橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中應(yīng)用

王 敏

(廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510290)

0 引言

病害嚴(yán)重是我國眾多橋梁共同面臨的重大問題之一，如何確保橋梁使用壽命，保障其在使用年限內(nèi)的安全性和經(jīng)濟(jì)性是橋梁設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)和亟待解決的問題。本文從設(shè)計(jì)實(shí)例入手，以橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)和理論依據(jù)，初步探討該理論在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中的應(yīng)用。

1 橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論

1.1 橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論的概念和區(qū)別

橋梁全壽命設(shè)計(jì)是指在橋梁設(shè)計(jì)中，針對(duì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、管養(yǎng)、拆除或回收再利用的全過程，實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命周期內(nèi)總體性能(功能、成本、人文、環(huán)境等)最優(yōu)的設(shè)計(jì)［1］。

全壽命理論橋梁設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法的最大的區(qū)別在于，傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)方法僅考慮橋梁的“成橋狀態(tài)”，而基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)是針對(duì)橋梁的整個(gè)生命周期而言，考慮橋梁的所有方面。

1.2 全壽命理論橋梁運(yùn)用的理論和設(shè)計(jì)步驟

利用全壽命理論進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)包括三個(gè)階段:1)工程可行性研究階段;2)初步設(shè)計(jì)階段;3)施工圖設(shè)計(jì)階段。與傳統(tǒng)方法比較它多出了一個(gè)可行性研究，這就意味著全壽命理論設(shè)計(jì)方法是從橋梁規(guī)劃就已經(jīng)開始進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，比起傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法更為提前，因此考慮也更為周全。

利用全壽命理論進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)需要考慮六個(gè)方面:橋梁使用壽命、結(jié)構(gòu)性能、橋梁管養(yǎng)、生態(tài)保護(hù)、美學(xué)研究和全壽命成本等。每個(gè)設(shè)計(jì)方面都是設(shè)計(jì)總體的組成部分，它們之間相互影響、相互滲透，因此需要綜合考慮，通過不同方案的討論選擇保證橋梁滿足這六個(gè)方面的要求，獲得合格的生命周期質(zhì)量［2］。本文主要探討初步設(shè)計(jì)階段的使用壽命設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、管養(yǎng)設(shè)計(jì)以及成本分析。

1)使用壽命設(shè)計(jì)。

橋梁結(jié)構(gòu)使用壽命設(shè)計(jì)的思路為:以橋梁生命周期的各類需求為基礎(chǔ)，明確橋梁在生命周期內(nèi)的使用要求，綜合考慮造型、性能、管養(yǎng)和生態(tài)設(shè)計(jì)，把成本最小化作為控制目標(biāo)，確定橋梁整體或構(gòu)件結(jié)構(gòu)。

橋梁(結(jié)構(gòu)/構(gòu)件)使用壽命建議值的計(jì)算公式如下:

其中，LS為橋梁結(jié)構(gòu)/構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命建議值;LS0為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命建議值;C1為氣候影響系數(shù);C2為橋位小環(huán)境系數(shù);C3為養(yǎng)護(hù)系數(shù)。

此外，針對(duì)不可替換構(gòu)件，需要考慮其對(duì)總體安全的重要性影響，其修正公式增加重要系數(shù)C4項(xiàng)，具體如下:

針對(duì)可替換構(gòu)件，需要考慮其更換時(shí)的成本代價(jià)和操作難度，其修正公式增加更換難易性系數(shù)C5項(xiàng)，具體如下:

C1～C5取值參考《基于給定結(jié)構(gòu)壽命的橋梁設(shè)計(jì)過程》附錄B［3］。

2)性能設(shè)計(jì)。

根據(jù)橋梁全壽命理論，其結(jié)構(gòu)性能為一個(gè)時(shí)間動(dòng)態(tài)值，與結(jié)構(gòu)材料，狀態(tài)和體系特征等因素相關(guān)，除此之外，其功能需求也受到使用條件的制約和影響。所以橋梁性能設(shè)計(jì)不是單一設(shè)計(jì)，它需要在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)效用指標(biāo)(即需求指標(biāo))的優(yōu)化，以兩個(gè)方向的綜合考慮達(dá)到基于全壽命周期理論的成本優(yōu)化。故性能設(shè)計(jì)將由原來的靜態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)師對(duì)橋梁整個(gè)生命周期里變化的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和功能需求進(jìn)行統(tǒng)籌的分析、計(jì)算和檢驗(yàn)。

