橋梁全壽命設計研究綜述及思考

王崇交

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

1 橋梁全壽命設計

傳統橋梁設計方法僅考慮橋梁建設初期性能和初始建造成本，并采用定值設計方法滿足設計規范條件下的參數最低要求而未考慮使用周期內養護維修等措施造成的各種直接或間接成本，這往往造成橋梁全壽命期維護成本過高，維修資源分配不合理，橋梁耐久性不足與資源的不必要浪費。根據美國聯邦高速公路管理局統計，美國高速公路橋梁由于耐久性不足，在2002年度維護直接成本超過83億美元，通過調查估計由于交通延誤和生產力損失造成的間接成本高達10倍的直接成本[1]。因此，為了提高公共安全與交通舒適度，降低使用期內的運營維護成本，確定具有長期成本效益的設計方案至關重要。

橋梁從投入使用的時刻起其性能就開始逐漸降低，而影響橋梁使用性能的因素眾多且通常具有很強的不確定性，在設計的時候難以進行準確估計。另外，在漫長的使用期內可能遇到的如車船撞擊、洪水、地震等突發事件，會顯著降低其使用性能甚至影響結構安全。在設計階段通常有兩種選擇，一種是降低初始建造成本，通過后期維修保持橋梁的使用性能；另一種是通過使用性能好、耐腐蝕的材料或者在設計中采用更高的富裕度，這種選擇可以降低維修成本，提高橋梁使用性能，但會顯著提高初始建造成本。因此，要為某一具體項目選擇具有成本效益的設計方案或維修管理方案，必須從長期的全壽命周期成本分析LCCA(LifeCycleCostAnalysis)的角度對這些方案進行評估。

目前國內外對使用LCCA進行不同方案策略的比較研究主要分為兩類：一類采用確定性技術，另一類采用可靠度方法。大多數基于確定性的LCCA研究集中于評估橋面設計方案比選、混凝土梁配筋率或維修中使用不同材料的成本效益。例如，彭建新等通過深入研究橋梁全壽命設計方法，利用發展的混合全壽命成本模型，結合試驗橋，對預應力混凝土板梁橋的幾何尺寸和材料參數進行優化分析，并驗證其合理性[2]。Daigle和Lounis比較了不同火山灰摻量的高性能混凝土與普通混凝土用于鋼筋混凝土橋面板的長期成本效益[3]，研究指出：使用高性能混凝土在建設成本、用戶成本和環境影響方面更經濟。O'Reilly等人比較了在混凝土橋面上使用普通鋼筋、環氧涂層鋼筋和不銹鋼鋼筋的成本效益[4]，分析指出：考慮鋼筋混凝土橋面的使用壽命為75年，使用不銹鋼鋼筋是最劃算的方案。

另一方面，基于可靠度的方法可以在分析中納入各種不確定因素。近年來基于可靠度的研究主要集中在評估劣化結構的修復時間、修復結構的時變性能以及使用特定修復材料對修復結構進行全壽命分析。如劉軍等基于蒙特卡羅法計算以時間為基本變量的材料性能參數和荷載變化特征，得出了橋梁的時間-可靠概率關系曲線，推算出橋梁的使用壽命和剩余使用壽命[5]。最近，Sajedi等人提出了一種基于可靠性的多目標設計優化程序(RB-MODO)，用于考慮腐蝕影響的鋼筋混凝土橋梁耐久性設計[6]。

現有的研究中在使用確定性方法時未考慮使用過程中的不確定性，而主要依賴于橋梁所在區域的統計資料和工程師的經驗，這可能導致方案比選不準確和不經濟。使用可靠度方法時通常涉及多個函數的計算且計算參數多為隨機變量，不僅計算量巨大，計算結果精度也難以保證。

本文在探討基于橋梁全壽命設計概念的基礎上，簡要介紹了近年來歐美和中國開展的一些橋梁全壽命設計研究情況，分析我國橋梁的設計維護管理現狀。在此基礎上，對中國開展橋梁全壽命設計研究提出幾點建議。

2 現行橋梁設計方法與全壽命設計方法

工程結構設計，采用過不同的設計方法和理論。歷史上，最早采用基于試驗和經驗的方法，接著采用容許應力法，然后是極限狀態設計法，今天發展為基于結構可靠度理論的概率極限狀態設計法[7]。自1997年美國國家公路與運輸協會AASHTO(AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials)頒布基于LRFD(LoadandResistanceFactorDesign)的設計規范，可靠度方法現已被廣泛用于校準荷載和抗力系數設計規范和標準，這些規范和標準提供了足夠的安全富裕度，以降低新結構設計或舊結構安全性評估時，由于構件承載力不足或過載而導致結構失效的可能性。

