淺談橋梁全壽命設(shè)計(jì)理念

焦永平

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 前言

傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)中未明確橋梁整體及主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)壽命，橋梁設(shè)計(jì)壽命的確定也缺乏技術(shù)支撐和具體的設(shè)計(jì)方法；橋梁對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的影響、橋梁景觀與周圍環(huán)境和諧統(tǒng)一等因素考慮較少等。因此，傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)理念越來(lái)越不符合橋梁工程科學(xué)發(fā)展的要求，導(dǎo)致了現(xiàn)有橋梁存在使用性能差、使用壽命短、全壽命經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)差等問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重影響了橋梁正常服務(wù)功能的發(fā)揮，并且給養(yǎng)護(hù)、維修等后期運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，為了可持續(xù)發(fā)展，需要把傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法拓展到橋梁的整個(gè)使用壽命期，考慮橋梁建設(shè)的全過(guò)程，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和使用期管理，一直到拆除和材料的回收再利用，必須進(jìn)行橋梁全壽命設(shè)計(jì)。橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，橋梁全壽命理念符合可持續(xù)發(fā)展要求，并且把傳統(tǒng)短期優(yōu)化橋梁方法轉(zhuǎn)向整個(gè)橋梁的生命周期，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)壽命的各種性能指標(biāo)，優(yōu)化各種可行方案，在多種方案中找出最為適合的方案，再依次進(jìn)行橋梁工程的各個(gè)流程。本文為了使大家能夠更全面地把握橋梁全壽命設(shè)計(jì)的理念以及應(yīng)用這一新的設(shè)計(jì)理念，將從橋梁全壽命的主要階段和過(guò)程進(jìn)行分析和研究，并提出橋梁全壽命設(shè)計(jì)總框架的方法。

1 橋梁全壽命設(shè)計(jì)的概念及主要階段

1.1 橋梁全壽命設(shè)計(jì)的概念

全壽命周期設(shè)計(jì)就是面向制造及其維護(hù)和回用處理的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。在橋梁設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)階段、管養(yǎng)階段、拆除或回收再利用的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期內(nèi)總體性能（功能、成本、人文、環(huán)境等）最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1.2 橋梁全壽命設(shè)計(jì)的主要階段和主要內(nèi)容

在以往橋梁的設(shè)計(jì)中，主要有初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。所以在遇到技術(shù)上缺乏經(jīng)驗(yàn)而技術(shù)又比較復(fù)雜的橋梁建設(shè)時(shí)，就無(wú)法合理解決各種問(wèn)題，這樣橋梁建設(shè)會(huì)遇到各種瓶頸。因此橋梁全壽命設(shè)計(jì)從橋梁投資規(guī)劃就開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)了,橋梁全壽命設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為方案可行性研究階段、橋梁初步設(shè)計(jì)以及橋梁施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段。方案可行性分析主要是對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的技術(shù)可行性、施工合理性以及經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行綜合考慮,并針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目項(xiàng)的目的來(lái)確定工程的功能以及使用壽命,并對(duì)施工環(huán)境進(jìn)行分析,看其是否對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,進(jìn)一步對(duì)橋梁全壽命性能進(jìn)行設(shè)計(jì)特別是耐久性能的設(shè)計(jì)。明確運(yùn)營(yíng)階段和保養(yǎng)階段的成本估算指標(biāo),進(jìn)行全壽命設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和投資估算。另外還增加了橋梁的性能設(shè)計(jì)、美學(xué)設(shè)計(jì)、生態(tài)設(shè)計(jì)、橋梁的管理與養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)。總之橋梁的全壽命設(shè)計(jì)是將業(yè)主、使用者和社會(huì)需求轉(zhuǎn)化為橋梁結(jié)構(gòu)體系的性能要求，建立并優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案以實(shí)現(xiàn)這些要求。

與傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)相比，橋梁全壽命設(shè)計(jì)在開(kāi)展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)工作的同時(shí)，將橋梁設(shè)計(jì)范圍從建設(shè)期拓展到整個(gè)壽命周期，增加了傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)中未考慮的設(shè)計(jì)內(nèi)容，具體包括：耐久性設(shè)計(jì)、管養(yǎng)設(shè)計(jì)、拆除、回收再利用設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及保險(xiǎn)策略和全壽命周期成本分析。

1.3 橋梁全壽命設(shè)計(jì)的理念

在橋梁的全壽命設(shè)計(jì)中，除了橋梁全壽命設(shè)計(jì)在開(kāi)展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的同時(shí)，還要將橋梁的設(shè)計(jì)范圍從建設(shè)期拓展到整個(gè)壽命周期，增加了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中從未考慮的設(shè)計(jì)內(nèi)容。具體包括了：橋梁的耐久性設(shè)計(jì)、橋梁的管養(yǎng)設(shè)計(jì)、拆除、回收再利用設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及保險(xiǎn)策略和全壽命周期的成本分析。在設(shè)計(jì)時(shí)按照橋梁全壽命設(shè)計(jì)，是符合可持續(xù)發(fā)展要求，更是順應(yīng)了事物的發(fā)展規(guī)律。

2 橋梁全壽命設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題

（1）橋梁構(gòu)件壽命分類

在橋梁構(gòu)件壽命分類中，有三種分類方法：第一是按照橋梁構(gòu)件的使用壽命特征及其設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)要求分類，見(jiàn)表1。

