基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)主要過程探究

陳 俊 孫 明

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)主要過程探究

陳 俊 孫 明

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

我國的經(jīng)濟(jì)增長速度日益加快，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)規(guī)模也逐漸變大。在這種形式下，我國的橋梁建設(shè)事業(yè)蒸蒸日上，橋梁建設(shè)的技術(shù)也不斷提高，因此我國正向橋梁大國邁進(jìn)。但是，目前我國的橋梁建設(shè)存在問題，比如壽命比較短。壽命問題的出現(xiàn)和設(shè)計(jì)有直接的關(guān)系，本文就基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討。

全壽命；橋梁設(shè)計(jì)；探究

一、概述

自從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，我國的橋梁建設(shè)事業(yè)如火如荼的進(jìn)行，并且一步步進(jìn)入頂峰時(shí)期。橋梁在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮的作用越來越大，可以說是交通動(dòng)脈的生命線。隨著大量的橋梁結(jié)構(gòu)物投入運(yùn)營，暴露的問題越來越多，這些問題主要集中在運(yùn)營、施工以及設(shè)計(jì)等方面，讓我們不得不進(jìn)行深刻的反思。目前，橋梁設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)的問題主要包括以下幾個(gè)方面：（1）規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段。在這個(gè)階段，設(shè)計(jì)人員并沒有考慮到橋梁在建成之后的維修成本、養(yǎng)護(hù)以及運(yùn)營問題。（2）對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)重視度不夠。（3）設(shè)計(jì)方面。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注更多的是安全問題，而忽視了耐久性問題。以上問題均會(huì)導(dǎo)致橋梁全壽命的縮短，筆者在下文中會(huì)對(duì)基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討。

二、橋梁的全壽命設(shè)計(jì)原則

1 橋梁設(shè)計(jì)方法和理念演變概覽

容許應(yīng)力法。此方法屬于一種傳統(tǒng)的方法，是由納維葉于上個(gè)世紀(jì)20年代提出的在，之后被各國使用。容許應(yīng)力法是建立在彈性力學(xué)理論的基礎(chǔ)上的，其把材料看做理想彈性體，容許應(yīng)力是由材料的屈服強(qiáng)度除以安全系數(shù)進(jìn)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(lián)人羅列伊特提出的。破壞階段法的考察對(duì)象是截面內(nèi)力，此外對(duì)極限強(qiáng)度以及塑性性質(zhì)也進(jìn)行了充分的考慮。缺點(diǎn)是可靠性達(dá)不到預(yù)期的程度，安全系數(shù)單一。

極限狀態(tài)法。極限狀態(tài)法也是由蘇聯(lián)學(xué)者提出的，其是把結(jié)構(gòu)放在可能的極限狀態(tài)下實(shí)施分析，此外還引進(jìn)了可靠性理論和概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)。此外，引入了荷載和材料等不確定性，把單一的安全系數(shù)轉(zhuǎn)化為3個(gè)系數(shù)。

基于可靠度的概率極限狀態(tài)法。過去容許應(yīng)力法采用了單一的安全系數(shù)來確定結(jié)構(gòu)的可靠程度。而基于可靠度的概率極限狀態(tài)法采用了多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)，把結(jié)構(gòu)計(jì)算劃分得更細(xì)更合理，分別不同情況，給出了不同的分項(xiàng)系數(shù)。這些分項(xiàng)系數(shù)是由統(tǒng)計(jì)概率方法進(jìn)行確定的，所以具有實(shí)際意義。來自于工程實(shí)踐，諸多的分項(xiàng)系數(shù)從不同方面對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行修訂后，使其材料得以充分發(fā)揮和結(jié)構(gòu)更加安全可靠。這些系數(shù)都是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率（也即可靠度）。

設(shè)計(jì)方法和理念的轉(zhuǎn)變思路：基于全壽命思想的設(shè)計(jì)。在橋梁設(shè)計(jì)中引入可持續(xù)發(fā)展思想，讓設(shè)計(jì)不光要對(duì)當(dāng)前的發(fā)展需要進(jìn)行思考，更要對(duì)將來可能的需要進(jìn)行預(yù)測。也就是設(shè)計(jì)不光要關(guān)注成橋性能，更要對(duì)全部壽命期內(nèi)性能重視。

2 橋梁設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)關(guān)注的是橋梁的建設(shè)階段，屬于基于“現(xiàn)狀”的設(shè)計(jì)，也就是關(guān)注核心是降低建設(shè)階段的成本的設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)重心是在橋梁建設(shè)期的強(qiáng)度和安全，而對(duì)可更換性、可養(yǎng)護(hù)性以及結(jié)構(gòu)的耐久性重視度不夠。此外，造價(jià)的評(píng)估忽視了養(yǎng)護(hù)維修、構(gòu)件更換以及運(yùn)營階段的管理。

橋梁全壽命設(shè)計(jì)理念是指從人文、生態(tài)、環(huán)境、功能和經(jīng)濟(jì)效益等需求出發(fā)，綜合考慮橋梁規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營直到報(bào)廢等各個(gè)環(huán)節(jié)，尋求各種可行恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧且詽M足橋梁在規(guī)定的全壽命周期內(nèi)總體性能最優(yōu)目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念和方法。橋梁全壽命設(shè)計(jì)包括使用壽命設(shè)計(jì)、使用性能設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)和檢測、維修設(shè)計(jì)等模塊。

表1 橋梁壽命影響因素

表2 根據(jù)維修程度區(qū)分的橋梁構(gòu)件

表3 使用性能設(shè)計(jì)

表4 耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容

三、使用壽命設(shè)計(jì)

