混凝土橋梁全壽命的設計方法

梁巍，卓衛東

（1.福州大學 土木工程學院，福建 福州350108；

2.福建船政交通職業學院 道路工程系，福建 福州350007）

我國橋梁在數量上已超越美國，成為世界上橋梁數目最多的國家，橋梁建設的水平歩入了世界前列.但與此形成強烈反差的是，許多橋梁在建成后幾年內就出現了鋼筋銹蝕、混凝土開裂等現象.一些橋梁使用僅十多年就需要進行大修和加固，遠遠小于其預期壽命，同樣的情況也曾經出現在歐美發達國家.嚴峻的現實使得國內外學者開始反思傳統橋梁設計方法中只注重成橋狀態，而忽視使用階段；只注重強度設計，而忽視耐久性問題；只注重初始投資，而忽視后期巨大維護費用的弊端.由此提出了橋梁全壽命設計的理論與方法.鑒于此，本文在理清橋梁全壽命設計的基本思路和分析流程的基礎上，分析其中各個關鍵環節現有的研究成果和存在的不足，提出相應可能的解決方法.

1 橋梁全壽命設計的分析流程

國內針對橋梁結構全壽命設計較具代表性的觀點有以下兩種.

1）邵旭東等［1］基于壽命周期成本，以橋梁構件性能預測模型為基礎，利用優化設計，建立橋梁全壽命設計方法基本框架及分析流程.但其中沒有明確橋梁的設計使用壽命，計算準確性取決于性能預測模型的精度，并且更側重對方案本身的優化.分析過程復雜，計算求解工作量大，不易于對不同橋型方案進行比選，而更適于特殊惡劣環境條件下的橋梁結構設計以及橋梁長壽命周期的設計.

2）陳艾榮等［2］通過給定橋梁的整體使用壽命，對構件進行分級，提出全壽命設計方法、基本框架及分析流程.從橋梁設計的3個階段和6個過程來理解全壽命設計的含義，側重于從宏觀概念、結構體系、構造措施來保證橋梁的性能.采用綜合評價指數的方式，其計算準確性較為依賴設計者的經驗，更適合于方案比選以及常規橋梁設計.

圖1 橋梁全壽命設計分析流程Fig.1 Analysis process of design method of bridge life cycle

綜合以上兩種理論以及其他學者的相關成果，并結合橋梁的具體設計過程，可以得出橋梁全壽命設計的分析流程，如圖1所示.

應當明確的是，橋梁全壽命設計方法并不排斥依據現有規范進行的常規設計，而是針對其不足之處予以完善.對于常規設計而言，當前各國的設計規范大多形成了以承載能力極限狀態和正常使用極限狀態來控制結構性能的基本理論.

2 橋梁設計使用壽命

2.1 現有的規范

由于對橋梁長期性能退化規律缺乏認識，以往的設計并不注重其設計使用壽命.目前，我國橋梁設計規范中關于橋梁的設計使用壽命尚無明確的規定，僅在GB／T 50476-2008《混凝土結構耐久性設計規范》中規定了“城市快速路和主干道上的橋梁以及其他道路上的大型橋梁、隧道、重要的市政設施等設計使用年限不低于100年，城市次干道和一般道路上的中小型橋梁，一般市政設施不低于50年”.這一規定過于籠統，沒有針對橋梁所處的自然環境條件和具體的功能要求進行細分，因而無法滿足全壽命設計的要求.

2.2 使用壽命的分類

Somerville［3］從使用壽命終結準則出發，將使用壽命劃分成3類：1）技術性使用壽命；2）功能性使用壽命；3）經濟性使用壽命.對橋梁的功能性使用壽命進行預測比較困難，因為通常會涉及到社會的發展和地區的規劃.金小川等［4］從橋梁經濟、社會變遷速度、車輛通行量、建筑材料等各方面論證了橋梁應縮短設計使用年限，但沒有給出具體可行的操作方式.對技術性使用壽命一般可以通過分析橋梁所處環境來預測和定義其性能退化模型［5-6］，而對經濟性使用壽命必須在技術性使用壽命的基礎上，結合成本-效益分析方法進行確定的相關研究較為少見.

