基于全壽命設計方法的梁式橋概念設計研究

于科峰，趙淑麗

（1.煙臺市規(guī)劃設計研究院有限公司，山東煙臺264003；2.山東中盛項目管理有限公司，山東煙臺264000）

基于全壽命設計方法的梁式橋概念設計研究

于科峰1，趙淑麗2

（1.煙臺市規(guī)劃設計研究院有限公司，山東煙臺264003；2.山東中盛項目管理有限公司，山東煙臺264000）

研究橋梁全壽命設計方法的理論框架，對橋梁結構的全壽命周期、全壽命設計基本原則和方法、全壽命設計性能指標、全壽命設計與傳統(tǒng)設計方法的差別等進行探討和分析。提出基于全壽命設計方法的梁式橋概念設計，對使用壽命、結構整體布置、混凝土梁橋概念設計等進行探討，促進全壽命理念在橋梁設計中的應用。

橋梁；全壽命；梁式橋；概念設計；經濟性；美觀性

0 引言

橋梁設計對保證橋梁結構的運營安全和長期性能具有重要作用。然而，隨著我國經濟建設發(fā)展和公路交通運輸量的增長，各類橋梁結構面臨的運營環(huán)境愈加復雜和惡劣。大部分橋梁在運營過程中已經出現(xiàn)了很多種類的病害，如梁體開裂、鋼筋銹蝕、保護層脫落、長期下?lián)稀蛎嫦挡『Φ取Ｓ行┎『苯佑绊憳蛄航Y構的使用安全，因而不得不定期對橋梁進行養(yǎng)護與加固，付出較大的管養(yǎng)成本；有些病害雖然不直接影響結構的使用安全，卻極大降低了橋梁的使用性能，進而大大折減了其使用壽命。這些病害問題的出現(xiàn)以及運營過程中所需成本的提高，使得人們開始深入思考產生問題的原因及相應的處理對策，研究如何更好地從橋梁設計、施工、運營、管理等角度出發(fā)，尋找較為合適的切入點，以降低橋梁病害的發(fā)生，提高其使用性能和耐久性能，延長結構的使用壽命。

全壽命的結構設計思想在近年來得到了大量的認可和推廣。橋梁全壽命設計就是從橋梁的整個生命周期（規(guī)劃、設計、施工、使用、拆除及重建）為著立點，尋求恰當的措施和方法，以滿足橋梁全壽命周期的總體性能，如安全、使用、耐久、經濟、美觀等，是一種最優(yōu)化的設計理念和方法[1,2]。

本文以橋梁全壽命設計方法為理論框架，首先對全壽命設計理念的關鍵問題，包括其壽命周期、設計方法和過程、與傳統(tǒng)設計方法的不同等層面分別進行探討；其后，總結全壽命設計方法的梁式橋梁概念設計，分析從全壽命角度來考慮如何對梁式橋進行設計，以提高目前面大寬廣的梁式橋梁的使用壽命和運營性能。

1 全壽命設計方法的理論框架

建立橋梁全壽命設計方法的基本理論框架，重點探討其中全壽命周期、全壽命設計基本原則和方法、全壽命設計性能指標及全壽命設計方法與傳統(tǒng)設計方法的差別。

1.1 橋梁結構的全壽命周期

橋梁在時間域上的表現(xiàn)階段稱為全壽命周期。根據橋梁結構特點，其全壽命周期主要包括規(guī)劃、設計、施工、使用、拆除/倒塌等階段，如圖1所示。其中規(guī)劃、設計和施工階段對橋梁性能產生直接影響，是基本前提；使用階段的環(huán)境作用、養(yǎng)護維修對結構的性能具有間接影響，也是維持橋梁性能的重要條件。從使用階段開始的橋梁壽命則稱為使用壽命[3]。

圖1 橋梁全壽命周期的主要階段

橋梁的性能狀態(tài)在整個全壽命周期內是變化的。在設計和規(guī)劃階段達到預想的結構性能，隨著運營使用和外部環(huán)境的作用，結構性能會出現(xiàn)退化，但是通過采用維修更換及加固等措施，橋梁的使用性能又可以得到提升和改變。整個生命周期的橋梁性能演化如圖2所示。

