全寿命的桥梁设计过程

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1、全寿命的桥梁设计过程近年来，世界各国（特别是处于基础设施维护阶段的欧美发达国家）普遍发现，现有桥梁存 在使用性能差、使用寿命短、全寿命经济性指标差等问题（与最初的规划和设计预期有很大 差异），已经严重影响了桥梁正常服务功能的发挥，并且给养护、维修等后期运营管理带来 巨大的经济和社会负担。严峻的现实对桥梁的建设者提出了巨大的挑战，人们开始反省以往桥梁建设和管理存在的问 题。传统的桥梁设计程序只关注施工阶段，其首要目标是在规划和施工期间优化效率和使成 本最小化，设计中只重视建设期安全和强度，而忽视结构耐久性、可养护性和可更换性;仅 考虑建设期的建筑安装费用，而未能考虑建设工期、运营阶段维修养护、构

2、件更换等方面的 费用差异;建、养分离，只考虑短期投资，而未考虑长期的经济效益。可见，传统的桥梁设 计理念和建管体制是目前桥梁出现各种问题（尤其是耐久性问题）的关键。因此，要解决桥 梁的耐久性问题，除了从加强管理、提高施工和技术水平上下功夫外，还要从根本上改观， 从对结构设计的研究入手。我国正处于桥梁等基础设施建设的高峰时期，大量的桥梁已在近20年建成，已修建的桥梁 面临着如何保证其使用寿命及使用期间的安全、耐久及维护管理的经济性问题:而大量的待 建桥梁则面临着如何确保全寿命各个阶段的安全、耐久和经济的问题。因此，为了可持续发 展，需要把传统的短期方法拓展到结构的整个使用寿命期，考虑建设的所有方

3、面，从规划、 设计、施工和使用期管理，一直到拆除和材料的回收再利用进行基于全寿命的桥梁设计。 桥梁设计理念的发展设计是工程的灵魂。这个“灵魂”的作用体现在，设计是桥梁建设的前提，是工程管理的龙 头，是工程质量的基础。设计搞得好不好，不仅影响到桥梁建设的各个环节，还直接影响到 后期的运营管理。可以说，设计是整个桥梁建设项目的“纲”。纲举才能目张。 没有好的设计，就不可能有高品质的建设成果。设计工作做好了，就能为整个桥梁项目的建 设和管理工作奠定良好的基础。因此，桥梁设计理念的发展对桥梁建设起着至关重要的作用。 目前的桥梁设计理念还不能适应社会进步和时代发展的要求，考虑工程本身、专业内部要求 较多

4、，从全社会、环境保护角度考虑较少，环保意识、服务意识、安全意识、资源忧患意识 不足，对自然尊重不够，工程大挖大填现象比较突出；“用心”设计不够，设计“制作”多 于“创作”、“粗放”多于“精细”，有特点有特色的设计少，照抄照搬现象较多;在技术标准 指标掌握上，不能因地制宜，生搬硬套现象较普遍。传统的桥梁设计是基于“现状设计”的， 主要关心的是如何将结构设计好，施工好，使其发挥应有的作用。在设计中往往注重荷载等 级，平、纵、横等设计指标和标准等成桥时性能而忽视使用期性能，忽视桥梁与周遍环境的 协调和自身美学等因素；注重初期设计与施工的投入，忽视桥梁运营管理和维修改造成本； 注重建设期的安全和强度，

5、忽视使用期的结构耐久性及使用寿命;注重建设速度，忽视维修 改造时的服务水平以及交通阻塞对行车、人的环境影响评估等。因此导致了现有桥梁存在使 用性能差、使用寿命短、全寿命经济性指标差等问题，已经严重影响了桥梁正常服务功能的 发挥，并且给养护、维修等后期运营管理带来巨大的经济和社会负担。但随着时间的推移和经验教训的积累，许多混凝土桥梁，特别是处于腐蚀性介质环境中（如 海洋环境）的结构，均出现不同程度的耐久性不足的问题。很多现有桥梁的混凝土构件出现 了严重的使用性问题或在使用仅15-20年后就失效了，根本的问题是目前混凝土桥梁的设计 和细部构造不能提供设计寿命期内所需的耐久性。这就促使桥梁工程师们在

