基于全壽命的橋梁設計主要過程探究

陳 俊 孫 明

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

基于全壽命的橋梁設計主要過程探究

陳 俊 孫 明

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

我國的經濟增長速度日益加快，同時，經濟規模也逐漸變大。在這種形式下，我國的橋梁建設事業蒸蒸日上，橋梁建設的技術也不斷提高，因此我國正向橋梁大國邁進。但是，目前我國的橋梁建設存在問題，比如壽命比較短。壽命問題的出現和設計有直接的關系，本文就基于全壽命的橋梁設計進行分析和探討。

全壽命；橋梁設計；探究

一、概述

自從上個世紀90年代開始，我國的橋梁建設事業如火如荼的進行，并且一步步進入頂峰時期。橋梁在社會經濟領域內發揮的作用越來越大，可以說是交通動脈的生命線。隨著大量的橋梁結構物投入運營，暴露的問題越來越多，這些問題主要集中在運營、施工以及設計等方面，讓我們不得不進行深刻的反思。目前，橋梁設計方面出現的問題主要包括以下幾個方面：（1）規劃和設計階段。在這個階段，設計人員并沒有考慮到橋梁在建成之后的維修成本、養護以及運營問題。（2）對生態環境的保護重視度不夠。（3）設計方面。設計人員在進行設計時關注更多的是安全問題，而忽視了耐久性問題。以上問題均會導致橋梁全壽命的縮短，筆者在下文中會對基于全壽命的橋梁設計進行分析和探討。

二、橋梁的全壽命設計原則

1 橋梁設計方法和理念演變概覽

容許應力法。此方法屬于一種傳統的方法，是由納維葉于上個世紀20年代提出的在，之后被各國使用。容許應力法是建立在彈性力學理論的基礎上的，其把材料看做理想彈性體，容許應力是由材料的屈服強度除以安全系數進行確定的。總體來說，該方法比較保守。

破壞階段法。該方法是由前蘇聯人羅列伊特提出的。破壞階段法的考察對象是截面內力，此外對極限強度以及塑性性質也進行了充分的考慮。缺點是可靠性達不到預期的程度，安全系數單一。

極限狀態法。極限狀態法也是由蘇聯學者提出的，其是把結構放在可能的極限狀態下實施分析，此外還引進了可靠性理論和概率論數理統計。此外，引入了荷載和材料等不確定性，把單一的安全系數轉化為3個系數。

基于可靠度的概率極限狀態法。過去容許應力法采用了單一的安全系數來確定結構的可靠程度。而基于可靠度的概率極限狀態法采用了多個分項系數，把結構計算劃分得更細更合理，分別不同情況，給出了不同的分項系數。這些分項系數是由統計概率方法進行確定的，所以具有實際意義。來自于工程實踐，諸多的分項系數從不同方面對結構計算進行修訂后，使其材料得以充分發揮和結構更加安全可靠。這些系數都是結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率（也即可靠度）。

設計方法和理念的轉變思路：基于全壽命思想的設計。在橋梁設計中引入可持續發展思想，讓設計不光要對當前的發展需要進行思考，更要對將來可能的需要進行預測。也就是設計不光要關注成橋性能，更要對全部壽命期內性能重視。

2 橋梁設計理念轉變

傳統橋梁設計。傳統橋梁設計關注的是橋梁的建設階段，屬于基于“現狀”的設計，也就是關注核心是降低建設階段的成本的設計，且設計人員設計重心是在橋梁建設期的強度和安全，而對可更換性、可養護性以及結構的耐久性重視度不夠。此外，造價的評估忽視了養護維修、構件更換以及運營階段的管理。

橋梁全壽命設計理念是指從人文、生態、環境、功能和經濟效益等需求出發，綜合考慮橋梁規劃、設計、施工、運營直到報廢等各個環節，尋求各種可行恰當的方法和措施，是以滿足橋梁在規定的全壽命周期內總體性能最優目標的設計理念和方法。橋梁全壽命設計包括使用壽命設計、使用性能設計、風險設計和檢測、維修設計等模塊。

表1 橋梁壽命影響因素

表2 根據維修程度區分的橋梁構件

表3 使用性能設計

表4 耐久性設計內容

三、使用壽命設計

使用壽命設計。橋梁的使用壽命和橋梁的內在因素以及外部環境有著很大的關系，見表1。

對使用用途和環境因素進行分析。在對使用壽命進行確定時，需要對社會、業主以及用戶的使用壽命需要進行考慮，也不能忽視橋梁影響區內環境影響。確定設計使用壽命，需要對橋梁的用途（鐵路、公路）以及所處的環境（氣候以及荷載）進行考慮。

