橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)與使用壽命探析

王建彬

（南京先行交通工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

1 橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命

從世界范圍來(lái)看，橋梁工程的施工規(guī)范，普遍對(duì)橋梁構(gòu)件的耐久性問(wèn)題以及設(shè)計(jì)使用壽命關(guān)注的較少，在中國(guó)同樣如此，構(gòu)件設(shè)計(jì)與使用壽命并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，大多是根據(jù)施工單位的要求進(jìn)行制定，然而這種設(shè)計(jì)使用壽命的要求過(guò)于剛性，沒(méi)有通過(guò)理論的驗(yàn)證來(lái)支持其是否科學(xué)可行。在橋梁結(jié)構(gòu)中，不同的構(gòu)件，功能不同，安裝位置不同，在具體使用過(guò)程中的退化現(xiàn)象也各有不同，因此要對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)并不是一件容易的事情。為了解各個(gè)構(gòu)件的使用壽命，就要求施工工程中對(duì)不同橋梁構(gòu)件的使用壽命進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，使得每一個(gè)構(gòu)件的使用壽命都是明確的。

英國(guó)的建筑物耐久性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)工程參與主體不同的關(guān)注角度，將建筑的使用壽命分為要求使用壽命、預(yù)期使用壽命和設(shè)計(jì)使用壽命三種。在歐洲，這一標(biāo)準(zhǔn)的普及范圍相對(duì)較廣，但是在我國(guó)，并不是采用這一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行區(qū)分。工程設(shè)計(jì)中雖說(shuō)使用壽命指的一般都是要求使用壽命，也就是以使用者或是投資主體的要求作為使用壽命的目標(biāo)要求。然而這種方法是非常不科學(xué)的，因?yàn)闃蛄汗こ淌怯稍S多不同的構(gòu)件組合而成，每一個(gè)構(gòu)件的材料不同、承擔(dān)的功能不同，如果采用某個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)構(gòu)件使用壽命進(jìn)行要求，很顯然是不合理的。鑒于此，本文將就每一個(gè)構(gòu)件的具體特征出發(fā)，對(duì)各個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)平衡各個(gè)構(gòu)件之間的功能與壽命差，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋梁工程的最佳壽命周期，故此認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命指的就是設(shè)計(jì)人員用以作為橋梁及橋梁構(gòu)件耐久性設(shè)計(jì)的依據(jù)并具有足夠安全裕度或保證率的目標(biāo)使用年限。

2 構(gòu)件設(shè)計(jì)的類(lèi)型分析

對(duì)于橋梁構(gòu)件的劃分，國(guó)際上通常采用體系劃分和特點(diǎn)劃分兩種不同的方法，在我國(guó)則普遍采用的是體系劃分法。按照體系劃分，就是先將橋梁按不同的類(lèi)型解構(gòu)成幾個(gè)大的類(lèi)型，例如梁橋、拱橋、纜索承重橋，然后再在這些類(lèi)型中分別列出各自的構(gòu)件。當(dāng)前我國(guó)橋梁大多使用的是混凝土橋梁，而混凝土構(gòu)件的一個(gè)重要特點(diǎn)就是形狀不確定，所以按照特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行劃分難以操作。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照其是否需要更換、維護(hù)等具體的要求，將構(gòu)件的耐久性分為以下幾個(gè)層次：

a）I類(lèi)構(gòu)件 即不可維護(hù)、終生性構(gòu)件（如樁基礎(chǔ)），這類(lèi)構(gòu)件在整個(gè)使用過(guò)程中無(wú)法維護(hù)，設(shè)計(jì)壽命必須兼顧到整個(gè)周期；

b）Ⅱ類(lèi)構(gòu)件 即可維護(hù)、終生性構(gòu)件，這類(lèi)構(gòu)件同樣需要使用到周期結(jié)束，但是在這個(gè)過(guò)程中可以對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)來(lái)予以維持；

c）Ⅲ類(lèi)構(gòu)件 即可維護(hù)、非終生性構(gòu)件，需要簡(jiǎn)單維護(hù)、周期性更換的重要受力或傳力構(gòu)件；

d）Ⅳ類(lèi)構(gòu)件 即可維護(hù)、非終生性構(gòu)件，需要周期性更換的次要受力或傳力構(gòu)件。

根據(jù)我國(guó)當(dāng)前橋梁工程施工的現(xiàn)狀、具體材料以及工藝水平，將國(guó)內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的構(gòu)件按照其耐久性進(jìn)行表1所示的劃分：

表1 國(guó)內(nèi)常見(jiàn)橋梁體系主要構(gòu)建的分類(lèi)及耐久性類(lèi)別

3 構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的計(jì)算方法

3.1 直接法和簡(jiǎn)化法

橋梁構(gòu)件的使用壽命，除了受到技術(shù)層面的因素影響外，還受一些客觀外在環(huán)境的影響。這些外在因素對(duì)構(gòu)件使用壽命產(chǎn)生的影響是難以量化和確定的，故本文對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的分析主要從技術(shù)層面來(lái)進(jìn)行，也就是在正常情況下，構(gòu)件在不需要接受外力援助、維修的狀態(tài)下使用狀況達(dá)到極限的期限。本文采用兩種方法對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析，一種是直接法，另一種則是簡(jiǎn)化法（如圖1所示）。

圖1 橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的計(jì)算方法

在圖1中，虛線表示采用直接法來(lái)確定構(gòu)件使用壽命的流程，實(shí)線則是采用間接法來(lái)確定使用壽命的流程。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這兩種方法的使用并不是完全對(duì)立的，相反，每一種方法各有其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，所以在客觀條件允許的情況下，一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案應(yīng)該是這兩種方法的結(jié)合。

