基于全壽命的橋梁設計過程及其在混凝土連續橋梁中的應用

李志明

(杭州通拓交通工程設計有限公司，浙江 杭州　311411)

?

基于全壽命的橋梁設計過程及其在混凝土連續橋梁中的應用

李志明

(杭州通拓交通工程設計有限公司，浙江 杭州311411)

摘要：目前各國橋梁使用中普遍發現使用壽命短、經濟性能差等問題，橋梁使用已經存在巨大的安全隱患，同時后期運營維護成本也較高。不同于傳統橋梁設計只關注施工階段需要，基于全壽命周期，對橋梁整個規劃、設計、施工和運營管理階段進行全壽命設計，并探究全壽命設計在混凝土連續橋梁中的實際應用。

關鍵詞：全壽命橋梁設計；橋梁性能設計；檢測維護設計；混凝土連續橋梁

1全壽命橋梁設計過程

1.1橋梁設計主要階段

傳統橋梁設計主要包括初步設計和施工圖設計，而基于全壽命思想的橋梁設計，從初始投資規劃時就進入了設計，所以全壽命橋梁設計包括可行性研究、初步設計、施工圖設計三部分。可行性研究既包括對工程建設的技術、經濟和施工層面的考慮，還包括對項目建設的使用壽命、環境影響、后期運營維護等多面的評估。

1.2橋梁設計主要過程

基于全壽命橋梁設計需要引入時間變量，在全壽命期內分析結構設計方案，確保方案滿足橋梁性能要求及全壽命內任意時間的性能要求。為了實現全壽命的設計要求，需要進行全面的設計規劃使其滿足美學設計和性能設計要求，另外還要在設計時考慮橋梁對環境造成的影響以及橋梁竣工后的監護維修方案。綜上概括，基于全壽命橋梁設計需要綜合考慮壽命設計、性能設計、環境生態設計、美觀設計、監護維修設計、成本分析等多個設計過程。

2橋梁使用壽命設計

2.1橋梁使用壽命因素

決定橋梁使用壽命的因素包括內部因素和外部因素，前者包括結構型式、體系、設計方法、構造措施等，后者包括物理、化學、生物等其他因素。

2.2橋梁構件分類

橋梁使用壽命必須明確具體是橋梁哪些部分的壽命，可以對橋梁結構進行體系分析，從橋梁的部件、材料到橋梁的模塊、技術體系等進行全壽命設計。

橋梁的構件分主梁、橋臺和橋墩等多結構，各個部件構件的功能、材料特性都不同，因此其使用環境、使用退化、維護管理上都有所區別，因此結構構件的性能壽命預測需要細分研究。從橋梁全壽命期內的養護、維修等考慮，可將橋梁構件分類成永久構件I類(橋墩和橋臺的基礎)、需要一般維護構件Ⅱ類(橋墩、橋臺)、需要少量維修Ⅲ類(主梁、欄桿)和易損構件Ⅳ類(支座、泄水孔、橋面鋪裝等)。

2.3橋梁構件設計方法

(1)基礎：橋臺橋墩的基礎主要按I類構件進行設計，保證構件設計壽命大于橋梁設計壽命，滿足安全性要求外，要選擇恰當的材料、采取合理措施進行耐久性設計，施工中還要加強質量控制。

(2)橋臺橋墩：橋臺橋墩主要按Ⅱ類構件進行設計，保證設計壽命大于等于橋梁設計壽命，使用中進行日常的維護，無需大修和更換。

(3)上部結構：上部結構主要依照Ⅲ類構件進行設計，保證設計壽命小于橋梁設計壽命。

(4)附屬結構：附屬結構主要按Ⅲ類或Ⅳ類構件進行設計，確保設計壽命小于橋梁設計壽命。

2.4橋梁性能設計

全壽命橋梁設計最重要的設計環節是性能設計。橋梁使用性能設計就是考慮橋梁在建成后的使用過程中可能出現的變化，在設計之初就對這些可能出現的變化采取某些措施從而避免這些變化出現；橋梁安全性能設計就是在設計時要充分考慮橋梁在各種荷載作用下的力學指標，通過計算得出如強度、剛度和穩定性等等；橋梁耐久性能設計是指設計階段就考慮進行耐久性設計以滿足橋梁及其構件在其設計使用壽命內的耐久性，提高橋梁結構對氣候作用、化學侵蝕、物理作用或任何其他破壞過程的抵抗能力。

3全壽命設計理論在混凝土梁橋中的應用

3.1橋梁使用壽命設計

根據全壽命橋梁使用壽命設計策略，橋墩和橋臺基礎按I類設計，其壽命為120年大于橋梁設計壽命，設計時滿足安全性要求并進行耐久性設計，施工中進行質量控制，使用中進行日常維護。橋墩橋臺按Ⅱ類設計其壽命為100年，不需要進行大修更換，設計時滿足安全性要求并進行耐久性設計，施工中進行質量控制，使用中進行日常維護。主梁則按Ⅲ類設計其壽命為50～100年，使用壽命內至多更換一次，設計時滿足安全性要求并進行耐久性設計，施工中進行質量控制，使用中進行檢測養護并通過更換實現設計壽命。附屬結構按Ⅲ類或Ⅳ類設計，其中支座設計使用壽命為25年,在橋梁的設計使用壽命100年內需要更換3次；伸縮縫設計使用壽命為10年,需要更換9次；橋面鋪裝設計使用壽命為10年,需要更換9次,防水層設計使用壽命也為10年,因而可以在更換橋面鋪裝時同時更換；排水設施和裝置如泄水孔、排水管等的設計使用壽命為50年,需要更換1次；護欄設計使用壽命為50年,需要更換1次；照明裝置等設計使用壽命為50年,需要更換1次。

3.2橋梁安全性能設計

根據橋梁安全性能的設計要求，對橋梁結構采用數學與力學相結合的方法進行設計，充分考慮橋梁結構在完好、損傷等各種狀態下的剛度、強度和穩定性，從而確定橋梁的結構尺寸、混凝土強度、配筋量和位置等。

3.3橋梁耐久性能設計

(1)基礎的耐久性設計。基礎一般位于水下或土壤中,除非水或土壤中含有侵蝕性化學物質,一般不會因為外界環境的影響而發生腐蝕。

(2)墩臺的耐久性設計。橋梁下部結構的墩臺會受到碳化和氯離子侵蝕的作用。因此,墩臺退化問題主要以混凝土的碳化和鋼筋的腐蝕為主。

(3)主梁的耐久性設計。在結構設計前，需要對結構進行退化分析。主梁退化主要方式有混凝土碳化、鋼筋銹蝕和凍融破壞，通過退化分析得出退化參數，再結合橋梁使用壽命和耐久性的要求，對設計方案進行論證是否滿足要求，從而對混凝土配合比、厚度、鋼筋數量、位置和尺寸等參數進行修改，使主梁設計滿足耐久性設計要求。

參考文獻：

[1]牛荻濤. 混凝土結構耐久性與壽命預測[M].科學出版社,2003.

[2]邵旭東,彭建新,晏班夫. 橋梁全壽命設計方法框架性研究[J].中外公路,2006，(1):45-50.

[3]陳艾榮,馬軍海. 橋梁全壽命設計方法及關鍵科學問題[A].2005年全國公路科技青年論壇論文集[C]. 北京:人民交通出版社,2005：168-184.

收稿日期：2016-02-11

作者簡介：李志明(1980-)，男，浙江杭州人，工程師，研究方向：交通土建工程。

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)05-0109-02