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1、,桥梁全寿命设计方法及关键科学问题,陈艾荣,同济大学桥梁工程系 2005.11,前言 桥梁全寿命设计的概念与主要内容 桥梁全寿命设计的一般流程 桥梁结构生命周期确定 基于全寿命的桥梁耐久性设计理论 全寿命桥梁风险评估与保险策略 桥梁全寿命成本分析 桥梁生命周期养护管理 生态设计 结束语,前 言,桥梁使用中的问题,传统桥梁设计理念建管养分离的体制关注使用效果的养护策略,根本原因,考虑可持续发展问题，需要把传统的短期方法拓展到结构的整个使用寿命期， 引入全寿命设计方法,桥梁全寿命设计的概念与主要内容,桥梁全寿命设计的基本流程,桥梁全寿命的设计方法与传统设计方法的比较,桥梁全寿命设计的概念与主要内容
2、,从桥梁结构设计和管理、建设和运营的各个环节来寻求恰当理论和措施来满足桥梁结构全寿命周期的总体性能最优（经济性、人文、生态等）的设计理念及其设计方法。,桥梁全寿命设计,桥梁全寿命设计的概念与主要内容,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,1）确定桥梁工程的目标 2）确定研究时间段的长短 3）建立多个可选的投资计划 4）计算寿命周期成本 5）计算可选方案的现金流 6）进行可选方案的收益评估 7）进行寿命周期成本比较 8）确定最终目标,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,需求分析,调查桥梁应具有的社会服务功能 调查对象为桥梁的使用者 此时由设计者提供技术支持,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,需求
3、分析,功能说明,将公众需求转换为技术功 如桥梁宽度、荷载等级等技术标准,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,需求分析,功能说明,技术说明,将功能要求转换为技术要求 明确技术性能的特性和结构方面的要求,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,需求分析,功能说明,技术说明,方案设计,建立桥梁可选方案、结构系统 概念设计在这个阶段十分重要 它直接影响到桥梁的经济性、美学及结构功能的优劣,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,需求分析,功能说明,技术说明,方案设计,方案构件寿命优化,1）确定桥梁设计寿命的要求 2）将桥梁按使用寿命等级分成不同的构件 3）确定各个构件的设计寿命期成本（包括财物和环境） 4）确
4、定各个构件的可选使用寿命 5）基于最小总成本，确定各个构件的优化使用寿命,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,需求分析,功能说明,技术说明,方案设计,方案构件寿命优化,方案多目标决策,多标准分析、优化及决策 从初始成本、全寿命成本、寿命期环境影响及寿命期性能评价等多个方面进行评价和选择,桥梁全寿命设计的一般流程,投资规划,需求分析,功能说明,技术说明,方案设计,方案构件寿命优化,方案多目标决策,最终方案细节设计,针对不同性能要求进行结构模块进行综合设计 1）考虑未来需求变化的设计 2）静力、动力及抗震设计 3）进行耐久性设计 4）安全设计 5）使用手册及维护计划 6）结构再利用及再循环设计,桥
5、梁使用寿命与生命周期的确定,桥梁构件和桥梁的退化模型（不考虑退化曲线的形状）,采取维修或更换措施的生命周期状况的典型模型,如何确定桥梁结构（构件）的使用寿命？,SomerVille（英国）,设计人员需提出工程设计对象的设计使用寿命，并采取相应措施满足耐久性要求设计人员应对桥梁不同部件在使用寿命上进行分类设计人员需向业主提出各个部件的寿命明细表，对可维护或可替换的部件，提出维护或替换的期限和方法。,设计使用寿命的几点考虑：,桥梁使用寿命与生命周期的确定,使用寿命确定的流程,使用寿命的实现,桥梁使用寿命与生命周期的确定,基于全寿命的桥梁耐久性设计理论,在最普遍的意义上指其维持初始性能（包括安全性、
