橋梁全壽命設(shè)計有關(guān)問題的探討

戴萬江 陳 飛

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司1） 北京 100097） （嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院2） 嘉興 314001）

全壽命設(shè)計方法將“全壽命性能設(shè)計”的概念引入橋梁設(shè)計、施工和維護(hù)管理的工程實(shí)踐中，將會使橋梁壽命期的服務(wù)水平和長期投資控制得到更有力和更全面的保證，也會使人們對橋梁的功能和性能狀況的認(rèn)識提升到一個更高的高度，并使壽命周期內(nèi)的成本花費(fèi)更加合理，符合橋梁建設(shè)以人為本、節(jié)約資源的科學(xué)發(fā)展要求，因而有長遠(yuǎn)的理論和工程價值.全壽命橋梁設(shè)計方法的創(chuàng)新將是21世紀(jì)橋梁可持續(xù)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的一個重要標(biāo)志.

從經(jīng)濟(jì)方面考慮，以橋梁服務(wù)水平為約束條件，以壽命周期成本總值最小為目標(biāo)是橋梁全壽命設(shè)計新的理念.它是以最小的全壽命投入，獲取最優(yōu)的橋梁長期服務(wù)水平這一性能為目標(biāo)的設(shè)計方法.該方法的實(shí)現(xiàn)不但能降低橋梁壽命周期總投入，而且將大大提高社會及公眾的滿意度.

從壽命周期內(nèi)的性能指標(biāo)上講，全壽命設(shè)計研究的主要目的之一就是建立定量的理論分析方法，以計算和判定結(jié)構(gòu)的耐久性能，從而人為地設(shè)計結(jié)構(gòu)的耐久能力、控制結(jié)構(gòu)的老化過程、預(yù)測結(jié)構(gòu)的全壽命使用性能.對在役橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性評估，一方面可以揭示潛在的危險，為業(yè)主提供準(zhǔn)確的信息以便及時做出維修加固或拆除的決策，避免重大事故的發(fā)生；另一方面，其研究成果可以直接用于指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和維護(hù)［1］.

1 橋梁的使用現(xiàn)狀與問題

美國近些年的調(diào)查與分析發(fā)現(xiàn)，在其總計約60萬座的橋梁中，有20萬座被美國聯(lián)幫公路總局確定為不符合要求，12萬5千座被認(rèn)為具有結(jié)構(gòu)缺陷，每年需更換5～8千座，至少需要90億美元來解決這些問題.在印度，大約10%的公路橋梁需要替換，另有10%的橋梁有損傷跡象.而澳大利亞有60%地方公路橋梁使用年限超過50a，大約55%的高速公路橋梁使用超過20a，有證據(jù)顯示隨著使用年限的增加，結(jié)構(gòu)逐漸劣化并產(chǎn)生腐蝕、疲勞、損傷和其他形式的性能退化，在澳大利亞NSW州急需約3 000萬美元來加固有缺陷的橋梁.

在我國，大部分建國后興建的橋梁，已有相當(dāng)數(shù)量發(fā)生老化、損壞，承載能力明顯降低.在20世紀(jì)50、60年代修建的混凝土橋梁，標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，且有不同程度的破損，這些低標(biāo)準(zhǔn)的橋梁，正處在超負(fù)荷運(yùn)營階段［2－3］.目前我國正處于橋梁建設(shè)的高峰時期，大量的在役與待建橋梁可能面臨著如何保證其全壽命期間的安全性、耐久性及維護(hù)管理的嚴(yán)重問題.如鐘祥漢江公路大橋主橋，見圖1.

該橋為五孔一聯(lián)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，橋跨布置為65m＋3×100m＋65m，橋面凈空為9m＋2×1.5m.1990年10月28日正式奠基，1993年11月18日竣工通車，建成后實(shí)際造價5 650萬元.

圖1 鐘祥漢江公路大橋主橋

2003年5月以來，大橋跨中下?lián)?，關(guān)鍵部位出現(xiàn)開裂.箱梁腹板開裂，中間三跨跨中底板橫向貫通開裂，而且跨中底板裂縫活動性明顯；中跨跨中底板大面積砼剝落；兩個次邊跨下?lián)蠂?yán)重；箱梁接縫質(zhì)量狀況較差.經(jīng)鑒定為危橋，失去維修價值，上構(gòu)于2005年予以拆除，為目前國內(nèi)拆除的規(guī)模、跨徑最大的橋梁.

該橋功能失效原因是多方面的.混凝土強(qiáng)度達(dá)不到要求，而且離散性較大；灌漿不飽滿（相當(dāng)鋼束大部分未灌漿）、預(yù)應(yīng)力鋼束得不到有效保護(hù)而導(dǎo)致其銹蝕是其中的兩個主要原因.

