桥梁工程全寿命设计理论与方法研究

1、桥梁工程全寿命设计理论与方法研究报 告 简 本1 概述1.1 桥梁全寿命设计研究背景及意义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。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，

2、一直到拆除和材料的回收再利用，进行桥梁全寿命设计。2004年本研究项目的批准和启动，标志着我国向桥梁全寿命设计的全面研究和应用迈出了扎实的一步。本项目首先从我国现有桥梁状况调查分析入手，全面展开了以下十个专题的研究，在大量工作的基础上分别获得了预期的成果，提出了桥梁全寿命设计指南，成为我国实现桥梁全寿命设计的良好开端，为以后开展进一步的桥梁全寿命设计研究奠定了坚实的基础。（1）国内外桥梁全寿命设计方法研究现状调研（2）桥梁典型病害调查及桥梁正常使用寿命确定（3）桥梁全寿命周期成本计算模型研究（4）桥梁各设计阶段全寿命设计方法研究（5）全寿命桥梁风险评估与保险策略研究（6）桥梁混凝土构件全寿命设

3、计研究（7）桥梁钢结构构件及缆索系统全寿命设计研究（8）桥梁附属设施全寿命设计研究（9）桥梁全寿命设计示例（10）桥梁全寿命设计指南1.2 我国现有桥梁调查分析项目组对全国沿海和内地16个省、市、自治区、1968年到2008年我国不同时期建成的、不同桥型、有代表性的38座桥梁（包括悬索桥、斜拉桥、悬吊斜拉组合桥、拱桥、混凝土连续刚构桥、混凝土连续梁桥等我国不同时期修建的各种桥型）进行了调查，调研的内容包括设计资料、施工信息、环境信息、使用条件、管养资料、桥梁的主要病害及治理措施等。1.3 桥梁全寿命设计的基本概念研究确定了桥梁全寿命设计（Bridge life cycle design, BL

4、CD）有关基本概念以及桥梁实际使用寿命、桥梁正常使用寿命、桥梁目标使用寿命、桥梁设计使用寿命、桥梁构件使用寿命、桥梁构件设计使用寿命、桥梁全寿命等基本术语的定义。1.4 桥梁全寿命设计理念1桥梁全寿命设计（Bridge life cycle design）的概念在桥梁设计中，针对规划、设计、施工、运营、管养、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。2桥梁全寿命设计的设计阶段桥梁全寿命设计的主要阶段施工图设计阶段初步设计阶段可行性研究阶段图1.1 桥梁全寿命设计的主要阶段3桥梁全寿命设计的主要内容与传统桥梁设计相比，桥梁全寿命设计在开展传统设

5、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。2 桥梁典型病害调查及设计使用寿命确定（1）调查和综述了混凝土材料、钢结构和桥梁常用构件的典型病害，分析了病害现象和基本机理，整理了影响构件构件寿命的主要因素。（2）根据结构体系和一般（Commonly Recognized，CoRe)构件的分类方法，研究了我国桥梁常用构件的分类及其使用寿命特征。桥梁构件的使用寿命特征表2.1 桥梁构件的使用寿命特征及其设计、施工和维护要求构件类型使用年限设计及施工要

6、求维护方式永久构件大于或等于整体设计使用年限应保证足够的耐久性，施工中必须加强控制检查、维护、维修，一般不需要大修及更换非永久构件低于结构整体寿命应保证其具有检查及更换的便利检查、小修、中修、更换两重性构件介于上述二者之间检查、小修、中修、更换桥梁构件分类表2.2 桥梁构件设计寿命分类构件分类特征描述类构件整个桥梁的设计使用期内在正常检查、维护或养护小修、特殊情况下进行中修，不需要经过大修或更新即可维持正常使用的构件；使用期间的管养费用不高类构件通过周期性的维修和养护（例如对于钢桥，钢梁周期性的涂漆等防锈措施）能够达到设计使用寿命的构件，设计使用期间的管养费用较高。类构件用寿命较短，无法使用到

7、桥梁设计寿命终结，需要定期维护或较长周期的更换的重要受力或传力构件类构件使用寿命较短，无法使用到桥梁设计寿命终结，需要周期性更换的次要受力或传力构件桥梁构件划分及耐久性分类在本研究中，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。（3）利用文献综述方法，调查了全世界各国典型桥梁构件的使用寿命。（4）提出了典型构件设计使用寿命的确定方法、计算公式、计算参数和设计使用寿命建议值。桥梁使用寿命终结准则：结构不安全、结构不适用和结构不经济。典型构件设计使用寿命的确定方法图2.1 确定桥梁构件设计使用寿命的计算流程图桥梁构件设计使用寿命的建议公式我国桥梁结构及构件的设计