表1 橋梁構(gòu)件使用壽命特征及要求

第二是按照橋梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)壽命分類，見(jiàn)表2。

表2 橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)壽命分類

第三是按照橋梁構(gòu)件的耐久性分類，在全壽命設(shè)計(jì)中分別采用了按結(jié)構(gòu)體系劃分和按構(gòu)件特點(diǎn)劃分兩種構(gòu)件劃分方法進(jìn)行橋梁構(gòu)件耐久性分類。

（2）橋梁的使用壽命設(shè)計(jì)

橋梁的使用壽命設(shè)計(jì)，首先要對(duì)橋梁的各個(gè)部位進(jìn)行構(gòu)件劃分，并對(duì)其進(jìn)行耐久性分類。再根據(jù)橋梁構(gòu)件不同來(lái)確定構(gòu)件需要更換的次數(shù)（在這里進(jìn)行更換的構(gòu)件是除了永久性構(gòu)件之外的構(gòu)件），并根據(jù)橋梁使用壽命規(guī)劃的成本進(jìn)行比較選出最優(yōu)方案。通常橋梁的永久性構(gòu)件例如主梁、主塔和下部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)、橋墩的設(shè)計(jì)是為了抵抗橋梁使用壽命性能退化的,因此,設(shè)計(jì)者對(duì)這些部位要進(jìn)行長(zhǎng)久性的考慮。橋梁上的鋪裝、伸縮縫、吊索、支座等,在橋梁運(yùn)營(yíng)期間需要多次更換,所以對(duì)其設(shè)計(jì)方案可以是短時(shí)期?？傊畼蛄旱氖褂脡勖?jì)算流程見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁使用壽命計(jì)算流程示意圖

（3）橋梁全壽命橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與保險(xiǎn)策略研究

橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)就是在橋梁規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用、維修、拆除等和橋梁結(jié)構(gòu)相關(guān)的各個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的，對(duì)相關(guān)利益團(tuán)體的某種既定目標(biāo)造成影響的不確定的事態(tài)。在橋梁的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階段，根據(jù)具體的橋梁類型，建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)模型，如：橋梁風(fēng)險(xiǎn)概率模型、橋梁風(fēng)險(xiǎn)損失模型；然后對(duì)各種后果跟概率進(jìn)行分析，對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分，再給予相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策。風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策包括各個(gè)階段，比如管理優(yōu)化、技術(shù)優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、工程風(fēng)險(xiǎn)，在這些當(dāng)中找到最有決策。

（4）橋梁設(shè)計(jì)中較多的混凝土構(gòu)件在全壽命設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注意的幾點(diǎn)問(wèn)題：

a.根據(jù)環(huán)境作用特點(diǎn)，選用適當(dāng)?shù)哪途眯圆牧希ɑ炷令愋图芭浜媳?、鋼筋類型、外加劑類型），以確?；炷翗?gòu)件的耐久性；b.根據(jù)退化分析，合理確定需要的鋼筋保護(hù)層厚度；c.根據(jù)需要適當(dāng)選用防護(hù)涂層；d.設(shè)計(jì)方案應(yīng)保證可施工性，并在施工中加強(qiáng)施工控制；e.根據(jù)運(yùn)營(yíng)期維護(hù)管理需要，進(jìn)行必要的可檢、可修和可更換措施設(shè)計(jì)。

為了滿足橋梁在整個(gè)使用壽命內(nèi)可持續(xù)發(fā)展的要求，橋梁全壽命設(shè)計(jì)將為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了最為先進(jìn)的理念。本文在這里只是簡(jiǎn)要提及了橋梁全壽命設(shè)計(jì)時(shí)所需要注意到的一些問(wèn)題，為了使橋梁方案達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)和利用，需要設(shè)計(jì)者在三個(gè)橋梁全壽命設(shè)計(jì)主要階段(工程可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段)中，對(duì)橋梁的各個(gè)構(gòu)件及整體方案采用各種恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧┻M(jìn)行設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)橋梁良好的全壽命周期質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，我國(guó)橋梁全壽命設(shè)計(jì)還在起步階段，需要我們?cè)O(shè)計(jì)者在交流中進(jìn)步。橋梁全壽命設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工程體系,這要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)橋梁建設(shè)的各個(gè)階段各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行綜合考慮,保證橋梁的使用壽命能夠滿足使用、環(huán)境、藝術(shù)的需求。橋梁的全壽命設(shè)計(jì)，要求我們?cè)O(shè)計(jì)者在橋梁建設(shè)前,就要把規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、保養(yǎng)、維修、拆除、再利用等階段的方案設(shè)計(jì)好,對(duì)橋梁壽命總體框架多指標(biāo)優(yōu)化決策，得到工程可行性研究階段的可行方案，從而使橋梁的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)化，更好地完成他的服務(wù)使命。

[1]陳艾榮,盛勇,錢(qián)鋒.橋梁造型[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]中國(guó)工程院土木水利與建筑學(xué)部,工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性研究咨詢項(xiàng)目組.混凝土結(jié)構(gòu)安全耐久性設(shè)計(jì)與施工指南[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[3]交通部.公路工程基本建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件編制辦法 [M].北京:人民交通出版社,2007.