使用壽命設(shè)計(jì)。橋梁的使用壽命和橋梁的內(nèi)在因素以及外部環(huán)境有著很大的關(guān)系，見表1。

對(duì)使用用途和環(huán)境因素進(jìn)行分析。在對(duì)使用壽命進(jìn)行確定時(shí)，需要對(duì)社會(huì)、業(yè)主以及用戶的使用壽命需要進(jìn)行考慮，也不能忽視橋梁影響區(qū)內(nèi)環(huán)境影響。確定設(shè)計(jì)使用壽命，需要對(duì)橋梁的用途（鐵路、公路）以及所處的環(huán)境（氣候以及荷載）進(jìn)行考慮。

環(huán)境作用分為兩種，分別是：（1）持續(xù)時(shí)間短的偶然作用，比如:船撞、地震。（2）持續(xù)時(shí)間長的，比如：凍融作用以及疲勞風(fēng)等。其中，前者具有不可預(yù)見性，因此全壽命設(shè)計(jì)需要對(duì)持續(xù)性分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建有關(guān)的環(huán)境作用數(shù)據(jù)庫。

模塊化方法。橋梁的結(jié)構(gòu)類型是多種多樣的，具有不同的構(gòu)造體系，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)不同橋梁構(gòu)建實(shí)施分類。構(gòu)件分類狀況見表2。

對(duì)不同構(gòu)件賦予不同的目標(biāo)使用壽命，各構(gòu)件確定使用壽命的因素也會(huì)有差異，比如：技術(shù)、美觀以及功能。對(duì)各模塊的目標(biāo)使用壽命進(jìn)行改變，對(duì)壽命周期內(nèi)的更換、養(yǎng)護(hù)以及維修進(jìn)行分析和對(duì)比，最終最合理的壽命組合就會(huì)得到確定。可以說，使用壽命設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)選擇以及排序的過程。

四、使用性能設(shè)計(jì)

基于性能設(shè)計(jì)需要對(duì)以下性能進(jìn)行分析來對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行確定：耐久性、美觀、振動(dòng)、位移、成本等。從選擇的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)施設(shè)計(jì)，評(píng)估結(jié)構(gòu)性能，這樣就可以形成實(shí)際性能水平額設(shè)計(jì)理論。我們將性能優(yōu)化設(shè)計(jì)總稱為性能設(shè)計(jì)，主要包括：安全性能設(shè)計(jì)、使用性能設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性能設(shè)計(jì)、可持續(xù)性以及耐久性能等。

從全壽命思想出發(fā)，橋梁的使用功能不僅要滿足當(dāng)下的需求，更要滿足未來發(fā)展要求。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)未來有所考慮。對(duì)以后的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。（1）使用功能、安全以及健康設(shè)計(jì)。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(guī)劃、使用者的需求以及業(yè)主的需求出發(fā)，對(duì)橋梁的通途進(jìn)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(lián)系，很大程度上決定了出行安全和暢通。因此，一定要對(duì)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(jī)具和施工方法都要科學(xué)，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(shè)計(jì)狀況見表3。

安全性能設(shè)計(jì)。安全是橋梁的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，最近幾年橋梁事故頻發(fā)，因此橋梁安全問題引發(fā)人們的關(guān)注。作為設(shè)計(jì)階段的安全性能設(shè)計(jì)，需要考慮橋梁在各種荷載作用下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下因素：穩(wěn)定、荷載的靜力、動(dòng)力、疲勞設(shè)計(jì)等。

耐久性設(shè)計(jì)。耐久性設(shè)計(jì)需要遵守以下幾個(gè)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(xù)性原則、結(jié)構(gòu)體系防水的原則等。耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容見表4。

五、風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)階段，要對(duì)橋梁遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行考慮，比如：汽車撞擊、船舶撞擊、恐怖襲擊、地震、大風(fēng)以及火災(zāi)等。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的性質(zhì)以及后果進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)階段將這些問題考慮在內(nèi)，這樣就能降低對(duì)橋梁的危害。我國在風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)還處于起步階段，因此可以參考一些發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)規(guī)范，比如：美國的公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范、公路橋梁防撞設(shè)計(jì)指南和公路橋梁船撞設(shè)計(jì)指南等。

六、檢測、維修設(shè)計(jì)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路交通流量出現(xiàn)了持續(xù)迅速的增長，加之貨物車輛的超載運(yùn)行，導(dǎo)致橋梁使用性能衰退、結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)人員要加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)多致因損傷機(jī)理、結(jié)構(gòu)性能衰退規(guī)律、耐久性評(píng)價(jià)及承載力評(píng)定等方面的基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究。建議并運(yùn)用科學(xué)、先進(jìn)、規(guī)范、專業(yè)的橋梁承載能及計(jì)算分析與實(shí)驗(yàn)方法、損傷結(jié)構(gòu)評(píng)定方法、耐久性檢測與診斷技術(shù)等，提高橋梁結(jié)構(gòu)安全可靠性與長期壽命。

同時(shí)設(shè)計(jì)人員還要加強(qiáng)對(duì)特殊加固方法的設(shè)計(jì)計(jì)算理論、新型加固材料性能及施工技術(shù)方法的研究，做到加固設(shè)計(jì)精細(xì)化、科學(xué)化、專業(yè)化，進(jìn)而延長橋梁的使用壽命。

結(jié)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(fā)，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的威脅。橋梁事故的頻發(fā)和不完善的設(shè)計(jì)有直接的關(guān)系，因此要對(duì)設(shè)計(jì)引起足夠的重視，尤其是基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)。本文從使用壽命設(shè)計(jì)、使用性能設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)等方面出發(fā)，對(duì)基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析和探討，希望對(duì)提高橋梁壽命以及安全性，促進(jìn)我國由橋梁大國向橋梁強(qiáng)國轉(zhuǎn)變有一定的參考意義。

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.07.030