全壽命周期理念下的橋梁設(shè)計(jì)探討

劉立國(guó)

（包頭市公路規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 包頭014040）

1 全壽命周期理念下的橋梁設(shè)計(jì)概念

現(xiàn)代橋梁是生命線(xiàn)工程，其結(jié)構(gòu)的合理性、安全性以及耐久性才是橋梁設(shè)計(jì)的重中之重。傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)理念往往考慮橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題，而忽略了結(jié)構(gòu)耐久性，這種重視橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而忽略耐久性的設(shè)計(jì)理念，其后果往往是橋梁在正常使用期限內(nèi)適用性較差，存在橋面鋪裝開(kāi)裂、變形量較大、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕以及構(gòu)件疲勞極限等問(wèn)題，可以預(yù)測(cè)的是，在不久會(huì)這些橋梁將會(huì)出現(xiàn)大量搶修、加固以及改建等問(wèn)題。

橋梁的壽命期分為規(guī)劃：初步設(shè)計(jì)、分析、施工圖設(shè)計(jì)、施工、使用、拆除或倒塌這七個(gè)階段。 基于全壽命周期的橋梁設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)，它放眼于橋梁的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用期管理、拆除與回收的全部方面。

全壽命周期設(shè)計(jì)理念就是對(duì)橋梁可能遇到的災(zāi)害進(jìn)行分析，分析對(duì)象包括橋梁的靜、動(dòng)荷載作用下的易損件。 設(shè)計(jì)師從“全壽命周期”進(jìn)行出發(fā)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)中的重要部件進(jìn)行分析，比如傳力構(gòu)件、更換構(gòu)件、加固構(gòu)件、控制構(gòu)件等，以確定這些構(gòu)件的可修性、可檢性、可換性以及可持續(xù)性，確定之后對(duì)這些因素進(jìn)行考慮，并且把握整體方案，抓住主題結(jié)構(gòu)，對(duì)局部構(gòu)造進(jìn)行細(xì)化，并且以100 年的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，真正的從簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化轉(zhuǎn)變成橋梁全壽命周期設(shè)計(jì)理念。

2 全壽命周期理念下的橋梁設(shè)計(jì)探討

橋梁全壽命設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的時(shí)間跨度是橋梁的整個(gè)生命周期，其中包括：規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用、養(yǎng)護(hù)、拆除（倒塌）。建設(shè)者應(yīng)當(dāng)尋求合適的方法和措施，以滿(mǎn)足橋梁全壽命周期內(nèi)安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀、可持續(xù)等性能的最優(yōu)。橋梁的設(shè)計(jì)理論變化：傳統(tǒng)的僅憑著經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)；而后考慮橋梁耐久性進(jìn)行設(shè)計(jì)；到現(xiàn)在基于全壽命思想的橋梁設(shè)計(jì)。 這體現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)理念的重大轉(zhuǎn)變。 橋梁的設(shè)計(jì)方法也從原來(lái)的容許應(yīng)力法、破壞階段法、極限狀態(tài)法發(fā)展為基于可靠度的概率極限狀態(tài)法。

基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程全壽命周期的橋梁設(shè)計(jì)一般分為三個(gè)階段，即：工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)。其中的工程可行性研究主要是對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的技術(shù)可行性、必要性、實(shí)施可行性等方面的綜合性研究。 全壽命橋梁設(shè)計(jì)是對(duì)這三個(gè)階段的使用壽命設(shè)計(jì)、環(huán)境生態(tài)設(shè)計(jì)、美學(xué)設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修設(shè)計(jì)及成本分析這六大過(guò)程的設(shè)計(jì)。

2.1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)是橋梁設(shè)計(jì)活動(dòng)的第一項(xiàng)工作，是橋梁設(shè)計(jì)工作的決策過(guò)程。 橋梁工程師在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)業(yè)主的需求和建設(shè)項(xiàng)目的目的，進(jìn)行總體概念設(shè)計(jì)構(gòu)思，整體把握事物的相互聯(lián)系，對(duì)橋梁建設(shè)條件、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、使用壽命年限、投融資估算、投資效益等做出原則性的設(shè)計(jì)界定。 在這個(gè)階段，橋梁設(shè)計(jì)的中心內(nèi)容是既要把握全壽命設(shè)計(jì)不同于現(xiàn)行設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，又要弄清全壽命設(shè)計(jì)的一般規(guī)律性，提出橋梁建設(shè)的設(shè)計(jì)理論框架和一般性原則。

2.2 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)是依據(jù)總體概念設(shè)計(jì)原則， 考慮景觀環(huán)境設(shè)計(jì)，需求，依據(jù)橋梁給定的使用年限所進(jìn)行的一切結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)?；谌珘勖O(shè)計(jì)理論的橋梁結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)，在依據(jù)總體設(shè)計(jì)原則，結(jié)合景觀環(huán)境設(shè)計(jì)思路，合理確定橋梁使用壽命的前提下，將時(shí)間參數(shù)引入到結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)的耐久性和性能滿(mǎn)足相應(yīng)的目標(biāo)值。 全壽命的橋梁結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)是將業(yè)主需求轉(zhuǎn)化為橋梁的技術(shù)性能說(shuō)明，通過(guò)重大技術(shù)研究、擬定結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸、結(jié)構(gòu)受力分析、構(gòu)造設(shè)計(jì)及細(xì)部設(shè)計(jì)，以形成各選方案，確保設(shè)計(jì)意圖和目標(biāo)能夠在建設(shè)過(guò)程中，以及橋梁使用壽命周期內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。

