橋梁結構的構件設計與使用壽命探析

王建彬

（南京先行交通工程設計有限責任公司，江蘇 南京 210000）

1 橋梁結構的構件設計使用壽命

從世界范圍來看，橋梁工程的施工規范，普遍對橋梁構件的耐久性問題以及設計使用壽命關注的較少，在中國同樣如此，構件設計與使用壽命并沒有統一的規范，大多是根據施工單位的要求進行制定，然而這種設計使用壽命的要求過于剛性，沒有通過理論的驗證來支持其是否科學可行。在橋梁結構中，不同的構件，功能不同，安裝位置不同，在具體使用過程中的退化現象也各有不同，因此要對各構件進行維護與保養并不是一件容易的事情。為了解各個構件的使用壽命，就要求施工工程中對不同橋梁構件的使用壽命進行科學合理的設計，使得每一個構件的使用壽命都是明確的。

英國的建筑物耐久性標準，根據工程參與主體不同的關注角度，將建筑的使用壽命分為要求使用壽命、預期使用壽命和設計使用壽命三種。在歐洲，這一標準的普及范圍相對較廣，但是在我國，并不是采用這一標準來進行區分。工程設計中雖說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要求。然而這種方法是非常不科學的，因為橋梁工程是由許多不同的構件組合而成，每一個構件的材料不同、承擔的功能不同，如果采用某個單一的標準來對構件使用壽命進行要求，很顯然是不合理的。鑒于此，本文將就每一個構件的具體特征出發，對各個構件的設計使用壽命進行優化，通過平衡各個構件之間的功能與壽命差，來實現整個橋梁工程的最佳壽命周期，故此認為橋梁結構與構件的設計使用壽命指的就是設計人員用以作為橋梁及橋梁構件耐久性設計的依據并具有足夠安全裕度或保證率的目標使用年限。

2 構件設計的類型分析

對于橋梁構件的劃分，國際上通常采用體系劃分和特點劃分兩種不同的方法，在我國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型解構成幾個大的類型，例如梁橋、拱橋、纜索承重橋，然后再在這些類型中分別列出各自的構件。當前我國橋梁大多使用的是混凝土橋梁，而混凝土構件的一個重要特點就是形狀不確定，所以按照特點來進行劃分難以操作。

設計過程中，按照其是否需要更換、維護等具體的要求，將構件的耐久性分為以下幾個層次：

a）I類構件 即不可維護、終生性構件（如樁基礎），這類構件在整個使用過程中無法維護，設計壽命必須兼顧到整個周期；

b）Ⅱ類構件 即可維護、終生性構件，這類構件同樣需要使用到周期結束，但是在這個過程中可以對其進行養護來予以維持；

c）Ⅲ類構件 即可維護、非終生性構件，需要簡單維護、周期性更換的重要受力或傳力構件；

d）Ⅳ類構件 即可維護、非終生性構件，需要周期性更換的次要受力或傳力構件。

根據我國當前橋梁工程施工的現狀、具體材料以及工藝水平，將國內橋梁結構中常見的構件按照其耐久性進行表1所示的劃分：

表1 國內常見橋梁體系主要構建的分類及耐久性類別

3 構件設計使用壽命的計算方法

3.1 直接法和簡化法

橋梁構件的使用壽命，除了受到技術層面的因素影響外，還受一些客觀外在環境的影響。這些外在因素對構件使用壽命產生的影響是難以量化和確定的，故本文對構件設計使用壽命的分析主要從技術層面來進行，也就是在正常情況下，構件在不需要接受外力援助、維修的狀態下使用狀況達到極限的期限。本文采用兩種方法對這一問題進行分析，一種是直接法，另一種則是簡化法（如圖1所示）。

圖1 橋梁構件設計使用壽命的計算方法

在圖1中，虛線表示采用直接法來確定構件使用壽命的流程，實線則是采用間接法來確定使用壽命的流程。嚴格來說，這兩種方法的使用并不是完全對立的，相反，每一種方法各有其優勢和特點，所以在客觀條件允許的情況下，一個最佳的設計方案應該是這兩種方法的結合。

橋梁結構中各個構件的使用壽命并不是完全獨立的，并非每一個構件的使用壽命只與構件自身的材質、功能有關聯，除了外在因素的影響，還包括各個構件之間存在一定的耦合性。無論是直接法還是簡化法，對構件使用壽命的確定都是為了優化橋梁工程的成本，而每一個構件的維修、更換，都會加重成本的投入。當采用直接法時，為了使使用周期和成本得到優化，應當從統一籌劃的角度，重視構件之間存在的這種耦合關系，進行聯合的優化設計，來確定構件的使用壽命。而簡化法，就是將構件耦合關系較強的部分在使用壽命上進行統一，對一些相近的進行合并。另外，我們采用簡化法進行計算時，最終得出的結果可能不是整數，為了方便計算、更好的應用在施工過程中，可以取整數來進行規劃設計。

3.2 構建設計使用壽命計算公式

構件設計使用壽命的計算，根據歐美國家相關機構長期以來的科研成果，結合我國在橋梁工程中的具體情況，我國橋梁構件使用壽命的計算公式如下：

式中，L為橋梁結構或構件的設計使用壽命建議值； C為修正系數， C=C1， C2， C3， C4， …， Cn。修正系數種類較多，包括氣候影響系數、橋位環境系數、養護系數等；L0為基礎設計使用壽命建議值。

3.2.1 氣候影響系數C1

氣候因素對構件的使用壽命會產生影響，特別是我國橋梁構件大多采用混凝土材質，外部溫度越低，空氣濕潤指數越高，碳化反應就會越慢，構件的使用壽命就會相對較長。如果是鋼構件，溫度越低，氣候越干燥，鋼材質的腐蝕速度也就會越慢，使用壽命也就越長。在我國，L0的取值以北溫帶的濕潤區指數為標準，氣候影響指數取0.9～1.1之間。

3.2.2 橋位環境系數C2

構件壽命受客觀環境的影響，周邊環境越惡劣，需要維護的成本就越高，同等條件下使用壽命就越短，將這種環境稱為橋位小環境。基于《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中環境作用的分類標準，本文中的L0以可忽略的環境作用為基準，建議橋位小環境系數取0.6～1.0之間。

3.2.3 養護系數C3

構建使用壽命與養護措施、養護技術有密切的關系，養護措施越好、技術越先進，就能夠越好地延長構件的使用壽命。按照不同的養護要求，將養護條件劃分為無養護、簡單維護和周期性詳盡檢查維護三種。本文中的L0以無養護條件為基準，建議養護系數取1.0～1.2之間。

3.2.4 重要性系數C4

對于不同等級的橋梁，其初始業主成本、重建導致的業主成本及社會成本都隨橋梁重要性等級大幅上升，故重要性較高的橋梁及其永久性構件需賦予相應較高的設計使用壽命。根據《公路橋涵通用設計規范》（JTG D60—2004），目前我國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為基準，建議取用1.0～2.0的重要性系數。

3.2.5 更換難易系數C5

橋梁類型不同，構件種類不同，使得每一個構件進行更換的難易效果也是各不相同的。這里僅僅對不同橋梁上的同種類的構件進行比較。文中的L0以中等更換難度為基準，建議對于可更換的橋梁構件取用0.8～1.5的難易系數。

當然，影響橋梁構件使用壽命的因素并非僅僅以上5個，在本文中無法窮盡所有可能產生影響的因素，而是從具有普遍價值的角度來選擇這幾種比較常見的，能夠在公式計算中予以衡量的影響因素來進行分析。

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