浅析桥梁全寿命设计理论

1、大连理工大学网络高等教育毕业大作业模板 网络高等教育专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目： 浅析桥梁全寿命设计理论 学习中心： 完成日期： 2012月 3 日 9浅析桥梁全寿命设计理论内容摘要本文通过对在役桥梁存在的耐久性问题和传统设计理念存在的不足的分析,研究了桥梁全寿命设计理论的内涵,即基于桥梁全寿命周期、性能、寿命周期成本优化和可持续发展的设计理论,并对贯彻桥梁全寿命设计理论提出了几点建议。 关键词：耐久性；桥梁全寿命设计；全寿命周期目 录内容摘要I引 言11 在役桥梁存在的耐久性问题22 传统设计理念概述33 桥梁全寿命设计理论的内涵分析53.2 基于性能的设计理论研究53.3 基于

2、寿命周期成本优化的设计理论研究53.4 基于可持续发展的设计理论研究64 桥梁构件及附属设施全寿命设计74.1 桥梁混凝土构件全寿命设计74.2 桥梁钢结构构件全寿命设计74.3 桥梁缆索系统全寿命设计74.4 桥梁附属设施全寿命设计85 桥梁全寿命设计示例9结论10参考文献11引 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

3、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。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，进行桥梁全寿命设计。1 在役桥梁存在的耐久性问题 现在，国内的结构设计过程中，有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少；重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。实际上，目前的桥梁设计中，对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注，既没有明确提出使用年限的要求，也没有进行专门的耐久性设

4、计（从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性，并明确声明在何种维护和使用条件下，桥梁具有哪种程度的耐久性）。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性（考虑结构建设、使用、维护等整个周期的费用）的要求。国内外多座桥梁的突然破坏与倒塌，已使工程界对桥梁安全性问题倍加关注。一般的看法认为当前的工程事故主要是野蛮施工和管理腐败所导致。对于短期内发生的诸如突然破坏与倒塌，多是由于施工质量没有达到规范和设计要求，典型的问题包括材料强度不足和施工工艺不合格等；也有个别桥梁存在诸

5、如偷工减料、以次充好等严重的管理问题，更是对桥梁安全造成致命的损害。而大量的桥梁在远没有达到预期使用寿命时，出现了影响正常使用的病害与劣化；特别是一些桥梁在只使用了几年、甚至刚建成不久就出现严重的耐久性不足的问题，这也与施工质量低下有重要关系，典型的问题有钢筋保护层不足及目前广泛存在于施工现场的严重的构件开裂问题（主要原因包括：水泥选用、混凝土配合比、振捣、养护不当及预应力施加不合理等）。这些施工上的缺陷虽然短期不会对桥梁的正常使用产生明显的影响，但却会对结构的长期耐久性产生非常不利的危害。近20余年,我国修建的许多代表现代技术的大跨度的悬索桥、斜拉桥、预应力混凝土连续梁桥、刚架桥,至今也相继

6、出现了许多退化、腐蚀、甚至断索的问题。并且,不论在我国还是在世界范围内,桥梁耐久性问题都十分严峻。桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了严重的负担,而运营期管理养护水平的好坏也直接关系到公路交通安全和耐久,在役桥梁存在着很严重的管理维护不当或维护力度不够的问题,有些桥梁的技术缺陷主要是由于养护维修不恰当或养护维修跟不上而引起的桥梁退化。 2 传统设计理念概述在承认施工存在问题的同时，也不可否认，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构

7、的安全性。 许多设计人员往往只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强度要求，仅用了510年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题，设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。 不同的环境

8、和使用条件、不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。规范再详细也不能包罗本应由设计人员解决的各种问题、规范更新得再快也适应不了新认识、新技术、新材料快速发展对结构提出的各种新的要求。因此，合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外，还要求设计人员具有对结构本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。 桥梁系统的相关问题主要与桥梁的设计、修建和运营期的管理养护有关系。建设期的设计、施工质量和管理水平关系到桥梁竣工时的质量,延及至运营期的桥梁使用性能,是先天的因素,必须重视并给予改进。 依照传统的桥梁设计理念,国内的桥梁结构设计过程中,有这样的倾向: (1)设计中重视建设期的安全和强

9、度,忽视结构的耐久性、可养护性和可换性。目前的桥梁设计中,对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注,既没有明确提出使用年限的要求,也没有进行专门的耐久性设计(从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性,并明确声明在何种维护和使用条件下,桥梁具有哪种程度的耐久性)。 (2)重视强度极限状态而不重视使用极限状态。 (3)造价估算和经济性的评估仅考虑建设期的成本,而未能考虑建设工期、运营阶段管理、养护维修、构件更换等方面的长期综合成本费用,以及由此带来的间接费用和其它费用等,因此这种评估是比较片面的。 (4)建、养分离,不重视运营期桥梁的检测、管理、养护工作。鉴于传统的桥梁设计理念的缺陷,综合分析国内

