基于全壽命設(shè)計方法的梁式橋概念設(shè)計研究

于科峰，趙淑麗

（1.煙臺市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，山東煙臺264003；2.山東中盛項目管理有限公司，山東煙臺264000）

基于全壽命設(shè)計方法的梁式橋概念設(shè)計研究

于科峰1，趙淑麗2

（1.煙臺市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，山東煙臺264003；2.山東中盛項目管理有限公司，山東煙臺264000）

研究橋梁全壽命設(shè)計方法的理論框架，對橋梁結(jié)構(gòu)的全壽命周期、全壽命設(shè)計基本原則和方法、全壽命設(shè)計性能指標(biāo)、全壽命設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計方法的差別等進行探討和分析。提出基于全壽命設(shè)計方法的梁式橋概念設(shè)計，對使用壽命、結(jié)構(gòu)整體布置、混凝土梁橋概念設(shè)計等進行探討，促進全壽命理念在橋梁設(shè)計中的應(yīng)用。

橋梁；全壽命；梁式橋；概念設(shè)計；經(jīng)濟性；美觀性

0 引言

橋梁設(shè)計對保證橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全和長期性能具有重要作用。然而，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展和公路交通運輸量的增長，各類橋梁結(jié)構(gòu)面臨的運營環(huán)境愈加復(fù)雜和惡劣。大部分橋梁在運營過程中已經(jīng)出現(xiàn)了很多種類的病害，如梁體開裂、鋼筋銹蝕、保護層脫落、長期下?lián)稀蛎嫦挡『Φ?。有些病害會直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全，因而不得不定期對橋梁進行養(yǎng)護與加固，付出較大的管養(yǎng)成本；有些病害雖然不直接影響結(jié)構(gòu)的使用安全，卻極大降低了橋梁的使用性能，進而大大折減了其使用壽命。這些病害問題的出現(xiàn)以及運營過程中所需成本的提高，使得人們開始深入思考產(chǎn)生問題的原因及相應(yīng)的處理對策，研究如何更好地從橋梁設(shè)計、施工、運營、管理等角度出發(fā)，尋找較為合適的切入點，以降低橋梁病害的發(fā)生，提高其使用性能和耐久性能，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

全壽命的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想在近年來得到了大量的認可和推廣。橋梁全壽命設(shè)計就是從橋梁的整個生命周期（規(guī)劃、設(shè)計、施工、使用、拆除及重建）為著立點，尋求恰當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ǎ詽M足橋梁全壽命周期的總體性能，如安全、使用、耐久、經(jīng)濟、美觀等，是一種最優(yōu)化的設(shè)計理念和方法[1,2]。

本文以橋梁全壽命設(shè)計方法為理論框架，首先對全壽命設(shè)計理念的關(guān)鍵問題，包括其壽命周期、設(shè)計方法和過程、與傳統(tǒng)設(shè)計方法的不同等層面分別進行探討；其后，總結(jié)全壽命設(shè)計方法的梁式橋梁概念設(shè)計，分析從全壽命角度來考慮如何對梁式橋進行設(shè)計，以提高目前面大寬廣的梁式橋梁的使用壽命和運營性能。

1 全壽命設(shè)計方法的理論框架

建立橋梁全壽命設(shè)計方法的基本理論框架，重點探討其中全壽命周期、全壽命設(shè)計基本原則和方法、全壽命設(shè)計性能指標(biāo)及全壽命設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法的差別。

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)的全壽命周期

橋梁在時間域上的表現(xiàn)階段稱為全壽命周期。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點，其全壽命周期主要包括規(guī)劃、設(shè)計、施工、使用、拆除/倒塌等階段，如圖1所示。其中規(guī)劃、設(shè)計和施工階段對橋梁性能產(chǎn)生直接影響，是基本前提；使用階段的環(huán)境作用、養(yǎng)護維修對結(jié)構(gòu)的性能具有間接影響，也是維持橋梁性能的重要條件。從使用階段開始的橋梁壽命則稱為使用壽命[3]。

圖1 橋梁全壽命周期的主要階段

橋梁的性能狀態(tài)在整個全壽命周期內(nèi)是變化的。在設(shè)計和規(guī)劃階段達到預(yù)想的結(jié)構(gòu)性能，隨著運營使用和外部環(huán)境的作用，結(jié)構(gòu)性能會出現(xiàn)退化，但是通過采用維修更換及加固等措施，橋梁的使用性能又可以得到提升和改變。整個生命周期的橋梁性能演化如圖2所示。

