陳艾榮,王玉倩,吳海軍,阮 欣

(1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,上海 200092;2.重慶交通大學(xué) 結(jié)構(gòu)系,重慶400074)

在各國現(xiàn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工規(guī)范中,涉及耐久性及設(shè)計(jì)使用壽命的內(nèi)容很少;在中國的橋梁建設(shè)實(shí)踐中,橋梁及構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的制定往往為業(yè)主單位的單方面要求,缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論支持.對于橋梁結(jié)構(gòu),不同組成構(gòu)件在使用過程中有不同的退化模式,在維護(hù)管理及更換方面有明顯的差異,因此對不同橋梁構(gòu)件分別制定合理的設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)當(dāng)是橋梁耐久性設(shè)計(jì)的第一步,對降低橋梁壽命周期成本有著重大意義.本文采用了如下方法:首先明確橋梁及橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的概念,調(diào)查國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際使用壽命和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命建議值,進(jìn)行橋梁構(gòu)件劃分和耐久性分類,研究影響橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件壽命的因素,最終得到能夠確定考慮各種因素影響的,壽命周期成本最優(yōu)的橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的兩種方法.

1 橋梁及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命

在英國的建筑物耐久性標(biāo)準(zhǔn)[1]中,按照工程參與各方的不同關(guān)注,提出了使用壽命應(yīng)分為要求使用壽命、預(yù)期使用壽命和設(shè)計(jì)使用壽命三類.雖然歐洲國家的不少技術(shù)文獻(xiàn)[2-4]都采用這一界定,但長久以來,國內(nèi)工程界一直習(xí)慣地將設(shè)計(jì)使用壽命等同于要求使用壽命即業(yè)主或使用者對橋梁及結(jié)構(gòu)使用壽命的目標(biāo)要求.橋梁結(jié)構(gòu)是由多個(gè)構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),各構(gòu)件因功能和材料的不同在使用壽命及維護(hù)管理要求上有很大的差異,因此單用一個(gè)橋梁整體設(shè)計(jì)使用壽命約束所有構(gòu)件是不合理的.設(shè)計(jì)者需要對橋梁各構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命進(jìn)行優(yōu)化以平衡初始建造成本和使用期的維修及社會(huì)成本,從而達(dá)到壽命周期經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的目的.據(jù)此,橋梁及橋梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命可以定義為,設(shè)計(jì)人員用以作為橋梁及橋梁構(gòu)件耐久性設(shè)計(jì)的依據(jù)并具有足夠安全裕度或保證率的目標(biāo)使用年限.

2 國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的實(shí)際工作壽命及設(shè)計(jì)使用壽命建議值

1998 年 10 月 ,《Concrete International》雜志發(fā)表了美國從1950～1994年修建的各類跨度大于6m的327 829座橋梁的結(jié)構(gòu)缺陷率和使用壽命期望值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5],指出:美國公路橋梁中,鋼筋混凝土橋的期望壽命基本在70～80年之間,其平均值為75年;預(yù)應(yīng)力混凝土橋的期望壽命在65～100年;美國公路鋼橋的使用壽命期望值約為65年.日本學(xué)者Yoshito Itoh等[6]指出,日本傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)整體使用壽命為60年,普通鋼筋混凝土橋面板在低污染大氣環(huán)境作用下的山區(qū)為60年,在沿海及城市地區(qū)為40年,鋼支座的使用壽命為30年,伸縮縫的使用壽命為10～20年,普通瀝青混凝土橋面鋪裝使用壽命為10年.文獻(xiàn)[7]中對荷蘭橋梁庫中79座已到壽命期的混凝土橋梁進(jìn)行了研究,得出,雖然設(shè)計(jì)使用壽命多為80～100年,荷蘭橋梁的使用壽命期望值僅為41年,方差系數(shù)為0.3.這些橋梁廢棄的主要原因并不是技術(shù)性的失效,而是功能更換或是經(jīng)濟(jì)性的要求,比如因不在預(yù)期之內(nèi)的重型交通量增長導(dǎo)致的承載力不足.這種情況很容易導(dǎo)致對橋梁使用壽命的低估;同時(shí),也說明定義過高的設(shè)計(jì)使用壽命往往是沒有必要,也是不經(jīng)濟(jì)的.

