基于全壽命周期的橋梁安全和耐久性設(shè)計研究

林政園，肖光術(shù)，馮玉龍，劉 璐

（1.中國公路工程咨詢集團有限公司 北京 100089；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，橋梁的數(shù)量也在不斷增加。橋梁作為一種跨越障礙物的重要結(jié)構(gòu)物，其安全性和耐久性對道路的通行能力和行車安全都有直接的影響。隨著使用年限的增加，一些橋梁的使用壽命和使用性能與最初設(shè)計出現(xiàn)了較大的出入，嚴(yán)重影響橋梁的正常運營，面對如此嚴(yán)峻的工程考驗，我們不得不重新審視過去的橋梁設(shè)計思路和管理模式，從過去的分階段設(shè)計轉(zhuǎn)向全壽命周期設(shè)計。所謂橋梁的全壽命設(shè)計理論可以定義為：從橋梁的規(guī)劃、設(shè)計、施工、使用期管理，直到拆除和材料回收再利用的各個環(huán)節(jié)來尋求恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧?，以滿足橋梁全壽命周期的總體性能最優(yōu)的設(shè)計理念和方法［1-3］。張禹［4］將全壽命周期設(shè)計應(yīng)用于項目成本管理中，表明該方法取得了良好的經(jīng)濟效益；于澤［5］在借鑒機場工程設(shè)計施工的基礎(chǔ)上，通過計算機建模和實驗?zāi)M的方法，提出了全壽命周期經(jīng)濟性分析，崔鋼［6］在對混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁從設(shè)計施工到運營成本分析的基礎(chǔ)上，對混凝土橋梁的全壽命周期成本分析做了深入研究，并給出了全壽命周期內(nèi)最低成本的解決辦法；毛江鴻［7］從橋梁安全和耐久性方面入手，提出了橋梁從設(shè)計施工到運營的全過程控制技術(shù)；在通過對現(xiàn)有橋梁設(shè)計施工及養(yǎng)護方法和理論進行深入分析和大量研究，交通部出版了 《橋梁全壽命設(shè)計指南》一書，用以指導(dǎo)橋梁設(shè)計。但從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，這些研究大多集中在橋梁運營和階段成本控制方面，很少對橋梁安全和耐久性有深入分析。本文從橋梁全壽命周期設(shè)計出發(fā)，系統(tǒng)介紹了該設(shè)計的內(nèi)涵并與傳統(tǒng)設(shè)計方法進行了對比，在此基礎(chǔ)上給出了橋梁安全和耐久性設(shè)計，最后以日喀則地區(qū)某市政橋梁為例對其安全性和耐久性進行了設(shè)計研究。

1 橋梁全壽命周期設(shè)計研究

所謂的橋梁全壽命設(shè)計是指從橋梁規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營、管理及養(yǎng)護等全壽命周期內(nèi)的各個環(huán)節(jié)中尋求恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧﹣韺崿F(xiàn)橋梁在壽命周期（以設(shè)計使用壽命為準(zhǔn)）內(nèi)總體性能的最優(yōu)（使用性能、經(jīng)濟性、人文、生態(tài)等）的一種設(shè)計理念和方法［8-9］。從橋梁的全壽命周期設(shè)計定義中可以發(fā)現(xiàn)，其需求主要表現(xiàn)在圖1所示的以下幾個方面。

圖1 橋梁全壽命周期設(shè)計需求Figure 1 Bridge life cycle design requirements

表1 兩種設(shè)計方法對比Table 1 Comparison of two design methods

通過圖1和橋梁全壽命設(shè)計的定義可以發(fā)現(xiàn)，全壽命周期橋梁設(shè)計方法與傳統(tǒng)橋梁設(shè)計方法存在許多不同之處，表1給出了兩者的對比。

圖2 全壽命周期設(shè)計流程Figure 2 Whole life cycle design process

根據(jù)不同階段的設(shè)計任務(wù)和目的將全壽命周期設(shè)計分為工程可行性研究、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計3個相對獨立的階段，其設(shè)計內(nèi)容又可分為使用壽命設(shè)計、性能設(shè)計、管養(yǎng)設(shè)計 （檢測、養(yǎng)護與維修設(shè)計），美學(xué)設(shè)計、環(huán)境生態(tài)設(shè)計和全壽命周期成本分析6大過程［10-12］，其具體過程可用圖2表示。

2 橋梁安全和耐久性研究

橋梁的安全性是指其在正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下仍然能夠保證通行要求的性能。橋梁的安全性能是從外部作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力角度衡量的。結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)可用式 （1）表示。

式中：γ0為安全系數(shù)；S為結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)；R為結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)。

基于橋梁全壽命周期的安全性貫穿于橋梁規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營、管理及養(yǎng)護各個階段，在考慮效應(yīng)函數(shù)時，不僅將傳統(tǒng)設(shè)計方法中的永久作用、可變作用和偶然作用都計算在內(nèi)，更應(yīng)根據(jù)不同階段內(nèi)橋梁和環(huán)境的相互作用通過合理的設(shè)計方法將其列入設(shè)計效應(yīng)函數(shù)內(nèi)，這些作用包括溫度作用、侵蝕作用等。

