摘要：针对在役港口起重机结构件出现裂纹缺陷后的安全评价问题，文中以裂纹、强度、刚度、变形和锈蚀等作为安全评价指标，建立了基于层次分析法港口起重机带裂纹结构件的安全评价体系，基于结构件现场实测的数值，实现对港口起重机带裂纹结构件的安全评价。

０ 引言

港口起重机安全监控系统是现代物流链上的重要组成部分，由于其工作环境恶劣，其金属结构在使用期内的疲劳破坏时有发生，裂纹是威胁港口起重机金属结构安全性能主要的故障之一，其比例达８０％。主要受力结构件出现裂纹后，起重机相关法规或标准通常都有定性的规定，应根据受力情况和裂纹情况采取防止措施，并采取加强或改变应力分布措施，或停止使用。目前，国内港口中有一大批己经进入服役后期或超期服役的港口起重机，对带裂纹结构件的检测、维修及安全评价，一直是困扰港口企业的重要问题，也是研究的热点之一。本文重点针对已含初始裂纹的结构件，在对含初始裂纹金属结构剩余寿命研究基础上，基于现场实测的金属结构状态值，以结构件的裂纹、强度、刚度、变形和锈蚀等作为安全评价指标，建立基于层次分析法港口起重机结构件安全评价体系，以实现对港口起重机带裂纹结构件的安全评价。

１ 带裂纹结构件安全评价体系

１）单因素评价层是港口起重机带裂纹结构件安全评价的第一层次。在这一层中，影响结构件安全性能的因素主要包括裂纹、强度、刚度、变形、锈蚀５个方面。在进行单因素安全评价时，分别用相应的测量仪器测出每个单因素的状态值，然后进行无量纲化处理，得到可以参与运算的评估值。

２）结构件评价层 带裂纹结构件的整体安全性需由下一层各个单因素的安全评价结果进行综合评价，最后得到结构件的状态诊断值，即带裂纹结构件的安全指数，根据此指数的大小，可对结构件的综合安全性进行评价。

港口起重机带裂纹结构件安全评价的层次结构如图１所示。

结构件的安全评价过程主要包括：

１）单因素评价层各指标安全评价 此过程包括评价指标确定、指标状态的测取、指标安全评价值确定等几个步骤。

２）结构件安全评价 通过层次分析法等确定结构件各评价指标的权重值，然后与各单因素安全评价值结合，即可获得结构件的安全评价值，从而可对其安全性进行评判。

２ 基于层次分析法的评价指标权重值确定

２１ 评价指标权重值的确定方法

传统的指标权重确定方法是以专家打分为主的德尔菲法。层次分析法是一种将定性与定量相结合的多准则决策方法，将与决策相关的所有因素分解成高低若干不同层次，并在此基础上，进行多目标决策。

将德尔菲法与层次分析法相结合，其确定的指标权重值比单纯的德尔菲法更加准确和先进。该方法可将复杂问题表示为有序递阶的层次结构，先通过专家对影响结构件各指标的重要程度进行评判，再利用层次分析法的数据处理能力，得到更加准确合理的权重集。

确定指标权重的步骤包括建立系统的层次结构；构造两两比较判断矩阵；计算各层次相对权重及检验结果的一致性。

２２ 结构件评价体系的层次结构

针对港口起重机带裂纹的结构件，基于现场实测的金属结构状态值，建立二层次安全评价指标体系。

２３ 构造比较判断矩阵

该方法主要是对每一层次中各因素相对重要性给出的判断，这些判断通过引入合适的标度用数值表示出来，写成判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层次因素，本层次与之有关因素之间相对重要性的比较。

对于ｎ个元素来说，得到两两比较判断矩阵Ａ＝（ａｉｊ）ｎ×ｎ。构造判断矩阵的形式为

矩阵Ａ具有性质为ａｉｊ＞０，ａｊｉ＝１／ａｉｊ（ｉ≠ｊ），ａｉ＝１（ｉ，ｊ＝１，２，…，ｎ）

Ａ矩阵为正互反矩阵，为了使决策判断定量化，形成上述数值判断矩阵，常依据一定的比率标度将判断结果定量化。表１提供了一种１－９标度法。

表１ 比较判断矩阵标度及其含义

重要等级 ａｉｊ赋值

ｉ，ｊ两元素同等重要 １

ｉ元素比ｊ元素稍重要 ３

ｉ元素比ｊ元素明显重要 ５

ｉ元素比ｊ元素强烈重要 ７

ｉ元素比ｊ元素极端重要 ９

ｉ元素比ｊ元素稍不重要 １／３

ｉ元素比ｊ元素明显不重要 １／５

ｉ元素比ｊ元素强烈不重要 １／７

ｉ元素比ｊ元素极端不重要 １／９

ａｉｊ＝｛２ ４ ６ ８ １／２ １／４ １／６ １／８｝也

是表示指标间的相对重要程度，其重要性等级介

于ａｉｊ＝｛１ ３ ５ ７ ９ １／３ １／５ １／７ １／９｝之间。这些数字是根据专家进行定性分析的经验和判断力而确定的。

２４ 层次单排序及一致性检验

层次单排序是将二维数组的比较判断矩阵转换成一维数组的权重集的过程，其计算问题可归结为计算判断矩阵的最大特征根及其特征向量的问题。

各层次相对权重单排序的计算，要根据判断矩阵Ａ＝（ａｉｊ）ｎ×ｎ求出这些元素对于上一层因素的Ｔ相对权重向量Ｗ ＝（ｗ１，ｗ２，…，ｗｎ），并进行一致

性检验。

１）判断矩阵 Ａ中各行元素 ａｉｊ的乘积 Ｕｉ

ｎ

Ｕｉ ＝∏ａｉｊ ｉ＝１，２，３，…，ｎ （２）

ｊ＝１

２）Ｕｉ的开 ｎ次方根 αｉ

ｎ

αｉ＝槡Ｕｉ （３）

３）对向量 α＝（α１，α２，…，αｎ）归一化处理

ｗｉ ＝ αｉ （ｉ＝１，２，…，ｎ） （４）

ｎ

∑αｉ

ｉ＝１

４）计算判断矩阵 Ａ的最大特征根 λｍａｘ

１ ｎ （Ａｗ）

λｍａｘ ＝ ∑ ｊ （５）

ｗｉ

ｎｉ＝１

５）判断矩阵进行一致性检验。


对于３阶及３阶以上判断矩阵，当随机一致性比率ＣＲ ＜０１时，认为判断矩阵的一致性结果是可以接受的；反之，当ＣＲ ＞０１时，适当修正原判断矩阵，然后重新计算新的判断矩阵的一致性，直到得出一个较满意的判断矩阵为止。


如果判断矩阵的一致性结果是可以接受的，则可得到各元素对于上一层的相对权重向量Ｗ ＝
Ｔ
（ｗ１，ｗ２，…，ｗｎ）。