現有結構、構件的目標可靠性水平是根據對現有結構性能的經驗，結構、構件的失效后果以及建造成本來設定的。在關于結構適用性特別是耐久性部分的規定中，沒有諸如混凝土裂縫寬度、保護層厚度或鋼筋間距等限制標準與混凝土構件耐久性之間的具體關系，也沒有關于結構在使用壽命內超過這些標準概率的具體信息。盡管相關概念模型如鋼筋銹蝕模型、混凝土開裂模型等方面有大量研究，但當前規范、標準和工程實踐中，基于可靠度的正常使用極限狀態性能指標的實施由于多種原因而滯后。一個主要原因是工程師不愿意限制正常使用性問題，因為擔心正常使用性能的限制可能會制約設計方案選擇扼殺創造力，并制約與安全無關設計問題的工程判斷[8]。因此，許多設計規范和標準沒有強制正常使用性標準，如美國規范ASCE7-10(ASCE/SEI2010)中僅提供了適用性設計的指導，以維持結構的功能和正常使用期間使用者的舒適度。

傳統的橋梁設計方法和建管體制是目前橋梁出現耐久性問題和達不到設計使用壽命的關鍵[9]。全壽命的橋梁設計方法作為一種設計理念，涉及到橋梁建設的各個方面，從規劃、設計、施工和使用期運營管理維護，一直到拆除和材料的回收。為了實現橋梁建設的效益最優化，把傳統的短期方法拓展到橋梁的整個全壽命周期，考慮橋梁整個使用周期內各種性能指標對所有可行方案進行優化。

全壽命的設計理念由于涉及參數較多且具有很強的時變特性和隨機性，設計難度較大且費用高，所建立的模型和設計方法往往準確度很低，建設者也難以接受遙遠時間跨度外可能出現的問題。近年來，國內外學者嘗試將時變可靠度引入全壽命設計，結合相關設計規范建立約束條件，同時最大化結構的可靠性和最小化相關的壽命周期成本，用來解決橋梁設計方案比選與維護管理決策等問題。

3 國外橋梁全壽命研究現狀

國外針對橋梁全壽命設計的研究，以美國居多，其次是歐盟和日本等發達國家，這些國家普遍勞動力成本高昂且對環境保護非常重視，他們的研究中重點關注兩個方面的影響：一是橋梁使用中的養護維修等工作對橋上交通和使用者的綜合經濟影響，二是橋梁從建設到拆除整個過程對周圍環境產生的影響。

3.1 綜合經濟影響分析

由于橋梁設計使用年限較長，在漫長的使用周期內經濟社會的發展情況需要納入到全壽命分析中，為了考慮經濟增長以及通貨膨脹等因素，普遍采用凈現值分析方法作為全壽命分析的經濟分析方法。其主要內涵是把不同時期發生的費用折算為現值，然后加以比較，就能夠比較直觀地反映分析期內建設、維修、更換等各項費用的影響程度。常用的凈現值計算模型如下所示[10]：

式中：NPV為現值；IC為初始建設費用；MC為維護費用；TC為檢測費用；FRC為維修費用；UC為用戶成本；DC為拆除費用；S為殘值；K為時間區間；i為折現率。

考慮橋梁在日常維護、維修或檢測的過程中對橋梁交通和橋梁使用者的影響，將這種影響通過用戶成本來衡量，可將用戶成本簡單分為時間延誤成本(DDC)、車輛運營成本(VOC)、安全事故成本(AC)三大類，通過下列公式進行估算：

AC=L×ADT×N×(Aa-An)×Ca

式中：L為受影響區段長度；Sa為橋梁維護期間車速；Sn為正常車速；ADT為每天平均車流量；N為維修天數；W為用戶每小時時間價值；r為車輛平均成本；Aa為維修期間事故發生率；An為正常事故發生率；Ca為每次事故的損失。

通過分別計算不同設計方案的凈現值，得到全壽命周期建設成本、維護成本和用戶成本綜合消耗最低的方案。例如鋼材的腐蝕是鋼結構橋梁在使用過程中的重要問題，防腐項目的費用也是其維護成本的重要組成。對鋼橋的涂裝體系進行壽命周期分析，首先對環境效應進行評估，國際通用的方法是環境等級劃分法，采用歐洲規范(ENISO12944-2)中的六種環境等級(表1)。確定了環境等級后再綜合考慮涂裝體系在壽命周期內的修補、重涂和更換成本，以及不同方案所帶來的用戶使用成本[10]。

