淺談橋梁全壽命設計理念

焦永平

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 前言

傳統的橋梁設計中未明確橋梁整體及主要構件的設計壽命，橋梁設計壽命的確定也缺乏技術支撐和具體的設計方法；橋梁對周圍生態環境的影響、橋梁景觀與周圍環境和諧統一等因素考慮較少等。因此，傳統的橋梁設計理念越來越不符合橋梁工程科學發展的要求，導致了現有橋梁存在使用性能差、使用壽命短、全壽命經濟性指標差等問題，已經嚴重影響了橋梁正常服務功能的發揮，并且給養護、維修等后期運營管理帶來巨大的經濟和社會負擔。近年來，為了可持續發展，需要把傳統設計方法拓展到橋梁的整個使用壽命期，考慮橋梁建設的全過程，從規劃、設計、施工和使用期管理，一直到拆除和材料的回收再利用，必須進行橋梁全壽命設計。橋梁全壽命設計理論已成為國內外研究的熱點，橋梁全壽命理念符合可持續發展要求，并且把傳統短期優化橋梁方法轉向整個橋梁的生命周期，根據橋梁設計壽命的各種性能指標，優化各種可行方案，在多種方案中找出最為適合的方案，再依次進行橋梁工程的各個流程。本文為了使大家能夠更全面地把握橋梁全壽命設計的理念以及應用這一新的設計理念，將從橋梁全壽命的主要階段和過程進行分析和研究，并提出橋梁全壽命設計總框架的方法。

1 橋梁全壽命設計的概念及主要階段

1.1 橋梁全壽命設計的概念

全壽命周期設計就是面向制造及其維護和回用處理的最優化設計。在橋梁設計中，主要針對規劃階段、設計階段、施工階段、運營階段、管養階段、拆除或回收再利用的全過程，實現橋梁全壽命周期內總體性能（功能、成本、人文、環境等）最優的設計方案。

1.2 橋梁全壽命設計的主要階段和主要內容

在以往橋梁的設計中，主要有初步設計和施工圖設計兩個階段。所以在遇到技術上缺乏經驗而技術又比較復雜的橋梁建設時，就無法合理解決各種問題，這樣橋梁建設會遇到各種瓶頸。因此橋梁全壽命設計從橋梁投資規劃就開始進行設計了,橋梁全壽命設計過程可以分為方案可行性研究階段、橋梁初步設計以及橋梁施工圖設計三個階段。方案可行性分析主要是對建設項目的技術可行性、施工合理性以及經濟合理性進行綜合考慮,并針對建設項目項的目的來確定工程的功能以及使用壽命,并對施工環境進行分析,看其是否對橋梁結構產生影響,進一步對橋梁全壽命性能進行設計特別是耐久性能的設計。明確運營階段和保養階段的成本估算指標,進行全壽命設計經濟評價和投資估算。另外還增加了橋梁的性能設計、美學設計、生態設計、橋梁的管理與養護設計。總之橋梁的全壽命設計是將業主、使用者和社會需求轉化為橋梁結構體系的性能要求，建立并優化結構方案以實現這些要求。

與傳統橋梁設計相比，橋梁全壽命設計在開展傳統設計中的設計工作的同時，將橋梁設計范圍從建設期拓展到整個壽命周期，增加了傳統橋梁設計中未考慮的設計內容，具體包括：耐久性設計、管養設計、拆除、回收再利用設計、風險評估及保險策略和全壽命周期成本分析。

1.3 橋梁全壽命設計的理念

在橋梁的全壽命設計中，除了橋梁全壽命設計在開展傳統設計工作的同時，還要將橋梁的設計范圍從建設期拓展到整個壽命周期，增加了傳統設計中從未考慮的設計內容。具體包括了：橋梁的耐久性設計、橋梁的管養設計、拆除、回收再利用設計、風險評估及保險策略和全壽命周期的成本分析。在設計時按照橋梁全壽命設計，是符合可持續發展要求，更是順應了事物的發展規律。