1998年底,我國共有公路橋梁21萬余座,其中危橋4 105座.2000年底,我國共有公路橋梁27萬余座,危橋9 597座,占橋梁總數(shù)的 3.44%.到 2007年底,全國共有橋梁57萬余座,其中危橋?yàn)?8 623座,占總數(shù)的17.3%.這些橋梁的實(shí)際使用年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限(50年或100年)[8-9].

此外,對于橋梁的設(shè)計(jì)使用壽命,英國在《鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋?qū)嵤┮?guī)范》(BS5400)中提出的使用壽命目標(biāo)要求橋梁具有接受概率的不經(jīng)維修而安全運(yùn)營的最低期限為120年[5].美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)LRFD鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(AASHTO)[10]主要基于疲勞考慮,規(guī)定公路鋼橋的設(shè)計(jì)使用壽命為75年.對于橋梁設(shè)計(jì)使用壽命,我國僅在《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[11]中規(guī)定大型橋梁、高速和一級公路上的橋涵、城市干線上的大型橋梁和大型立交橋的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)不小于100年,二級和二級以下公路以及城市一般道路上的橋涵的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)不小于50年.

3 橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的確定方法

3.1 橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的計(jì)算方法

本文討論橋梁的設(shè)計(jì)使用壽命將基于技術(shù)使用壽命層面,以在正常使用情況下不需要經(jīng)過大修、加固或更新的承載能力極限狀態(tài)作為設(shè)計(jì)壽命終止的條件.提出了橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的兩種建議計(jì)算方法,即直接法和簡化法.確定橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的計(jì)算方法如圖1所示,虛線表示直接法計(jì)算流程,實(shí)線表示簡化法計(jì)算流程[12].在有條件有必要的情況下,應(yīng)首選直接法對比選的橋梁或橋梁構(gòu)件壽命方案的壽命周期成本進(jìn)行計(jì)算,選擇經(jīng)濟(jì)性最好的方案;其次也可以采用簡化法進(jìn)行粗略估計(jì).對于表2中未涉及的橋梁構(gòu)件,則須對其壽命方案的壽命周期成本進(jìn)行計(jì)算,選擇經(jīng)濟(jì)性最好者.

圖1 確定橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的計(jì)算流程圖Fig.1 Calculation f low chart to determ ine design service life o f bridge elem ents

此外,橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命不是彼此獨(dú)立的,具有一定的耦合性.維修、更換作業(yè)往往都需要封閉車道或限制車速,造成較大的社會(huì)成本;原材料購置、運(yùn)輸、施工機(jī)械租賃等也因數(shù)量增加而產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng);多個(gè)作業(yè)同時(shí)進(jìn)行和單個(gè)作業(yè)分別進(jìn)行所耗費(fèi)的時(shí)間和金錢(社會(huì)成本和業(yè)主成本)往往不和作業(yè)數(shù)量成正比關(guān)系.對于直接法來說,為橋梁或橋梁構(gòu)件制定壽命方案時(shí),宜按照維修、更換工藝統(tǒng)一籌劃,為耦合關(guān)系強(qiáng)的構(gòu)件群(如橋面系)設(shè)計(jì)聯(lián)合壽命方案.簡化法中宜將耦合關(guān)系強(qiáng)的構(gòu)件壽命進(jìn)行統(tǒng)一,相近的合并,長壽命構(gòu)件的壽命取為短壽命構(gòu)件的倍數(shù).此外,簡化法計(jì)算結(jié)果可能是不以年為單位的整數(shù),為設(shè)計(jì)施工方便起見宜取為整數(shù),且宜將可更換構(gòu)件的壽命規(guī)劃為橋梁整體壽命的約數(shù).

3.2 橋梁構(gòu)件的劃分和耐久性設(shè)置

橋梁構(gòu)件的劃分國際上通常采用按結(jié)構(gòu)體系劃分和按構(gòu)件特點(diǎn)劃分兩種方法.按結(jié)構(gòu)體系劃分是我國較為傳統(tǒng)的做法,即先按橋梁類型劃分為梁橋、拱橋、纜索承重橋和附屬設(shè)施,再具體列出各自包含的構(gòu)件;這是因?yàn)槲覈F(xiàn)有橋梁大多是混凝土橋梁,而混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有形狀不定的特點(diǎn),難以從構(gòu)件角度進(jìn)行劃分.按構(gòu)件特點(diǎn)劃分則是美國AASHTO規(guī)范[10]中采用的方法.