該橋的實(shí)際壽命約11a，遠(yuǎn)小于其設(shè)計壽命.這引起了國內(nèi)學(xué)者的高度關(guān)注，也提出了對全壽命設(shè)計有關(guān)問題的探討：混凝土、鋼束的腐蝕機(jī)理研究、在役結(jié)構(gòu)的健康狀況評價和剩余壽命預(yù)測、結(jié)構(gòu)性能的防護(hù)措施研究等.

2 國內(nèi)外全壽命研究的有關(guān)問題

2.1 壽命周期成本分析方法

壽命周期成本（life cycle cost，LCC）及全壽命經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)首先由美國軍方于20世紀(jì)60年代提出，經(jīng)過幾十年的不斷努力發(fā)展完善，壽命周期成本分析方法在美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家獲得了快速的發(fā)展，能夠通過基于可靠度的成本最優(yōu)有效地和現(xiàn)實(shí)地管理橋梁網(wǎng).實(shí)施全壽命成本方法對于處理橋梁建設(shè)中短期效益和長期效益的關(guān)系，有很好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，也是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，逐漸提高我國的技術(shù)水平和管理能力，與國際接軌的重要方面.

全壽命成本主要是由從結(jié)構(gòu)建造到結(jié)構(gòu)生命周期結(jié)束的所有期望值的現(xiàn)值的總和組成，為了比較不同選擇結(jié)構(gòu)的總壽命周期成本，將成本簡單的表述為現(xiàn)值（PV）和未來值（FV）.壽命周期成本分析的總目標(biāo)是提供一個成本——效益分析的工程方法，能夠從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度考慮分配不同的成本，包括設(shè)計、營運(yùn)、檢測、養(yǎng)護(hù)、維護(hù)、改造和整個設(shè)計基準(zhǔn)期的劣化與失效.這種方法將優(yōu)化技術(shù)和概率方法結(jié)合一起，為決策者提供一個有效的經(jīng)濟(jì)評估工具，在收支平衡的基礎(chǔ)上判斷維護(hù)方案的優(yōu)劣.

目前，在韓國鋼橋的建造持續(xù)增長，很多研究者作出大量努力從事最優(yōu)化算法研究，以達(dá)到鋼橋初始成本最優(yōu)化設(shè)計.但是，鋼橋的有效壽命周期成本最優(yōu)化設(shè)計模型到目前為止并沒有完全研究成形，因此它所建立的模型和理論尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段.理論上，考慮時間效應(yīng)，例如時變耐久性，和考慮隨機(jī)極限荷載影響的鋼橋壽命周期成本建模十分困難，因為時間效應(yīng)引起結(jié)構(gòu)壽命周期內(nèi)各種強(qiáng)度、疲勞、腐蝕、局部彎曲、穩(wěn)定性等相關(guān)失效，進(jìn)而帶來高成本和缺乏成本數(shù)據(jù)的不確定評估.近幾年，許多研究人員開始在周期成本有效性方面從事大量研究，主要是關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的壽命周期成本模型和最理想的設(shè)計結(jié)構(gòu).但是，只有少數(shù)人研究橋梁系統(tǒng)的壽命周期成本有效性，而在這些研究中大多數(shù)不能實(shí)際應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)問題上，主要因為多數(shù)研究者集中在壽命周期成本有效性分析和設(shè)計的理論點(diǎn)上，而在實(shí)際實(shí)行時沒有考慮現(xiàn)實(shí)制約因素.文獻(xiàn)［4］提出一套鋼橋周期成本有效性最優(yōu)化設(shè)計的壽命周期成本方法，這種方法考慮在外界因素作用下橋梁可靠性的時間效應(yīng)，例如腐蝕和重載運(yùn)輸.在壽命周期成本最優(yōu)化的情況下，其功能組成為：初始成本，預(yù)期壽命周期維護(hù)成本，預(yù)期壽命周期可靠性成本，包括維修替換成本，意外損失，損傷損失，道路使用成本，間接社會經(jīng)濟(jì)損失.

