全寿命周期理念下的桥梁设计探讨

刘立国

（包头市公路规划勘测设计院，内蒙古 包头014040）

1 全寿命周期理念下的桥梁设计概念

现代桥梁是生命线工程，其结构的合理性、安全性以及耐久性才是桥梁设计的重中之重。传统的桥梁设计理念往往考虑桥梁结构强度问题，而忽略了结构耐久性，这种重视桥梁结构强度而忽略耐久性的设计理念，其后果往往是桥梁在正常使用期限内适用性较差，存在桥面铺装开裂、变形量较大、钢结构腐蚀以及构件疲劳极限等问题，可以预测的是，在不久会这些桥梁将会出现大量抢修、加固以及改建等问题。

桥梁的寿命期分为规划：初步设计、分析、施工图设计、施工、使用、拆除或倒塌这七个阶段。 基于全寿命周期的桥梁设计不同于传统的桥梁设计，它放眼于桥梁的规划、设计、施工、使用期管理、拆除与回收的全部方面。

全寿命周期设计理念就是对桥梁可能遇到的灾害进行分析，分析对象包括桥梁的静、动荷载作用下的易损件。 设计师从“全寿命周期”进行出发，对桥梁结构中的重要部件进行分析，比如传力构件、更换构件、加固构件、控制构件等，以确定这些构件的可修性、可检性、可换性以及可持续性，确定之后对这些因素进行考虑，并且把握整体方案，抓住主题结构，对局部构造进行细化，并且以100 年的设计基准期进行桥梁结构设计要求，真正的从简单的结构强化转变成桥梁全寿命周期设计理念。

2 全寿命周期理念下的桥梁设计探讨

桥梁全寿命设计应该考虑的时间跨度是桥梁的整个生命周期，其中包括：规划、设计、施工、使用、养护、拆除（倒塌）。建设者应当寻求合适的方法和措施，以满足桥梁全寿命周期内安全、适用、耐久、经济、美观、可持续等性能的最优。桥梁的设计理论变化：传统的仅凭着经验进行桥梁设计；而后考虑桥梁耐久性进行设计；到现在基于全寿命思想的桥梁设计。 这体现了桥梁设计理念的重大转变。 桥梁的设计方法也从原来的容许应力法、破坏阶段法、极限状态法发展为基于可靠度的概率极限状态法。

基于全寿命的桥梁设计过程全寿命周期的桥梁设计一般分为三个阶段，即：工程可行性研究、初步设计、施工图设计。其中的工程可行性研究主要是对项目建设的技术可行性、必要性、实施可行性等方面的综合性研究。 全寿命桥梁设计是对这三个阶段的使用寿命设计、环境生态设计、美学设计、性能设计、检测、养护与维修设计及成本分析这六大过程的设计。

2.1 总体设计

总体设计是桥梁设计活动的第一项工作，是桥梁设计工作的决策过程。 桥梁工程师在进行桥梁设计时，首先应当根据业主的需求和建设项目的目的，进行总体概念设计构思，整体把握事物的相互联系，对桥梁建设条件、设计准则、使用寿命年限、投融资估算、投资效益等做出原则性的设计界定。 在这个阶段，桥梁设计的中心内容是既要把握全寿命设计不同于现行设计的特点，又要弄清全寿命设计的一般规律性，提出桥梁建设的设计理论框架和一般性原则。

2.2 结构性能设计

桥梁结构性能设计是依据总体概念设计原则， 考虑景观环境设计，需求，依据桥梁给定的使用年限所进行的一切结构性能设计。基于全寿命设计理论的桥梁结构性能设计，在依据总体设计原则，结合景观环境设计思路，合理确定桥梁使用寿命的前提下，将时间参数引入到结构细部设计，确保结构的耐久性和性能满足相应的目标值。 全寿命的桥梁结构性能设计是将业主需求转化为桥梁的技术性能说明，通过重大技术研究、拟定结构构造尺寸、结构受力分析、构造设计及细部设计，以形成各选方案，确保设计意图和目标能够在建设过程中，以及桥梁使用寿命周期内得以实现。