[5]從不同構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的維護(hù)、更換等設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則,將一般橋梁構(gòu)件按耐久性特征歸結(jié)為以下幾種類型:①Ⅰ類構(gòu)件.不可維護(hù)、終生性構(gòu)件(如樁基礎(chǔ));無法養(yǎng)護(hù)且需維持至設(shè)計(jì)壽命周期結(jié)束的構(gòu)件.②Ⅱ類構(gòu)件.可維護(hù)、終生性構(gòu)件;需要管養(yǎng)否則無法維持至設(shè)計(jì)壽命周期結(jié)束的構(gòu)件.③Ⅲ類構(gòu)件.可維護(hù),非終生性構(gòu)件;需要簡單維護(hù)、周期性更換的重要受力或傳力構(gòu)件.④Ⅳ類構(gòu)件.可維護(hù),非終生性構(gòu)件;需要周期性更換的次要受力或傳力構(gòu)件.

以目前的設(shè)計(jì)、施工現(xiàn)狀以及材料的生產(chǎn)工藝和水平,結(jié)合構(gòu)件更換、維護(hù)和加固的經(jīng)濟(jì)性,加之考慮到橋梁結(jié)構(gòu)和各種構(gòu)件的實(shí)際使用情況,可將國內(nèi)常見橋梁體系主要構(gòu)件的分類及耐久性類別進(jìn)行歸納,見表1.

表1 國內(nèi)常見橋梁體系主要構(gòu)件及其耐久性類別建議Tab.1 Recomm endation on the durability characteristics and classification of comm on bridge elements in ordinary dom estic bridge system s

3.3 橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命的簡化法建議公式

在相關(guān)數(shù)據(jù)積累和分析的基礎(chǔ)上,參考?xì)W洲、美國及日本相關(guān)機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域的結(jié)論及分析成果,基于壽命周期成本分析法的相關(guān)原理,給出適用于我國實(shí)際情況的橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命建議公式如下:

式中:L為橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命建議值;C為修正系數(shù),C1,C2,…,Cn為對橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的使用壽命有影響的n個(gè)影響系數(shù),其中:C1為氣候影響系數(shù),C2為橋位小環(huán)境系數(shù),C3為養(yǎng)護(hù)系數(shù),C4為重要性系數(shù),C5為更換難易系數(shù);L0為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命建議值(即C取1.0時(shí)的構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命建議值),具體取值見表2.

3.3.1 氣候影響系數(shù)C1

對于混凝土構(gòu)件來說,溫度越低,氣候越濕潤,碳化發(fā)生越慢,則合理的構(gòu)件設(shè)計(jì)壽命就越長;對于鋼構(gòu)件來說,溫度越低,氣候越干燥,表面腐蝕速度越慢,則合理的構(gòu)件設(shè)計(jì)壽命就越長.基于上述原理,可將構(gòu)件的氣候影響系數(shù)按材質(zhì)分為兩類.文中的L0以北溫帶濕潤區(qū)為基準(zhǔn),建議氣候影響系數(shù)取為0.9～1.1之間.

3.3.2 橋位小環(huán)境系數(shù)C2

環(huán)境條件越惡劣,為保證既定壽命花費(fèi)的成本就越高,則合理的構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命就越短,故橋位小環(huán)境系數(shù)就越小.基于《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[11]中環(huán)境作用的分類標(biāo)準(zhǔn),本文中的L0以可忽略的環(huán)境作用為基準(zhǔn),建議橋位小環(huán)境系數(shù)取為0.6～1.0之間.

3.3.3 養(yǎng)護(hù)系數(shù)C3

養(yǎng)護(hù)措施越先進(jìn)合理,養(yǎng)護(hù)效果就越好,成本就越高,故其預(yù)期的使用壽命就越長.將養(yǎng)護(hù)條件劃分為無養(yǎng)護(hù)、簡單維護(hù)和周期性詳盡檢查維護(hù)三種.本文中的L0以無養(yǎng)護(hù)條件為基準(zhǔn),建議養(yǎng)護(hù)系數(shù)取為1.0～1.2之間.