6、注重安全性能的 基础上，开始了桥梁耐久性的研究，并在设计中引入了耐久性设计的理念。在设计理念中引 入耐久性，使得桥梁设计开始以桥梁的使用寿命长短来衡量桥梁设计的优劣。但安全性能设 计和耐久性设计仅是桥梁设计的两个重要过程，并不是桥梁设计的全部。根据可持续发展的思路，桥梁设计既要考虑当前发展的需要，又要考虑今后发展的需要;既 要考虑桥梁的成桥性能，也要考虑桥梁使用期间的性能;既要考虑当前的利益，也要考虑后 期的风险;既要重视桥梁建设的初始造价，又要考虑到生命周期内所需的费用，即要以桥梁 生命周期性能与成本作为衡量桥梁性能和成本的指标，并以此来评价桥梁的优劣及经济性。 因此，为了可持续发展，需要把

7、传统设计只关注施工阶段的短期方法拓展到结构的整个使用 寿命期，考虑桥梁建设的所有方面，从规划、设计、施工和使用期管理，一直到拆除和材料 的回收再利用，进行基于全寿命的桥梁设计。根据桥梁全寿命的思想，桥梁全寿命设计是针对桥梁的整个寿命期，对桥梁建设的规划、设 计、施工和使用期管理，一直到拆除和材料的回收再利用等各个阶段和各个方面进行设计。 综上所述，桥梁设计理念的发展可分为三个阶段:第一阶段是传统的、只注重强度设计的短 期方法，第二阶段是基于全寿命的桥梁设计阶段，第三阶段则是真正针对桥梁的规划、设计、 施工、运营，一直到拆除和回收再利用的整个生命周期进行全寿命设计。国外很早就开始桥梁全寿命方面的

8、研究，并取得了大量的研究成果，但其研究主要集中在退 化结构的养护、维修和管理以及生命周期成本分析方面，从设计角度对桥梁进行全寿命设计 的研究则较少。国内对于桥梁全寿命方面的研究，起步较晚，目前大多研究仍停留在概念层次上，缺少可操 作性强的研究成果和方法。根据交通部的设想和要求，2004年4月，同济大学与其他单位联合进行了 “桥梁工程全寿 命设计理论与方法”研究课题的可行性研究，2004年9月交通部科教司下达交通部科技项 目任务书，项目完成时间为2007年12月。要求研究成果具有实用性、可操作性，能直接用 于桥梁工程设计。基于全寿命的桥梁设计研究现状在现行的一些设计规范中规定了结构的设计寿命。美

9、国AASHTO规范虽然从1991年起规定了公路桥梁的设计寿命为75年，但主要是从钢筋的疲劳角度考虑到桥梁的通车次数。相对来 说，欧洲各国设计规范对设计寿命的要求比较明确，对多数桥梁结构的要求为50年，重要 桥梁等为100年。我国新颁布的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定桥梁 的设计基准期为100年。这些要求或规定通常是根据结构功能陈旧的估计时间得到的，其实是代表了业主和使用者的 愿望而不是合理的设计准则。为了对一个新建结构做出更直接的设计寿命的规定， Somerville认为必须量化侵蚀作用并通过与强度、刚度和使用性能相似的方式来处理。业主应当知道结构需要使用多久，从而需要一个性能规

10、划来预测在其整个设计寿命中将需要 什么样的养护处理。结构实际能使用的时间可能大于或小于设计寿命，从而引出了使用寿命的概念。最早的明确 的结构使用寿命概念之一是由Fagerlund提出的。目前已经建立了几个使用寿命的定义，最 简单的一个是美国混凝土学会采用的：“结构执行预定功能的时间期限”。随后，大量的研究 人员、国际专业组织对使用寿命方法进行了研究，其成果已经反映在一些现行的规范中。其 中欧洲混凝土委员会（CEB）在过去几十年里己经努力提高了对结构寿命的理解，其工作主 要体现在CEB第20号报告:耐久性和使用寿命实施、混凝土结构的CEB模式规范中。其中MC90中己经用一章的篇幅对耐久性加以规定

11、，并提出了使用寿命设计的专门建议，从 而建立了第一代使用寿命设计方法，它是通过选择适当数量和类型的防护措施以确保需要的 使用寿命。后来，这个第一代使用寿命设计方法通过考虑在概率层次上模拟扩散和退化机理 的处理以及考虑参数和模型的不确定性、采用基于可靠度的使用寿命设计进行评估以实现耐 久性设计，从而得到了第二代使用寿命设计方法一基于可靠度的耐久性设计方法。在各国现行的结构设计和施工规范中，专门针对使用寿命的内容很少，设计和施工所强调的 多是如何保证荷载作用下的强度，而没有明确的设计使用寿命的规定，包括美国混凝土协会（ACI）规范的现行版本在内。设计规范中对寿命的要求（除疲劳外）只是隐形的体现在对