2.3 簡化確定方法

橋梁設計使用壽命的確定應在充分考慮以上3種使用壽命的相互影響基礎上，根據重要程度、結構及材料本身的性能、周邊的環境狀況、現有的技術水平等因素，并綜合考慮現有同類型橋梁整體及構件使用壽命規律的統計分析進行確定.陳艾榮等［7］分析了多個國家橋梁實際使用壽命的統計數據，將橋梁構件按其使用壽命特征劃分成4類，給出了常規橋梁整體和構件的基礎使用壽命建議值，在此基礎上提出了考慮修正因素的橋梁典型構件使用壽命為

式（1）中：LS為橋梁結構或構件使用壽命建議值；LS0為基礎設計使用壽命建議值；C1為氣候影響系數；C2為橋位小環境系數；C3為養護系數.這一公式大大簡化了橋梁設計使用壽命的設計過程，但對于所處環境復雜、性能退化嚴重的橋梁，仍需進行特殊設計.并且由于統計數據的時限性和技術進步的可能性，其基礎使用壽命建議值應及時更新.

3 橋梁耐久性設計

隨著對橋梁性能退化規律認識的不斷深入，人們已逐漸開始意識到進行專門的耐久性設計的必要性.李毓龍等［7-8］分析了國內外有關混凝土橋梁的相關規范，認為各國規范都基本認同需根據特定環境來進行混凝土橋梁的耐久性設計，但在使用壽命、環境作用劃分思路及細致程度分類、材料要求、防腐措施等方面的規定有較大的差別，且現有規范仍以原則規定和定性要求居多，定量計算和理論模型偏少.因此，應考慮從耐久性設計基本方法入手，解決混凝土耐久性的問題.

現有對混凝土結構耐久性設計方法的研究主要基于隨機動態可靠度［9-10］，該方法將結構耐久性失效的功能函數表示為

利用結構性能退化模型直接計算不同時刻t的抗力效應R（t）與荷載效應S（t），用蒙特卡羅法求解對應時刻功能函數Z（t）的可靠度.這種方法形式簡單、意義明確，且與我國現行橋梁設計規范中所采用的極限狀態法保持一致，易為技術人員所接受與掌握，也是當今耐久性設計方法發展的趨勢，但該方法的實現還有待于完善結構性能退化模型和耐久性評價體系兩個方面的研究.

3.1 結構性能退化模型

我國當前橋梁建設以混凝土橋梁為主，現階段混凝土橋梁性能退化研究取得的成果主要可分為材料和構件兩個層次.材料層次的研究主要是考慮環境作用引起的混凝土性能退化，集中于混凝土碳化、氯離子侵蝕、凍融、鋼筋銹蝕等幾個方面［11-13］；構件層次的研究主要是應用材料層次研究的結果，分析構件在荷載作用和環境的共同影響下結構抗力的時變性，包括由于截面面積損失、鋼筋銹蝕、鋼筋與混凝土黏結性能降低等因素而導致的構件受力性能變化［14-17］.

總的來說，材料層次的研究目前已經取得了較為豐富的結果，但仍然以單一環境作用下的為主，多機理共同作用下的混凝土劣化性能，相關研究仍不成熟，缺乏可供實際分析的定量模型［18-20］.構件層次的研究主要集中于鋼筋混凝土構件，對于橋梁結構中常用的預應力混凝土構件的相關報道較少，而且現有的研究大多限于其中的某一階段，還需建立起“外部環境作用分析-混凝土性能退化／鋼筋銹蝕-混凝土發生開裂-鋼筋銹蝕急劇發展-混凝土裂縫寬度變大-構件承載能力降低”全過程分析的概念.

3.2 耐久性評價體系

耐久性評價體系的建立包含兩個層次，一是耐久性評價指標的問題；二是耐久性評估方法的問題.

3.2.1 耐久性評價指標 采用哪些指標來衡量結構的耐久性，目前尚無統一的標準.我國現有規范僅僅是將使用環境進行粗略的分級后，以混凝土保護層厚度、水灰比、水泥用量、含氣量和水泥種類等幾個指標來作為評定的依據.但實際上，這些指標并不能完全表征結構耐久性的狀況，也無法反映耐久性能的動態變化特征，并且不同的學者在研究過程往往也是從各自需要的角度出發，采用不同的指標如鋼筋銹蝕量、裂縫寬度、使用壽命等來表示結構的耐久性能［13，18，21］.

評價指標體系的缺失使得人們缺乏統一的標準來衡量結構的耐久性能，一些學者就這一問題從不同的角度進行了探討.王玉倩等［22］通過對國內外混凝土橋梁耐久性規范的調研，對耐久性指標進行了分類，提出了涵蓋環境、材料、構件和結構4個層次，考慮設計、施工和檢測3個階段的混凝土橋梁耐久性指標體系，但沒有給出各指標的限值.鐘小平等［23］采用基于性能的設計理論，將結構的耐久性按其重要性劃分3個等級，并建議以目標可靠性指標、有害介質擴散深度、鋼筋銹蝕率及銹脹裂縫寬度來作為耐久性能的控制指標，僅給出了可靠性指標的建議取值，對其他幾種指標沒有深入研究.高宇等［24］以適修性或耐久性能轉折點為界，提出了耐久性評價指標，綜合考慮了各項耐久性影響因素，并結合檢測數據與經驗，建立了梁橋與拱橋在碳化、凍融、氯離子侵蝕3種環境下的耐久性指標體系.

