桥梁全寿命设计研究综述及思考

王崇交

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

1 桥梁全寿命设计

传统桥梁设计方法仅考虑桥梁建设初期性能和初始建造成本，并采用定值设计方法满足设计规范条件下的参数最低要求而未考虑使用周期内养护维修等措施造成的各种直接或间接成本，这往往造成桥梁全寿命期维护成本过高，维修资源分配不合理，桥梁耐久性不足与资源的不必要浪费。根据美国联邦高速公路管理局统计，美国高速公路桥梁由于耐久性不足，在2002年度维护直接成本超过83亿美元，通过调查估计由于交通延误和生产力损失造成的间接成本高达10倍的直接成本[1]。因此，为了提高公共安全与交通舒适度，降低使用期内的运营维护成本，确定具有长期成本效益的设计方案至关重要。

桥梁从投入使用的时刻起其性能就开始逐渐降低，而影响桥梁使用性能的因素众多且通常具有很强的不确定性，在设计的时候难以进行准确估计。另外，在漫长的使用期内可能遇到的如车船撞击、洪水、地震等突发事件，会显著降低其使用性能甚至影响结构安全。在设计阶段通常有两种选择，一种是降低初始建造成本，通过后期维修保持桥梁的使用性能；另一种是通过使用性能好、耐腐蚀的材料或者在设计中采用更高的富裕度，这种选择可以降低维修成本，提高桥梁使用性能，但会显著提高初始建造成本。因此，要为某一具体项目选择具有成本效益的设计方案或维修管理方案，必须从长期的全寿命周期成本分析LCCA(LifeCycleCostAnalysis)的角度对这些方案进行评估。

目前国内外对使用LCCA进行不同方案策略的比较研究主要分为两类：一类采用确定性技术，另一类采用可靠度方法。大多数基于确定性的LCCA研究集中于评估桥面设计方案比选、混凝土梁配筋率或维修中使用不同材料的成本效益。例如，彭建新等通过深入研究桥梁全寿命设计方法，利用发展的混合全寿命成本模型，结合试验桥，对预应力混凝土板梁桥的几何尺寸和材料参数进行优化分析，并验证其合理性[2]。Daigle和Lounis比较了不同火山灰掺量的高性能混凝土与普通混凝土用于钢筋混凝土桥面板的长期成本效益[3]，研究指出：使用高性能混凝土在建设成本、用户成本和环境影响方面更经济。O'Reilly等人比较了在混凝土桥面上使用普通钢筋、环氧涂层钢筋和不锈钢钢筋的成本效益[4]，分析指出：考虑钢筋混凝土桥面的使用寿命为75年，使用不锈钢钢筋是最划算的方案。

另一方面，基于可靠度的方法可以在分析中纳入各种不确定因素。近年来基于可靠度的研究主要集中在评估劣化结构的修复时间、修复结构的时变性能以及使用特定修复材料对修复结构进行全寿命分析。如刘军等基于蒙特卡罗法计算以时间为基本变量的材料性能参数和荷载变化特征，得出了桥梁的时间-可靠概率关系曲线，推算出桥梁的使用寿命和剩余使用寿命[5]。最近，Sajedi等人提出了一种基于可靠性的多目标设计优化程序(RB-MODO)，用于考虑腐蚀影响的钢筋混凝土桥梁耐久性设计[6]。

现有的研究中在使用确定性方法时未考虑使用过程中的不确定性，而主要依赖于桥梁所在区域的统计资料和工程师的经验，这可能导致方案比选不准确和不经济。使用可靠度方法时通常涉及多个函数的计算且计算参数多为随机变量，不仅计算量巨大，计算结果精度也难以保证。

本文在探讨基于桥梁全寿命设计概念的基础上，简要介绍了近年来欧美和中国开展的一些桥梁全寿命设计研究情况，分析我国桥梁的设计维护管理现状。在此基础上，对中国开展桥梁全寿命设计研究提出几点建议。

2 现行桥梁设计方法与全寿命设计方法

工程结构设计，采用过不同的设计方法和理论。历史上，最早采用基于试验和经验的方法，接着采用容许应力法，然后是极限状态设计法，今天发展为基于结构可靠度理论的概率极限状态设计法[7]。自1997年美国国家公路与运输协会AASHTO(AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials)颁布基于LRFD(LoadandResistanceFactorDesign)的设计规范，可靠度方法现已被广泛用于校准荷载和抗力系数设计规范和标准，这些规范和标准提供了足够的安全富裕度，以降低新结构设计或旧结构安全性评估时，由于构件承载力不足或过载而导致结构失效的可能性。

