浅谈桥梁全寿命设计理念

焦永平

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

0 前言

传统的桥梁设计中未明确桥梁整体及主要构件的设计寿命，桥梁设计寿命的确定也缺乏技术支撑和具体的设计方法；桥梁对周围生态环境的影响、桥梁景观与周围环境和谐统一等因素考虑较少等。因此，传统的桥梁设计理念越来越不符合桥梁工程科学发展的要求，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。近年来，为了可持续发展，需要把传统设计方法拓展到桥梁的整个使用寿命期，考虑桥梁建设的全过程，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，必须进行桥梁全寿命设计。桥梁全寿命设计理论已成为国内外研究的热点，桥梁全寿命理念符合可持续发展要求，并且把传统短期优化桥梁方法转向整个桥梁的生命周期，根据桥梁设计寿命的各种性能指标，优化各种可行方案，在多种方案中找出最为适合的方案，再依次进行桥梁工程的各个流程。本文为了使大家能够更全面地把握桥梁全寿命设计的理念以及应用这一新的设计理念，将从桥梁全寿命的主要阶段和过程进行分析和研究，并提出桥梁全寿命设计总框架的方法。

1 桥梁全寿命设计的概念及主要阶段

1.1 桥梁全寿命设计的概念

全寿命周期设计就是面向制造及其维护和回用处理的最优化设计。在桥梁设计中，主要针对规划阶段、设计阶段、施工阶段、运营阶段、管养阶段、拆除或回收再利用的全过程，实现桥梁全寿命周期内总体性能（功能、成本、人文、环境等）最优的设计方案。

1.2 桥梁全寿命设计的主要阶段和主要内容

在以往桥梁的设计中，主要有初步设计和施工图设计两个阶段。所以在遇到技术上缺乏经验而技术又比较复杂的桥梁建设时，就无法合理解决各种问题，这样桥梁建设会遇到各种瓶颈。因此桥梁全寿命设计从桥梁投资规划就开始进行设计了,桥梁全寿命设计过程可以分为方案可行性研究阶段、桥梁初步设计以及桥梁施工图设计三个阶段。方案可行性分析主要是对建设项目的技术可行性、施工合理性以及经济合理性进行综合考虑,并针对建设项目项的目的来确定工程的功能以及使用寿命,并对施工环境进行分析,看其是否对桥梁结构产生影响,进一步对桥梁全寿命性能进行设计特别是耐久性能的设计。明确运营阶段和保养阶段的成本估算指标,进行全寿命设计经济评价和投资估算。另外还增加了桥梁的性能设计、美学设计、生态设计、桥梁的管理与养护设计。总之桥梁的全寿命设计是将业主、使用者和社会需求转化为桥梁结构体系的性能要求，建立并优化结构方案以实现这些要求。

与传统桥梁设计相比，桥梁全寿命设计在开展传统设计中的设计工作的同时，将桥梁设计范围从建设期拓展到整个寿命周期，增加了传统桥梁设计中未考虑的设计内容，具体包括：耐久性设计、管养设计、拆除、回收再利用设计、风险评估及保险策略和全寿命周期成本分析。

1.3 桥梁全寿命设计的理念

在桥梁的全寿命设计中，除了桥梁全寿命设计在开展传统设计工作的同时，还要将桥梁的设计范围从建设期拓展到整个寿命周期，增加了传统设计中从未考虑的设计内容。具体包括了：桥梁的耐久性设计、桥梁的管养设计、拆除、回收再利用设计、风险评估及保险策略和全寿命周期的成本分析。在设计时按照桥梁全寿命设计，是符合可持续发展要求，更是顺应了事物的发展规律。

2 桥梁全寿命设计的相关问题

（1）桥梁构件寿命分类

在桥梁构件寿命分类中，有三种分类方法：第一是按照桥梁构件的使用寿命特征及其设计、施工和维护要求分类，见表1。

表1 桥梁构件使用寿命特征及要求

第二是按照桥梁构件的设计寿命分类，见表2。

表2 桥梁构件设计寿命分类

第三是按照桥梁构件的耐久性分类，在全寿命设计中分别采用了按结构体系划分和按构件特点划分两种构件划分方法进行桥梁构件耐久性分类。

（2）桥梁的使用寿命设计

桥梁的使用寿命设计，首先要对桥梁的各个部位进行构件划分，并对其进行耐久性分类。再根据桥梁构件不同来确定构件需要更换的次数（在这里进行更换的构件是除了永久性构件之外的构件），并根据桥梁使用寿命规划的成本进行比较选出最优方案。通常桥梁的永久性构件例如主梁、主塔和下部结构的基础、桥墩的设计是为了抵抗桥梁使用寿命性能退化的,因此,设计者对这些部位要进行长久性的考虑。桥梁上的铺装、伸缩缝、吊索、支座等,在桥梁运营期间需要多次更换,所以对其设计方案可以是短时期。总之桥梁的使用寿命计算流程见图1。

图1 桥梁使用寿命计算流程示意图

（3）桥梁全寿命桥梁风险评估与保险策略研究

桥梁工程风险就是在桥梁规划、设计、施工、使用、维修、拆除等和桥梁结构相关的各个过程中出现的，对相关利益团体的某种既定目标造成影响的不确定的事态。在桥梁的风险评估阶段，根据具体的桥梁类型，建立相应的风险模型，如：桥梁风险概率模型、桥梁风险损失模型；然后对各种后果跟概率进行分析，对其进行等级划分，再给予相应的风险对策。风险对策包括各个阶段，比如管理优化、技术优化、风险规避、工程风险，在这些当中找到最有决策。

（4）桥梁设计中较多的混凝土构件在全寿命设计中，应该注意的几点问题：

a.根据环境作用特点，选用适当的耐久性材料（混凝土类型及配合比、钢筋类型、外加剂类型），以确保混凝土构件的耐久性；b.根据退化分析，合理确定需要的钢筋保护层厚度；c.根据需要适当选用防护涂层；d.设计方案应保证可施工性，并在施工中加强施工控制；e.根据运营期维护管理需要，进行必要的可检、可修和可更换措施设计。

为了满足桥梁在整个使用寿命内可持续发展的要求，桥梁全寿命设计将为结构设计提供了最为先进的理念。本文在这里只是简要提及了桥梁全寿命设计时所需要注意到的一些问题，为了使桥梁方案达到最优设计和利用，需要设计者在三个桥梁全寿命设计主要阶段(工程可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段)中，对桥梁的各个构件及整体方案采用各种恰当的方法和措施进行设计,最终实现桥梁良好的全寿命周期质量。

3 结语

总之，我国桥梁全寿命设计还在起步阶段，需要我们设计者在交流中进步。桥梁全寿命设计是一个复杂的工程体系,这要求设计者在设计时对桥梁建设的各个阶段各个构件进行综合考虑,保证桥梁的使用寿命能够满足使用、环境、艺术的需求。桥梁的全寿命设计，要求我们设计者在桥梁建设前,就要把规划、建设、运营、保养、维修、拆除、再利用等阶段的方案设计好,对桥梁寿命总体框架多指标优化决策，得到工程可行性研究阶段的可行方案，从而使桥梁的各项性能达到最优化，更好地完成他的服务使命。

[1]陈艾荣,盛勇,钱锋.桥梁造型[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]中国工程院土木水利与建筑学部,工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构安全耐久性设计与施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3]交通部.公路工程基本建设项目设计文件编制办法 [M].北京:人民交通出版社,2007.