圖2 橋梁性能的全壽命周期演變規(guī)律

傳統(tǒng)的設(shè)計方法不考慮橋梁性能在運營使用過程中的退化，按照當(dāng)時的荷載等級和標(biāo)準確定橋梁的設(shè)計等級，僅能夠滿足當(dāng)時的運營條件。而隨著社會發(fā)展和需求增加，這些結(jié)構(gòu)在惡劣的運營環(huán)境下就會提前出現(xiàn)系列病害，直接影響結(jié)構(gòu)的性能，進而使得橋梁性能嚴重退化，不能繼續(xù)承載現(xiàn)有或原來的荷載等級。這便需要花費較多的人力、財力和物力進行性能提升和維持，這些成本甚至遠遠高于原來的設(shè)計成本，造成不經(jīng)濟[4]。全壽命設(shè)計思路則考慮了橋梁結(jié)構(gòu)未來在運營過程中面臨的諸多可變作用特點和運營環(huán)境的改變，并通過運營過程中有效的結(jié)構(gòu)加固和管理養(yǎng)護，使得最終橋梁能夠達到預(yù)期的使用壽命，同時使全壽命成本達到最優(yōu)。

1.2 橋梁全壽命設(shè)計的基本原則和方法

橋梁全壽命設(shè)計考慮了規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營各個階段，且以結(jié)構(gòu)綜合性能為目標(biāo)進行設(shè)計優(yōu)化，主要考慮橋梁的安全性、使用性、耐久性、經(jīng)濟性、美觀性和可持續(xù)性。安全性、使用性和耐久性可以概括為可靠性?？煽啃允菢蛄涸O(shè)計的首要目標(biāo)，應(yīng)該滿足安全性得到保障，使用性和耐久性合理。在保障橋梁可靠性的基礎(chǔ)上進行全壽命經(jīng)濟優(yōu)化和費用分配，并根據(jù)具體情況進行美觀設(shè)計，符合環(huán)境和生態(tài)保護要求，達到可持續(xù)性。

因此，全壽命的設(shè)計方法就是以可靠性、經(jīng)濟性、美觀性和可持續(xù)性為優(yōu)化目標(biāo)，建立權(quán)重函數(shù)關(guān)系，通過對設(shè)計、施工和運營方法的調(diào)整和優(yōu)化，達到最佳。

1.3 全壽命設(shè)計性能指標(biāo)

全壽命設(shè)計的性能指標(biāo)是開展全壽命設(shè)計的基本標(biāo)準，包括安全性指標(biāo)、使用性指標(biāo)、耐久性指標(biāo)、經(jīng)濟性指標(biāo)、美觀性指標(biāo)和可持續(xù)性指標(biāo)。

安全性指標(biāo)主要考察結(jié)構(gòu)承載力與荷載效應(yīng)的關(guān)系，建立可靠度函數(shù)進行概率評估；使用性指標(biāo)是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平、變形和變位等工作狀態(tài)在全壽命過程的演變；耐久性指標(biāo)是結(jié)構(gòu)抗力與耐久度的比值，用作結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準；經(jīng)濟性指標(biāo)則是橋梁的投入成本與全壽命成本的動態(tài)關(guān)系；美觀性指標(biāo)則是主觀上的判斷，通常不做定量性描述；可持續(xù)性指標(biāo)則主要分析結(jié)構(gòu)的材料和能源消耗，及其造成的環(huán)境和生態(tài)影響等指標(biāo)。

這些結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的建立是進行全壽命設(shè)計方案優(yōu)化的基礎(chǔ)前提，為全壽命設(shè)計提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

1.4 與傳統(tǒng)設(shè)計方法的比較分析

全壽命設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法的差別見表1。從這些比較中可以更加明確全壽命設(shè)計理念的思路。

表1 全壽命設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法的比較

2 全壽命設(shè)計方法的梁式橋概念設(shè)計

開展全壽命設(shè)計方法的梁式橋設(shè)計，需要明確各類構(gòu)件的使用壽命，并進行結(jié)構(gòu)總體布置，再針對混凝土梁橋開展全壽命理念的概念設(shè)計。

2.1 使用壽命的確定

結(jié)構(gòu)的使用壽命應(yīng)該是在正常的設(shè)計、施工、運營和維護的條件下設(shè)計預(yù)定的使用年限。根據(jù)橋梁構(gòu)件的重要性及其所處的體系，設(shè)計使用壽命也有所不同，假定橋梁的壽命為100 a。

對于永久性構(gòu)件，一般需要大于或等于橋梁的整體使用壽命。對于無法進行維護和難以進行養(yǎng)護的構(gòu)件，可以設(shè)定大于橋梁的整體壽命，如100～150 a，例如橋梁的基礎(chǔ)、承臺、橋墩及有粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力鋼筋等；對于可以進行維護和定期養(yǎng)護、檢測、加固、維修的，可以設(shè)定和橋梁的整體使用壽命相同（100 a），例如橋墩、蓋梁等。

