進行一致性檢驗。


對于３階及３階以上判斷矩陣，當隨機一致性比率ＣＲ ＜０１時，認為判斷矩陣的一致性結果是可以接受的；反之，當ＣＲ ＞０１時，適當修正原判斷矩陣，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果是可以接受的，則可得到各元素對于上一層的相對權重向量Ｗ ＝
Ｔ
（ｗ１，ｗ２，…，ｗｎ）。