现有结构、构件的目标可靠性水平是根据对现有结构性能的经验，结构、构件的失效后果以及建造成本来设定的。在关于结构适用性特别是耐久性部分的规定中，没有诸如混凝土裂缝宽度、保护层厚度或钢筋间距等限制标准与混凝土构件耐久性之间的具体关系，也没有关于结构在使用寿命内超过这些标准概率的具体信息。尽管相关概念模型如钢筋锈蚀模型、混凝土开裂模型等方面有大量研究，但当前规范、标准和工程实践中，基于可靠度的正常使用极限状态性能指标的实施由于多种原因而滞后。一个主要原因是工程师不愿意限制正常使用性问题，因为担心正常使用性能的限制可能会制约设计方案选择扼杀创造力，并制约与安全无关设计问题的工程判断[8]。因此，许多设计规范和标准没有强制正常使用性标准，如美国规范ASCE7-10(ASCE/SEI2010)中仅提供了适用性设计的指导，以维持结构的功能和正常使用期间使用者的舒适度。

传统的桥梁设计方法和建管体制是目前桥梁出现耐久性问题和达不到设计使用寿命的关键[9]。全寿命的桥梁设计方法作为一种设计理念，涉及到桥梁建设的各个方面，从规划、设计、施工和使用期运营管理维护，一直到拆除和材料的回收。为了实现桥梁建设的效益最优化，把传统的短期方法拓展到桥梁的整个全寿命周期，考虑桥梁整个使用周期内各种性能指标对所有可行方案进行优化。

全寿命的设计理念由于涉及参数较多且具有很强的时变特性和随机性，设计难度较大且费用高，所建立的模型和设计方法往往准确度很低，建设者也难以接受遥远时间跨度外可能出现的问题。近年来，国内外学者尝试将时变可靠度引入全寿命设计，结合相关设计规范建立约束条件，同时最大化结构的可靠性和最小化相关的寿命周期成本，用来解决桥梁设计方案比选与维护管理决策等问题。

3 国外桥梁全寿命研究现状

国外针对桥梁全寿命设计的研究，以美国居多，其次是欧盟和日本等发达国家，这些国家普遍劳动力成本高昂且对环境保护非常重视，他们的研究中重点关注两个方面的影响：一是桥梁使用中的养护维修等工作对桥上交通和使用者的综合经济影响，二是桥梁从建设到拆除整个过程对周围环境产生的影响。

3.1 综合经济影响分析

由于桥梁设计使用年限较长，在漫长的使用周期内经济社会的发展情况需要纳入到全寿命分析中，为了考虑经济增长以及通货膨胀等因素，普遍采用净现值分析方法作为全寿命分析的经济分析方法。其主要内涵是把不同时期发生的费用折算为现值，然后加以比较，就能够比较直观地反映分析期内建设、维修、更换等各项费用的影响程度。常用的净现值计算模型如下所示[10]：

式中：NPV为现值；IC为初始建设费用；MC为维护费用；TC为检测费用；FRC为维修费用；UC为用户成本；DC为拆除费用；S为残值；K为时间区间；i为折现率。

考虑桥梁在日常维护、维修或检测的过程中对桥梁交通和桥梁使用者的影响，将这种影响通过用户成本来衡量，可将用户成本简单分为时间延误成本(DDC)、车辆运营成本(VOC)、安全事故成本(AC)三大类，通过下列公式进行估算：

AC=L×ADT×N×(Aa-An)×Ca

式中：L为受影响区段长度；Sa为桥梁维护期间车速；Sn为正常车速；ADT为每天平均车流量；N为维修天数；W为用户每小时时间价值；r为车辆平均成本；Aa为维修期间事故发生率；An为正常事故发生率；Ca为每次事故的损失。

通过分别计算不同设计方案的净现值，得到全寿命周期建设成本、维护成本和用户成本综合消耗最低的方案。例如钢材的腐蚀是钢结构桥梁在使用过程中的重要问题，防腐项目的费用也是其维护成本的重要组成。对钢桥的涂装体系进行寿命周期分析，首先对环境效应进行评估，国际通用的方法是环境等级划分法，采用欧洲规范(ENISO12944-2)中的六种环境等级(表1)。确定了环境等级后再综合考虑涂装体系在寿命周期内的修补、重涂和更换成本，以及不同方案所带来的用户使用成本[10]。