6、适用性及美观）的能力从专业研究及便于量化的角度结构在外界环境及其他因素（设计预期的正常荷载）共同作用下，在同样（或等效的）的建设和运营维护总成本（寿命周期总成本）下，保持设计预期的安全性、适用性的能力（表现为使用时间的长短）。,耐久性定义,基于全寿命的桥梁耐久性设计理论,结构耐久性研究,材料层次的研究混凝土碳化，钢筋锈蚀，混凝土冻融破坏研究最多的是大气环境中混凝土的碳化和钢筋的锈蚀构件层次的研究对锈蚀后的钢筋混凝土构件的力学性能进行了大量试验结构工程学科的研究对结构进行安全性或耐久性评估局部现场荷载试验解决新建混凝土结构设计中的耐久性计算,基于全寿命的桥梁耐久性设计理论,传统设计与耐久性设计的
7、区别与联系,传统桥梁结构设计方法的本质是基于构件强度的设计耐久性与强度是两个不同的概念耐久性设计必须基于传统设计的结果耐久性设计是针对某个时间段的设计传统的结构设计是针对某个点的设计最终的立脚点都在桥梁的基本设计参数上二者的影响因素并不完全相同二者是既有区别又有联系,基于全寿命的桥梁耐久性设计理论,基于使用寿命设计和全寿命经济性控制的耐久性设计新思路,用普通的力学设计结构尺寸： 静态、疲劳、动态。得到： 结构初步尺寸、配筋量和部位、混凝土强度,普通的力学设计,耐久性设计,最终设计,1、确定目标和设计使用寿命； 2、环境作用分析； 3、劣化机理的确定； 4、依据劣化机理确定耐久性模型： 5、确定
8、耐久性参数,考虑到耐久性设计结果，重新从力学角度确定结构尺寸；检查结果及进行可能的修改，基于全寿命经济性进行设计优化。,桥梁风险评估和保险策略研究,桥梁工程风险构成统计分析收集以往发生的桥梁事故资料,建立各类桥梁风险构成的基本模型施工和运营阶段典型风险事件风险概率模型建立典型桥梁在施工和运营阶段典型风险事件,如地震、风致灾害、船撞、洪水等的风险概率模型施工和运营阶段典型风险事件风险损失模型结合定性和定量方法，并尽量建立定量的、可以用货币价值表达的损失模型施工和运营阶段风险评估方法研究建立比较完善的桥梁风险评估方法，探索一套符合桥梁工程特点的桥梁施工和运营阶段的风险评估方法桥梁工程保险策略研究确
9、定桥梁工程业主保险策略,桥梁全寿命成本分析,全寿命成本分析与成本-效益分析比较,桥梁全寿命成本分析,全寿命成本构成,桥梁全寿命成本分析,全寿命成本分析模型,桥梁生命周期养护管理,养护策略,结构的生命周期性能在很大程度上依赖于养护 在设计阶段，首要的是要引入生命周期养护 养护工作需要不同于设计的思路,养护计划和费用,养护历史桥梁的固有性能和其通常的状态对交通的影响养护时机和方案的选择一次性投入和日常工作费用的计算,桥梁生命周期养护管理,养护工作分类,桥梁生命周期养护管理,Bergg（1990）循环式构件更换微小的结构改善主要的结构改善桥梁加固和更换,DTp（英国）静态养护评估和加固升级不合格的特
10、征参数,推荐！,马尔可夫链与养护方案间的关系,养护方案,桥梁生命周期养护管理,养护策略,桥梁生命周期养护管理,全寿命成本的监测、维护与管理理念桥梁维护策略每到性能降低至目标值才进行维护当桥梁性能降低到一定程度但高于目标值时即进行维护两种方法结合使用,区分构件的不同类型（永久还是可换）区分各种方案的不同效果（性能与寿命）基于使用期成本最优原则的最佳维护时机、维护方法和策略优化,整体管理策略中，管理系统应当包括：设计阶段定义的基本的养护计划估计使用寿命通过施工期桥梁监控得到的所有耐久性和结构性能结果它们将会在其整个使用寿命期间不断更新,管理策略,桥梁生命周期养护管理,生态设计的内涵,生态设计,桥梁
11、生态观点 考虑对象建筑材料、桥梁构件和桥梁 考虑阶段建设、使用、破坏和再利用 考虑内容技术、经济和生态“桥梁生态设计” 主题 减少对地球资源与环境的负荷和影响 创造健康、舒适的使用环境 与自然环境相融合,重要依据：生态周期评估,生态周期评估,生态设计,认识到在设计时考虑桥梁构件和结构体系的回收再利用可能性是很重要的。 回收再利用的等级水平越高，回收再利用的生态和经济效益也就越高。 桥梁设计者通过选择结构体系、构件类型及其连接、材料可以影响再利用性和可循环性。 通过基于性能和使用寿命的原则，桥梁构件可以分成不同的再利用性和可循环性类别。,生态设计中的再利用和循环利用,生态设计,桥梁全寿命设计理论与方法的研究是桥梁建设发展的需要 衡量桥梁的指标 桥梁全寿命性能 桥梁全寿命成本 桥梁全寿命设计理论与方法研究的意义,结束语,谢 谢！,
