任 慧

(山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006)

1 全壽命周期設計

全壽命周期設計指的是從最初的規(guī)劃設計，到中期建設，再到后期運營及管理養(yǎng)護，在每個環(huán)節(jié)當中都尋求一種合適的方法使橋梁在整個壽命范圍內(nèi)都達到性能最優(yōu)，是一種全新的設計理念及方法。該設計方法和傳統(tǒng)意義上的橋梁設計，有很大不同，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

從時間范疇角度講，傳統(tǒng)設計方法基本不考慮荷載在時間上的分布，而全壽命周期設計方法是一個連續(xù)的周期；從階段劃分角度講，傳統(tǒng)設計方法只考慮施工與成橋兩個工況，而全壽命周期設計方法除了考慮施工和成橋，還考慮后續(xù)的運營、養(yǎng)護管理及拆除等每個階段；從安全性角度講，傳統(tǒng)設計方法只考慮因荷載變化導致的結構內(nèi)力改變，而全壽命周期設計方法考慮的結構內(nèi)力與抗力伴隨時間變化而產(chǎn)生的改變；從環(huán)境保護角度講，傳統(tǒng)設計方法并未考慮，而全壽命周期設計方法對所有階段的環(huán)境保護都實施了深入分析及具體考慮；從耐久性角度講，傳統(tǒng)設計方法主要是以過去的工作經(jīng)驗為依據(jù)，對細節(jié)的考慮往往不周，而全壽命周期設計方法能從不同的細節(jié)入手對耐久性設計予以綜合考慮；從經(jīng)濟性角度講，傳統(tǒng)設計方法主要考慮的是設計與施工產(chǎn)生的成本，而全壽命周期設計方法綜合考慮包含施工、運營、養(yǎng)護管理與拆除在內(nèi)所有階段對應的成本；從適用性角度講，傳統(tǒng)設計方法以結構內(nèi)力控制為主，而全壽命周期設計方法根據(jù)橋梁結果結果為依據(jù)，從病害分析這一角度入手。

按照不同階段對應的設計目的及任務，可將全壽命周期設計初步分成三個階段，第一階段為工可研究；第二階段為初步設計；第三階段為施工圖設計。在設計內(nèi)容方面，還可進一步分成以下六個過程：(1)使用壽命設計；(2)性能設計；(3)養(yǎng)護管理設計；(4)美學設計；(5)環(huán)境生態(tài)設計；最后是全壽命周期成本分析。

2 安全與耐久性分析

橋梁安全性指的是在正常使用極限狀態(tài)與承載力極限狀態(tài)依然可以滿足通行要求的性能，需要從外部作用與結構抗力兩個角度來綜合衡量。橋梁安全系數(shù)和結構效應及結構抗力函數(shù)之間的關系為

γ0S≤R

(1)

式中:γ0表示橋梁安全系數(shù)；S表示結構效應函數(shù)；R表示結構抗力函數(shù)。

由于以全壽命周期為基礎的橋梁安全性涉及每個階段，所以對于效應函數(shù)，除了要計算采用傳統(tǒng)設計方法時需要計算的偶然作用、永久作用及可變作用，還要以不同階段中橋梁與環(huán)境之間的相互作用為依據(jù)采用適宜的設計方法將其列入到設計效應函數(shù)當中，如侵蝕作用與溫度作用。

對橋梁而言，其耐久性指的是結構在連續(xù)使用一定時間后，其結構可能和環(huán)境產(chǎn)生不同的物化反應，此時依然可以保持基本使用功能的能力，需要從自身角度出發(fā)對結構抗力函數(shù)和時間之間的關系進行考慮，具體的抗力函數(shù)可表示為

(2)

式中:R(t)表示抗力函數(shù)；Kp表示不確定系數(shù)；h0表示計算有效高度；Fjk(t)表示鋼筋屈服過程中的屈服強度；fcd(t)表示混凝土破壞過程中的抗壓強度；b表示界面的總高度；φ(t)表示鋼筋和混凝土之間粘結力和時間的變化關系。

按照基本的設計順序，可以將橋梁以全壽命周期為基礎的耐久性分析初步劃分成以下步驟。

(1)明確橋梁使用壽命，當橋梁設計使用年限有所不同時，無論是結構構造還是所用材料都將存在很大差異，進而對橋梁的全壽命周期成本造成影響，所以在明確了橋梁的目標壽命后，即可確定不同構件對應的壽命。