圖2 橋梁性能的全壽命周期演變規(guī)律

傳統(tǒng)的設計方法不考慮橋梁性能在運營使用過程中的退化，按照當時的荷載等級和標準確定橋梁的設計等級，僅能夠滿足當時的運營條件。而隨著社會發(fā)展和需求增加，這些結構在惡劣的運營環(huán)境下就會提前出現(xiàn)系列病害，直接影響結構的性能，進而使得橋梁性能嚴重退化，不能繼續(xù)承載現(xiàn)有或原來的荷載等級。這便需要花費較多的人力、財力和物力進行性能提升和維持，這些成本甚至遠遠高于原來的設計成本，造成不經濟[4]。全壽命設計思路則考慮了橋梁結構未來在運營過程中面臨的諸多可變作用特點和運營環(huán)境的改變，并通過運營過程中有效的結構加固和管理養(yǎng)護，使得最終橋梁能夠達到預期的使用壽命，同時使全壽命成本達到最優(yōu)。

1.2 橋梁全壽命設計的基本原則和方法

橋梁全壽命設計考慮了規(guī)劃、設計、施工和運營各個階段，且以結構綜合性能為目標進行設計優(yōu)化，主要考慮橋梁的安全性、使用性、耐久性、經濟性、美觀性和可持續(xù)性。安全性、使用性和耐久性可以概括為可靠性。可靠性是橋梁設計的首要目標，應該滿足安全性得到保障，使用性和耐久性合理。在保障橋梁可靠性的基礎上進行全壽命經濟優(yōu)化和費用分配，并根據具體情況進行美觀設計，符合環(huán)境和生態(tài)保護要求，達到可持續(xù)性。

因此，全壽命的設計方法就是以可靠性、經濟性、美觀性和可持續(xù)性為優(yōu)化目標，建立權重函數關系，通過對設計、施工和運營方法的調整和優(yōu)化，達到最佳。

1.3 全壽命設計性能指標

全壽命設計的性能指標是開展全壽命設計的基本標準，包括安全性指標、使用性指標、耐久性指標、經濟性指標、美觀性指標和可持續(xù)性指標。

安全性指標主要考察結構承載力與荷載效應的關系，建立可靠度函數進行概率評估；使用性指標是結構的應力水平、變形和變位等工作狀態(tài)在全壽命過程的演變；耐久性指標是結構抗力與耐久度的比值，用作結構耐久性設計標準；經濟性指標則是橋梁的投入成本與全壽命成本的動態(tài)關系；美觀性指標則是主觀上的判斷，通常不做定量性描述；可持續(xù)性指標則主要分析結構的材料和能源消耗，及其造成的環(huán)境和生態(tài)影響等指標。

這些結構性能指標的建立是進行全壽命設計方案優(yōu)化的基礎前提，為全壽命設計提供了數學基礎。

1.4 與傳統(tǒng)設計方法的比較分析

全壽命設計方法與傳統(tǒng)設計方法的差別見表1。從這些比較中可以更加明確全壽命設計理念的思路。

表1 全壽命設計方法與傳統(tǒng)設計方法的比較

2 全壽命設計方法的梁式橋概念設計

開展全壽命設計方法的梁式橋設計，需要明確各類構件的使用壽命，并進行結構總體布置，再針對混凝土梁橋開展全壽命理念的概念設計。

2.1 使用壽命的確定

結構的使用壽命應該是在正常的設計、施工、運營和維護的條件下設計預定的使用年限。根據橋梁構件的重要性及其所處的體系，設計使用壽命也有所不同，假定橋梁的壽命為100 a。

對于永久性構件，一般需要大于或等于橋梁的整體使用壽命。對于無法進行維護和難以進行養(yǎng)護的構件，可以設定大于橋梁的整體壽命，如100～150 a，例如橋梁的基礎、承臺、橋墩及有粘結的預應力鋼筋等；對于可以進行維護和定期養(yǎng)護、檢測、加固、維修的，可以設定和橋梁的整體使用壽命相同（100 a），例如橋墩、蓋梁等。