8、使用寿命建议公式如下： （2.1）为修正系数， 为对桥梁结构及构件的使用寿命有影响的n个影响系数。桥梁构件建议设计使用寿命按结构体系划分的公路桥梁主要构件最小设计使用寿命建议值列于表2.3。取用时可酌情在建议范围内选取。表2.3 公路桥梁主要构件设计使用寿命建议值（年）构 件类 别目前实际使用寿命设计使用寿命建议范围均值范围建议值主 梁钢筋砼主梁406050508060预应力砼主梁509070钢主梁5010060508070混凝土桥面板（叠合梁）204030306040主 塔钢筋混凝土6010070钢6010070斜拉索平行钢丝71712103015平行钢绞线154020吊 杆平行钢丝1030

9、15154020平行钢绞线154025主 缆平行钢丝束5010070桥墩、立柱钢筋混凝土3060506010070基 础钢筋混凝土4080606010070防撞栏杆钢筋混凝土205030钢材308040桥面铺装水泥混凝土52010102015沥青混凝土52010102015支 座橡胶支座104025205030伸缩缝钢梁伸缩缝52012102015注：1）表中“”表示缺乏这方面的资料数据或者该种工艺刚使用不久，其寿命及耐久性还有待考察；2）当采用特殊材料、新工艺或牺牲阴极防护等时，其设计使用寿命应根据具体情况确定；3）表中关于桥梁整体设计寿命的建议数值针对安全等级为二级的一般桥梁。桥梁结构及构

10、件设计使用寿命的计算参数气候影响系数建议0.91.1之间，桥位小环境系数建议取为0.61之间，养护系数建议取为11.2之间，重要性系数建议取用12的重要性系数，更换难易系数建议对于可更换的桥梁构件取用0.81.5的重要性系数。3 全寿命桥梁风险评估与保险策略研究3.1 桥梁工程风险的定义在桥梁规划、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，可称之为桥梁的风险事态，简称为桥梁风险。3.2 桥梁事故的统计分析研究通过文献、专著、报刊、情报资料等渠道收集了国内外500起桥梁事故的资料，建立了国内首个桥梁事故数据库，并对这些数据

11、进行了初步的统计分析。图3.1 事故详细原因统计图3.2 国内外事故详细原因统计3.3 桥梁风险概率模型表3.1 风险概率描述等级风险概率描述概率间隔概率中间值1非常不可能<0.00030.00012不可能0.00030.0030.0013偶尔0.0030.030.014可能0.030.30.15非常可能>0.313.4 桥梁风险损失模型桥梁风险损失是指桥梁在风险事态中遭受的结构损伤、人员伤亡、服务水平下降等直接影响，以及交通受阻、声誉影响等间接影响，而形成的各种价值的缺损或灭失。表3.2 风险损失描述等级风险损失描述货币损失比例1无关紧要<1.25E-42一般的1.25E-

12、41.25E-33严重的1.25E-31.25E-24非常严重1.25E-21.25E-15灾难性的1.25E-13.5 桥梁风险评估矩阵本研究中基于国际隧道协会颁布的“隧道风险管理指南”中有关研究成果给出了风险矩阵如表3.3所示。表3.3 风险评估矩阵后果概率123451可忽略可忽略可接受可接受ALARP下限2可忽略可忽略可接受ALARP下限ALARP上限3可接受可接受ALARP下限ALARP上限不可接受4可接受ALARP下限ALARP上限不可接受不可接受5ALARP下限ALARP上限不可接受不可接受不可接受表3.4 基本风险对策等级风险损失描述不可接受无论降低风险成本有多大，都应至少把该风

13、险降低到ALARP区间ALARP应确定降低风险措施，只要降低风险的成本与所取得的风险较低效益相比是合理的，就应执行风险降低措施可接受整个桥梁工程建设期间都应对这一风险进行管理，但无须立刻采取专门的措施降低风险可忽略无需进一步考虑这一风险3.6 桥梁风险评估基本流程本研究提出的桥梁风险评估基本流程如图3.3所示。图3.3 桥梁风险评估基本流程4 桥梁全寿命周期成本计算模型研究4.1 桥梁全寿命周期成本分析流程桥梁全寿命周期成本，即桥梁在其寿命期内耗费的各种成本的统称，包括在桥梁整个寿命期内用于桥梁的规划、研究、设计、实验、施工、养护、检测、维修、管理、拆除等各阶段作业所支付的成本总称。桥梁全寿命

