基于全寿命的桥梁设计主要过程探究

陈 俊 孙 明

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000）

基于全寿命的桥梁设计主要过程探究

陈 俊 孙 明

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000）

我国的经济增长速度日益加快，同时，经济规模也逐渐变大。在这种形式下，我国的桥梁建设事业蒸蒸日上，桥梁建设的技术也不断提高，因此我国正向桥梁大国迈进。但是，目前我国的桥梁建设存在问题，比如寿命比较短。寿命问题的出现和设计有直接的关系，本文就基于全寿命的桥梁设计进行分析和探讨。

全寿命；桥梁设计；探究

一、概述

自从上个世纪90年代开始，我国的桥梁建设事业如火如荼的进行，并且一步步进入顶峰时期。桥梁在社会经济领域内发挥的作用越来越大，可以说是交通动脉的生命线。随着大量的桥梁结构物投入运营，暴露的问题越来越多，这些问题主要集中在运营、施工以及设计等方面，让我们不得不进行深刻的反思。目前，桥梁设计方面出现的问题主要包括以下几个方面：（1）规划和设计阶段。在这个阶段，设计人员并没有考虑到桥梁在建成之后的维修成本、养护以及运营问题。（2）对生态环境的保护重视度不够。（3）设计方面。设计人员在进行设计时关注更多的是安全问题，而忽视了耐久性问题。以上问题均会导致桥梁全寿命的缩短，笔者在下文中会对基于全寿命的桥梁设计进行分析和探讨。

二、桥梁的全寿命设计原则

1 桥梁设计方法和理念演变概览

容许应力法。此方法属于一种传统的方法，是由纳维叶于上个世纪20年代提出的在，之后被各国使用。容许应力法是建立在弹性力学理论的基础上的，其把材料看做理想弹性体，容许应力是由材料的屈服强度除以安全系数进行确定的。总体来说，该方法比较保守。

破坏阶段法。该方法是由前苏联人罗列伊特提出的。破坏阶段法的考察对象是截面内力，此外对极限强度以及塑性性质也进行了充分的考虑。缺点是可靠性达不到预期的程度，安全系数单一。

极限状态法。极限状态法也是由苏联学者提出的，其是把结构放在可能的极限状态下实施分析，此外还引进了可靠性理论和概率论数理统计。此外，引入了荷载和材料等不确定性，把单一的安全系数转化为3个系数。

基于可靠度的概率极限状态法。过去容许应力法采用了单一的安全系数来确定结构的可靠程度。而基于可靠度的概率极限状态法采用了多个分项系数，把结构计算划分得更细更合理，分别不同情况，给出了不同的分项系数。这些分项系数是由统计概率方法进行确定的，所以具有实际意义。来自于工程实践，诸多的分项系数从不同方面对结构计算进行修订后，使其材料得以充分发挥和结构更加安全可靠。这些系数都是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率（也即可靠度）。

设计方法和理念的转变思路：基于全寿命思想的设计。在桥梁设计中引入可持续发展思想，让设计不光要对当前的发展需要进行思考，更要对将来可能的需要进行预测。也就是设计不光要关注成桥性能，更要对全部寿命期内性能重视。

2 桥梁设计理念转变

传统桥梁设计。传统桥梁设计关注的是桥梁的建设阶段，属于基于“现状”的设计，也就是关注核心是降低建设阶段的成本的设计，且设计人员设计重心是在桥梁建设期的强度和安全，而对可更换性、可养护性以及结构的耐久性重视度不够。此外，造价的评估忽视了养护维修、构件更换以及运营阶段的管理。

桥梁全寿命设计理念是指从人文、生态、环境、功能和经济效益等需求出发，综合考虑桥梁规划、设计、施工、运营直到报废等各个环节，寻求各种可行恰当的方法和措施，是以满足桥梁在规定的全寿命周期内总体性能最优目标的设计理念和方法。桥梁全寿命设计包括使用寿命设计、使用性能设计、风险设计和检测、维修设计等模块。

表1 桥梁寿命影响因素

表2 根据维修程度区分的桥梁构件

表3 使用性能设计

表4 耐久性设计内容

三、使用寿命设计

使用寿命设计。桥梁的使用寿命和桥梁的内在因素以及外部环境有着很大的关系，见表1。

对使用用途和环境因素进行分析。在对使用寿命进行确定时，需要对社会、业主以及用户的使用寿命需要进行考虑，也不能忽视桥梁影响区内环境影响。确定设计使用寿命，需要对桥梁的用途（铁路、公路）以及所处的环境（气候以及荷载）进行考虑。