橋梁結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件的使用壽命并不是完全獨(dú)立的，并非每一個(gè)構(gòu)件的使用壽命只與構(gòu)件自身的材質(zhì)、功能有關(guān)聯(lián)，除了外在因素的影響，還包括各個(gè)構(gòu)件之間存在一定的耦合性。無(wú)論是直接法還是簡(jiǎn)化法，對(duì)構(gòu)件使用壽命的確定都是為了優(yōu)化橋梁工程的成本，而每一個(gè)構(gòu)件的維修、更換，都會(huì)加重成本的投入。當(dāng)采用直接法時(shí)，為了使使用周期和成本得到優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)從統(tǒng)一籌劃的角度，重視構(gòu)件之間存在的這種耦合關(guān)系，進(jìn)行聯(lián)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)確定構(gòu)件的使用壽命。而簡(jiǎn)化法，就是將構(gòu)件耦合關(guān)系較強(qiáng)的部分在使用壽命上進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)一些相近的進(jìn)行合并。另外，我們采用簡(jiǎn)化法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，最終得出的結(jié)果可能不是整數(shù)，為了方便計(jì)算、更好的應(yīng)用在施工過(guò)程中，可以取整數(shù)來(lái)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3.2 構(gòu)建設(shè)計(jì)使用壽命計(jì)算公式

構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的計(jì)算，根據(jù)歐美國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)的科研成果，結(jié)合我國(guó)在橋梁工程中的具體情況，我國(guó)橋梁構(gòu)件使用壽命的計(jì)算公式如下：

式中，L為橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命建議值； C為修正系數(shù)， C=C1， C2， C3， C4， …， Cn。修正系數(shù)種類(lèi)較多，包括氣候影響系數(shù)、橋位環(huán)境系數(shù)、養(yǎng)護(hù)系數(shù)等；L0為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命建議值。

3.2.1 氣候影響系數(shù)C1

氣候因素對(duì)構(gòu)件的使用壽命會(huì)產(chǎn)生影響，特別是我國(guó)橋梁構(gòu)件大多采用混凝土材質(zhì)，外部溫度越低，空氣濕潤(rùn)指數(shù)越高，碳化反應(yīng)就會(huì)越慢，構(gòu)件的使用壽命就會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)。如果是鋼構(gòu)件，溫度越低，氣候越干燥，鋼材質(zhì)的腐蝕速度也就會(huì)越慢，使用壽命也就越長(zhǎng)。在我國(guó)，L0的取值以北溫帶的濕潤(rùn)區(qū)指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，氣候影響指數(shù)取0.9～1.1之間。

3.2.2 橋位環(huán)境系數(shù)C2

構(gòu)件壽命受客觀環(huán)境的影響，周邊環(huán)境越惡劣，需要維護(hù)的成本就越高，同等條件下使用壽命就越短，將這種環(huán)境稱(chēng)為橋位小環(huán)境?；凇痘炷两Y(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中環(huán)境作用的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，本文中的L0以可忽略的環(huán)境作用為基準(zhǔn)，建議橋位小環(huán)境系數(shù)取0.6～1.0之間。

3.2.3 養(yǎng)護(hù)系數(shù)C3

構(gòu)建使用壽命與養(yǎng)護(hù)措施、養(yǎng)護(hù)技術(shù)有密切的關(guān)系，養(yǎng)護(hù)措施越好、技術(shù)越先進(jìn)，就能夠越好地延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命。按照不同的養(yǎng)護(hù)要求，將養(yǎng)護(hù)條件劃分為無(wú)養(yǎng)護(hù)、簡(jiǎn)單維護(hù)和周期性詳盡檢查維護(hù)三種。本文中的L0以無(wú)養(yǎng)護(hù)條件為基準(zhǔn)，建議養(yǎng)護(hù)系數(shù)取1.0～1.2之間。

3.2.4 重要性系數(shù)C4

對(duì)于不同等級(jí)的橋梁，其初始業(yè)主成本、重建導(dǎo)致的業(yè)主成本及社會(huì)成本都隨橋梁重要性等級(jí)大幅上升，故重要性較高的橋梁及其永久性構(gòu)件需賦予相應(yīng)較高的設(shè)計(jì)使用壽命。根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60—2004），目前我國(guó)的橋梁按跨徑可分為特大橋、大橋、中橋和小橋四種，以重要性最低的小橋?yàn)榛鶞?zhǔn)，建議取用1.0～2.0的重要性系數(shù)。

3.2.5 更換難易系數(shù)C5

橋梁類(lèi)型不同，構(gòu)件種類(lèi)不同，使得每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行更換的難易效果也是各不相同的。這里僅僅對(duì)不同橋梁上的同種類(lèi)的構(gòu)件進(jìn)行比較。文中的L0以中等更換難度為基準(zhǔn)，建議對(duì)于可更換的橋梁構(gòu)件取用0.8～1.5的難易系數(shù)。

當(dāng)然，影響橋梁構(gòu)件使用壽命的因素并非僅僅以上5個(gè)，在本文中無(wú)法窮盡所有可能產(chǎn)生影響的因素，而是從具有普遍價(jià)值的角度來(lái)選擇這幾種比較常見(jiàn)的，能夠在公式計(jì)算中予以衡量的影響因素來(lái)進(jìn)行分析。

[1]林文修.土木工程結(jié)構(gòu)鑒定、加固與改造技術(shù)的新進(jìn)展——第七屆全國(guó)建筑物鑒定與加固改造學(xué)術(shù)會(huì)議[C].重慶：重慶出版社，2004.

[2]王玉債，阮欣，陳艾榮.全壽命成本分析法在側(cè)風(fēng)影響下橋梁行車(chē)安全決策中的應(yīng)用[J].公路交通科技， 2008， 25（10）： 94.

[3]吳海軍.橋粱結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.