基于全壽命周期的橋梁安全和耐久性設(shè)計(jì)研究

任 慧

(山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

1 全壽命周期設(shè)計(jì)

全壽命周期設(shè)計(jì)指的是從最初的規(guī)劃設(shè)計(jì)，到中期建設(shè)，再到后期運(yùn)營(yíng)及管理養(yǎng)護(hù)，在每個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中都尋求一種合適的方法使橋梁在整個(gè)壽命范圍內(nèi)都達(dá)到性能最優(yōu)，是一種全新的設(shè)計(jì)理念及方法。該設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)意義上的橋梁設(shè)計(jì)，有很大不同，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

從時(shí)間范疇角度講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法基本不考慮荷載在時(shí)間上的分布，而全壽命周期設(shè)計(jì)方法是一個(gè)連續(xù)的周期；從階段劃分角度講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法只考慮施工與成橋兩個(gè)工況，而全壽命周期設(shè)計(jì)方法除了考慮施工和成橋，還考慮后續(xù)的運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)管理及拆除等每個(gè)階段；從安全性角度講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法只考慮因荷載變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)內(nèi)力改變，而全壽命周期設(shè)計(jì)方法考慮的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與抗力伴隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的改變；從環(huán)境保護(hù)角度講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法并未考慮，而全壽命周期設(shè)計(jì)方法對(duì)所有階段的環(huán)境保護(hù)都實(shí)施了深入分析及具體考慮；從耐久性角度講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要是以過(guò)去的工作經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)細(xì)節(jié)的考慮往往不周，而全壽命周期設(shè)計(jì)方法能從不同的細(xì)節(jié)入手對(duì)耐久性設(shè)計(jì)予以綜合考慮；從經(jīng)濟(jì)性角度講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要考慮的是設(shè)計(jì)與施工產(chǎn)生的成本，而全壽命周期設(shè)計(jì)方法綜合考慮包含施工、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)管理與拆除在內(nèi)所有階段對(duì)應(yīng)的成本；從適用性角度講，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制為主，而全壽命周期設(shè)計(jì)方法根據(jù)橋梁結(jié)果結(jié)果為依據(jù)，從病害分析這一角度入手。

按照不同階段對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)目的及任務(wù)，可將全壽命周期設(shè)計(jì)初步分成三個(gè)階段，第一階段為工可研究；第二階段為初步設(shè)計(jì)；第三階段為施工圖設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)內(nèi)容方面，還可進(jìn)一步分成以下六個(gè)過(guò)程：(1)使用壽命設(shè)計(jì)；(2)性能設(shè)計(jì)；(3)養(yǎng)護(hù)管理設(shè)計(jì)；(4)美學(xué)設(shè)計(jì)；(5)環(huán)境生態(tài)設(shè)計(jì)；最后是全壽命周期成本分析。

2 安全與耐久性分析

橋梁安全性指的是在正常使用極限狀態(tài)與承載力極限狀態(tài)依然可以滿(mǎn)足通行要求的性能，需要從外部作用與結(jié)構(gòu)抗力兩個(gè)角度來(lái)綜合衡量。橋梁安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)及結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)之間的關(guān)系為

γ0S≤R

(1)

式中:γ0表示橋梁安全系數(shù)；S表示結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)；R表示結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)。

由于以全壽命周期為基礎(chǔ)的橋梁安全性涉及每個(gè)階段，所以對(duì)于效應(yīng)函數(shù)，除了要計(jì)算采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法時(shí)需要計(jì)算的偶然作用、永久作用及可變作用，還要以不同階段中橋梁與環(huán)境之間的相互作用為依據(jù)采用適宜的設(shè)計(jì)方法將其列入到設(shè)計(jì)效應(yīng)函數(shù)當(dāng)中，如侵蝕作用與溫度作用。

對(duì)橋梁而言，其耐久性指的是結(jié)構(gòu)在連續(xù)使用一定時(shí)間后，其結(jié)構(gòu)可能和環(huán)境產(chǎn)生不同的物化反應(yīng)，此時(shí)依然可以保持基本使用功能的能力，需要從自身角度出發(fā)對(duì)結(jié)構(gòu)抗力函數(shù)和時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行考慮，具體的抗力函數(shù)可表示為

(2)

式中:R(t)表示抗力函數(shù)；Kp表示不確定系數(shù)；h0表示計(jì)算有效高度；Fjk(t)表示鋼筋屈服過(guò)程中的屈服強(qiáng)度；fcd(t)表示混凝土破壞過(guò)程中的抗壓強(qiáng)度；b表示界面的總高度；φ(t)表示鋼筋和混凝土之間粘結(jié)力和時(shí)間的變化關(guān)系。

按照基本的設(shè)計(jì)順序，可以將橋梁以全壽命周期為基礎(chǔ)的耐久性分析初步劃分成以下步驟。

(1)明確橋梁使用壽命，當(dāng)橋梁設(shè)計(jì)使用年限有所不同時(shí)，無(wú)論是結(jié)構(gòu)構(gòu)造還是所用材料都將存在很大差異，進(jìn)而對(duì)橋梁的全壽命周期成本造成影響，所以在明確了橋梁的目標(biāo)壽命后，即可確定不同構(gòu)件對(duì)應(yīng)的壽命。

