基于全寿命周期的桥梁安全和耐久性设计研究

任 慧

(山西交通科学研究院集团有限公司，山西 太原 030006)

1 全寿命周期设计

全寿命周期设计指的是从最初的规划设计，到中期建设，再到后期运营及管理养护，在每个环节当中都寻求一种合适的方法使桥梁在整个寿命范围内都达到性能最优，是一种全新的设计理念及方法。该设计方法和传统意义上的桥梁设计，有很大不同，主要表现在以下几个方面。

从时间范畴角度讲，传统设计方法基本不考虑荷载在时间上的分布，而全寿命周期设计方法是一个连续的周期；从阶段划分角度讲，传统设计方法只考虑施工与成桥两个工况，而全寿命周期设计方法除了考虑施工和成桥，还考虑后续的运营、养护管理及拆除等每个阶段；从安全性角度讲，传统设计方法只考虑因荷载变化导致的结构内力改变，而全寿命周期设计方法考虑的结构内力与抗力伴随时间变化而产生的改变；从环境保护角度讲，传统设计方法并未考虑，而全寿命周期设计方法对所有阶段的环境保护都实施了深入分析及具体考虑；从耐久性角度讲，传统设计方法主要是以过去的工作经验为依据，对细节的考虑往往不周，而全寿命周期设计方法能从不同的细节入手对耐久性设计予以综合考虑；从经济性角度讲，传统设计方法主要考虑的是设计与施工产生的成本，而全寿命周期设计方法综合考虑包含施工、运营、养护管理与拆除在内所有阶段对应的成本；从适用性角度讲，传统设计方法以结构内力控制为主，而全寿命周期设计方法根据桥梁结果结果为依据，从病害分析这一角度入手。

按照不同阶段对应的设计目的及任务，可将全寿命周期设计初步分成三个阶段，第一阶段为工可研究；第二阶段为初步设计；第三阶段为施工图设计。在设计内容方面，还可进一步分成以下六个过程：(1)使用寿命设计；(2)性能设计；(3)养护管理设计；(4)美学设计；(5)环境生态设计；最后是全寿命周期成本分析。

2 安全与耐久性分析

桥梁安全性指的是在正常使用极限状态与承载力极限状态依然可以满足通行要求的性能，需要从外部作用与结构抗力两个角度来综合衡量。桥梁安全系数和结构效应及结构抗力函数之间的关系为

γ0S≤R

(1)

式中:γ0表示桥梁安全系数；S表示结构效应函数；R表示结构抗力函数。

由于以全寿命周期为基础的桥梁安全性涉及每个阶段，所以对于效应函数，除了要计算采用传统设计方法时需要计算的偶然作用、永久作用及可变作用，还要以不同阶段中桥梁与环境之间的相互作用为依据采用适宜的设计方法将其列入到设计效应函数当中，如侵蚀作用与温度作用。

对桥梁而言，其耐久性指的是结构在连续使用一定时间后，其结构可能和环境产生不同的物化反应，此时依然可以保持基本使用功能的能力，需要从自身角度出发对结构抗力函数和时间之间的关系进行考虑，具体的抗力函数可表示为

(2)

式中:R(t)表示抗力函数；Kp表示不确定系数；h0表示计算有效高度；Fjk(t)表示钢筋屈服过程中的屈服强度；fcd(t)表示混凝土破坏过程中的抗压强度；b表示界面的总高度；φ(t)表示钢筋和混凝土之间粘结力和时间的变化关系。

按照基本的设计顺序，可以将桥梁以全寿命周期为基础的耐久性分析初步划分成以下步骤。

(1)明确桥梁使用寿命，当桥梁设计使用年限有所不同时，无论是结构构造还是所用材料都将存在很大差异，进而对桥梁的全寿命周期成本造成影响，所以在明确了桥梁的目标寿命后，即可确定不同构件对应的寿命。

(2)对桥梁开展环境效应调查工作，不同调查任务对应的主要工作为：在地理环境调查过程中，需通过对桥梁所在地理环境开展的调查，经分析确定环境中存在的可能对桥梁耐久性造成影响的因素；在大气环境调查过程中，主要是排查桥梁所在地区大气环境中可能对桥梁耐久性造成影响的因素，比如有害气体类型及其浓度和相对空气湿度；在气候环境研究过程中，需要分析桥梁所在地区的环境温度与实际冰冻情况，并由此确定具体的冰冻深度和冲刷深度；在构造分析过程中，应确定对结构耐久性明显有利，而且不容易产生病害缺陷的结构类型；在材料选择过程中，应优先选择技术可行且经济合理的类型，在条件允许的情况下，可以使用新材料，因为某些新材料和传统材料相比，能在减少成本并降低施工难度的基础上，提高桥梁的耐久性，避免由于某个结构或构件老化、破坏而对桥梁整体耐久性的不利影响；

(3)以之前取得调查结果为依据确定所有可能对桥梁耐久性造成影响的各因素的权重大小，并根据权重系数进行功能退化模型的构建；

(4)编制耐久性设计方案；

(5)编制管养方案，并提出合理化的建议。

3 实例分析

某桥梁设计时速60 km/h，设计基准期100 a，安全等级一级，通过环境分析可得桥梁所在地区环境类型：因跨越城市道路，所以桥墩处可能由于个体原因产生撞击与剐蹭等不同病害；桥梁所在地区大气中CO2实际浓度为0.04%，没有可能对桥梁耐久性造成影响的有害气体；桥梁所在地区的气候类型为温带大陆性干旱气候，春季多风、冷暖频繁变化、夏季高温、蒸发作用强、秋季晴日多、昼夜温差大、冬季很冷，日照充足；桥梁上部结构为小箱梁，先简支后连续，下部结构为柱式墩和桩基础；桥梁的箱梁和湿接段均采用强度等级为C50的混凝土，承台、横隔板与桩基础都采用强度等级为C30的混凝土，钢筋主要有良好类型，即HRB335钢筋与R235钢筋。

根据以上调查结果可知，对桥梁耐久性有较大影响的因素是气候环境条件，安全与耐久性设计需将材料控制作为核心，并采取有效构造措施。在设计过程中，先明确各项技术指标的要求，对于某些关键指标，应比规范提出的要求略大。在结构当中，保护层作用在于避免钢筋锈蚀，是保证结构耐久性最常用也是最重要的一项构造措施，但该桥所处地区的环境较为复杂，所以建议增加保护层的厚度。对于支座和伸缩缝，由于采用的都是橡胶构件，所以需要在确认满足安全要求的基础上优先考虑优质橡胶材料，用于提高桥梁的耐久性。对于桥梁管养方案，考虑到该桥属于市政桥梁，所以养护和监测方面的内容，以相关规范为依据结合具体运营状况进行适当提高。不同部件对应的维修设计频率为：主梁维修频率为每年1次，横隔板维修频率为每年1次，盖梁维修频率为两年1次，承台维修频率为两年1次，桩基维修频率为两年1次。

4 结 语

综上所述，桥梁的全寿命周期设计包含每个阶段，相较于传统的设计方法，无论是安全性还是耐久性，都有着明显的优势。安全与耐久性设计需要通过对结构效应及抗力函数的计算来定义，建立结构抗力与时间的关系函数，以全寿命周期的不同阶段为依据可将耐久性设计分成五个步骤。