橋梁耐久性設(shè)計是指結(jié)構(gòu)在使用一定年限后并與環(huán)境發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)后仍然能保持其各項功能的能力。耐久性是從橋梁自身出發(fā)考慮結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)隨時間的變化，其函數(shù)表達式見式（2）。

式中：R（t）為抗力函數(shù)；Kp為不確定系數(shù)；h0為計算有效高度；Fjk（t）為鋼筋隨時間屈服時屈服強度；fcd（t）為混凝土隨時間破壞時抗壓強度；b為界面總高度；φ（t）為鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力隨時間變化函數(shù)。

按照設(shè)計順序?qū)蛄喝珘勖芷谀途眯栽O(shè)計分為5步，其流程圖如3所示。第一步是確定橋梁的目標(biāo)使用壽命，因為在不同的設(shè)計使用年限下，橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造及材料等都存在一定差異，這直接影響到全壽命周期的成本，橋梁目標(biāo)使用壽命確定后進一步確定各構(gòu)件的使用壽命。耐久性設(shè)計的第二步是對橋梁進行環(huán)境效應(yīng)調(diào)查分析，其調(diào)查任務(wù)和主要工作如表2所示。第三步根據(jù)調(diào)查結(jié)果確定影響橋梁耐久性的不同環(huán)境因素的權(quán)重，并根據(jù)權(quán)重系數(shù)建立功能退化模型。第四步制定橋梁耐久性設(shè)計方案，第五步制定管理養(yǎng)護方案和建議。

圖3 橋梁耐久性設(shè)計步驟Figure 3 Durability design steps of bridge

表2 基于全壽命周期的環(huán)境分析Table 2 Environment analysis based on the whole life cycle

3 工程應(yīng)用分析

某橋梁位于日喀則地區(qū)市政主干道上，根據(jù)規(guī)劃需求，橋梁設(shè)計速度為60 km／h，荷載等級為城市-A級，橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期為100 a，設(shè)計安全等級為一級，地震加速度為0.1g，地震設(shè)防烈度為Ⅶ度，根據(jù)環(huán)境分析結(jié)果，橋梁所處環(huán)境類型見表3。

表3 橋梁環(huán)境分析Table 3 Bridge environment analysis

從上述調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，影響橋梁耐久性的主要因素為氣候環(huán)境條件，因此本工程的安全和耐久性設(shè)計方案采取以控制主要材料為主，并采取一定的構(gòu)造措施的原則對結(jié)構(gòu)進行安全和耐久性設(shè)計。設(shè)計中對混凝土各項指標(biāo)做了明確規(guī)定，個別指標(biāo)如混凝土中氯離子含量要高于規(guī)范要求值。結(jié)構(gòu)中混凝土保護層是防止鋼筋銹蝕，提高結(jié)構(gòu)耐久性的重要構(gòu)造措施，而本橋所處環(huán)境相對復(fù)雜，因此本工程中混凝土保護層厚度予以適當(dāng)增加。對于伸縮縫，支座等橡膠構(gòu)件，本工程在通過計算滿足安全前提下采用優(yōu)質(zhì)橡膠材料構(gòu)件，以提高耐久性。橋梁的管養(yǎng)方案主要包括養(yǎng)護、檢查、監(jiān)測、維修加固方案，本橋為市政公路橋梁，因此本橋養(yǎng)護及監(jiān)測等 周期和內(nèi)容，根據(jù)相關(guān)養(yǎng)護規(guī)范并結(jié)合運營實際情況適當(dāng)提高即可，表4給出了主要部件的維修設(shè)計頻率。

表4 橋梁主要部件維修設(shè)計頻率Table 4 Maintenance design frequency of main components of bridge

4 結(jié)論

橋梁全壽命周期設(shè)計是與橋梁工作狀態(tài)最為相符的設(shè)計理念和設(shè)計方法，本文以該設(shè)計理念為依據(jù)對橋梁的安全性和耐久性設(shè)計進行了探討，主要得出了以下結(jié)論：

a.橋梁全壽命周期設(shè)計包含了橋梁規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營、管理及養(yǎng)護等各個階段，其主要需求包括成本、使用需求、社會與文化、社會與生態(tài)4個方面，與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，安全性、環(huán)境保護、耐久性、經(jīng)濟性、適用性都有顯著優(yōu)勢。

b.橋梁的安全性和耐久性是通過計算結(jié)構(gòu)效應(yīng)和抗力的功能函數(shù)來進行定義的，基于對全壽命周期的考量，建立結(jié)構(gòu)抗力的時間效應(yīng)功能函數(shù)，根據(jù)橋梁全壽命周期的階段劃分將耐久性設(shè)計分為5步，并詳細闡述了每一步的工作內(nèi)容。

c.根據(jù)橋梁全壽命周期設(shè)計理論對日喀則地區(qū)某市政橋梁進行了設(shè)計研究，并按照本文闡述的設(shè)計步驟完成了設(shè)計任務(wù)。