全壽命周期理念下的橋梁設計探討

劉立國

（包頭市公路規劃勘測設計院，內蒙古 包頭014040）

1 全壽命周期理念下的橋梁設計概念

現代橋梁是生命線工程，其結構的合理性、安全性以及耐久性才是橋梁設計的重中之重。傳統的橋梁設計理念往往考慮橋梁結構強度問題，而忽略了結構耐久性，這種重視橋梁結構強度而忽略耐久性的設計理念，其后果往往是橋梁在正常使用期限內適用性較差，存在橋面鋪裝開裂、變形量較大、鋼結構腐蝕以及構件疲勞極限等問題，可以預測的是，在不久會這些橋梁將會出現大量搶修、加固以及改建等問題。

橋梁的壽命期分為規劃：初步設計、分析、施工圖設計、施工、使用、拆除或倒塌這七個階段。 基于全壽命周期的橋梁設計不同于傳統的橋梁設計，它放眼于橋梁的規劃、設計、施工、使用期管理、拆除與回收的全部方面。

全壽命周期設計理念就是對橋梁可能遇到的災害進行分析，分析對象包括橋梁的靜、動荷載作用下的易損件。 設計師從“全壽命周期”進行出發，對橋梁結構中的重要部件進行分析，比如傳力構件、更換構件、加固構件、控制構件等，以確定這些構件的可修性、可檢性、可換性以及可持續性，確定之后對這些因素進行考慮，并且把握整體方案，抓住主題結構，對局部構造進行細化，并且以100 年的設計基準期進行橋梁結構設計要求，真正的從簡單的結構強化轉變成橋梁全壽命周期設計理念。

2 全壽命周期理念下的橋梁設計探討

橋梁全壽命設計應該考慮的時間跨度是橋梁的整個生命周期，其中包括：規劃、設計、施工、使用、養護、拆除（倒塌）。建設者應當尋求合適的方法和措施，以滿足橋梁全壽命周期內安全、適用、耐久、經濟、美觀、可持續等性能的最優。橋梁的設計理論變化：傳統的僅憑著經驗進行橋梁設計；而后考慮橋梁耐久性進行設計；到現在基于全壽命思想的橋梁設計。 這體現了橋梁設計理念的重大轉變。 橋梁的設計方法也從原來的容許應力法、破壞階段法、極限狀態法發展為基于可靠度的概率極限狀態法。

基于全壽命的橋梁設計過程全壽命周期的橋梁設計一般分為三個階段，即：工程可行性研究、初步設計、施工圖設計。其中的工程可行性研究主要是對項目建設的技術可行性、必要性、實施可行性等方面的綜合性研究。 全壽命橋梁設計是對這三個階段的使用壽命設計、環境生態設計、美學設計、性能設計、檢測、養護與維修設計及成本分析這六大過程的設計。

2.1 總體設計

總體設計是橋梁設計活動的第一項工作，是橋梁設計工作的決策過程。 橋梁工程師在進行橋梁設計時，首先應當根據業主的需求和建設項目的目的，進行總體概念設計構思，整體把握事物的相互聯系，對橋梁建設條件、設計準則、使用壽命年限、投融資估算、投資效益等做出原則性的設計界定。 在這個階段，橋梁設計的中心內容是既要把握全壽命設計不同于現行設計的特點，又要弄清全壽命設計的一般規律性，提出橋梁建設的設計理論框架和一般性原則。

2.2 結構性能設計

橋梁結構性能設計是依據總體概念設計原則， 考慮景觀環境設計，需求，依據橋梁給定的使用年限所進行的一切結構性能設計。基于全壽命設計理論的橋梁結構性能設計，在依據總體設計原則，結合景觀環境設計思路，合理確定橋梁使用壽命的前提下，將時間參數引入到結構細部設計，確保結構的耐久性和性能滿足相應的目標值。 全壽命的橋梁結構性能設計是將業主需求轉化為橋梁的技術性能說明，通過重大技術研究、擬定結構構造尺寸、結構受力分析、構造設計及細部設計，以形成各選方案，確保設計意圖和目標能夠在建設過程中，以及橋梁使用壽命周期內得以實現。

2.3 全壽命成本分析設計

橋梁全壽命周期成本分析就是針對目前在役橋梁性能日益退化加重，壽命周期維護成本過高而提出的一種全新的理念。 基于全壽命設計理論的橋梁全壽命成本分析，就是橋梁設計在對可靠性、維修性等設計內容做出規定的同時，將壽命周期費用也作為一項重要設計要素來加以考慮，通過綜合考慮有關設計、性能和費用等信息的反饋信息，以獲得性能和費用的平衡，提高壽命周期費用的經濟性。在設計過程中研究和分析橋梁全壽命周期內的各種行為，考慮整個壽命周期內的影響因素，除了要求設計合理、施工得當、養護管理及時以外，還應從根本上進行成本效益分析。

2.4 橋梁美學設計

橋梁的美學設計在造型上要根據所處環境確定橋梁的構型，并在橋梁主體和細節搭配上要做到層次分明，有主有次，突出重點，結合橋梁的結構性能進行變化性拓展。橋梁的外觀既要滿足橋梁的基本使用功能，確保橋梁的經濟與安全，也承擔了一個城市的人文景觀和精神風貌。 橋梁的外觀設計是一個綜合性的設計問題，要通過合理的造型及景觀設計實現橋梁結構和城市風貌的融合。 一個好的橋梁景觀設計，不僅是橋梁本身地塊的景觀、色彩及照明設計，同時也要融合與整個城市的園林規劃及城市布局管理，實現橋梁景色與整個城市風景的融合。

2.5 養護管理設計

基于全壽命設計理論的橋梁養護設計，就是橋梁工程師在設計過程中不僅要考慮橋梁的建設期，也要考慮橋梁的使用和養護期。 為確保橋梁使用壽命長久，橋梁工程師在先期的橋梁設計過程中，應當綜合考慮結構設施的性能優劣、資源的有效利用、災難發生后的應急處理、養護成本的大小、運營的安全與環境保證。通過區分構件的不同類型和各種方案的不同效果，對橋梁養護時機、養護措施和養護策略進行設計，并提出正常養護維修要求。

2.6 環境及可持續發展設計

環境對于全壽命設計理論的橋梁設計有著非常重要的影響，要通過對環境的調查與分析以及對周圍和橋梁本身的環境進行評估和改善， 將其環境和經濟能源設計都考慮在橋梁的經濟建設成本當中，并且通過環境友好型及資源節約型兩種狀態加強對橋梁生態環境這個系統工程的設計，使得全壽命橋梁設計既滿足與經濟成本節約，又能達到環境和建筑的可持續性發展。

以上的各項設計共同組成了基于全壽命的橋梁設計，并在彼此之間存在巨大的相互影響。使用壽命的設計直接決定了使用性能的設計目標和監測、養護和維修設計的需要；而性能設計的任務是結合安全、耐久、使用性能等各項指標來進行各種結構設計方案的創建，以確保橋梁結構能夠在設計使用的壽命周期內正常、安全地使用。

3 結語

橋梁全壽命設計方法代表橋梁設計方法發展趨勢，從橋梁整個生命周期的時間出發，尋求恰當的方法和措施以使其全壽命性能達到最優或優化，該理念代表了橋梁設計方法的發展趨勢。 對促進橋梁設計理論的進步，貫徹可持續發展的方針，提高橋梁的耐久性和使用性能，延長使用壽命，降低橋梁全壽命周期總成本，推動橋梁設計、施工及維護、管理水平的提高，都具有十分重要而深遠的意義。

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