環境作用分為兩種，分別是：（1）持續時間短的偶然作用，比如:船撞、地震。（2）持續時間長的，比如：凍融作用以及疲勞風等。其中，前者具有不可預見性，因此全壽命設計需要對持續性分析，在此基礎上構建有關的環境作用數據庫。

模塊化方法。橋梁的結構類型是多種多樣的，具有不同的構造體系，因此在設計時需要針對不同橋梁構建實施分類。構件分類狀況見表2。

對不同構件賦予不同的目標使用壽命，各構件確定使用壽命的因素也會有差異，比如：技術、美觀以及功能。對各模塊的目標使用壽命進行改變，對壽命周期內的更換、養護以及維修進行分析和對比，最終最合理的壽命組合就會得到確定。可以說，使用壽命設計優化是一個選擇以及排序的過程。

四、使用性能設計

基于性能設計需要對以下性能進行分析來對設計準則進行確定：耐久性、美觀、振動、位移、成本等。從選擇的性能設計目標實施設計，評估結構性能，這樣就可以形成實際性能水平額設計理論。我們將性能優化設計總稱為性能設計，主要包括：安全性能設計、使用性能設計、經濟性能設計、可持續性以及耐久性能等。

從全壽命思想出發，橋梁的使用功能不僅要滿足當下的需求，更要滿足未來發展要求。在設計的時候，需要對未來有所考慮。對以后的變化趨勢進行預測。（1）使用功能、安全以及健康設計。橋梁需要承受怎樣的荷載是由橋梁的用途決定的，從交通規劃、使用者的需求以及業主的需求出發，對橋梁的通途進行確定，是人行橋還是鐵路橋還是公路橋梁。在這些需求中，首要因素是安全。橋梁和人們的生活有著緊密的聯系，很大程度上決定了出行安全和暢通。因此，一定要對安全問題引起足夠的重視。健康問題，即要選擇合適的健康材料，機具和施工方法都要科學，健康材料包括橋面鋪裝材料以及表面涂裝材料。使用性能設計狀況見表3。

安全性能設計。安全是橋梁的一個關鍵指標，最近幾年橋梁事故頻發，因此橋梁安全問題引發人們的關注。作為設計階段的安全性能設計，需要考慮橋梁在各種荷載作用下的強度、剛度和穩定性的要求。在設計時，需要考慮以下因素：穩定、荷載的靜力、動力、疲勞設計等。

耐久性設計。耐久性設計需要遵守以下幾個原則：流暢和力線平滑的原則；可替換性原則、可修性以及可檢性原則、連續性原則、結構體系防水的原則等。耐久性設計內容見表4。

五、風險設計

在設計階段，要對橋梁遇到的風險進行考慮，比如：汽車撞擊、船舶撞擊、恐怖襲擊、地震、大風以及火災等。對風險的性質以及后果進行分析，在設計階段將這些問題考慮在內，這樣就能降低對橋梁的危害。我國在風險設計還處于起步階段，因此可以參考一些發達國家的經驗規范，比如：美國的公路橋梁設計規范、公路橋梁防撞設計指南和公路橋梁船撞設計指南等。

六、檢測、維修設計

隨著我國經濟的快速發展，公路交通流量出現了持續迅速的增長，加之貨物車輛的超載運行，導致橋梁使用性能衰退、結構安全及耐久性減低，從而大大減低了橋梁的使用壽命。

因此設計人員要加強對橋梁結構多致因損傷機理、結構性能衰退規律、耐久性評價及承載力評定等方面的基礎理論和技術研究。建議并運用科學、先進、規范、專業的橋梁承載能及計算分析與實驗方法、損傷結構評定方法、耐久性檢測與診斷技術等，提高橋梁結構安全可靠性與長期壽命。

同時設計人員還要加強對特殊加固方法的設計計算理論、新型加固材料性能及施工技術方法的研究，做到加固設計精細化、科學化、專業化，進而延長橋梁的使用壽命。

結語

目前，我國的橋梁存在一些安全隱患，并且安全性能差。近幾年，橋梁坍塌的事故頻發，給人民的生命和財產安全造成了巨大的威脅。橋梁事故的頻發和不完善的設計有直接的關系，因此要對設計引起足夠的重視，尤其是基于全壽命的橋梁設計。本文從使用壽命設計、使用性能設計、風險設計等方面出發，對基于全壽命的橋梁設計進行理論分析和探討，希望對提高橋梁壽命以及安全性，促進我國由橋梁大國向橋梁強國轉變有一定的參考意義。

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.07.030