3)管養(yǎng)設(shè)計(jì)。

橋梁在使用階段的性能狀態(tài)與自身的管理和養(yǎng)護(hù)息息相關(guān)［4］。橋梁管養(yǎng)以滿足其在生命周期里的功能需求為目標(biāo)，根據(jù)不同的工作內(nèi)容，可以分為檢測、檢查、更換、維修、拆除等幾大類。

4)成本分析。

利用全壽命理論對(duì)橋梁進(jìn)行成本分析時(shí)，其優(yōu)化目標(biāo)為橋梁壽命周期內(nèi)的所有成本，成本計(jì)算時(shí)間需從橋梁規(guī)劃開始直至橋梁壽命結(jié)束。

全壽命周期成本LCC，計(jì)算公式如下:

其中，AC為全壽命周期機(jī)構(gòu)成本，由初始建造，維護(hù)檢測及拆除和回收再利用這三類成本組成。其中初始建筑成本涵蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工;UC為用戶成本;VC為易損性成本;EC為環(huán)境成本［5］。

2 工程實(shí)例及分析

擬建項(xiàng)目為新疆喀什特區(qū)某市政主干道上一座跨越河流的橋梁，無通航要求，荷載等級(jí)為城—A級(jí)。綜合考慮橋梁的使用目的，與周圍環(huán)境相匹配，并結(jié)合業(yè)主與社會(huì)實(shí)際要求，依照全壽命周期設(shè)計(jì)理論，以成本最小值為目標(biāo)確定本橋設(shè)計(jì)方案:設(shè)計(jì)使用壽命100年，總投資不超過3 500萬元;橋梁采用先簡支后連續(xù)的4×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)，長106.08 m，寬40 m雙幅橋(見圖1)。

2.1 使用壽命設(shè)計(jì)

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性構(gòu)件劃分后，按其使用壽命建議值公式進(jìn)行設(shè)計(jì)使用壽命計(jì)算(見表1)。

2.2 性能設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建橋址處的環(huán)境類別為Ⅱ類，水和土中的對(duì)混凝土有弱腐蝕性，Cl－對(duì)鋼筋具有中等腐蝕性。擬建橋址區(qū)全年平均氣溫11.4℃ ～11.7℃，極端最高氣溫39.6℃，極端最低氣溫－25.2℃，凍土層深度80 cm;年平均相對(duì)濕度52%，CO2濃度為0.04%。故混凝土結(jié)構(gòu)將會(huì)受到的侵蝕作用、溫度引起的凍融侵蝕作用以及CO2引起的碳化作用。

表1 橋梁主要構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命計(jì)算表

圖1 主梁橫斷面布置圖（單幅）

主梁耐久性能設(shè)計(jì):采用C50抗凍融混凝土(即在混凝土中加入適量減水劑及引氣劑)，水灰比W/C=0.38，頂、底板和腹板主筋混凝土保護(hù)層(以下簡稱保護(hù)層)厚度分別為40 mm，30 mm和30 mm(見圖2)。

圖2 主梁鋼筋布置圖

墩臺(tái)耐久性能設(shè)計(jì)初步確定兩種方案:1)采用C30抗凍融混凝土，水灰比W/C=0.4，保護(hù)層厚度為50 mm，主筋采用環(huán)氧涂層鋼筋;2)采用C30抗凍融混凝土，水灰比W/C=0.35，保護(hù)層厚度為50 mm(見圖3)。

圖3 橋墩墩柱尺寸及配筋斷面圖

基礎(chǔ)耐久性能設(shè)計(jì)初步確定兩種方案:

1)采用C30抗硫酸鹽混凝土，水灰比W/C=0.4，保護(hù)層厚度為85 mm，主筋采用環(huán)氧涂層鋼筋;

2)采用C30抗硫酸鹽混凝土，水灰比W/C=0.35，保護(hù)層厚度為85 mm(見圖4)。

圖4 橋墩樁基尺寸及配筋斷面圖

2.3 橋梁管養(yǎng)設(shè)計(jì)