對于非永久性構(gòu)件，其使用壽命往往設(shè)定小于橋梁的整體壽命，因為設(shè)置與橋梁整體使用壽命相同將會造成非常的不經(jīng)濟。其中，更換代價較高或者難以進行更換的，可以設(shè)定小于等于橋梁的整體壽命如80～100 a，例如混凝土橋面板；對于可以進行正常更換的次重要構(gòu)件，可以設(shè)定小于橋梁使用壽命如30～80 a，例如伸縮縫、人行道板、橋面鋪裝、支座等；對于可以正常更換的構(gòu)件，可以設(shè)定較低的使用壽命如10～30 a，例如排水系統(tǒng)、檢修車、照明系統(tǒng)等。

根據(jù)構(gòu)件的重要性和運營特點，設(shè)定不同的使用壽命，可以更加明確地知道全壽命成本的目標(biāo)，為橋梁建設(shè)、運營和管理提供支持。

2.2 梁式橋整體布置

橋梁的整體布置是進行概念設(shè)計的關(guān)鍵，包括立面、平面和橫斷面的設(shè)計。這些宏觀層次的設(shè)計對于橋梁的安全、使用和耐久性起到了決定性作用。

首先，需要選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系。梁式橋中有簡支、懸臂、連續(xù)、剛構(gòu)等體系，而結(jié)構(gòu)的整體性也越來越好，從受力角度適用的經(jīng)濟跨徑也越來越大，需要根據(jù)設(shè)計要求選擇適宜橋型。

其次，應(yīng)該積極設(shè)計整體式橋梁。整體式橋梁不需要伸縮縫和支座，這使得結(jié)構(gòu)的整體性很好，有效地避免了因為伸縮裝置導(dǎo)致的橋面行車不連續(xù)的問題。此外，開發(fā)整體式梁橋需要關(guān)注其長期耐久性能。

最后，積極設(shè)計節(jié)段拼裝式橋梁。節(jié)段拼裝橋梁適用于工業(yè)化建造，對于改善現(xiàn)有的施工建造效率和設(shè)計水平具有重要意義，但需要關(guān)注突發(fā)地震等自然災(zāi)害下節(jié)段拼裝橋梁的安全性能。

2.3 混凝土梁橋概念設(shè)計

混凝土材料仍然是中小跨徑梁式橋梁的主要建造材料，因此這里針對混凝土梁橋采用全壽命理念開展設(shè)計探討。

（1）材料的選用及防護。全壽命理念不僅注重安全性，還特別關(guān)注耐久性。開展混凝土梁橋的耐久性設(shè)計需要根據(jù)橋止環(huán)境進行材料的綜合選用和防護。選擇高性能或者抗腐蝕、碳化的混凝土材料，并提高混凝土的保護層厚度，采用長效防腐涂層保護混凝土等措施，建立耐久性的混凝土構(gòu)件全壽命設(shè)計理念。

（2）預(yù)應(yīng)力設(shè)計體系。為了使混凝土梁橋跨越能力增大，一般需要采用預(yù)應(yīng)力進行加強。常用的預(yù)應(yīng)力體系有體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力、體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力。體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力可以采用先張法和后張法，都是依靠預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土間的粘結(jié)作用傳遞荷載和保持預(yù)應(yīng)力，一般沒有明顯的薄弱環(huán)節(jié)。體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力需要確保預(yù)應(yīng)力的防腐蝕等耐久性能，因此一般在全長涂有特制的防銹材料，以及外套防老化的塑料管，可以自由伸縮變形。體外預(yù)應(yīng)力則需要保證可以檢測、可以調(diào)整、可以更換和可以施工，需要滿足良好的耐久性能和適應(yīng)性能，體外預(yù)應(yīng)力目前的應(yīng)用越來越廣泛。

3 結(jié)語

我國早先建設(shè)的橋梁在運營過程中出現(xiàn)諸多病害問題，需要花費很大的財力、人力和物力進行結(jié)構(gòu)性能的維持。橋梁的設(shè)計應(yīng)該以全壽命設(shè)計理念為支持。論文探討了橋梁全壽命設(shè)計方法的理論框架，并針對梁式橋的概念設(shè)計提出全壽命設(shè)計過程，以提高目前梁式橋梁的設(shè)計質(zhì)量，滿足橋梁全壽命的綜合性能要求。

[1] 徐國平,劉明虎,耿爽.橋梁工程全壽命設(shè)計方法[J].公路,2007(10):1-4.

[2] 吳培峰.基于全壽命設(shè)計方法的梁式橋概念設(shè)計研究[D].上海：同濟大學(xué),2007.

[3] 王敏.混凝土梁式橋基于全壽命設(shè)計理論的若干問題[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.

[4] 盧永東,李曄.基于全壽命的橋梁設(shè)計過程及其在混凝土連續(xù)梁橋中的作用[J].黑龍江科技信息,2011(13):289.

U448.21

B

1009-7716（2017）11-0059-03

2017-07-16

于科峰（1978-），男，山東煙臺人，高級工程師，從事路橋設(shè)計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.017