表1 EN ISO 12944-2中的結構環境等級劃分

Rossi和Marquart等人對環境等級為C4的鋼橋進行了涂漆防腐和熱鍍鋅HDG(Hot-dipGalvanized)防腐兩種方案的LCCA分析[11]。兩種方案在鋼橋使用周期內的成本如圖1所示。圖1中描述了建設成本、維護成本和用戶成本的綜合累積成本與使用壽命的關系，鋼橋未涂漆時候的初始成本僅為HDG成本的50.3 %。對于兩種方案修補成本對于凈現值的影響都相對較低，并且在使用20a左右的重涂之后，涂漆方案的凈現值超過了HDG方案的凈現值。分析體現了全壽命方法對維護方案綜合經濟效益評估的全局性，可為決策者對維護方案的選擇提供重要參考。

圖1 兩種方案在鋼橋使用周期內的成本變化

3.2 環境影響分析

建筑業消耗了地球上一半的能源，這個比例比任何其他工業部門都高。所有設施的建造、營運及拆卸工程約占地球上全部能源最終用途的40 %至45 %。建筑業未來之路是發展一個綜合辦法，稱為“可持續建設”，其中環境問題通常使用以成本為基礎的辦法與安全和功能要求一并處理。在歐洲一系列旨在評估結構工程可持續性的標準中，歐洲標準化委員會(EuropeanCommitteeforStandardization)在EN15643-4:2012中提供了一個評估框架，為評估結構的可持續性提供了原則、要求和參考[12]。按照總體框架，壽命周期分析又細分為4個模塊，同樣適用于橋梁可持續性效益評價(圖2)。全壽命周期環境分析的實施在很大程度上取決于各種影響數據的獲取，以及對這些影響和相關材料的基本壽命周期評估。全壽命分析(環境和成本)在很大程度上取決于對結構劣化的評估和對其實際使用壽命的評估。

圖2 全壽命環境分析系統

例如，位于葡萄牙中部地區Mira和Aveiro之間的高速公路橋，橋長364.50m。該橋的設計按照RSA1983,REBAP1986《葡萄牙橋梁設計條例》和《歐洲規范》的要求，這座橋的設計使用壽命為50a[12]。設計過程中提出了兩種主梁建設方案，一種是預應力混凝土雙U形梁和現澆混凝土板組合結構，另一種是雙工字梁鋼-混凝土組合結構，并采用全壽命分析法對兩種方案進行了方案比選，在比選過程中著重考慮了橋梁建設對環境造成的影響，如資源消耗、氣體廢物排放，固體廢物處理等。為比較整體環境效應得到所有影響類別的綜合評分，HelenaGervásio等人按各影響類別對整體環境效應的相對重要性加權，然后計算加權平均影響評分[12]。該方法中使用的權重集基于哈佛大學(Norberg-Bohmetal.1992)的一項研究[13]。該研究為美國和歐洲各國制定了單獨的評估方法。此外，對每個國家的“當前影響”和“未來影響”分別進行了評估。就當前影響而言，更重要的是今天主要關注的影響，而未來影響則更加重視那些預計在未來25a后將變得更加糟糕的影響。為當前和未來的結果推導出一系列相對重要的權重，然后通過將未來結果的重要性計算為當前結果的兩倍來進行組合。對比分析表明，盡管混凝土方案具有明顯的成本優勢(便宜20 %)，但全壽命周期環境分析更有利于鋼結構方案(環境影響低35 %)，設計使用壽命50a中，鋼結構方案綜合評分為59分，略好于混凝土方案的55分。當然，結論在很大程度上取決于所使用的方法和權重，鑒于這方面的不確定性和選擇任意性，下一個的研究顯然是發展一種概率性的全壽命周期環境分析方法。

3.3 可靠度優化設計

全壽命可靠度分析的目的是找到一個設計變量的向量x，作為目標函數f(x)進行優化，根據兩個邊界約束條件x-和x+的值，采用不等式g(x,t)≥0進行時變行為約束，設計年限為Td。多目標設計優化問題可表述為：

D={x|x-≤x≤x+,g(x,t)≥0,t0≤t≤Td}

目標函數f(x)代表優化設計的目標要求，通常與結構成本有關，包括初始建設成本和養護維修成本、拆除成本以及附加的結構性能指標，例如安全性、適用性等。設計變量x可以包括結構的幾何和力學性能，以及維護和維修干預措施對使用時間和可靠度的提升。設計變量x相關的基于可靠度的設計涉及到失效概率的評估或相應的可靠度指標：

