桥梁结构的构件设计与使用寿命探析

王建彬

（南京先行交通工程设计有限责任公司，江苏 南京 210000）

1 桥梁结构的构件设计使用寿命

从世界范围来看，桥梁工程的施工规范，普遍对桥梁构件的耐久性问题以及设计使用寿命关注的较少，在中国同样如此，构件设计与使用寿命并没有统一的规范，大多是根据施工单位的要求进行制定，然而这种设计使用寿命的要求过于刚性，没有通过理论的验证来支持其是否科学可行。在桥梁结构中，不同的构件，功能不同，安装位置不同，在具体使用过程中的退化现象也各有不同，因此要对各构件进行维护与保养并不是一件容易的事情。为了解各个构件的使用寿命，就要求施工工程中对不同桥梁构件的使用寿命进行科学合理的设计，使得每一个构件的使用寿命都是明确的。

英国的建筑物耐久性标准，根据工程参与主体不同的关注角度，将建筑的使用寿命分为要求使用寿命、预期使用寿命和设计使用寿命三种。在欧洲，这一标准的普及范围相对较广，但是在我国，并不是采用这一标准来进行区分。工程设计中虽说使用寿命指的一般都是要求使用寿命，也就是以使用者或是投资主体的要求作为使用寿命的目标要求。然而这种方法是非常不科学的，因为桥梁工程是由许多不同的构件组合而成，每一个构件的材料不同、承担的功能不同，如果采用某个单一的标准来对构件使用寿命进行要求，很显然是不合理的。鉴于此，本文将就每一个构件的具体特征出发，对各个构件的设计使用寿命进行优化，通过平衡各个构件之间的功能与寿命差，来实现整个桥梁工程的最佳寿命周期，故此认为桥梁结构与构件的设计使用寿命指的就是设计人员用以作为桥梁及桥梁构件耐久性设计的依据并具有足够安全裕度或保证率的目标使用年限。

2 构件设计的类型分析

对于桥梁构件的划分，国际上通常采用体系划分和特点划分两种不同的方法，在我国则普遍采用的是体系划分法。按照体系划分，就是先将桥梁按不同的类型解构成几个大的类型，例如梁桥、拱桥、缆索承重桥，然后再在这些类型中分别列出各自的构件。当前我国桥梁大多使用的是混凝土桥梁，而混凝土构件的一个重要特点就是形状不确定，所以按照特点来进行划分难以操作。

设计过程中，按照其是否需要更换、维护等具体的要求，将构件的耐久性分为以下几个层次：

a）I类构件 即不可维护、终生性构件（如桩基础），这类构件在整个使用过程中无法维护，设计寿命必须兼顾到整个周期；

b）Ⅱ类构件 即可维护、终生性构件，这类构件同样需要使用到周期结束，但是在这个过程中可以对其进行养护来予以维持；

c）Ⅲ类构件 即可维护、非终生性构件，需要简单维护、周期性更换的重要受力或传力构件；

d）Ⅳ类构件 即可维护、非终生性构件，需要周期性更换的次要受力或传力构件。

根据我国当前桥梁工程施工的现状、具体材料以及工艺水平，将国内桥梁结构中常见的构件按照其耐久性进行表1所示的划分：

表1 国内常见桥梁体系主要构建的分类及耐久性类别

3 构件设计使用寿命的计算方法

3.1 直接法和简化法

桥梁构件的使用寿命，除了受到技术层面的因素影响外，还受一些客观外在环境的影响。这些外在因素对构件使用寿命产生的影响是难以量化和确定的，故本文对构件设计使用寿命的分析主要从技术层面来进行，也就是在正常情况下，构件在不需要接受外力援助、维修的状态下使用状况达到极限的期限。本文采用两种方法对这一问题进行分析，一种是直接法，另一种则是简化法（如图1所示）。

图1 桥梁构件设计使用寿命的计算方法

在图1中，虚线表示采用直接法来确定构件使用寿命的流程，实线则是采用间接法来确定使用寿命的流程。严格来说，这两种方法的使用并不是完全对立的，相反，每一种方法各有其优势和特点，所以在客观条件允许的情况下，一个最佳的设计方案应该是这两种方法的结合。