3.3.4 重要性系數(shù)C4

對于不同等級的橋梁,其初始業(yè)主成本和重建導(dǎo)致的業(yè)主成本及社會(huì)成本都隨橋梁重要性等級大幅上升,故重要性較高的橋梁及其永久性構(gòu)件需賦予相應(yīng)較高的設(shè)計(jì)使用壽命.同時(shí),由于橋梁并不能脫離其所在的公路系統(tǒng)而發(fā)揮作用,其重要性系數(shù)的選取也需考慮所在公路系統(tǒng)的重要性.根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60—2004)[13],目前我國的橋梁按跨徑可分為特大橋、大橋、中橋和小橋四種,以重要性最低的小橋?yàn)榛鶞?zhǔn),建議取用1.0～2.0的重要性系數(shù).

3.3.5 更換難易系數(shù)C5

因?yàn)槊糠N橋梁構(gòu)件的更換難易程度彼此不同,此分類僅針對不同橋梁上的同種構(gòu)件進(jìn)行比較.文中的L0以中等更換難度為基準(zhǔn),建議對于可更換的橋梁構(gòu)件取用0.8～1.5的重要性系數(shù).取值時(shí)應(yīng)考慮交通量大小、施工難易程度、橋梁重要程度等因素,力圖平衡初始業(yè)主成本、更換時(shí)的業(yè)主成本和更換導(dǎo)致的社會(huì)成本.

3.3.6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命建議值

上述各系數(shù)的取值和表2中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命建議值主要考慮了目前橋梁的實(shí)際使用壽命和專家意見.其中,永久性構(gòu)件如主梁、主塔等的設(shè)計(jì)使用壽命即為橋梁整體的設(shè)計(jì)使用壽命.表2中設(shè)計(jì)使用壽命建議值是基于C=1.0的條件下給出的,即針對北溫帶濕潤區(qū)、可忽略的橋位小環(huán)境作用、無養(yǎng)護(hù)、重要性系數(shù)為1.0的橋梁整體和其永久性構(gòu)件,或者中等更換難易程度的可更換構(gòu)件.

表2 公路橋梁主要構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命建議值Tab.2 Recommended design service life of p rim ary highway bridges elemen ts 年

需要說明的是,影響橋梁構(gòu)件使用壽命的因素除了上述提到的5個(gè)外,還可能有其他影響因素留待以后研究補(bǔ)充.

4 橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命算例

4.1 工程概況

某跨海工程全長36 km,雙向6車道,由非通航區(qū)域的梁式橋和通航區(qū)域的纜索承重橋組成.為進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì),應(yīng)在初步設(shè)計(jì)完成后對該跨海工程進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命研究.

4.2 構(gòu)件劃分及耐久性設(shè)置

按照本文3.2節(jié)相關(guān)研究和該跨海工程構(gòu)件的特點(diǎn),對其主橋(北航道橋和南航道橋)和引橋主要構(gòu)件進(jìn)行了劃分和耐久性設(shè)置,見表3.據(jù)此采用簡化法計(jì)算主要構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命,采用直接法計(jì)算特殊構(gòu)件風(fēng)障的設(shè)計(jì)使用壽命.

4.3 簡化法計(jì)算主要構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命

查表取得基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命值、氣候影響系數(shù)、橋位小環(huán)境系數(shù)、養(yǎng)護(hù)系數(shù)、重要性系數(shù)和更換難易程度系數(shù)后,得到 L1的初步計(jì)算結(jié)果,見表3.根據(jù)前面提出的簡化法對于構(gòu)件壽命耦合關(guān)系的處理原則,將該跨海工程主橋和引橋永久構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命統(tǒng)一為120年;將橋面鋪裝和伸縮縫設(shè)計(jì)使用壽命統(tǒng)一,并使防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)使用壽命為其倍數(shù);將斜拉索和支座設(shè)計(jì)使用壽命定為橋梁整體設(shè)計(jì)使用壽命的約數(shù).由此得到該跨海工程主要構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命L.