表1 EN ISO 12944-2中的结构环境等级划分

Rossi和Marquart等人对环境等级为C4的钢桥进行了涂漆防腐和热镀锌HDG(Hot-dipGalvanized)防腐两种方案的LCCA分析[11]。两种方案在钢桥使用周期内的成本如图1所示。图1中描述了建设成本、维护成本和用户成本的综合累积成本与使用寿命的关系，钢桥未涂漆时候的初始成本仅为HDG成本的50.3 %。对于两种方案修补成本对于净现值的影响都相对较低，并且在使用20a左右的重涂之后，涂漆方案的净现值超过了HDG方案的净现值。分析体现了全寿命方法对维护方案综合经济效益评估的全局性，可为决策者对维护方案的选择提供重要参考。

图1 两种方案在钢桥使用周期内的成本变化

3.2 环境影响分析

建筑业消耗了地球上一半的能源，这个比例比任何其他工业部门都高。所有设施的建造、营运及拆卸工程约占地球上全部能源最终用途的40 %至45 %。建筑业未来之路是发展一个综合办法，称为“可持续建设”，其中环境问题通常使用以成本为基础的办法与安全和功能要求一并处理。在欧洲一系列旨在评估结构工程可持续性的标准中，欧洲标准化委员会(EuropeanCommitteeforStandardization)在EN15643-4:2012中提供了一个评估框架，为评估结构的可持续性提供了原则、要求和参考[12]。按照总体框架，寿命周期分析又细分为4个模块，同样适用于桥梁可持续性效益评价(图2)。全寿命周期环境分析的实施在很大程度上取决于各种影响数据的获取，以及对这些影响和相关材料的基本寿命周期评估。全寿命分析(环境和成本)在很大程度上取决于对结构劣化的评估和对其实际使用寿命的评估。

图2 全寿命环境分析系统

例如，位于葡萄牙中部地区Mira和Aveiro之间的高速公路桥，桥长364.50m。该桥的设计按照RSA1983,REBAP1986《葡萄牙桥梁设计条例》和《欧洲规范》的要求，这座桥的设计使用寿命为50a[12]。设计过程中提出了两种主梁建设方案，一种是预应力混凝土双U形梁和现浇混凝土板组合结构，另一种是双工字梁钢-混凝土组合结构，并采用全寿命分析法对两种方案进行了方案比选，在比选过程中着重考虑了桥梁建设对环境造成的影响，如资源消耗、气体废物排放，固体废物处理等。为比较整体环境效应得到所有影响类别的综合评分，HelenaGervásio等人按各影响类别对整体环境效应的相对重要性加权，然后计算加权平均影响评分[12]。该方法中使用的权重集基于哈佛大学(Norberg-Bohmetal.1992)的一项研究[13]。该研究为美国和欧洲各国制定了单独的评估方法。此外，对每个国家的“当前影响”和“未来影响”分别进行了评估。就当前影响而言，更重要的是今天主要关注的影响，而未来影响则更加重视那些预计在未来25a后将变得更加糟糕的影响。为当前和未来的结果推导出一系列相对重要的权重，然后通过将未来结果的重要性计算为当前结果的两倍来进行组合。对比分析表明，尽管混凝土方案具有明显的成本优势(便宜20 %)，但全寿命周期环境分析更有利于钢结构方案(环境影响低35 %)，设计使用寿命50a中，钢结构方案综合评分为59分，略好于混凝土方案的55分。当然，结论在很大程度上取决于所使用的方法和权重，鉴于这方面的不确定性和选择任意性，下一个的研究显然是发展一种概率性的全寿命周期环境分析方法。

3.3 可靠度优化设计

全寿命可靠度分析的目的是找到一个设计变量的向量x，作为目标函数f(x)进行优化，根据两个边界约束条件x-和x+的值，采用不等式g(x,t)≥0进行时变行为约束，设计年限为Td。多目标设计优化问题可表述为：

D={x|x-≤x≤x+,g(x,t)≥0,t0≤t≤Td}

目标函数f(x)代表优化设计的目标要求，通常与结构成本有关，包括初始建设成本和养护维修成本、拆除成本以及附加的结构性能指标，例如安全性、适用性等。设计变量x可以包括结构的几何和力学性能，以及维护和维修干预措施对使用时间和可靠度的提升。设计变量x相关的基于可靠度的设计涉及到失效概率的评估或相应的可靠度指标：