14、周期成本分析流程，如图4.1所示。图4.1 桥梁全寿命周期成本分析流程4.2 桥梁全寿命周期成本构成根据我国桥梁基本建设项目建设程序、桥梁的管养和处置程序，构建了我国桥梁全寿命周期成本是由建设期成本、营运期成本、拆除成本构成。具体成本构成如图4.2所示。图4.2 桥梁全寿命周期成本构成4.3 桥梁全寿命周期成本计算模型（1）成本折现率计算模型成本折现率可用社会折现率和物价波动水平来表征计算，其确定取决于社会折现率和PPI的年变化率，具体的成本折现率计算模型如下： （4.1）式中：折现率；社会折现率；PPI年变化率。根据对社会折现率和PPI的年变化率的取值研究结果，结合折现率的计算模型（4.1）

15、即可确定成本折现率在1.9%2.97%范围内以30年为一阶段分阶段取值。（2）建立了我国桥梁全寿命周期成本计算模型 （4.2）其中： （4.3） （4.4） （4.5） （4.6）式中：LCC全寿命周期成本，单位：万元；建设期成本，单位：万元；营运期成本，单位：万元；拆除成本，单位：万元；建筑安装工程费，单位：万元；设备工具器具购置费，单位：万元；工程建设其它费用，单位：万元；预备费，单位：万元；管养成本，单位：万元；用户成本，单位：万元； 环境影响成本，单位：万元；管理成本，单位：万元； 养护成本，单位：万元；专项检测成本，单位：万元；维修成本，单位：万元；保险成本，单位：万元；交通阻塞延误

16、成本，单位：万元；车辆绕行和绕行延误成本，单位：万元；交通事故和货损成本，单位：万元。（3）研究开发了我国桥梁全寿命周期成本计算参数数据库与分析软件图4.2 桥梁全寿命周期成本分析流程（4）提出应对未来的成本构成参数风险分布进行数理统计分析，采用蒙特卡落模拟方法分析桥梁全寿命周期成本风险大小。5 桥梁各设计阶段全寿命设计方法研究5.1 桥梁工程可行性研究阶段的全寿命设计方法桥梁工程可行性研究阶段全寿命设计的主要研究内容及工作流程见图5.1。图5.1 桥梁工程可行性研究阶段工作流程图5.2 桥梁初步设计阶段全寿命设计方法桥梁工程初步设计阶段全寿命设计的主要研究内容及工作流程见图5.2。图5.2

17、桥梁初步设计阶段全寿命设计工作流程5.3 桥梁施工图设计阶段全寿命设计方法桥梁施工图设计阶段全寿命设计的主要研究内容及工作流程见图5.3。图5.3 桥梁施工图设计阶段全寿命设计的工作内容6 桥梁构件及附属设施全寿命设计6.1 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。6.2 桥梁钢结构构件全寿命设

18、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，最大限度地延长桥梁使用寿命。6.4 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

19、，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、

20、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。6.5 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桥梁附属设施的可检、可修、可更换设计。7 桥梁全寿命设计指南提出桥梁全寿命设计的五个主

21、要过程（寿命给定、性能设计、管养设计、景观设计、环境设计）和两个决策方法（全寿命周期成本分析方法和风险评估方法），编写了桥梁全寿命设计指南。7.1 指南的总体定位为利于应用，并考虑目前的技术发展水平。本指南应定位于全寿命设计相关的基础性规范，并基于过程控制的总体编写思路，明确全寿命设计过程的主要目标、内容和总体要求。7.2 指南的内容在目前架构的全寿命设计方法中，设计寿命给定为设计基础，造型、性能、生态、管养为四个基本设计过程；而成本分析和风险评估为两个基本决策方法。图7.1 桥梁全寿命设计的基本过程7.3 指南的主要创新（1）提出全寿命设计过程的基本架构（1个基础、4个设计过程、2个决策方法

22、）；（2）沿用极限状态设计方法的基本格式，建立整个设计过程；（3）明确将设计寿命作为基本设计参数，并给出常用桥梁和构件的建议设计寿命；（4）首次尝试提出了桥梁造型设计、生态设计、管养设计的目的、范畴、内容和过程。（5）在原有三个设计状态（持久状态、短暂状态、偶然状况）的基础上，提出四个设计状态（完好状态、损伤状态、短暂状态、偶然状态），并明确其性能设计基本要求；（6）提出耐久性能极限状态的基本格式和要求；（7）提出成本分析决策和风险评估决策的基本过程和要求。8 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

23、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55864万元。图8.1 湖北鄂东长江公路大桥（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。图8.2 杭州湾跨海大桥风障（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，也为国内桥梁安全风险评估提供了示范。图8.3 宁波象山港公路大桥（4）本项目研究成果具有重大推广应用价值，建议在其它