2.3 全壽命成本分析設(shè)計(jì)

橋梁全壽命周期成本分析就是針對(duì)目前在役橋梁性能日益退化加重，壽命周期維護(hù)成本過(guò)高而提出的一種全新的理念。 基于全壽命設(shè)計(jì)理論的橋梁全壽命成本分析，就是橋梁設(shè)計(jì)在對(duì)可靠性、維修性等設(shè)計(jì)內(nèi)容做出規(guī)定的同時(shí)，將壽命周期費(fèi)用也作為一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)要素來(lái)加以考慮，通過(guò)綜合考慮有關(guān)設(shè)計(jì)、性能和費(fèi)用等信息的反饋信息，以獲得性能和費(fèi)用的平衡，提高壽命周期費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中研究和分析橋梁全壽命周期內(nèi)的各種行為，考慮整個(gè)壽命周期內(nèi)的影響因素，除了要求設(shè)計(jì)合理、施工得當(dāng)、養(yǎng)護(hù)管理及時(shí)以外，還應(yīng)從根本上進(jìn)行成本效益分析。

2.4 橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)

橋梁的美學(xué)設(shè)計(jì)在造型上要根據(jù)所處環(huán)境確定橋梁的構(gòu)型，并在橋梁主體和細(xì)節(jié)搭配上要做到層次分明，有主有次，突出重點(diǎn)，結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行變化性拓展。橋梁的外觀既要滿(mǎn)足橋梁的基本使用功能，確保橋梁的經(jīng)濟(jì)與安全，也承擔(dān)了一個(gè)城市的人文景觀和精神風(fēng)貌。 橋梁的外觀設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的設(shè)計(jì)問(wèn)題，要通過(guò)合理的造型及景觀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)和城市風(fēng)貌的融合。 一個(gè)好的橋梁景觀設(shè)計(jì)，不僅是橋梁本身地塊的景觀、色彩及照明設(shè)計(jì)，同時(shí)也要融合與整個(gè)城市的園林規(guī)劃及城市布局管理，實(shí)現(xiàn)橋梁景色與整個(gè)城市風(fēng)景的融合。

2.5 養(yǎng)護(hù)管理設(shè)計(jì)

基于全壽命設(shè)計(jì)理論的橋梁養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)，就是橋梁工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮橋梁的建設(shè)期，也要考慮橋梁的使用和養(yǎng)護(hù)期。 為確保橋梁使用壽命長(zhǎng)久，橋梁工程師在先期的橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)施的性能優(yōu)劣、資源的有效利用、災(zāi)難發(fā)生后的應(yīng)急處理、養(yǎng)護(hù)成本的大小、運(yùn)營(yíng)的安全與環(huán)境保證。通過(guò)區(qū)分構(gòu)件的不同類(lèi)型和各種方案的不同效果，對(duì)橋梁養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)、養(yǎng)護(hù)措施和養(yǎng)護(hù)策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，并提出正常養(yǎng)護(hù)維修要求。

2.6 環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)

環(huán)境對(duì)于全壽命設(shè)計(jì)理論的橋梁設(shè)計(jì)有著非常重要的影響，要通過(guò)對(duì)環(huán)境的調(diào)查與分析以及對(duì)周?chē)蜆蛄罕旧淼沫h(huán)境進(jìn)行評(píng)估和改善， 將其環(huán)境和經(jīng)濟(jì)能源設(shè)計(jì)都考慮在橋梁的經(jīng)濟(jì)建設(shè)成本當(dāng)中，并且通過(guò)環(huán)境友好型及資源節(jié)約型兩種狀態(tài)加強(qiáng)對(duì)橋梁生態(tài)環(huán)境這個(gè)系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)，使得全壽命橋梁設(shè)計(jì)既滿(mǎn)足與經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約，又能達(dá)到環(huán)境和建筑的可持續(xù)性發(fā)展。

以上的各項(xiàng)設(shè)計(jì)共同組成了基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)，并在彼此之間存在巨大的相互影響。使用壽命的設(shè)計(jì)直接決定了使用性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)和監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)和維修設(shè)計(jì)的需要；而性能設(shè)計(jì)的任務(wù)是結(jié)合安全、耐久、使用性能等各項(xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)建，以確保橋梁結(jié)構(gòu)能夠在設(shè)計(jì)使用的壽命周期內(nèi)正常、安全地使用。

3 結(jié)語(yǔ)

橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法代表橋梁設(shè)計(jì)方法發(fā)展趨勢(shì)，從橋梁整個(gè)生命周期的時(shí)間出發(fā)，尋求恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧┮允蛊淙珘勖阅苓_(dá)到最優(yōu)或優(yōu)化，該理念代表了橋梁設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)。 對(duì)促進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)理論的進(jìn)步，貫徹可持續(xù)發(fā)展的方針，提高橋梁的耐久性和使用性能，延長(zhǎng)使用壽命，降低橋梁全壽命周期總成本，推動(dòng)橋梁設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)、管理水平的提高，都具有十分重要而深遠(yuǎn)的意義。

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