表3 某跨海工程主要構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命計(jì)算表Tab.3 Ca lcu lation sheet of design service life for prim ary m embers in a certain sea-c rossing p roject

4.4 直接法計(jì)算風(fēng)障構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命

該跨海工程使用期間將受到多變的海上天氣條件的不利因素的影響,行車風(fēng)安全問題比較突出,故決定在特定位置布設(shè)風(fēng)障來保證行車風(fēng)安全[14].因?yàn)轱L(fēng)障不屬于常規(guī)構(gòu)件,其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用壽命無法查表2并由公式(1)計(jì)算得出,需要使用直接法對其進(jìn)行不同壽命方案的壽命周期成本分析以便選擇.

4.4.1 方案介紹

根據(jù)所采用障條的不同分為設(shè)計(jì)使用壽命20年的方案1和設(shè)計(jì)使用壽命15年的方案2.初始建設(shè)成本見表4.因?yàn)閮煞N方案的風(fēng)障尺寸、布設(shè)方式完全相同,故假定對側(cè)風(fēng)有完全相同的導(dǎo)流作用,即具有相同的經(jīng)濟(jì)效益.

4.4.2 方案壽命周期成本計(jì)算

根據(jù)壽命周期成本分析法,風(fēng)障壽命方案的壽命周期成本應(yīng)當(dāng)是,在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)因風(fēng)障壽命方案而產(chǎn)生的所有成本的現(xiàn)值.由此,各風(fēng)障壽命方案的壽命周期成本可表示為

式中:CL表示各設(shè)計(jì)方案的壽命周期成本;CO表示業(yè)主成本;CS表示社會(huì)成本.

為計(jì)算各風(fēng)障壽命方案的壽命周期成本,以下將逐項(xiàng)計(jì)算業(yè)主成本和社會(huì)成本.

業(yè)主成本應(yīng)包括工程建設(shè)階段的設(shè)計(jì)、材料購置、安裝等費(fèi)用和后期維護(hù)、重新購置以及由于風(fēng)障在交通事故中被破壞而需修復(fù)的費(fèi)用(本文暫不考慮).社會(huì)成本則應(yīng)包括更換風(fēng)障時(shí)因阻礙交通而導(dǎo)致的運(yùn)輸成本增加、貨物和旅客時(shí)間價(jià)值損失、事故人員傷亡損失、事故車輛直接損失和其他車輛延誤損失.本文中暫只考慮因阻礙交通而導(dǎo)致的運(yùn)輸成本增加和事故人員死亡損失,且不考慮數(shù)據(jù)的隨機(jī)性.由文獻(xiàn)[15]基本數(shù)據(jù)計(jì)算業(yè)主成本、社會(huì)成本和壽命周期總成本見表4.

由表4可以看出,盡管方案1的壽命周期業(yè)主成本高于方案2,但其方案壽命周期總成本小于方案2.根據(jù)壽命周期成本最小原則應(yīng)選擇壽命為20年的方案1.

表4 兩種風(fēng)障壽命方案的壽命周期總成本Tab.4 Life-cycle cost for either life scheme o f w ind shielding screen 萬元

5 結(jié)語

隨著對橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性、經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步研究,通過對橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件制定合理的設(shè)計(jì)使用壽命從而保證橋梁結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性也日益得到認(rèn)可.

(1)對橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命確定方法作了框架性研究,提出了兩種壽命確定方法并舉例說明了其應(yīng)用.

(2)直接法的結(jié)果比簡化法更為準(zhǔn)確.有必要有條件時(shí)應(yīng)首選直接法,基于壽命周期成本分析法(LCCA)選擇壽命周期經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的壽命方案.

(3)基于專家意見對簡化法建議公式中幾個(gè)影響系數(shù)及基礎(chǔ)使用壽命建議值作了初步的建議,它們的具體取值可以通過橋梁數(shù)據(jù)庫的完善、橋梁及橋梁構(gòu)件使用壽命數(shù)據(jù)的豐富而趨于準(zhǔn)確,最終使得所確定的設(shè)計(jì)使用壽命兼顧橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、使用性和耐久性.

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