基于全寿命周期的桥梁安全和耐久性设计研究

2020-09-07林政园肖光术冯玉龙

公路工程 2020年4期

林政园，肖光术，冯玉龙，刘璐

（1.中国公路工程咨询集团有限公司北京 100089；2.武汉理工大学交通学院湖北武汉 430000）

0 引言

随着我国基础设施的不断完善，桥梁的数量也在不断增加。桥梁作为一种跨越障碍物的重要结构物，其安全性和耐久性对道路的通行能力和行车安全都有直接的影响。随着使用年限的增加，一些桥梁的使用寿命和使用性能与最初设计出现了较大的出入，严重影响桥梁的正常运营，面对如此严峻的工程考验，我们不得不重新审视过去的桥梁设计思路和管理模式，从过去的分阶段设计转向全寿命周期设计。所谓桥梁的全寿命设计理论可以定义为：从桥梁的规划、设计、施工、使用期管理，直到拆除和材料回收再利用的各个环节来寻求恰当的方法和措施，以满足桥梁全寿命周期的总体性能最优的设计理念和方法［1-3］。张禹［4］将全寿命周期设计应用于项目成本管理中，表明该方法取得了良好的经济效益；于泽［5］在借鉴机场工程设计施工的基础上，通过计算机建模和实验模拟的方法，提出了全寿命周期经济性分析，崔钢［6］在对混凝土及预应力混凝土桥梁从设计施工到运营成本分析的基础上，对混凝土桥梁的全寿命周期成本分析做了深入研究，并给出了全寿命周期内最低成本的解决办法；毛江鸿［7］从桥梁安全和耐久性方面入手，提出了桥梁从设计施工到运营的全过程控制技术；在通过对现有桥梁设计施工及养护方法和理论进行深入分析和大量研究，交通部出版了《桥梁全寿命设计指南》一书，用以指导桥梁设计。但从目前国内外研究现状看，这些研究大多集中在桥梁运营和阶段成本控制方面，很少对桥梁安全和耐久性有深入分析。本文从桥梁全寿命周期设计出发，系统介绍了该设计的内涵并与传统设计方法进行了对比，在此基础上给出了桥梁安全和耐久性设计，最后以日喀则地区某市政桥梁为例对其安全性和耐久性进行了设计研究。

1 桥梁全寿命周期设计研究

所谓的桥梁全寿命设计是指从桥梁规划、设计、建设、运营、管理及养护等全寿命周期内的各个环节中寻求恰当的方法和措施来实现桥梁在寿命周期（以设计使用寿命为准）内总体性能的最优（使用性能、经济性、人文、生态等）的一种设计理念和方法［8-9］。从桥梁的全寿命周期设计定义中可以发现，其需求主要表现在图1所示的以下几个方面。

图1 桥梁全寿命周期设计需求Figure 1 Bridge life cycle design requirements

表1 两种设计方法对比Table 1 Comparison of two design methods

通过图1和桥梁全寿命设计的定义可以发现，全寿命周期桥梁设计方法与传统桥梁设计方法存在许多不同之处，表1给出了两者的对比。

图2 全寿命周期设计流程Figure 2 Whole life cycle design process

根据不同阶段的设计任务和目的将全寿命周期设计分为工程可行性研究、初步设计和施工图设计3个相对独立的阶段，其设计内容又可分为使用寿命设计、性能设计、管养设计（检测、养护与维修设计），美学设计、环境生态设计和全寿命周期成本分析6大过程［10-12］，其具体过程可用图2表示。

2 桥梁安全和耐久性研究

桥梁的安全性是指其在正常使用极限状态和承载能力极限状态下仍然能够保证通行要求的性能。桥梁的安全性能是从外部作用效应和结构抗力角度衡量的。结构的功能函数可用式（1）表示。

式中：γ0为安全系数；S为结构效应函数；R为结构抗力函数。

基于桥梁全寿命周期的安全性贯穿于桥梁规划、设计、建设、运营、管理及养护各个阶段，在考虑效应函数时，不仅将传统设计方法中的永久作用、可变作用和偶然作用都计算在内，更应根据不同阶段内桥梁和环境的相互作用通过合理的设计方法将其列入设计效应函数内，这些作用包括温度作用、侵蚀作用等。

桥梁耐久性设计是指结构在使用一定年限后并与环境发生各种物理化学反应后仍然能保持其各项功能的能力。耐久性是从桥梁自身出发考虑结构抗力函数随时间的变化，其函数表达式见式（2）。

式中：R（t）为抗力函数；Kp为不确定系数；h0为计算有效高度；Fjk（t）为钢筋随时间屈服时屈服强度；fcd（t）为混凝土随时间破坏时抗压强度；b为界面总高度；φ（t）为钢筋与混凝土间的粘结力随时间变化函数。

按照设计顺序将桥梁全寿命周期耐久性设计分为5步，其流程图如3所示。第一步是确定桥梁的目标使用寿命，因为在不同的设计使用年限下，桥梁结构构造及材料等都存在一定差异，这直接影响到全寿命周期的成本，桥梁目标使用寿命确定后进一步确定各构件的使用寿命。耐久性设计的第二步是对桥梁进行环境效应调查分析，其调查任务和主要工作如表2所示。第三步根据调查结果确定影响桥梁耐久性的不同环境因素的权重，并根据权重系数建立功能退化模型。第四步制定桥梁耐久性设计方案，第五步制定管理养护方案和建议。

图3 桥梁耐久性设计步骤Figure 3 Durability design steps of bridge

表2 基于全寿命周期的环境分析Table 2 Environment analysis based on the whole life cycle

3 工程应用分析

某桥梁位于日喀则地区市政主干道上，根据规划需求，桥梁设计速度为60 km／h，荷载等级为城市-A级，桥梁设计基准期为100 a，设计安全等级为一级，地震加速度为0.1g，地震设防烈度为Ⅶ度，根据环境分析结果，桥梁所处环境类型见表3。

表3 桥梁环境分析Table 3 Bridge environment analysis

从上述调查中发现，影响桥梁耐久性的主要因素为气候环境条件，因此本工程的安全和耐久性设计方案采取以控制主要材料为主，并采取一定的构造措施的原则对结构进行安全和耐久性设计。设计中对混凝土各项指标做了明确规定，个别指标如混凝土中氯离子含量要高于规范要求值。结构中混凝土保护层是防止钢筋锈蚀，提高结构耐久性的重要构造措施，而本桥所处环境相对复杂，因此本工程中混凝土保护层厚度予以适当增加。对于伸缩缝，支座等橡胶构件，本工程在通过计算满足安全前提下采用优质橡胶材料构件，以提高耐久性。桥梁的管养方案主要包括养护、检查、监测、维修加固方案，本桥为市政公路桥梁，因此本桥养护及监测等周期和内容，根据相关养护规范并结合运营实际情况适当提高即可，表4给出了主要部件的维修设计频率。