(2)對(duì)橋梁開(kāi)展環(huán)境效應(yīng)調(diào)查工作，不同調(diào)查任務(wù)對(duì)應(yīng)的主要工作為：在地理環(huán)境調(diào)查過(guò)程中，需通過(guò)對(duì)橋梁所在地理環(huán)境開(kāi)展的調(diào)查，經(jīng)分析確定環(huán)境中存在的可能對(duì)橋梁耐久性造成影響的因素；在大氣環(huán)境調(diào)查過(guò)程中，主要是排查橋梁所在地區(qū)大氣環(huán)境中可能對(duì)橋梁耐久性造成影響的因素，比如有害氣體類(lèi)型及其濃度和相對(duì)空氣濕度；在氣候環(huán)境研究過(guò)程中，需要分析橋梁所在地區(qū)的環(huán)境溫度與實(shí)際冰凍情況，并由此確定具體的冰凍深度和沖刷深度；在構(gòu)造分析過(guò)程中，應(yīng)確定對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性明顯有利，而且不容易產(chǎn)生病害缺陷的結(jié)構(gòu)類(lèi)型；在材料選擇過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先選擇技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)合理的類(lèi)型，在條件允許的情況下，可以使用新材料，因?yàn)槟承┬虏牧虾蛡鹘y(tǒng)材料相比，能在減少成本并降低施工難度的基礎(chǔ)上，提高橋梁的耐久性，避免由于某個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件老化、破壞而對(duì)橋梁整體耐久性的不利影響；

(3)以之前取得調(diào)查結(jié)果為依據(jù)確定所有可能對(duì)橋梁耐久性造成影響的各因素的權(quán)重大小，并根據(jù)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行功能退化模型的構(gòu)建；

(4)編制耐久性設(shè)計(jì)方案；

(5)編制管養(yǎng)方案，并提出合理化的建議。

3 實(shí)例分析

某橋梁設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100 a，安全等級(jí)一級(jí)，通過(guò)環(huán)境分析可得橋梁所在地區(qū)環(huán)境類(lèi)型：因跨越城市道路，所以橋墩處可能由于個(gè)體原因產(chǎn)生撞擊與剮蹭等不同病害；橋梁所在地區(qū)大氣中CO2實(shí)際濃度為0.04%，沒(méi)有可能對(duì)橋梁耐久性造成影響的有害氣體；橋梁所在地區(qū)的氣候類(lèi)型為溫帶大陸性干旱氣候，春季多風(fēng)、冷暖頻繁變化、夏季高溫、蒸發(fā)作用強(qiáng)、秋季晴日多、晝夜溫差大、冬季很冷，日照充足；橋梁上部結(jié)構(gòu)為小箱梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩和樁基礎(chǔ)；橋梁的箱梁和濕接段均采用強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土，承臺(tái)、橫隔板與樁基礎(chǔ)都采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，鋼筋主要有良好類(lèi)型，即HRB335鋼筋與R235鋼筋。

根據(jù)以上調(diào)查結(jié)果可知，對(duì)橋梁耐久性有較大影響的因素是氣候環(huán)境條件，安全與耐久性設(shè)計(jì)需將材料控制作為核心，并采取有效構(gòu)造措施。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，先明確各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的要求，對(duì)于某些關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)比規(guī)范提出的要求略大。在結(jié)構(gòu)當(dāng)中，保護(hù)層作用在于避免鋼筋銹蝕，是保證結(jié)構(gòu)耐久性最常用也是最重要的一項(xiàng)構(gòu)造措施，但該橋所處地區(qū)的環(huán)境較為復(fù)雜，所以建議增加保護(hù)層的厚度。對(duì)于支座和伸縮縫，由于采用的都是橡膠構(gòu)件，所以需要在確認(rèn)滿(mǎn)足安全要求的基礎(chǔ)上優(yōu)先考慮優(yōu)質(zhì)橡膠材料，用于提高橋梁的耐久性。對(duì)于橋梁管養(yǎng)方案，考慮到該橋?qū)儆谑姓蛄海责B(yǎng)護(hù)和監(jiān)測(cè)方面的內(nèi)容，以相關(guān)規(guī)范為依據(jù)結(jié)合具體運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行適當(dāng)提高。不同部件對(duì)應(yīng)的維修設(shè)計(jì)頻率為：主梁維修頻率為每年1次，橫隔板維修頻率為每年1次，蓋梁維修頻率為兩年1次，承臺(tái)維修頻率為兩年1次，樁基維修頻率為兩年1次。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，橋梁的全壽命周期設(shè)計(jì)包含每個(gè)階段，相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，無(wú)論是安全性還是耐久性，都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。安全與耐久性設(shè)計(jì)需要通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)及抗力函數(shù)的計(jì)算來(lái)定義，建立結(jié)構(gòu)抗力與時(shí)間的關(guān)系函數(shù)，以全壽命周期的不同階段為依據(jù)可將耐久性設(shè)計(jì)分成五個(gè)步驟。