D={x|x-≤x≤x+,β(x,t)≥β*(x,t),t0≤t≤Td}

因此，全壽命可靠度優化設計問題的一般公式可轉換為以下形式：

PF(x,t)=p|gj(x,t)<0,j=1,2...|,t0≤t≤Td

β(x,t)=-Φ-1[PF(x,t)],t0≤t≤Td

因為目標可靠度β*=β*(t)反映了結構的類型、重要性、失效后果和社會經濟影響等可能隨時間變化因素，所以通常是時變的。因此，進一步研究確定結構設計和維修的最佳目標可靠度指標是必要的。

優化過程的計算成本取決于問題的大小和解決方案要求的函數評估次數，包括目標函數、設計約束以及設計變量的敏感性。全壽命可靠度優化設計問題通常涉及多個函數的評估，盡管有高效的分析程序，求解過程的計算成本依然非常高。因此，在設計實踐中，為了支持模型的開發并使設計問題變得切實可行，通常需要敏感性分析過程和前分析和后分析策略，不確定性參數的重要程度也應該進行相對重要性的量化，并獲得不確定性效應所起的時變作用。這些方法已經成功地應用于基于可靠度的建筑和橋梁設計程序中[14]。

4 我國橋梁全壽命研究現狀

2004年我國開展了首次針對橋梁全壽命設計理論與方法的研究，該研究項目的批準和啟動，標志著我國向橋梁全壽命設計的全面研究和應用邁出了扎實的一步[15]。從我國現有橋梁狀況調查分析入手，通過文獻搜集、現場調研、統計分析、理論研究、實驗研究、示例應用等手段，全面展開了以下十個專題的研究：

(1)國內外橋梁全壽命設計方法研究現狀調研；

(2)橋梁典型病害調查及橋梁正常使用壽命確定；

(3)橋梁全壽命周期成本計算模型研究；

(4)橋梁各設計階段全壽命設計方法研究；

(5)全壽命橋梁風險評估與保險策略研究；

(6)橋梁混凝土構件全壽命設計研究；

(7)橋梁鋼結構構件及纜索系統全壽命設計研究；

(8)橋梁附屬設施全壽命設計研究；

(9)橋梁全壽命設計示例；

(10)橋梁全壽命設計指南。

項目研究填補了國內外橋梁全壽命設計理論與方法的空白，標志著傳統橋梁設計理念正在向橋梁全壽命設計理念及方法過渡。提出了《橋梁全壽命設計指南》，成為我國實現橋梁全壽命設計的良好開端，為以后開展進一步的橋梁全壽命設計研究奠定了堅實的基礎。

其研究成果為提升橋梁設計理念，提高橋梁設計、施工、管養水平，提高橋梁耐久性，延長橋梁使用壽命，確保投資的長期效益，優化工程資金配置提供了理論基礎。因此，項目研究成果具有重要的理論意義和工程應用價值，在橋梁工程設計中具有廣闊的推廣應用前景，也可為隧道、港工等進行全壽命設計和研究提供參考和借鑒。

參與該項目的吳海軍等人通過項目的研究提出了全面的橋梁耐久性設計框架，為橋梁全壽命研究奠定了基礎，此后馬軍海等人在其基礎上進一步深入研究，提出了全壽命的橋梁設計框架與設計過程，并嘗試將全壽命的設計方法應用到混凝土連續梁橋中。彭建新等人提出了基于全壽命周期成本的橋梁設計方法，并將其應用于橋梁多目標優化設計和維護方案決策。

耐久性是全壽命問題中最重要的因素，全壽命的橋梁設計必須是一個涉及橋梁多方面及不同階段耐久性能的完整全面的體系框架，考慮到影響耐久性的多種因素及橋梁耐久性問題的復雜性、重要性，并保證各個構成部分之間互相補充、互相執調。全面的橋梁耐久性設計方法框架的主要組成部分及相互關系見圖3所示[16]。做好了圖3中的第1、2部分即基本的設計因素，橋梁的使用性能就有了基本保證，第3點是實現橋梁初始階段良好性能的必要條件，而第4點則是保證橋梁運營期使用性能和耐久性的必要條件。這些問題可以歸結為：設計是基礎、施工是關鍵、養護和管理是保證、經濟性是方案優化與評價的指標。

圖3 全面的橋梁耐久性設計方法框架

為滿足橋梁在全壽命周期的使用要求，需要基于全壽命的橋梁設計框架來為結構設計提供方法，由此得到良好的全壽命周期性能。馬軍海等人提出的基于全壽命的橋梁設計總體框架，從業主、社會和使用者的需求出發，分三個橋梁設計主要階段：工程可行性研究階段、初步設計階段和施工圖設計階段，對主要過程：使用壽命設計、性能設計、監測、養護與維修設計、美學設計、環境生態設計及成本分析等六大過程[17]。采用各種恰當的方法和措施進行設計，在設計階段為橋梁全壽命周期性能提供保證(圖4)。