3.2.2 耐久性評估方法 目前，相關研究多以單一某項耐久性指標達到或超過其限值來評估結構的耐久性極限狀態，但實際上這并不能完全真實地反映結構的耐久性能，如鋼筋混凝土梁發生性能退化時，其各項耐久性指標可能并沒有達到或超過其限值，由于材料截面面積削弱、強度指標降低等綜合因素影響，其承載能力小于外部荷載而發生失效.因此，除了單一指標限值外，還應該發展多指標綜合評定方法.高宇等［24］通過研究鋼筋銹蝕、混凝土開裂、剝落等耐久性指標與構件承載力之間的關系，提出了一種以承載力下降相對量值為指標的綜合指標評定法，為該問題提供了一種解決方法.

4 優化與維護設計

當橋梁壽命期內耐久性無法滿足要求時，可通過優化設計或維護設計提高其初始性能或改變其性能退化過程，以保證結構符合要求.

4.1 優化設計

當橋梁的耐久性能不足時，可考慮進行優化設計，即通過改變結構設計變量，以期用較小的初始建造成本來加強結構的耐久性，從而防止橋梁在后期出現過大的養護、維護甚至是加固的費用.禹智濤等［25］介紹了基于可靠度的橋梁結構優化的設計方法，討論了其優化模型，綜述了該研究方向的發展動態.彭建新［26］采用截面高度、保護層厚度、配筋率為設計變量，以滿足橋梁服務水平為前提，以總成本最低為原則，通過計算可靠度對預應力空心板梁的優化設計做了示例.

4.2 維護設計

全壽命設計有別于傳統橋梁設計的一個重要的方面，即把運營階段的維護養護納入整個設計體系中.橋梁維護設計的一般過程為：選取作為判斷橋梁性能依據的評價指標，選定適當的橋梁性能劣化模型，選擇維護方式，判斷維護發生的時間，進行維護組合優化.

4.2.1 評價指標與劣化模型 由于對結構性能退化的理論研究尚不十分成熟，因此，目前并沒有直接采用耐久性設計中所建立的橋梁性能退化模型進行維護設計，更多的是依靠大量的統計數據，對所處環境相似的橋梁建立基于可靠指標和狀態指標的劣化模型，進行耐久性設計.Frangopol等［27］利用效果疊加法，將結構在維護條件下的指標模型進行簡化和線性化處理，定義了含有8個隨機變量的隨機模型，并成為目前普遍采用的模式.曹明蘭［28］在此基礎上，結合我國工程實際，探討了兩段線性劣化模型的參數取值問題，并發展了多段線性劣化模型的指標計算公式.

但從長遠來看，維護設計與耐久性設計中所采用的評價指標與劣化模型應該相互統一，應當將目前對混凝土結構在材料、構件、結構方面取得的耐久性研究成果應用于維護設計，使得當前基于統計分析的劣化模型與耐久性設計建立的性能退化模型能夠相互驗證，提高預測模型的精度.

4.2.2 維護方式的選擇及組合 橋梁維護設計研究過程中的關鍵問題是選定具體的維護方式，以及確定各種維護活動發生的時間.一種方法可采用我國現行《公路橋涵養護規范》中的相關規定，根據橋梁總體或構件的檢查評定結果將其技術狀況等級分為5類：1類橋梁采用正常保養；2類橋梁采用小修；3類橋梁進行中修；4類橋梁進行大修或改造；5類橋梁進行改建或重建，但該方法側重從橋梁的外觀判斷其破壞狀態，無法充分反映結構的性能退化規律.另一種即以結構可靠度達到其對應的臨界狀態為準，也代表著今后研究的方向，但目前的成果主要是橋梁構件層次［28-31］，而對于橋梁總體層次（即基于系統可靠度）的研究較為少見.

