桥梁全寿命设计有关问题的探讨

戴万江 陈 飞

（中国公路工程咨询集团有限公司1） 北京 100097） （嘉兴学院建筑工程学院2） 嘉兴 314001）

全寿命设计方法将“全寿命性能设计”的概念引入桥梁设计、施工和维护管理的工程实践中，将会使桥梁寿命期的服务水平和长期投资控制得到更有力和更全面的保证，也会使人们对桥梁的功能和性能状况的认识提升到一个更高的高度，并使寿命周期内的成本花费更加合理，符合桥梁建设以人为本、节约资源的科学发展要求，因而有长远的理论和工程价值.全寿命桥梁设计方法的创新将是21世纪桥梁可持续发展和技术进步的一个重要标志.

从经济方面考虑，以桥梁服务水平为约束条件，以寿命周期成本总值最小为目标是桥梁全寿命设计新的理念.它是以最小的全寿命投入，获取最优的桥梁长期服务水平这一性能为目标的设计方法.该方法的实现不但能降低桥梁寿命周期总投入，而且将大大提高社会及公众的满意度.

从寿命周期内的性能指标上讲，全寿命设计研究的主要目的之一就是建立定量的理论分析方法，以计算和判定结构的耐久性能，从而人为地设计结构的耐久能力、控制结构的老化过程、预测结构的全寿命使用性能.对在役桥梁结构的耐久性评估，一方面可以揭示潜在的危险，为业主提供准确的信息以便及时做出维修加固或拆除的决策，避免重大事故的发生；另一方面，其研究成果可以直接用于指导桥梁结构的设计和维护［1］.

1 桥梁的使用现状与问题

美国近些年的调查与分析发现，在其总计约60万座的桥梁中，有20万座被美国联帮公路总局确定为不符合要求，12万5千座被认为具有结构缺陷，每年需更换5～8千座，至少需要90亿美元来解决这些问题.在印度，大约10%的公路桥梁需要替换，另有10%的桥梁有损伤迹象.而澳大利亚有60%地方公路桥梁使用年限超过50a，大约55%的高速公路桥梁使用超过20a，有证据显示随着使用年限的增加，结构逐渐劣化并产生腐蚀、疲劳、损伤和其他形式的性能退化，在澳大利亚NSW州急需约3 000万美元来加固有缺陷的桥梁.

在我国，大部分建国后兴建的桥梁，已有相当数量发生老化、损坏，承载能力明显降低.在20世纪50、60年代修建的混凝土桥梁，标准普遍偏低，且有不同程度的破损，这些低标准的桥梁，正处在超负荷运营阶段［2－3］.目前我国正处于桥梁建设的高峰时期，大量的在役与待建桥梁可能面临着如何保证其全寿命期间的安全性、耐久性及维护管理的严重问题.如钟祥汉江公路大桥主桥，见图1.

该桥为五孔一联的预应力混凝土连续箱梁桥，桥跨布置为65m＋3×100m＋65m，桥面净空为9m＋2×1.5m.1990年10月28日正式奠基，1993年11月18日竣工通车，建成后实际造价5 650万元.

图1 钟祥汉江公路大桥主桥

2003年5月以来，大桥跨中下挠，关键部位出现开裂.箱梁腹板开裂，中间三跨跨中底板横向贯通开裂，而且跨中底板裂缝活动性明显；中跨跨中底板大面积砼剥落；两个次边跨下挠严重；箱梁接缝质量状况较差.经鉴定为危桥，失去维修价值，上构于2005年予以拆除，为目前国内拆除的规模、跨径最大的桥梁.

该桥功能失效原因是多方面的.混凝土强度达不到要求，而且离散性较大；灌浆不饱满（相当钢束大部分未灌浆）、预应力钢束得不到有效保护而导致其锈蚀是其中的两个主要原因.

该桥的实际寿命约11a，远小于其设计寿命.这引起了国内学者的高度关注，也提出了对全寿命设计有关问题的探讨：混凝土、钢束的腐蚀机理研究、在役结构的健康状况评价和剩余寿命预测、结构性能的防护措施研究等.

2 国内外全寿命研究的有关问题

2.1 寿命周期成本分析方法

寿命周期成本（life cycle cost，LCC）及全寿命经济观点首先由美国军方于20世纪60年代提出，经过几十年的不断努力发展完善，寿命周期成本分析方法在美国、欧盟、日本等发达国家获得了快速的发展，能够通过基于可靠度的成本最优有效地和现实地管理桥梁网.实施全寿命成本方法对于处理桥梁建设中短期效益和长期效益的关系，有很好的现实指导意义，也是在基础设施建设方面，逐渐提高我国的技术水平和管理能力，与国际接轨的重要方面.