2.3 全寿命成本分析设计

桥梁全寿命周期成本分析就是针对目前在役桥梁性能日益退化加重，寿命周期维护成本过高而提出的一种全新的理念。 基于全寿命设计理论的桥梁全寿命成本分析，就是桥梁设计在对可靠性、维修性等设计内容做出规定的同时，将寿命周期费用也作为一项重要设计要素来加以考虑，通过综合考虑有关设计、性能和费用等信息的反馈信息，以获得性能和费用的平衡，提高寿命周期费用的经济性。在设计过程中研究和分析桥梁全寿命周期内的各种行为，考虑整个寿命周期内的影响因素，除了要求设计合理、施工得当、养护管理及时以外，还应从根本上进行成本效益分析。

2.4 桥梁美学设计

桥梁的美学设计在造型上要根据所处环境确定桥梁的构型，并在桥梁主体和细节搭配上要做到层次分明，有主有次，突出重点，结合桥梁的结构性能进行变化性拓展。桥梁的外观既要满足桥梁的基本使用功能，确保桥梁的经济与安全，也承担了一个城市的人文景观和精神风貌。 桥梁的外观设计是一个综合性的设计问题，要通过合理的造型及景观设计实现桥梁结构和城市风貌的融合。 一个好的桥梁景观设计，不仅是桥梁本身地块的景观、色彩及照明设计，同时也要融合与整个城市的园林规划及城市布局管理，实现桥梁景色与整个城市风景的融合。

2.5 养护管理设计

基于全寿命设计理论的桥梁养护设计，就是桥梁工程师在设计过程中不仅要考虑桥梁的建设期，也要考虑桥梁的使用和养护期。 为确保桥梁使用寿命长久，桥梁工程师在先期的桥梁设计过程中，应当综合考虑结构设施的性能优劣、资源的有效利用、灾难发生后的应急处理、养护成本的大小、运营的安全与环境保证。通过区分构件的不同类型和各种方案的不同效果，对桥梁养护时机、养护措施和养护策略进行设计，并提出正常养护维修要求。

2.6 环境及可持续发展设计

环境对于全寿命设计理论的桥梁设计有着非常重要的影响，要通过对环境的调查与分析以及对周围和桥梁本身的环境进行评估和改善， 将其环境和经济能源设计都考虑在桥梁的经济建设成本当中，并且通过环境友好型及资源节约型两种状态加强对桥梁生态环境这个系统工程的设计，使得全寿命桥梁设计既满足与经济成本节约，又能达到环境和建筑的可持续性发展。

以上的各项设计共同组成了基于全寿命的桥梁设计，并在彼此之间存在巨大的相互影响。使用寿命的设计直接决定了使用性能的设计目标和监测、养护和维修设计的需要；而性能设计的任务是结合安全、耐久、使用性能等各项指标来进行各种结构设计方案的创建，以确保桥梁结构能够在设计使用的寿命周期内正常、安全地使用。

3 结语

桥梁全寿命设计方法代表桥梁设计方法发展趋势，从桥梁整个生命周期的时间出发，寻求恰当的方法和措施以使其全寿命性能达到最优或优化，该理念代表了桥梁设计方法的发展趋势。 对促进桥梁设计理论的进步，贯彻可持续发展的方针，提高桥梁的耐久性和使用性能，延长使用寿命，降低桥梁全寿命周期总成本，推动桥梁设计、施工及维护、管理水平的提高，都具有十分重要而深远的意义。

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［2］郑力.基于全寿命思想的桥梁设计研究[J].北方交通,2015(2).

［3］赵佳,郭兴华.桥梁设计寿命研究进展简介[J].城市建设理论研究（电子版）,2014(24).