維護過程中通常采用多種方式維持或改善橋梁使用過程中的性能，因此可能產生多種組合形式，應當對其進行折優選擇，即優化組合方式.優化的基本目標一般可采用以下4項：橋梁使用壽命、可靠度指標、狀況指標和維修成本，據此又可分為單目標優化和多目標優化.多目標優化［32］是今后發展的趨勢，一般可以采用多目標加權法、ε約束法、目標規劃法、神經網絡方法、遺傳算法等計算.曹明蘭［28］詳細分析了單目標優化和多目標優化的常見類型，并采用目標規劃法建立了后者的分析模型.彭建新［26］以維護成本最小、可靠指標最大化和狀態指標最大化為目標，利用粒子群算法對預應力混凝土梁進行了多目標維護優化組合計算.

5 全壽命成本分析

5.1 周期成本的組成

橋梁壽命周期成本可定義為在橋梁規劃、設計、施工、運營、養護、維修、加固以及拆除時的過程中承擔者支付的一切費用，但其具體的組成隨承擔者的類型和目標不同而有所區別.王玉倩等［33］分析了基于國家立場和基于企業立場壽命周期成本構成的不同，但沒有進一步提出基于企業立場的成本組成計算公式，現有的研究主要仍然是基于國家立場.邵旭東等［1］由此將壽命周期成本劃分為管理單位成本、用戶成本和社會成本組成.其中管理單位成本包括初始造價、將來改造和維護成本、周期養護成本、日常管理成本、設計成本以及荷載試驗成本等；用戶成本包括汽車運行成本、交通耽擱成本和其他，社會成本包括事故成本、環境影響成本以及其他，國內外其他學者的分類方法基本與此類似.

5.2 各項成本的確定方式

初始造價可根據橋梁的《公路基本建設工程概算、預算編制辦法》進行計算，設計成本、荷載試驗成本、日常管理成本一般可視為初始造價的百分比；周期養護成本可結合《公路橋涵養護規范》以及各地區有關部門制定的《公路養護工程預算編制辦法》進行計算.改造和維護成本中橋梁主體構件必須根據橋梁維護設計中所確定的維護組合方式，以及維護發生的時間進行計算，附屬構件可通過陳艾榮等［4］提出的橋梁典型構件使用壽命計算公式，大致確定出橋梁壽命期改造和維護發生的時間和次數，使計算過程得到一定程度的簡化.用戶成本中汽車運行成本、交通耽擱成本與橋梁結構所處的路線、橋梁位置、交通狀況、橋梁結構的性能狀態以及環境等因素相關，比較復雜，現有的分析過程中大多是采用交通仿真軟件來確定.社會成本中的事故成本目前仍然沒有統一的考量方式，王玉倩等［33］將事故成本量化為人的剩余生命價值和賠償金，并根據我國現有的國家標準和統計數據，得出了兩者的計算方式，提供了一種較好的解決思路.社會成本中關于環境成本的計算方法亦少見報道，大多數研究是利用生命周期評價理論［34］，從資源耗竭、能源耗竭、人類健康受損和生態破壞等宏觀層面來考慮其環境影響，最終量化的指標中也沒有體現橋梁的經濟屬性.因此，在實踐中仍然無法廣泛運用.劉沐宇等［35］利用生命周期評價和生命周期成本分析理論.初步建立了橋梁環境影響成本分析模型，但其成本類型以及壽命階段的劃分方式和現有橋梁壽命周期成本理論并不相同，如何將兩者相互結合并統一有待進一步研究.

5.3 折現率的選擇

全壽命成本計算準確度受折現率的影響很大，通常的做法是采用社會折現率.但這對于永久性工程或者受益期超長的項目來說并不一定合適，造成壽命周期過程中越晚發生的成本越低，甚至趨近于零，因此，可能低估了發生在壽命周期使用階段的各項成本.目前，較好的一種方式是采用分段折現率的方式來減小誤差，如胡江碧等［36］分析了折現率與社會折現率和物價波動水平3者之間的關系，認為我國橋梁全壽命周期內，成本應符合分階段遞減的規律，并建議前60a取2%，后60a取3%.

6 研究展望

橋梁全壽命設計方法是橋梁工程設計方法的發展趨勢，其意義重大，長遠經濟效益明顯.目前的研究已經在各個環節取得了較為豐富的成果，然而真正實施并非易事，仍需要有大量的基礎工作和可靠的依據.

今后的研究應著重關注以下方面：1）加強橋梁在復雜環境下性能劣化模型的研究，建立多重機理影響下的性能退化定量公式；2）統一構件耐久性退化模型，或建立退化模型選擇的標準；3）折現率指標的進一步研究；4）橋梁營運期成本基本參數的統計收集和整理工作，建立并完善營運期基礎資料數據庫；5）進一步研究和評估維護措施對橋梁性能變化規律的影響.

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