D={x|x-≤x≤x+,β(x,t)≥β*(x,t),t0≤t≤Td}

因此，全寿命可靠度优化设计问题的一般公式可转换为以下形式：

PF(x,t)=p|gj(x,t)<0,j=1,2...|,t0≤t≤Td

β(x,t)=-Φ-1[PF(x,t)],t0≤t≤Td

因为目标可靠度β*=β*(t)反映了结构的类型、重要性、失效后果和社会经济影响等可能随时间变化因素，所以通常是时变的。因此，进一步研究确定结构设计和维修的最佳目标可靠度指标是必要的。

优化过程的计算成本取决于问题的大小和解决方案要求的函数评估次数，包括目标函数、设计约束以及设计变量的敏感性。全寿命可靠度优化设计问题通常涉及多个函数的评估，尽管有高效的分析程序，求解过程的计算成本依然非常高。因此，在设计实践中，为了支持模型的开发并使设计问题变得切实可行，通常需要敏感性分析过程和前分析和后分析策略，不确定性参数的重要程度也应该进行相对重要性的量化，并获得不确定性效应所起的时变作用。这些方法已经成功地应用于基于可靠度的建筑和桥梁设计程序中[14]。

4 我国桥梁全寿命研究现状

2004年我国开展了首次针对桥梁全寿命设计理论与方法的研究，该研究项目的批准和启动，标志着我国向桥梁全寿命设计的全面研究和应用迈出了扎实的一步[15]。从我国现有桥梁状况调查分析入手，通过文献搜集、现场调研、统计分析、理论研究、实验研究、示例应用等手段，全面展开了以下十个专题的研究：

(1)国内外桥梁全寿命设计方法研究现状调研；

(2)桥梁典型病害调查及桥梁正常使用寿命确定；

(3)桥梁全寿命周期成本计算模型研究；

(4)桥梁各设计阶段全寿命设计方法研究；

(5)全寿命桥梁风险评估与保险策略研究；

(6)桥梁混凝土构件全寿命设计研究；

(7)桥梁钢结构构件及缆索系统全寿命设计研究；

(8)桥梁附属设施全寿命设计研究；

(9)桥梁全寿命设计示例；

(10)桥梁全寿命设计指南。

项目研究填补了国内外桥梁全寿命设计理论与方法的空白，标志着传统桥梁设计理念正在向桥梁全寿命设计理念及方法过渡。提出了《桥梁全寿命设计指南》，成为我国实现桥梁全寿命设计的良好开端，为以后开展进一步的桥梁全寿命设计研究奠定了坚实的基础。

其研究成果为提升桥梁设计理念，提高桥梁设计、施工、管养水平，提高桥梁耐久性，延长桥梁使用寿命，确保投资的长期效益，优化工程资金配置提供了理论基础。因此，项目研究成果具有重要的理论意义和工程应用价值，在桥梁工程设计中具有广阔的推广应用前景，也可为隧道、港工等进行全寿命设计和研究提供参考和借鉴。

参与该项目的吴海军等人通过项目的研究提出了全面的桥梁耐久性设计框架，为桥梁全寿命研究奠定了基础，此后马军海等人在其基础上进一步深入研究，提出了全寿命的桥梁设计框架与设计过程，并尝试将全寿命的设计方法应用到混凝土连续梁桥中。彭建新等人提出了基于全寿命周期成本的桥梁设计方法，并将其应用于桥梁多目标优化设计和维护方案决策。

耐久性是全寿命问题中最重要的因素，全寿命的桥梁设计必须是一个涉及桥梁多方面及不同阶段耐久性能的完整全面的体系框架，考虑到影响耐久性的多种因素及桥梁耐久性问题的复杂性、重要性，并保证各个构成部分之间互相补充、互相执调。全面的桥梁耐久性设计方法框架的主要组成部分及相互关系见图3所示[16]。做好了图3中的第1、2部分即基本的设计因素，桥梁的使用性能就有了基本保证，第3点是实现桥梁初始阶段良好性能的必要条件，而第4点则是保证桥梁运营期使用性能和耐久性的必要条件。这些问题可以归结为：设计是基础、施工是关键、养护和管理是保证、经济性是方案优化与评价的指标。

图3 全面的桥梁耐久性设计方法框架

为满足桥梁在全寿命周期的使用要求，需要基于全寿命的桥梁设计框架来为结构设计提供方法，由此得到良好的全寿命周期性能。马军海等人提出的基于全寿命的桥梁设计总体框架，从业主、社会和使用者的需求出发，分三个桥梁设计主要阶段：工程可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段，对主要过程：使用寿命设计、性能设计、监测、养护与维修设计、美学设计、环境生态设计及成本分析等六大过程[17]。采用各种恰当的方法和措施进行设计，在设计阶段为桥梁全寿命周期性能提供保证(图4)。