對于非永久性構件，其使用壽命往往設定小于橋梁的整體壽命，因為設置與橋梁整體使用壽命相同將會造成非常的不經濟。其中，更換代價較高或者難以進行更換的，可以設定小于等于橋梁的整體壽命如80～100 a，例如混凝土橋面板；對于可以進行正常更換的次重要構件，可以設定小于橋梁使用壽命如30～80 a，例如伸縮縫、人行道板、橋面鋪裝、支座等；對于可以正常更換的構件，可以設定較低的使用壽命如10～30 a，例如排水系統(tǒng)、檢修車、照明系統(tǒng)等。

根據構件的重要性和運營特點，設定不同的使用壽命，可以更加明確地知道全壽命成本的目標，為橋梁建設、運營和管理提供支持。

2.2 梁式橋整體布置

橋梁的整體布置是進行概念設計的關鍵，包括立面、平面和橫斷面的設計。這些宏觀層次的設計對于橋梁的安全、使用和耐久性起到了決定性作用。

首先，需要選擇適宜的結構體系。梁式橋中有簡支、懸臂、連續(xù)、剛構等體系，而結構的整體性也越來越好，從受力角度適用的經濟跨徑也越來越大，需要根據設計要求選擇適宜橋型。

其次，應該積極設計整體式橋梁。整體式橋梁不需要伸縮縫和支座，這使得結構的整體性很好，有效地避免了因為伸縮裝置導致的橋面行車不連續(xù)的問題。此外，開發(fā)整體式梁橋需要關注其長期耐久性能。

最后，積極設計節(jié)段拼裝式橋梁。節(jié)段拼裝橋梁適用于工業(yè)化建造，對于改善現(xiàn)有的施工建造效率和設計水平具有重要意義，但需要關注突發(fā)地震等自然災害下節(jié)段拼裝橋梁的安全性能。

2.3 混凝土梁橋概念設計

混凝土材料仍然是中小跨徑梁式橋梁的主要建造材料，因此這里針對混凝土梁橋采用全壽命理念開展設計探討。

（1）材料的選用及防護。全壽命理念不僅注重安全性，還特別關注耐久性。開展混凝土梁橋的耐久性設計需要根據橋止環(huán)境進行材料的綜合選用和防護。選擇高性能或者抗腐蝕、碳化的混凝土材料，并提高混凝土的保護層厚度，采用長效防腐涂層保護混凝土等措施，建立耐久性的混凝土構件全壽命設計理念。

（2）預應力設計體系。為了使混凝土梁橋跨越能力增大，一般需要采用預應力進行加強。常用的預應力體系有體內有粘結預應力、體內無粘結預應力和體外預應力。體內有粘結預應力可以采用先張法和后張法，都是依靠預應力鋼筋與混凝土間的粘結作用傳遞荷載和保持預應力，一般沒有明顯的薄弱環(huán)節(jié)。體內無粘結預應力需要確保預應力的防腐蝕等耐久性能，因此一般在全長涂有特制的防銹材料，以及外套防老化的塑料管，可以自由伸縮變形。體外預應力則需要保證可以檢測、可以調整、可以更換和可以施工，需要滿足良好的耐久性能和適應性能，體外預應力目前的應用越來越廣泛。

3 結語

我國早先建設的橋梁在運營過程中出現(xiàn)諸多病害問題，需要花費很大的財力、人力和物力進行結構性能的維持。橋梁的設計應該以全壽命設計理念為支持。論文探討了橋梁全壽命設計方法的理論框架，并針對梁式橋的概念設計提出全壽命設計過程，以提高目前梁式橋梁的設計質量，滿足橋梁全壽命的綜合性能要求。

[1] 徐國平,劉明虎,耿爽.橋梁工程全壽命設計方法[J].公路,2007(10):1-4.

[2] 吳培峰.基于全壽命設計方法的梁式橋概念設計研究[D].上海：同濟大學,2007.

[3] 王敏.混凝土梁式橋基于全壽命設計理論的若干問題[D].武漢：武漢理工大學,2012.

[4] 盧永東,李曄.基于全壽命的橋梁設計過程及其在混凝土連續(xù)梁橋中的作用[J].黑龍江科技信息,2011(13):289.

U448.21

B

1009-7716（2017）11-0059-03

2017-07-16

于科峰（1978-），男，山東煙臺人，高級工程師，從事路橋設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.017