12、 材料（强度等级、配比特别是最大水灰比和最小水泥用量、原材料选择和掺合料与引气剂等 外加剂的使用）的要求和限制，以及对混凝土保护层厚度和其他一些构造要求上。这些要求 有些与不同的环境条件挂钩，有些则不作明确解释，而且一般都没有和使用寿命的长短相联 系。现行施工规范的要求很少关心耐久性，养护不良、钢筋位置变动的允差（保护层变化） 等，均会对耐久性和使用寿命造成极其严重的伤害。此外，现在也非常关注通过构件的可更换性概念来延长使用寿命。从使用寿命的角度看，还 应要求设计能提出使用过程中的维修管理等内容，这是因为结构的寿命应该与正常的维修有 关。各国将使用寿命列为重要发展议题的原因，主要是来自于各国桥

13、梁维护管理费用不断增 加，所以必须寻找合理的新建桥梁设计使用寿命值，与延长既有桥梁使用寿命的方法，以帮 助减少相关费用。现以欧洲、美国与日本地区为例，其桥梁结构使用寿命的发展特性。过去，大量的研究是针对桥梁建筑材料的极限能力的，大大减少了严重的桥梁结构倒塌问题。 然而，桥梁使用性破坏的发生更频繁，而现行的设计规范只是肤浅地考虑了这个问题。工程师已经意识到，结构和侵蚀性环境间的相互作用不可避免地将导致结构材料老化和衰退。 Somerville在回顾了耐久结构设计现状时发现，尽管渗透性被认为是重要的参数，规范却 没有规定其取值。相反，耐久性通过4个“C”，来规定:一混合料组成（Composite）

14、;二保 护层（Cover）；三压实（Compaction）；四养护（Curing）。随后又增加了第5个“C”，裂缝（Crack）。1989年，Maunsell&Parnters根据业主委托所做的200座桥梁的性能调查报告显示:混凝土 桥梁正在遭受不只限于特定的地域、特定的设计类型或特定的荷载条件的重大耐久性问题， 根本的问题是目前混凝土桥梁的设计和构件细部不能提供其设计寿命所需的耐久性。从此开始了 “耐久性设计”理论的研究。对于桥梁结构耐久性的关注己经集中在桥梁“如何（how）”，“为何（why）”和“何时（when）”退化。现在主要关注退化如何发生及其退化率。引入退化率即时间参数是理解桥梁结

15、构耐久性的重要一步，它使得非定量的耐久性问题可以 通过一个使用寿命的问题量化处理。结构耐久性设计方法尚处于发展阶段，在设计中目前大体有四种处理方法:宏观控制方法、 基于材料退化过程分析的设计方法、指数评定法和基于随机动态可靠度方法的耐久性设计方 法。虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构的耐久性要求，但是，这一宗旨并 没有充分地体现在具体设计条文中，致使在以往的、乃至现在的工程设计中普遍存在重视强 度设计而轻视耐久性设计的现象。我国以前的规范中涉及结构耐久性的内容很少，除了一些 保证结构耐久性的构造措施的一般规定之外，只对影响混凝土耐久性的裂缝宽度加以控制。 实践证明，裂缝控制对结

16、构耐久性设计并不起决定性作用。新颁布的公路钢筋混凝土及预 应力混凝土桥涵设计规范增加了耐久性设计内容，耐久性设计与施工指南提出的混凝 土结构应根据不同设计年限及相应的极限状态和不同的环境进行类别及其作用等级进行耐 久性设计的概念，明确提出了环境作用下混凝土结构的耐久性设计与施工的基本原则与要求， 是结构设计理念上的重大突破，对提高设计质量具有指导意义。吴海军提出了对桥梁构件进行耐久性等级分类的原则和方法、桥梁典型构件的耐久性设置标 准及维修养护特征。提出了从体系及构造细节、防水性能、可换性、可检性等角度进行耐久 性设计的原则与方法，分析了具体的设计措施、全寿命成本的构成、计算公式与计算过程， 提出了从全寿命多个方面来确保结构耐久性的全面的桥梁耐久性设计方法框架。在20世纪60和70年代，新建结构的设计、施工是主要趋势。在近十年内，人们已经认识 到钢筋混凝土结构正在遭受大量的侵蚀作用，从而使结构不能有效地满足预期的目标。现在，很多结构正在逐渐老化，积