圖4 橋梁全壽命設計總體框架

一座橋梁的規劃設計所涉及的因素很多，是一個綜合性的系統工程，將全壽命優化設計放在初步設計和技術設計之間，在初步設計完成后，即橋型方案、主要初步尺寸和工程投資確定后，進入全壽命優化設計階段，引入橋梁劣化模型、維護策略等因素，在投資、可靠性能、力學指標多重約束作用下對橋梁截面尺寸進行重新確定，優化結果將修改初步設計和工程預算投資。有時，可以將初步設計和全壽命優化設計合并，同步進行。彭建新等人提出了橋梁全壽命設計的設計步驟和設計框架，在未來的橋梁設計過程中，為橋梁設計人員引入全壽命設計理念提供參考(圖5)[18]。

結構性能的退化本身取決于混凝土性能、收縮徐變引起的開裂和鋼結構防腐體系等諸多參數，每一個參數都有相當多的不確定性，這可能導致結構性能評估中存在較大的不確定性。結構可靠度計算結果很大程度上取決于考慮的隨機變量和分析中采用的模型，這就是為什么在不同國家或地區的設計規范中采用了不同的目標可靠度。為了考慮這些不確定性，可以采用時變可靠度來比較不同方案在特定時間點的結構性能，對此筆者提出了基于可靠度的全壽命設計框架，通過將橋梁結構使用至某一時間段的可靠度與規范要求的目標可靠度進行比較，可直觀反映設計方案與養護維護方案的合理性(圖6)。

圖5 橋梁全壽命設計框架

圖6 基于可靠度的全壽命設計框架

總體而言，我國橋梁全壽命研究發展的特點是：

(1)在科學發展觀思想的指導下首次對橋梁全壽命進行系統性研究。

(2)系統性研究中投入了大量科研人員和資金，取得了豐碩的成果，不僅完善了橋梁全壽命的基礎理論體系，對其在實際工程中的應用也做了嘗試。

(3)雖然理論基礎已經建立，但受限于我國橋梁建設建管養分離的體系，并沒有繼續開展后續深入研究。

近年來國內外有不少學者開始將時變可靠度的方法引入全壽命設計，嘗試參考承載能力極限狀態的方法來進行全壽命設計。歐美等發達國家由于已經進入“管養為主階段”，其研究主要集中在維護管理策略領域。隨著我國橋梁逐漸步入“建養并重階段”，養修壓力日益加大，全壽命設計將為這一嚴峻挑戰提供解決方法。

5 對我國橋梁全壽命設計研究和實踐的建議

隨著我國經濟社會的快速發展，橋梁建設數量和保有量的日益增長，不僅要求橋梁在建設初期具有良好的使用性能，對其滿足長期使用以及使用中方便維護維修等可持續發展方面也提出了更高要求。我國橋梁數量增長從20世紀80年代的改革開放初期開始步入快車道，這就意味我國將很快迎來短期內諸多橋梁需要維護更換的狀況，這將對交通網絡帶來嚴峻考驗。需要對維護更換問題進行科學部署和規劃，本文僅就我國開展橋梁全壽命設計提出幾點建議：

(1)將全壽命周期成本納入到建設方案中進行比選。需要后期成本低的方案，在建設初期的投資成本往往是較高的。而當前工程建設體系中，特別是在招投標環節沒有將可持續發展的理念納入到建設方案評估中，這使得各投標單位只注重減少初始成本以期在競爭中占據優勢，而不考慮后期使用和維護問題。應當在方案選擇的招投標環節將可持續性作為考核項目，鼓勵投標單位在建設初期就考慮整個壽命周期的長期使用問題。

(2)加強建管養部門之間的統籌規劃。我國建管養分離的體系使得同一座橋在使用的不同時期會有不同的管理單位，不同單位僅考慮橋梁在自己管轄期間的使用性能成為橋梁運營過程中的普遍現象。橋梁的使用期往往很長，全壽命設計中需要統一規劃，讓其在運營管理各個階段中有統籌和銜接。

(3)將基于可靠度的極限狀態設計法納入到全壽命設計中。基于可靠度的極限狀態方法已經廣泛的應用于各國的設計規范的制定，全壽命設計方法可以借鑒基于可靠度的承載能力極限狀態或正常使用極限狀態設計方法，以目標可靠度指標的簡明形式比較不同全壽命設計方案的可靠性，方便其在工程實踐中的應用。