(2)對橋梁開展環(huán)境效應調(diào)查工作，不同調(diào)查任務對應的主要工作為：在地理環(huán)境調(diào)查過程中，需通過對橋梁所在地理環(huán)境開展的調(diào)查，經(jīng)分析確定環(huán)境中存在的可能對橋梁耐久性造成影響的因素；在大氣環(huán)境調(diào)查過程中，主要是排查橋梁所在地區(qū)大氣環(huán)境中可能對橋梁耐久性造成影響的因素，比如有害氣體類型及其濃度和相對空氣濕度；在氣候環(huán)境研究過程中，需要分析橋梁所在地區(qū)的環(huán)境溫度與實際冰凍情況，并由此確定具體的冰凍深度和沖刷深度；在構造分析過程中，應確定對結構耐久性明顯有利，而且不容易產(chǎn)生病害缺陷的結構類型；在材料選擇過程中，應優(yōu)先選擇技術可行且經(jīng)濟合理的類型，在條件允許的情況下，可以使用新材料，因為某些新材料和傳統(tǒng)材料相比，能在減少成本并降低施工難度的基礎上，提高橋梁的耐久性，避免由于某個結構或構件老化、破壞而對橋梁整體耐久性的不利影響；

(3)以之前取得調(diào)查結果為依據(jù)確定所有可能對橋梁耐久性造成影響的各因素的權重大小，并根據(jù)權重系數(shù)進行功能退化模型的構建；

(4)編制耐久性設計方案；

(5)編制管養(yǎng)方案，并提出合理化的建議。

3 實例分析

某橋梁設計時速60 km/h，設計基準期100 a，安全等級一級，通過環(huán)境分析可得橋梁所在地區(qū)環(huán)境類型：因跨越城市道路，所以橋墩處可能由于個體原因產(chǎn)生撞擊與剮蹭等不同病害；橋梁所在地區(qū)大氣中CO2實際濃度為0.04%，沒有可能對橋梁耐久性造成影響的有害氣體；橋梁所在地區(qū)的氣候類型為溫帶大陸性干旱氣候，春季多風、冷暖頻繁變化、夏季高溫、蒸發(fā)作用強、秋季晴日多、晝夜溫差大、冬季很冷，日照充足；橋梁上部結構為小箱梁，先簡支后連續(xù)，下部結構為柱式墩和樁基礎；橋梁的箱梁和濕接段均采用強度等級為C50的混凝土，承臺、橫隔板與樁基礎都采用強度等級為C30的混凝土，鋼筋主要有良好類型，即HRB335鋼筋與R235鋼筋。

根據(jù)以上調(diào)查結果可知，對橋梁耐久性有較大影響的因素是氣候環(huán)境條件，安全與耐久性設計需將材料控制作為核心，并采取有效構造措施。在設計過程中，先明確各項技術指標的要求，對于某些關鍵指標，應比規(guī)范提出的要求略大。在結構當中，保護層作用在于避免鋼筋銹蝕，是保證結構耐久性最常用也是最重要的一項構造措施，但該橋所處地區(qū)的環(huán)境較為復雜，所以建議增加保護層的厚度。對于支座和伸縮縫，由于采用的都是橡膠構件，所以需要在確認滿足安全要求的基礎上優(yōu)先考慮優(yōu)質(zhì)橡膠材料，用于提高橋梁的耐久性。對于橋梁管養(yǎng)方案，考慮到該橋?qū)儆谑姓蛄?，所以養(yǎng)護和監(jiān)測方面的內(nèi)容，以相關規(guī)范為依據(jù)結合具體運營狀況進行適當提高。不同部件對應的維修設計頻率為：主梁維修頻率為每年1次，橫隔板維修頻率為每年1次，蓋梁維修頻率為兩年1次，承臺維修頻率為兩年1次，樁基維修頻率為兩年1次。

4 結 語

綜上所述，橋梁的全壽命周期設計包含每個階段，相較于傳統(tǒng)的設計方法，無論是安全性還是耐久性，都有著明顯的優(yōu)勢。安全與耐久性設計需要通過對結構效應及抗力函數(shù)的計算來定義，建立結構抗力與時間的關系函數(shù)，以全壽命周期的不同階段為依據(jù)可將耐久性設計分成五個步驟。