基于全寿命设计方法的梁式桥概念设计研究

于科峰，赵淑丽

（1.烟台市规划设计研究院有限公司，山东烟台264003；2.山东中盛项目管理有限公司，山东烟台264000）

基于全寿命设计方法的梁式桥概念设计研究

于科峰1，赵淑丽2

（1.烟台市规划设计研究院有限公司，山东烟台264003；2.山东中盛项目管理有限公司，山东烟台264000）

研究桥梁全寿命设计方法的理论框架，对桥梁结构的全寿命周期、全寿命设计基本原则和方法、全寿命设计性能指标、全寿命设计与传统设计方法的差别等进行探讨和分析。提出基于全寿命设计方法的梁式桥概念设计，对使用寿命、结构整体布置、混凝土梁桥概念设计等进行探讨，促进全寿命理念在桥梁设计中的应用。

桥梁；全寿命；梁式桥；概念设计；经济性；美观性

0 引言

桥梁设计对保证桥梁结构的运营安全和长期性能具有重要作用。然而，随着我国经济建设发展和公路交通运输量的增长，各类桥梁结构面临的运营环境愈加复杂和恶劣。大部分桥梁在运营过程中已经出现了很多种类的病害，如梁体开裂、钢筋锈蚀、保护层脱落、长期下挠、桥面系病害等。有些病害会直接影响桥梁结构的使用安全，因而不得不定期对桥梁进行养护与加固，付出较大的管养成本；有些病害虽然不直接影响结构的使用安全，却极大降低了桥梁的使用性能，进而大大折减了其使用寿命。这些病害问题的出现以及运营过程中所需成本的提高，使得人们开始深入思考产生问题的原因及相应的处理对策，研究如何更好地从桥梁设计、施工、运营、管理等角度出发，寻找较为合适的切入点，以降低桥梁病害的发生，提高其使用性能和耐久性能，延长结构的使用寿命。

全寿命的结构设计思想在近年来得到了大量的认可和推广。桥梁全寿命设计就是从桥梁的整个生命周期（规划、设计、施工、使用、拆除及重建）为着立点，寻求恰当的措施和方法，以满足桥梁全寿命周期的总体性能，如安全、使用、耐久、经济、美观等，是一种最优化的设计理念和方法[1,2]。

本文以桥梁全寿命设计方法为理论框架，首先对全寿命设计理念的关键问题，包括其寿命周期、设计方法和过程、与传统设计方法的不同等层面分别进行探讨；其后，总结全寿命设计方法的梁式桥梁概念设计，分析从全寿命角度来考虑如何对梁式桥进行设计，以提高目前面大宽广的梁式桥梁的使用寿命和运营性能。

1 全寿命设计方法的理论框架

建立桥梁全寿命设计方法的基本理论框架，重点探讨其中全寿命周期、全寿命设计基本原则和方法、全寿命设计性能指标及全寿命设计方法与传统设计方法的差别。

1.1 桥梁结构的全寿命周期

桥梁在时间域上的表现阶段称为全寿命周期。根据桥梁结构特点，其全寿命周期主要包括规划、设计、施工、使用、拆除/倒塌等阶段，如图1所示。其中规划、设计和施工阶段对桥梁性能产生直接影响，是基本前提；使用阶段的环境作用、养护维修对结构的性能具有间接影响，也是维持桥梁性能的重要条件。从使用阶段开始的桥梁寿命则称为使用寿命[3]。

图1 桥梁全寿命周期的主要阶段

桥梁的性能状态在整个全寿命周期内是变化的。在设计和规划阶段达到预想的结构性能，随着运营使用和外部环境的作用，结构性能会出现退化，但是通过采用维修更换及加固等措施，桥梁的使用性能又可以得到提升和改变。整个生命周期的桥梁性能演化如图2所示。

图2 桥梁性能的全寿命周期演变规律

传统的设计方法不考虑桥梁性能在运营使用过程中的退化，按照当时的荷载等级和标准确定桥梁的设计等级，仅能够满足当时的运营条件。而随着社会发展和需求增加，这些结构在恶劣的运营环境下就会提前出现系列病害，直接影响结构的性能，进而使得桥梁性能严重退化，不能继续承载现有或原来的荷载等级。这便需要花费较多的人力、财力和物力进行性能提升和维持，这些成本甚至远远高于原来的设计成本，造成不经济[4]。全寿命设计思路则考虑了桥梁结构未来在运营过程中面临的诸多可变作用特点和运营环境的改变，并通过运营过程中有效的结构加固和管理养护，使得最终桥梁能够达到预期的使用寿命，同时使全寿命成本达到最优。

1.2 桥梁全寿命设计的基本原则和方法

桥梁全寿命设计考虑了规划、设计、施工和运营各个阶段，且以结构综合性能为目标进行设计优化，主要考虑桥梁的安全性、使用性、耐久性、经济性、美观性和可持续性。安全性、使用性和耐久性可以概括为可靠性。可靠性是桥梁设计的首要目标，应该满足安全性得到保障，使用性和耐久性合理。在保障桥梁可靠性的基础上进行全寿命经济优化和费用分配，并根据具体情况进行美观设计，符合环境和生态保护要求，达到可持续性。

因此，全寿命的设计方法就是以可靠性、经济性、美观性和可持续性为优化目标，建立权重函数关系，通过对设计、施工和运营方法的调整和优化，达到最佳。

1.3 全寿命设计性能指标

全寿命设计的性能指标是开展全寿命设计的基本标准，包括安全性指标、使用性指标、耐久性指标、经济性指标、美观性指标和可持续性指标。

安全性指标主要考察结构承载力与荷载效应的关系，建立可靠度函数进行概率评估；使用性指标是结构的应力水平、变形和变位等工作状态在全寿命过程的演变；耐久性指标是结构抗力与耐久度的比值，用作结构耐久性设计标准；经济性指标则是桥梁的投入成本与全寿命成本的动态关系；美观性指标则是主观上的判断，通常不做定量性描述；可持续性指标则主要分析结构的材料和能源消耗，及其造成的环境和生态影响等指标。