10、外已有的全寿命设计研究成果的基础上,提出一种适应我国桥梁建设发展的新的设计理念。 3 桥梁全寿命设计理论的内涵分析 在传统设计理论中,设计工作的重点主要集中于施工阶段的施工成本和结构短期性能的设计和优化,对结构耐久性设计和使用寿命的重视不够。并且,设计中没有涉及设计使用寿命内的管理、养护、维修、构件更新、拆除等建成以后的诸多问题。同时,在投资决策上,也只注重建设期的投资成本,而不重视桥梁整个寿命周期内的总成本。因此,在可持续发展的背景下,我们必须在传统的设计理念的基础上,提出一套新的、适用的桥梁设计理论,即桥梁全寿命设计理论。桥梁全寿命设计是从桥梁结构规划、设计、建设、运营、管理和养护等全寿命

11、周期内的各个环节中寻求恰当的方法和措施来实现桥梁在寿命周期内总体性能的最优(使用性能、经济性、人文、环境与生态等)的一种设计理念和方法。桥梁全寿命设计也可称为“桥梁寿命周期设计”。 3.1 基于桥梁全寿命周期的设计理论研究 在传统的设计理念里,设计工作的重点主要集中于施工阶段的施工成本和结构短期性能的设计和优化。桥梁的寿命周期是一个桥梁的性能、服务水平等在不断恶化的过程,同时又通过人为的管理、养护和维护等手段将其维持或提高到一定程度的过程,不断反复,最终达到桥梁寿命的终结。因此,桥梁全寿命设计理论研究不再局限于短期性能设计、建设期的成本等,而是考虑桥梁全寿命周期内所可能发生的一切及其变化进行设

12、计和优化,包括寿命周期内的性能设计和优化、寿命周期成本分析和评价、寿命周期内桥梁性能退化和维持管理养护工作等。 3.2 基于性能的设计理论研究 桥梁全寿命设计理论是基于业主、使用者和社会等的需求而进行的,并将这些需求转化为桥梁寿命周期的功能需求,再将寿命周期内的这些功能需求转化为桥梁系统的性能要求。主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能,分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律。其目的主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外,尚应有良好的使用性能(包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等),耐久性问题只是其考虑的一个方面。3.3 基于寿命周期成本优化的设计理论研究 基于

13、寿命周期成本优化的设计理论,是在满足桥梁性能需求的前提下,以寿命周期成本总值最小为目标的设计理念。桥梁全寿命周期成本与桥梁传统成本分析法的成本计算存在不同之处。传统的成本仅考虑桥梁初始建设成本;而全寿命成本则是桥梁在其寿命周期内的确定性的和不确定性的全部费用总和,包括规划、设计、施工建设、运营、养护、修复、拆除处理过程中发生的相关成本总和减去桥梁达到设计服务寿命时的残值。 桥梁全寿命设计理论不是简单的追求桥梁寿命周期成本最小,是通过优化成本的分配来优化设计、优化桥梁寿命周期内的总体性能。可以通过优化设计来提高安全储备、减缓退化速度、提高耐久性能,运营期的维护同样也是桥梁使用性能好坏的关键。设计

14、中应平衡设计、维护、性能、成本之间的关系,使桥梁在设计使用年限内能够满足各方面的需要。 3.4 基于可持续发展的设计理论研究 桥梁在寿命周期内自然资源和能源的消耗最小化;减少桥梁寿命周期内的污染排放;保护生态(自然)环境;建筑的质量、功能、性能与环保性统一。 (1)环境保护设计。降低环境成本的手段主要是进行工程环境影响分析与评价、环境保护设计等。目前,我国已有的行业标准公路建设项目环境影响评价规范(JTG B03-2006)主要对以下几个方面进行评价:社会环境,生态环境,水土保持,声环境,景观,水环境,空气环境,事故污染风险分析等。 (2)回收再利用设计。当结构面临拆除时,是具有一定的残余价值

15、的。考虑拆除物的再利用与回收设计,是将残余价值发挥出来,也是具有非常大的环保意义的,既环保又节省能源。考虑结构及部件拆除时工程材料的再利用与回收设计。在设计中必须考虑结构物的部件、组合甚至是技术体系应具备回收的可能性。从回收再利用的真正意义上看,钢材实现材料循环更容易。 4 桥梁构件及附属设施全寿命设计4.1 桥梁混凝土构件全寿命设计（1）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；（2）根据退化分析，合理确定需要的钢筋保护层厚度；（3）根据需要适当选用防护涂层；（4）设计方案应保证可施工性，并在施工中加强施工控制；（5）根据运