全寿命成本主要是由从结构建造到结构生命周期结束的所有期望值的现值的总和组成，为了比较不同选择结构的总寿命周期成本，将成本简单的表述为现值（PV）和未来值（FV）.寿命周期成本分析的总目标是提供一个成本——效益分析的工程方法，能够从经济学的角度考虑分配不同的成本，包括设计、营运、检测、养护、维护、改造和整个设计基准期的劣化与失效.这种方法将优化技术和概率方法结合一起，为决策者提供一个有效的经济评估工具，在收支平衡的基础上判断维护方案的优劣.

目前，在韩国钢桥的建造持续增长，很多研究者作出大量努力从事最优化算法研究，以达到钢桥初始成本最优化设计.但是，钢桥的有效寿命周期成本最优化设计模型到目前为止并没有完全研究成形，因此它所建立的模型和理论尚未达到实际应用阶段.理论上，考虑时间效应，例如时变耐久性，和考虑随机极限荷载影响的钢桥寿命周期成本建模十分困难，因为时间效应引起结构寿命周期内各种强度、疲劳、腐蚀、局部弯曲、稳定性等相关失效，进而带来高成本和缺乏成本数据的不确定评估.近几年，许多研究人员开始在周期成本有效性方面从事大量研究，主要是关于建筑结构的寿命周期成本模型和最理想的设计结构.但是，只有少数人研究桥梁系统的寿命周期成本有效性，而在这些研究中大多数不能实际应用到现实问题上，主要因为多数研究者集中在寿命周期成本有效性分析和设计的理论点上，而在实际实行时没有考虑现实制约因素.文献［4］提出一套钢桥周期成本有效性最优化设计的寿命周期成本方法，这种方法考虑在外界因素作用下桥梁可靠性的时间效应，例如腐蚀和重载运输.在寿命周期成本最优化的情况下，其功能组成为：初始成本，预期寿命周期维护成本，预期寿命周期可靠性成本，包括维修替换成本，意外损失，损伤损失，道路使用成本，间接社会经济损失.

2.2 寿命周期内的桥梁管理

经过长期的探索，人们认识到除了设计合理、施工得当、维护及时外，要从根本上解决实际问题，还需要加强桥梁建设管理的力度，改变桥梁建设管理的一些理念和习惯做法.为了维持结构的运营状态，决策者必须决定什么时候和怎么样维修、修复、替换或结束逐渐劣化的设施，桥梁管理所采用的方法在一定程度上决定了一项工程所能达到的服务水平［5］.因此，许多国家付出大量努力从事桥梁管理系统（BMS）的研究.并且在新的信息技术基础上，发展出一种桥梁全寿命管理系统（BLMS），它将桥梁全寿命信息分类为地质条件、设计、检测、维护、地震及桥型信息.每种信息数据可以随时独立恢复和更新，在桥梁寿命周期内其中一个阶段的信息能够有效利用于该周期的其他阶段，或者另一座桥的寿命周期内.寿命周期成本分析被广泛认为在桥梁管理中起着重要作用，然而由于缺少可靠稳定的成本数据，该方法的实现在目前还有一定的困难.未来桥梁全寿命管理系统的发展能够帮助收集处理必要的数值计算参数和数据，例如桥梁的劣化模型，寿命周期分析.事实上桥梁管理系统（BMS）的发展同样需要结构可靠度和寿命成本分析相关的预测性分析，例如，丹麦道路董事会采用概率为基础的桥梁管理来提高在役桥梁的容许荷载和延缓昂贵的维修和修复措施，欧洲提出的欧洲桥梁管理系统的结构根据危险评估、桥梁状态预测、预算约束方面最佳组合进行建模［6］.

2.3 基于可靠性的全寿命研究

为了达到服务期间劣化结构管理的合理支出，帮助管理者作出最恰当的决定，有效的成本评估方法十分必要.通常，劣化结构的寿命周期成本分析主要有建造成本，检测成本，维护成本，使用成本，失效成本.为了充分利用桥梁维护整修过程中各方面的协调产生的效应，实现现有劣化结构最优有效成本的全寿命设计，有关部门提出了各种设计管理办法，而大多数方法都基于主观的条件评估和经验模型来预测结构未来状况，这些方法主要集中在收集结构单元的数据信息，而不是整个结构系统的信息.另外，对主观条件的评估尺度需要专业的判断，不可避免会出现误差.全寿命周期研究的分析过程应该以量的数据为依据，必须采用不仅仅依赖于主观数据的研究方法，因此，以可靠性理念为基础的方法非常必要［7］.