在完成橋梁總體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件使用壽命和性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依據(jù)橋梁的位置特點(diǎn)與自身重要性，確定橋梁管養(yǎng)的具體方案。橋梁主要構(gòu)件維護(hù)及更換周期表見表2。

表2 橋梁主要構(gòu)件維護(hù)及更換周期表

2.4 橋梁全壽命周期成本分析

通過之前的分析，初步確定三種設(shè)計(jì)方案:

1)墩臺(tái)采用C30抗凍融混凝土，W/C=0.4，保護(hù)層厚度為50 mm;基礎(chǔ)采用C30抗硫酸鹽混凝土，W/C=0.4，保護(hù)層厚度為85 mm，墩臺(tái)及基礎(chǔ)主筋均采用環(huán)氧涂層鋼筋;

2)墩臺(tái)采用C30抗凍融混凝土，W/C=0.35，保護(hù)層厚度為50 mm;基礎(chǔ)采用C30抗硫酸鹽混凝土，W/C=0.35，保護(hù)層厚度為85 mm;

3)墩臺(tái)及基礎(chǔ)采用C30普通混凝土，W/C=0.4，橋墩保護(hù)層厚度為50 mm，基礎(chǔ)保護(hù)層厚度為85 mm(見表3)。

根據(jù)這三種設(shè)計(jì)方案，通過造價(jià)軟件計(jì)算可以得到橋梁的機(jī)構(gòu)成本。方案1)與方案2)的管養(yǎng)方案一樣，故監(jiān)測維護(hù)成本也一樣，初步估算為350萬元;此外二者所產(chǎn)生的用戶成本、易損性成本、環(huán)境成本也一樣。方案3)初始建設(shè)成本較低，但因未采取耐久性措施，無法達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命100年的要求，運(yùn)營過程中可能需要重建或加固，后期投入遠(yuǎn)高于前兩者，故不予采用。

表3 橋梁初始建設(shè)成本 萬元

因此，根據(jù)以上分析可知，方案2)為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)論與建議

本文結(jié)合工程實(shí)例，初步探討了全壽命理論在橋梁設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。在完成對(duì)橋梁的使用壽命、性能和管養(yǎng)設(shè)計(jì)后，通過全壽命成本分析比較了三種不同的設(shè)計(jì)方案，從中可以得到如下結(jié)論:

1)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮其全壽命周期內(nèi)的各項(xiàng)成本，而非一味追求初期成本的最小化，橋梁的后期維護(hù)和用戶成本等也會(huì)對(duì)全壽命周期成本產(chǎn)生非常大的影響;

2)橋梁后期構(gòu)件維護(hù)和更換的管養(yǎng)成本對(duì)全壽命周期成本的影響很大，因此選擇適合的管養(yǎng)方案是降低全壽命周期成本的關(guān)鍵;

3)從本實(shí)例中可以看出，方案3)初期建設(shè)成本最低，但耐久性最差，無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);方案1)耐久性雖好，但全壽命周期成本卻無法實(shí)現(xiàn)最小化要求，因此綜合考慮了橋梁全壽命周期內(nèi)各項(xiàng)成本，方案2)才是該工程的首選方案。

本文僅是對(duì)全壽命理論運(yùn)用到橋梁設(shè)計(jì)的初步探討，橋梁設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)化的工作，從工程開始的可行性分析到橋梁建成后的維護(hù)保養(yǎng)都需要深入的考慮和研究，因此本文意在對(duì)橋梁全壽命理論運(yùn)用的一次嘗試，希望對(duì)今后的相關(guān)設(shè)計(jì)有一定的參考和借鑒作用。

［1］謝 丁.并非一時(shí)一事——橋梁養(yǎng)護(hù)綜述［J］.中國公路，2009(12)：46-49.

［2］Ma J.H.，Chen A.R.Goneral Framework and Design Procedure of Bride Life Cycle Design［A］.2007 International SymPosium on integrated Life-Cycle Design＆Management of Infrastructures.May 16-18，2007，Shanghai，China.

［3］陳艾榮.基于給定結(jié)構(gòu)壽命的橋梁設(shè)計(jì)過程［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］Schmalz TC，Stimer SF.Consideration of design life of structures［J］.Journal of performance of constructed facilities，1995(8)：206-219.

［5］馬軍海.基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)過程及其在混凝土連續(xù)梁橋中的應(yīng)用［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.