2 橋梁全壽命設計的相關問題

（1）橋梁構件壽命分類

在橋梁構件壽命分類中，有三種分類方法：第一是按照橋梁構件的使用壽命特征及其設計、施工和維護要求分類，見表1。

表1 橋梁構件使用壽命特征及要求

第二是按照橋梁構件的設計壽命分類，見表2。

表2 橋梁構件設計壽命分類

第三是按照橋梁構件的耐久性分類，在全壽命設計中分別采用了按結構體系劃分和按構件特點劃分兩種構件劃分方法進行橋梁構件耐久性分類。

（2）橋梁的使用壽命設計

橋梁的使用壽命設計，首先要對橋梁的各個部位進行構件劃分，并對其進行耐久性分類。再根據橋梁構件不同來確定構件需要更換的次數（在這里進行更換的構件是除了永久性構件之外的構件），并根據橋梁使用壽命規劃的成本進行比較選出最優方案。通常橋梁的永久性構件例如主梁、主塔和下部結構的基礎、橋墩的設計是為了抵抗橋梁使用壽命性能退化的,因此,設計者對這些部位要進行長久性的考慮。橋梁上的鋪裝、伸縮縫、吊索、支座等,在橋梁運營期間需要多次更換,所以對其設計方案可以是短時期。總之橋梁的使用壽命計算流程見圖1。

圖1 橋梁使用壽命計算流程示意圖

（3）橋梁全壽命橋梁風險評估與保險策略研究

橋梁工程風險就是在橋梁規劃、設計、施工、使用、維修、拆除等和橋梁結構相關的各個過程中出現的，對相關利益團體的某種既定目標造成影響的不確定的事態。在橋梁的風險評估階段，根據具體的橋梁類型，建立相應的風險模型，如：橋梁風險概率模型、橋梁風險損失模型；然后對各種后果跟概率進行分析，對其進行等級劃分，再給予相應的風險對策。風險對策包括各個階段，比如管理優化、技術優化、風險規避、工程風險，在這些當中找到最有決策。

（4）橋梁設計中較多的混凝土構件在全壽命設計中，應該注意的幾點問題：

a.根據環境作用特點，選用適當的耐久性材料（混凝土類型及配合比、鋼筋類型、外加劑類型），以確保混凝土構件的耐久性；b.根據退化分析，合理確定需要的鋼筋保護層厚度；c.根據需要適當選用防護涂層；d.設計方案應保證可施工性，并在施工中加強施工控制；e.根據運營期維護管理需要，進行必要的可檢、可修和可更換措施設計。

為了滿足橋梁在整個使用壽命內可持續發展的要求，橋梁全壽命設計將為結構設計提供了最為先進的理念。本文在這里只是簡要提及了橋梁全壽命設計時所需要注意到的一些問題，為了使橋梁方案達到最優設計和利用，需要設計者在三個橋梁全壽命設計主要階段(工程可行性研究階段、初步設計階段和施工圖設計階段)中，對橋梁的各個構件及整體方案采用各種恰當的方法和措施進行設計,最終實現橋梁良好的全壽命周期質量。

3 結語

總之，我國橋梁全壽命設計還在起步階段，需要我們設計者在交流中進步。橋梁全壽命設計是一個復雜的工程體系,這要求設計者在設計時對橋梁建設的各個階段各個構件進行綜合考慮,保證橋梁的使用壽命能夠滿足使用、環境、藝術的需求。橋梁的全壽命設計，要求我們設計者在橋梁建設前,就要把規劃、建設、運營、保養、維修、拆除、再利用等階段的方案設計好,對橋梁壽命總體框架多指標優化決策，得到工程可行性研究階段的可行方案，從而使橋梁的各項性能達到最優化，更好地完成他的服務使命。

[1]陳艾榮,盛勇,錢鋒.橋梁造型[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]中國工程院土木水利與建筑學部,工程結構安全性與耐久性研究咨詢項目組.混凝土結構安全耐久性設計與施工指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3]交通部.公路工程基本建設項目設計文件編制辦法 [M].北京:人民交通出版社,2007.