16、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。4.2 桥梁钢结构构件全寿命设计（1）应遵循结构受力特性，做到结构合理、传力明确、简洁、直接，满足现行规范要求的构件在运输、安装和使用过程中的强度、刚度、稳定性规定，并易于施工。（2）抗疲劳全寿命设计的关键是减小由几何形状变化、焊接工艺等引起的构造细节处的应力集中。（3）防腐蚀体系可采用普通钢防腐蚀涂层和耐候钢两种方式，应根据腐蚀环境特性、被腐蚀物的使用性能、防腐蚀体系的经济性，在桥梁全寿命周期成本分析及耐久性要求的基础上进行选择。（4）加强桥梁的检查、保养、维修与加固，以保持桥梁结构处于设计要求下的良好状态，提高耐久性，最大限度地延长桥

17、梁使用寿命。4.3 桥梁缆索系统全寿命设计（1）首先必须考虑各主要构件的使用寿命。其中，主缆为不可更换构件，斜拉索、吊索、锚具及索夹应设计成为可更换构件。（2）必须统筹考虑强度、疲劳、腐蚀、施工及管理维护等方面的要求，并且必须进行同等深度的多方案比较，以得到最佳设计方案。（3）缆索系统的材料选择、结构计算、构造要求及其附属设施设计应符合现行规范要求。（4）缆索系统涉及疲劳问题的构件主要为斜拉索和吊索。悬索桥主缆可不考虑疲劳问题，但需考虑非线性影响和索股的次应力影响。（5）缆索系统的防护涉及斜拉索、主缆及吊索等索结构，以及锚具、索夹、索鞍等各种附件表面，且所有的防护措施都应满足环境保护及美化的要

18、求。（6）缆索系统的选择应综合考虑起重、运输和安装等条件因素，施工方法应综合考虑设备、工艺情况，考虑制作质量、防护要求及经济性等因素。（7）应考虑运营期间的养护检修需求，并应提出后期养护重点。4.4 桥梁附属设施全寿命设计在进行桥梁附属设施全寿命设计时，首先应当根据实际桥梁的使用状况及性能要求，结合当时的技术水平确定合理的桥梁附属设施类型及对应的使用年限，并在设计时充分考虑达到设计使用年限所必要的桥梁附属设施所需要达到的结构性能参数、施工工艺、施工控制措施及桥梁运营期间的管理养护方案。鉴于目前的桥梁附属设施种类的技术水平，伸缩装置的使用年限还小于整个桥梁结构的设计使用年限，故在设计时还必须进行

19、桥梁附属设施的可检、可修、可更换设计。5 桥梁全寿命设计示例针对三座大型桥梁湖北鄂东长江公路大桥、杭州湾跨海大桥和宁波象山港公路大桥完成了全寿命设计示例，展示了桥梁全寿命设计方法在大型桥梁设计中的主要实施过程。（1）首次针对世界第三跨径的斜拉桥湖北鄂东长江公路大桥，完成了初步设计和施工图设计两个阶段的全寿命设计示例，实现了桥梁全寿命设计方法在大型桥梁设计中的系统应用，特别是提供了可检查、可维修及可更换措施、合理的耐久性设计措施、必要的养护手册、全寿命周期成本、风险控制措施和保险策略，为依托工程的设计、建设以及未来的运营管理提供了强有力的技术支撑，可为鄂东长江公路大桥的全寿命周期成本节约5586

20、4万元。（2）本项目的研究成果在杭州湾跨海大桥中得到了应用，特别是提供了风险评估方法和对策、基于全寿命周期成本的风障设置决策方法，为依托工程的设计、建设以及未来的运营管理提供了技术支撑，可为大桥全寿命周期成本节约32200万元。（3）本项目的研究工作为象山港公路大桥的建设提供了技术支持。象山港公路大桥积极采取了本项目的研究成果，解决了以下重大技术问题：大桥主梁的施工和运营阶段安全、索塔钢混结合段的施工和运营阶段安全、斜拉索施工及运营阶段安全、大型基础的施工安全，以及暴风、地震、船撞、火灾、恐怖袭击、危险品运输事故等风险因素的风险评估，从工程风险角度为初步设计方案比选提供了科学的决策依据，也为国

21、内桥梁安全风险评估提供了示范。（4）本项目研究成果具有重大推广应用价值，建议在其它工程中予以推广使用。浅析桥梁全寿命设计理论结论本项目研究是国内外首次针对桥梁开展全寿命设计理论与方法研究，通过文献搜集、现场调研、统计分析、理论研究、实验研究、示例应用等手段，完成了项目研究报告、十项专题研究报告、设计指南和依托工程设计示例。本项目研究填补了国内外桥梁全寿命设计理论与方法的空白，标志着传统桥梁设计理念正在向桥梁全寿命设计理念及方法过渡，符合可持续发展和科学发展观，项目研究成果和专题研究成果具有重大创新性。具体的创新点如下：该项目主要创新点如下：（1）国内外首次全面系统地开展了桥梁全寿命设计研究，明确提出了桥梁全寿命设计的基本概念和有关基本术语的定义，建立了系统的桥梁全寿命设计方法和体系。（2）