桥梁结构中各个构件的使用寿命并不是完全独立的，并非每一个构件的使用寿命只与构件自身的材质、功能有关联，除了外在因素的影响，还包括各个构件之间存在一定的耦合性。无论是直接法还是简化法，对构件使用寿命的确定都是为了优化桥梁工程的成本，而每一个构件的维修、更换，都会加重成本的投入。当采用直接法时，为了使使用周期和成本得到优化，应当从统一筹划的角度，重视构件之间存在的这种耦合关系，进行联合的优化设计，来确定构件的使用寿命。而简化法，就是将构件耦合关系较强的部分在使用寿命上进行统一，对一些相近的进行合并。另外，我们采用简化法进行计算时，最终得出的结果可能不是整数，为了方便计算、更好的应用在施工过程中，可以取整数来进行规划设计。

3.2 构建设计使用寿命计算公式

构件设计使用寿命的计算，根据欧美国家相关机构长期以来的科研成果，结合我国在桥梁工程中的具体情况，我国桥梁构件使用寿命的计算公式如下：

式中，L为桥梁结构或构件的设计使用寿命建议值； C为修正系数， C=C1， C2， C3， C4， …， Cn。修正系数种类较多，包括气候影响系数、桥位环境系数、养护系数等；L0为基础设计使用寿命建议值。

3.2.1 气候影响系数C1

气候因素对构件的使用寿命会产生影响，特别是我国桥梁构件大多采用混凝土材质，外部温度越低，空气湿润指数越高，碳化反应就会越慢，构件的使用寿命就会相对较长。如果是钢构件，温度越低，气候越干燥，钢材质的腐蚀速度也就会越慢，使用寿命也就越长。在我国，L0的取值以北温带的湿润区指数为标准，气候影响指数取0.9～1.1之间。

3.2.2 桥位环境系数C2

构件寿命受客观环境的影响，周边环境越恶劣，需要维护的成本就越高，同等条件下使用寿命就越短，将这种环境称为桥位小环境。基于《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中环境作用的分类标准，本文中的L0以可忽略的环境作用为基准，建议桥位小环境系数取0.6～1.0之间。

3.2.3 养护系数C3

构建使用寿命与养护措施、养护技术有密切的关系，养护措施越好、技术越先进，就能够越好地延长构件的使用寿命。按照不同的养护要求，将养护条件划分为无养护、简单维护和周期性详尽检查维护三种。本文中的L0以无养护条件为基准，建议养护系数取1.0～1.2之间。

3.2.4 重要性系数C4

对于不同等级的桥梁，其初始业主成本、重建导致的业主成本及社会成本都随桥梁重要性等级大幅上升，故重要性较高的桥梁及其永久性构件需赋予相应较高的设计使用寿命。根据《公路桥涵通用设计规范》（JTG D60—2004），目前我国的桥梁按跨径可分为特大桥、大桥、中桥和小桥四种，以重要性最低的小桥为基准，建议取用1.0～2.0的重要性系数。

3.2.5 更换难易系数C5

桥梁类型不同，构件种类不同，使得每一个构件进行更换的难易效果也是各不相同的。这里仅仅对不同桥梁上的同种类的构件进行比较。文中的L0以中等更换难度为基准，建议对于可更换的桥梁构件取用0.8～1.5的难易系数。

当然，影响桥梁构件使用寿命的因素并非仅仅以上5个，在本文中无法穷尽所有可能产生影响的因素，而是从具有普遍价值的角度来选择这几种比较常见的，能够在公式计算中予以衡量的影响因素来进行分析。

[1]林文修.土木工程结构鉴定、加固与改造技术的新进展——第七届全国建筑物鉴定与加固改造学术会议[C].重庆：重庆出版社，2004.

[2]王玉债，阮欣，陈艾荣.全寿命成本分析法在侧风影响下桥梁行车安全决策中的应用[J].公路交通科技， 2008， 25（10）： 94.

[3]吴海军.桥粱结构耐久性设计方法研究[D].上海：同济大学，2006.