图4 桥梁全寿命设计总体框架

一座桥梁的规划设计所涉及的因素很多，是一个综合性的系统工程，将全寿命优化设计放在初步设计和技术设计之间，在初步设计完成后，即桥型方案、主要初步尺寸和工程投资确定后，进入全寿命优化设计阶段，引入桥梁劣化模型、维护策略等因素，在投资、可靠性能、力学指标多重约束作用下对桥梁截面尺寸进行重新确定，优化结果将修改初步设计和工程预算投资。有时，可以将初步设计和全寿命优化设计合并，同步进行。彭建新等人提出了桥梁全寿命设计的设计步骤和设计框架，在未来的桥梁设计过程中，为桥梁设计人员引入全寿命设计理念提供参考(图5)[18]。

结构性能的退化本身取决于混凝土性能、收缩徐变引起的开裂和钢结构防腐体系等诸多参数，每一个参数都有相当多的不确定性，这可能导致结构性能评估中存在较大的不确定性。结构可靠度计算结果很大程度上取决于考虑的随机变量和分析中采用的模型，这就是为什么在不同国家或地区的设计规范中采用了不同的目标可靠度。为了考虑这些不确定性，可以采用时变可靠度来比较不同方案在特定时间点的结构性能，对此笔者提出了基于可靠度的全寿命设计框架，通过将桥梁结构使用至某一时间段的可靠度与规范要求的目标可靠度进行比较，可直观反映设计方案与养护维护方案的合理性(图6)。

图5 桥梁全寿命设计框架

图6 基于可靠度的全寿命设计框架

总体而言，我国桥梁全寿命研究发展的特点是：

(1)在科学发展观思想的指导下首次对桥梁全寿命进行系统性研究。

(2)系统性研究中投入了大量科研人员和资金，取得了丰硕的成果，不仅完善了桥梁全寿命的基础理论体系，对其在实际工程中的应用也做了尝试。

(3)虽然理论基础已经建立，但受限于我国桥梁建设建管养分离的体系，并没有继续开展后续深入研究。

近年来国内外有不少学者开始将时变可靠度的方法引入全寿命设计，尝试参考承载能力极限状态的方法来进行全寿命设计。欧美等发达国家由于已经进入“管养为主阶段”，其研究主要集中在维护管理策略领域。随着我国桥梁逐渐步入“建养并重阶段”，养修压力日益加大，全寿命设计将为这一严峻挑战提供解决方法。

5 对我国桥梁全寿命设计研究和实践的建议

随着我国经济社会的快速发展，桥梁建设数量和保有量的日益增长，不仅要求桥梁在建设初期具有良好的使用性能，对其满足长期使用以及使用中方便维护维修等可持续发展方面也提出了更高要求。我国桥梁数量增长从20世纪80年代的改革开放初期开始步入快车道，这就意味我国将很快迎来短期内诸多桥梁需要维护更换的状况，这将对交通网络带来严峻考验。需要对维护更换问题进行科学部署和规划，本文仅就我国开展桥梁全寿命设计提出几点建议：

(1)将全寿命周期成本纳入到建设方案中进行比选。需要后期成本低的方案，在建设初期的投资成本往往是较高的。而当前工程建设体系中，特别是在招投标环节没有将可持续发展的理念纳入到建设方案评估中，这使得各投标单位只注重减少初始成本以期在竞争中占据优势，而不考虑后期使用和维护问题。应当在方案选择的招投标环节将可持续性作为考核项目，鼓励投标单位在建设初期就考虑整个寿命周期的长期使用问题。

(2)加强建管养部门之间的统筹规划。我国建管养分离的体系使得同一座桥在使用的不同时期会有不同的管理单位，不同单位仅考虑桥梁在自己管辖期间的使用性能成为桥梁运营过程中的普遍现象。桥梁的使用期往往很长，全寿命设计中需要统一规划，让其在运营管理各个阶段中有统筹和衔接。

(3)将基于可靠度的极限状态设计法纳入到全寿命设计中。基于可靠度的极限状态方法已经广泛的应用于各国的设计规范的制定，全寿命设计方法可以借鉴基于可靠度的承载能力极限状态或正常使用极限状态设计方法，以目标可靠度指标的简明形式比较不同全寿命设计方案的可靠性，方便其在工程实践中的应用。