科罗拉多州大学主要利用计算机程序，提出以可靠性为基础的劣化结构全寿命周期研究的分析方法，该方法根据在给定的时间范围内产生的各种影响，建立劣化结构失效模型的可靠性指数和成本描述.可靠性指数的迭加结合各种不同作用产生的效果，这些失效模型的可靠性描述统计在一起产生系统的可靠性描述.可靠性指数迭加方法通过结合发生在结构系统寿命周期内各种作用的影响，有效地评估整个系统的可靠性指数.目前已经开发一种称之为LCADS（life－cycle analysis of deteriorating structures）的程序，保证了单个或劣化系统组的寿命周期分析中不同计算水平的客观需要.LCADS采用Fortran 90编程，在程序中劣化系统的时变可靠性是最基本的评估和监控数据，充分考虑到在给定时间范围内系统可靠性指数的可能分配和它的增值，而不是在某个时间点描述的固定指数值.

3.4 桥梁的腐蚀及劣化

桥梁在服役过程中暴露在大气环境下，对于混凝土桥梁，将发生混凝土碳化，钢筋锈蚀，桥梁的承载能力下降，服务水平降低等问题，深人研究混凝土结构劣化机理，为制定桥梁维护方案提供理论支持［8］.

在混凝土桥梁的服务期间，影响其状态的主要因素之一是钢筋的腐蚀，腐蚀将引起混凝土面层开裂、约束失效、结构强度降低.为了对结构运营和寿命周期成本进行分析，大多数可靠性研究集中在结构强度损失，但是很多混凝土结构，腐蚀引发危险的第一个信号是混凝土面层开裂、分层、碎裂.预应力筋的腐蚀将直接导致预应力混凝土梁的疲劳失效，且其失效概率的增长超过其他结构性能的失效概率.如果这些现象发生，桥梁业主将需要评价桥梁状态，这可能会迫使改变桥梁管理策略，例如利用更频繁的检测来监控破坏的严重程度，或维修、替换毁坏的组成部分.因此，一些学者调查了腐蚀对服务能力的影响，显然，它对分析结构可靠性和寿命周期成本十分必要.所以要同时考虑随机腐蚀过程对强度和服务能力状态的影响，包括相关寿命周期成本的评估，这将丰富桥梁劣化建模和寿命周期成本的现有知识，也是桥梁管理系统（BMS）的重要方面［9］.

值得指出的是，为防止桥梁的腐蚀及劣化，提高耐久性，研究应用新型材料是重要的.德国由于预应力钢束的锈蚀，造成大量的后张预应力结构失效.其原因除了拙劣防护及时变腐蚀外，就是预应力钢束本身.所以象热轧钢、余热处理钢及冷轧带肋钢等在过去40年得到较大的改进，提高其防腐及有关力学性能.

另外，纤维加强聚合物（fiber reinforced polymers，FRP）广泛应用于船、飞机、机动车辆等行业，其高耐腐蚀特征使得FRP结构几乎可以免于维护，而它的特殊强度同时具有建造超长跨径桥梁的潜力.由于FRP桥梁重量的降低，上部结构和下部结构的成本都相应减少，但是将FRP作为建筑材料的使用必须降低材料的价格，同时需要恰当的设计技术［10］.FRP悬索桥中采用炭纤维加强聚合物CFRP（carbon fiber reinforced polymers）为结构材料，与钢材料产品相比，CFRP强度更高，但它的弹性模量相对较低［11］.

总之，新型材料的研究应用，对防止桥梁的腐蚀及劣化，提高耐久性，是一项重大的挑战.

3 结束语

基于寿命周期成本的桥梁全寿命方法的关键技术研究包括：桥梁维护－成本－服务水平的综合关系研究、桥梁管理系统的研究、多指标桥梁性能评价、桥梁服役过程中的劣化机理研究、桥梁劣化要因及维护方案研究、智能优化算法研究，新型建筑材料的研究等方面.桥梁全寿命设计方法是20世纪90年代国外土木工程界提出的全新的桥梁设计理念，该理论以服务水平为约束条件，以寿命周期成本最低为目标，这一理论的研究在我国还处于起步阶段，但对我国桥梁设计的发展将具有重大和持续的社会、经济价值.桥梁的全寿命设计理论不但可以用于新建桥梁的设计决策中，也适合在役桥梁的维护管理策略的选择方面.桥梁结构设计方法的发展趋势将从现状设计向全寿命设计过渡，并最终达到可持续桥梁工程的要求，在上述基础上，应注重结构失效模式、结构性能退化规律的研究与有关数据的积累，推动基于时变可靠性的桥梁全寿命设计理论研究上台阶.

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［3］吴海军，陈爱荣.寿命周期成本分析方法在桥梁工程中的应用［J］.公路，2004（12）：34－38.

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［11］彭福明，郝际平，杨勇新.CFRP加固钢梁的有限元分析［J］.西安建筑科技大学学报：自然科学版，2006，38（1）：18－22.