这些结构性能指标的建立是进行全寿命设计方案优化的基础前提，为全寿命设计提供了数学基础。

1.4 与传统设计方法的比较分析

全寿命设计方法与传统设计方法的差别见表1。从这些比较中可以更加明确全寿命设计理念的思路。

表1 全寿命设计方法与传统设计方法的比较

2 全寿命设计方法的梁式桥概念设计

开展全寿命设计方法的梁式桥设计，需要明确各类构件的使用寿命，并进行结构总体布置，再针对混凝土梁桥开展全寿命理念的概念设计。

2.1 使用寿命的确定

结构的使用寿命应该是在正常的设计、施工、运营和维护的条件下设计预定的使用年限。根据桥梁构件的重要性及其所处的体系，设计使用寿命也有所不同，假定桥梁的寿命为100 a。

对于永久性构件，一般需要大于或等于桥梁的整体使用寿命。对于无法进行维护和难以进行养护的构件，可以设定大于桥梁的整体寿命，如100～150 a，例如桥梁的基础、承台、桥墩及有粘结的预应力钢筋等；对于可以进行维护和定期养护、检测、加固、维修的，可以设定和桥梁的整体使用寿命相同（100 a），例如桥墩、盖梁等。

对于非永久性构件，其使用寿命往往设定小于桥梁的整体寿命，因为设置与桥梁整体使用寿命相同将会造成非常的不经济。其中，更换代价较高或者难以进行更换的，可以设定小于等于桥梁的整体寿命如80～100 a，例如混凝土桥面板；对于可以进行正常更换的次重要构件，可以设定小于桥梁使用寿命如30～80 a，例如伸缩缝、人行道板、桥面铺装、支座等；对于可以正常更换的构件，可以设定较低的使用寿命如10～30 a，例如排水系统、检修车、照明系统等。

根据构件的重要性和运营特点，设定不同的使用寿命，可以更加明确地知道全寿命成本的目标，为桥梁建设、运营和管理提供支持。

2.2 梁式桥整体布置

桥梁的整体布置是进行概念设计的关键，包括立面、平面和横断面的设计。这些宏观层次的设计对于桥梁的安全、使用和耐久性起到了决定性作用。

首先，需要选择适宜的结构体系。梁式桥中有简支、悬臂、连续、刚构等体系，而结构的整体性也越来越好，从受力角度适用的经济跨径也越来越大，需要根据设计要求选择适宜桥型。

其次，应该积极设计整体式桥梁。整体式桥梁不需要伸缩缝和支座，这使得结构的整体性很好，有效地避免了因为伸缩装置导致的桥面行车不连续的问题。此外，开发整体式梁桥需要关注其长期耐久性能。

最后，积极设计节段拼装式桥梁。节段拼装桥梁适用于工业化建造，对于改善现有的施工建造效率和设计水平具有重要意义，但需要关注突发地震等自然灾害下节段拼装桥梁的安全性能。

2.3 混凝土梁桥概念设计

混凝土材料仍然是中小跨径梁式桥梁的主要建造材料，因此这里针对混凝土梁桥采用全寿命理念开展设计探讨。

（1）材料的选用及防护。全寿命理念不仅注重安全性，还特别关注耐久性。开展混凝土梁桥的耐久性设计需要根据桥止环境进行材料的综合选用和防护。选择高性能或者抗腐蚀、碳化的混凝土材料，并提高混凝土的保护层厚度，采用长效防腐涂层保护混凝土等措施，建立耐久性的混凝土构件全寿命设计理念。

（2）预应力设计体系。为了使混凝土梁桥跨越能力增大，一般需要采用预应力进行加强。常用的预应力体系有体内有粘结预应力、体内无粘结预应力和体外预应力。体内有粘结预应力可以采用先张法和后张法，都是依靠预应力钢筋与混凝土间的粘结作用传递荷载和保持预应力，一般没有明显的薄弱环节。体内无粘结预应力需要确保预应力的防腐蚀等耐久性能，因此一般在全长涂有特制的防锈材料，以及外套防老化的塑料管，可以自由伸缩变形。体外预应力则需要保证可以检测、可以调整、可以更换和可以施工，需要满足良好的耐久性能和适应性能，体外预应力目前的应用越来越广泛。

3 结语

我国早先建设的桥梁在运营过程中出现诸多病害问题，需要花费很大的财力、人力和物力进行结构性能的维持。桥梁的设计应该以全寿命设计理念为支持。论文探讨了桥梁全寿命设计方法的理论框架，并针对梁式桥的概念设计提出全寿命设计过程，以提高目前梁式桥梁的设计质量，满足桥梁全寿命的综合性能要求。

[1] 徐国平,刘明虎,耿爽.桥梁工程全寿命设计方法[J].公路,2007(10):1-4.

[2] 吴培峰.基于全寿命设计方法的梁式桥概念设计研究[D].上海：同济大学,2007.

[3] 王敏.混凝土梁式桥基于全寿命设计理论的若干问题[D].武汉：武汉理工大学,2012.

[4] 卢永东,李晔.基于全寿命的桥梁设计过程及其在混凝土连续梁桥中的作用[J].黑龙江科技信息,2011(13):289.

U448.21

B

1009-7716（2017）11-0059-03

2017-07-16

于科峰（1978-），男，山东烟台人，高级工程师，从事路桥设计工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.017