2.2 壽命周期內(nèi)的橋梁管理

經(jīng)過長期的探索，人們認(rèn)識到除了設(shè)計合理、施工得當(dāng)、維護(hù)及時外，要從根本上解決實(shí)際問題，還需要加強(qiáng)橋梁建設(shè)管理的力度，改變橋梁建設(shè)管理的一些理念和習(xí)慣做法.為了維持結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀態(tài)，決策者必須決定什么時候和怎么樣維修、修復(fù)、替換或結(jié)束逐漸劣化的設(shè)施，橋梁管理所采用的方法在一定程度上決定了一項工程所能達(dá)到的服務(wù)水平［5］.因此，許多國家付出大量努力從事橋梁管理系統(tǒng)（BMS）的研究.并且在新的信息技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展出一種橋梁全壽命管理系統(tǒng)（BLMS），它將橋梁全壽命信息分類為地質(zhì)條件、設(shè)計、檢測、維護(hù)、地震及橋型信息.每種信息數(shù)據(jù)可以隨時獨(dú)立恢復(fù)和更新，在橋梁壽命周期內(nèi)其中一個階段的信息能夠有效利用于該周期的其他階段，或者另一座橋的壽命周期內(nèi).壽命周期成本分析被廣泛認(rèn)為在橋梁管理中起著重要作用，然而由于缺少可靠穩(wěn)定的成本數(shù)據(jù)，該方法的實(shí)現(xiàn)在目前還有一定的困難.未來橋梁全壽命管理系統(tǒng)的發(fā)展能夠幫助收集處理必要的數(shù)值計算參數(shù)和數(shù)據(jù)，例如橋梁的劣化模型，壽命周期分析.事實(shí)上橋梁管理系統(tǒng)（BMS）的發(fā)展同樣需要結(jié)構(gòu)可靠度和壽命成本分析相關(guān)的預(yù)測性分析，例如，丹麥道路董事會采用概率為基礎(chǔ)的橋梁管理來提高在役橋梁的容許荷載和延緩昂貴的維修和修復(fù)措施，歐洲提出的歐洲橋梁管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)危險評估、橋梁狀態(tài)預(yù)測、預(yù)算約束方面最佳組合進(jìn)行建模［6］.

2.3 基于可靠性的全壽命研究

為了達(dá)到服務(wù)期間劣化結(jié)構(gòu)管理的合理支出，幫助管理者作出最恰當(dāng)?shù)臎Q定，有效的成本評估方法十分必要.通常，劣化結(jié)構(gòu)的壽命周期成本分析主要有建造成本，檢測成本，維護(hù)成本，使用成本，失效成本.為了充分利用橋梁維護(hù)整修過程中各方面的協(xié)調(diào)產(chǎn)生的效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有劣化結(jié)構(gòu)最優(yōu)有效成本的全壽命設(shè)計，有關(guān)部門提出了各種設(shè)計管理辦法，而大多數(shù)方法都基于主觀的條件評估和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測結(jié)構(gòu)未來狀況，這些方法主要集中在收集結(jié)構(gòu)單元的數(shù)據(jù)信息，而不是整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的信息.另外，對主觀條件的評估尺度需要專業(yè)的判斷，不可避免會出現(xiàn)誤差.全壽命周期研究的分析過程應(yīng)該以量的數(shù)據(jù)為依據(jù)，必須采用不僅僅依賴于主觀數(shù)據(jù)的研究方法，因此，以可靠性理念為基礎(chǔ)的方法非常必要［7］.

科羅拉多州大學(xué)主要利用計算機(jī)程序，提出以可靠性為基礎(chǔ)的劣化結(jié)構(gòu)全壽命周期研究的分析方法，該方法根據(jù)在給定的時間范圍內(nèi)產(chǎn)生的各種影響，建立劣化結(jié)構(gòu)失效模型的可靠性指數(shù)和成本描述.可靠性指數(shù)的迭加結(jié)合各種不同作用產(chǎn)生的效果，這些失效模型的可靠性描述統(tǒng)計在一起產(chǎn)生系統(tǒng)的可靠性描述.可靠性指數(shù)迭加方法通過結(jié)合發(fā)生在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)各種作用的影響，有效地評估整個系統(tǒng)的可靠性指數(shù).目前已經(jīng)開發(fā)一種稱之為LCADS（life－cycle analysis of deteriorating structures）的程序，保證了單個或劣化系統(tǒng)組的壽命周期分析中不同計算水平的客觀需要.LCADS采用Fortran 90編程，在程序中劣化系統(tǒng)的時變可靠性是最基本的評估和監(jiān)控數(shù)據(jù)，充分考慮到在給定時間范圍內(nèi)系統(tǒng)可靠性指數(shù)的可能分配和它的增值，而不是在某個時間點(diǎn)描述的固定指數(shù)值.

3.4 橋梁的腐蝕及劣化

橋梁在服役過程中暴露在大氣環(huán)境下，對于混凝土橋梁，將發(fā)生混凝土碳化，鋼筋銹蝕，橋梁的承載能力下降，服務(wù)水平降低等問題，深人研究混凝土結(jié)構(gòu)劣化機(jī)理，為制定橋梁維護(hù)方案提供理論支持［8］.