环境作用分为两种，分别是：（1）持续时间短的偶然作用，比如:船撞、地震。（2）持续时间长的，比如：冻融作用以及疲劳风等。其中，前者具有不可预见性，因此全寿命设计需要对持续性分析，在此基础上构建有关的环境作用数据库。

模块化方法。桥梁的结构类型是多种多样的，具有不同的构造体系，因此在设计时需要针对不同桥梁构建实施分类。构件分类状况见表2。

对不同构件赋予不同的目标使用寿命，各构件确定使用寿命的因素也会有差异，比如：技术、美观以及功能。对各模块的目标使用寿命进行改变，对寿命周期内的更换、养护以及维修进行分析和对比，最终最合理的寿命组合就会得到确定。可以说，使用寿命设计优化是一个选择以及排序的过程。

四、使用性能设计

基于性能设计需要对以下性能进行分析来对设计准则进行确定：耐久性、美观、振动、位移、成本等。从选择的性能设计目标实施设计，评估结构性能，这样就可以形成实际性能水平额设计理论。我们将性能优化设计总称为性能设计，主要包括：安全性能设计、使用性能设计、经济性能设计、可持续性以及耐久性能等。

从全寿命思想出发，桥梁的使用功能不仅要满足当下的需求，更要满足未来发展要求。在设计的时候，需要对未来有所考虑。对以后的变化趋势进行预测。（1）使用功能、安全以及健康设计。桥梁需要承受怎样的荷载是由桥梁的用途决定的，从交通规划、使用者的需求以及业主的需求出发，对桥梁的通途进行确定，是人行桥还是铁路桥还是公路桥梁。在这些需求中，首要因素是安全。桥梁和人们的生活有着紧密的联系，很大程度上决定了出行安全和畅通。因此，一定要对安全问题引起足够的重视。健康问题，即要选择合适的健康材料，机具和施工方法都要科学，健康材料包括桥面铺装材料以及表面涂装材料。使用性能设计状况见表3。

安全性能设计。安全是桥梁的一个关键指标，最近几年桥梁事故频发，因此桥梁安全问题引发人们的关注。作为设计阶段的安全性能设计，需要考虑桥梁在各种荷载作用下的强度、刚度和稳定性的要求。在设计时，需要考虑以下因素：稳定、荷载的静力、动力、疲劳设计等。

耐久性设计。耐久性设计需要遵守以下几个原则：流畅和力线平滑的原则；可替换性原则、可修性以及可检性原则、连续性原则、结构体系防水的原则等。耐久性设计内容见表4。

五、风险设计

在设计阶段，要对桥梁遇到的风险进行考虑，比如：汽车撞击、船舶撞击、恐怖袭击、地震、大风以及火灾等。对风险的性质以及后果进行分析，在设计阶段将这些问题考虑在内，这样就能降低对桥梁的危害。我国在风险设计还处于起步阶段，因此可以参考一些发达国家的经验规范，比如：美国的公路桥梁设计规范、公路桥梁防撞设计指南和公路桥梁船撞设计指南等。

六、检测、维修设计

随着我国经济的快速发展，公路交通流量出现了持续迅速的增长，加之货物车辆的超载运行，导致桥梁使用性能衰退、结构安全及耐久性减低，从而大大减低了桥梁的使用寿命。

因此设计人员要加强对桥梁结构多致因损伤机理、结构性能衰退规律、耐久性评价及承载力评定等方面的基础理论和技术研究。建议并运用科学、先进、规范、专业的桥梁承载能及计算分析与实验方法、损伤结构评定方法、耐久性检测与诊断技术等，提高桥梁结构安全可靠性与长期寿命。

同时设计人员还要加强对特殊加固方法的设计计算理论、新型加固材料性能及施工技术方法的研究，做到加固设计精细化、科学化、专业化，进而延长桥梁的使用寿命。

结语

目前，我国的桥梁存在一些安全隐患，并且安全性能差。近几年，桥梁坍塌的事故频发，给人民的生命和财产安全造成了巨大的威胁。桥梁事故的频发和不完善的设计有直接的关系，因此要对设计引起足够的重视，尤其是基于全寿命的桥梁设计。本文从使用寿命设计、使用性能设计、风险设计等方面出发，对基于全寿命的桥梁设计进行理论分析和探讨，希望对提高桥梁寿命以及安全性，促进我国由桥梁大国向桥梁强国转变有一定的参考意义。

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U442

A

10.13612/j.cnki.cntp.2014.07.030