在混凝土橋梁的服務(wù)期間，影響其狀態(tài)的主要因素之一是鋼筋的腐蝕，腐蝕將引起混凝土面層開裂、約束失效、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低.為了對結(jié)構(gòu)運(yùn)營和壽命周期成本進(jìn)行分析，大多數(shù)可靠性研究集中在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損失，但是很多混凝土結(jié)構(gòu)，腐蝕引發(fā)危險的第一個信號是混凝土面層開裂、分層、碎裂.預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕將直接導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土梁的疲勞失效，且其失效概率的增長超過其他結(jié)構(gòu)性能的失效概率.如果這些現(xiàn)象發(fā)生，橋梁業(yè)主將需要評價橋梁狀態(tài)，這可能會迫使改變橋梁管理策略，例如利用更頻繁的檢測來監(jiān)控破壞的嚴(yán)重程度，或維修、替換毀壞的組成部分.因此，一些學(xué)者調(diào)查了腐蝕對服務(wù)能力的影響，顯然，它對分析結(jié)構(gòu)可靠性和壽命周期成本十分必要.所以要同時考慮隨機(jī)腐蝕過程對強(qiáng)度和服務(wù)能力狀態(tài)的影響，包括相關(guān)壽命周期成本的評估，這將豐富橋梁劣化建模和壽命周期成本的現(xiàn)有知識，也是橋梁管理系統(tǒng)（BMS）的重要方面［9］.

值得指出的是，為防止橋梁的腐蝕及劣化，提高耐久性，研究應(yīng)用新型材料是重要的.德國由于預(yù)應(yīng)力鋼束的銹蝕，造成大量的后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)失效.其原因除了拙劣防護(hù)及時變腐蝕外，就是預(yù)應(yīng)力鋼束本身.所以象熱軋鋼、余熱處理鋼及冷軋帶肋鋼等在過去40年得到較大的改進(jìn)，提高其防腐及有關(guān)力學(xué)性能.

另外，纖維加強(qiáng)聚合物（fiber reinforced polymers，F(xiàn)RP）廣泛應(yīng)用于船、飛機(jī)、機(jī)動車輛等行業(yè)，其高耐腐蝕特征使得FRP結(jié)構(gòu)幾乎可以免于維護(hù)，而它的特殊強(qiáng)度同時具有建造超長跨徑橋梁的潛力.由于FRP橋梁重量的降低，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的成本都相應(yīng)減少，但是將FRP作為建筑材料的使用必須降低材料的價格，同時需要恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計技術(shù)［10］.FRP懸索橋中采用炭纖維加強(qiáng)聚合物CFRP（carbon fiber reinforced polymers）為結(jié)構(gòu)材料，與鋼材料產(chǎn)品相比，CFRP強(qiáng)度更高，但它的彈性模量相對較低［11］.

總之，新型材料的研究應(yīng)用，對防止橋梁的腐蝕及劣化，提高耐久性，是一項重大的挑戰(zhàn).

3 結(jié)束語

基于壽命周期成本的橋梁全壽命方法的關(guān)鍵技術(shù)研究包括：橋梁維護(hù)－成本－服務(wù)水平的綜合關(guān)系研究、橋梁管理系統(tǒng)的研究、多指標(biāo)橋梁性能評價、橋梁服役過程中的劣化機(jī)理研究、橋梁劣化要因及維護(hù)方案研究、智能優(yōu)化算法研究，新型建筑材料的研究等方面.橋梁全壽命設(shè)計方法是20世紀(jì)90年代國外土木工程界提出的全新的橋梁設(shè)計理念，該理論以服務(wù)水平為約束條件，以壽命周期成本最低為目標(biāo)，這一理論的研究在我國還處于起步階段，但對我國橋梁設(shè)計的發(fā)展將具有重大和持續(xù)的社會、經(jīng)濟(jì)價值.橋梁的全壽命設(shè)計理論不但可以用于新建橋梁的設(shè)計決策中，也適合在役橋梁的維護(hù)管理策略的選擇方面.橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展趨勢將從現(xiàn)狀設(shè)計向全壽命設(shè)計過渡，并最終達(dá)到可持續(xù)橋梁工程的要求，在上述基礎(chǔ)上，應(yīng)注重結(jié)構(gòu)失效模式、結(jié)構(gòu)性能退化規(guī)律的研究與有關(guān)數(shù)據(jù)的積累，推動基于時變可靠性的橋梁全壽命設(shè)計理論研究上臺階.

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