全寿命的桥梁设计过程

全寿命的桥梁设计过程近年来，世界各国（特别是处于基础设施维护阶段的欧美发达国家）普遍发现，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（与最初的规划和设计预期有很大差异），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。严峻的现实对桥梁的建设者提出了巨大的挑战，人们开始反省以往桥梁建设和管理存在的问题。传统的桥梁设计程序只关注施工阶段，其首要目标是在规划和施工期间优化效率和使成本最小化，设计中只重视建设期安全和强度，而忽视结构耐久性、可养护性和可更换性;仅考虑建设期的建筑安装费用，而未能考虑建设工期、运营阶段维修养护、构件更换等方面的费用差异;建、养分离，只考虑短期投资，而未考虑长期的经济效益。可见，传统的桥梁设计理念和建管体制是目前桥梁出现各种问题（尤其是耐久性问题）的关键。因此，要解决桥梁的耐久性问题，除了从加强管理、提高施工和技术水平上下功夫外，还要从根本上改观，从对结构设计的研究入手。我国正处于桥梁等基础设施建设的高峰时期，大量的桥梁已在近20年建成，已修建的桥梁面临着如何保证其使用寿命及使用期间的安全、耐久及维护管理的经济性问题:而大量的待建桥梁则面临着如何确保全寿命各个阶段的安全、耐久和经济的问题。因此，为了可持续发展，需要把传统的短期方法拓展到结构的整个使用寿命期，考虑建设的所有方面，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基于全寿命的桥梁设计。桥梁设计理念的发展设计是工程的灵魂。这个“灵魂”的作用体现在，设计是桥梁建设的前提，是工程管理的龙头，是工程质量的基础。设计搞得好不好，不仅影响到桥梁建设的各个环节，还直接影响到后期的运营管理。可以说，设计是整个桥梁建设项目的“纲”。纲举才能目张。没有好的设计，就不可能有高品质的建设成果。设计工作做好了，就能为整个桥梁项目的建设和管理工作奠定良好的基础。因此，桥梁设计理念的发展对桥梁建设起着至关重要的作用。目前的桥梁设计理念还不能适应社会进步和时代发展的要求，考虑工程本身、专业内部要求较多，从全社会、环境保护角度考虑较少，环保意识、服务意识、安全意识、资源忧患意识不足，对自然尊重不够，工程大挖大填现象比较突出；“用心”设计不够，设计“制作”多于“创作”、“粗放”多于“精细”，有特点有特色的设计少，照抄照搬现象较多;在技术标准指标掌握上，不能因地制宜，生搬硬套现象较普遍。传统的桥梁设计是基于“现状设计”的，主要关心的是如何将结构设计好，施工好，使其发挥应有的作用。在设计中往往注重荷载等级，平、纵、横等设计指标和标准等成桥时性能而忽视使用期性能，忽视桥梁与周遍环境的协调和自身美学等因素；注重初期设计与施工的投入，忽视桥梁运营管理和维修改造成本；注重建设期的安全和强度，忽视使用期的结构耐久性及使用寿命;注重建设速度，忽视维修改造时的服务水平以及交通阻塞对行车、人的环境影响评估等。因此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。但随着时间的推移和经验教训的积累，许多混凝土桥梁，特别是处于腐蚀性介质环境中（如海洋环境）的结构，均出现不同程度的耐久性不足的问题。很多现有桥梁的混凝土构件出现了严重的使用性问题或在使用仅15-20年后就失效了，根本的问题是目前混凝土桥梁的设计和细部构造不能提供设计寿命期内所需的耐久性。这就促使桥梁工程师们在注重安全性能的基础上，开始了桥梁耐久性的研究，并在设计中引入了耐久性设计的理念。在设计理念中引入耐久性，使得桥梁设计开始以桥梁的使用寿命长短来衡量桥梁设计的优劣。但安全性能设计和耐久性设计仅是桥梁设计的两个重要过程，并不是桥梁设计的全部。根据可持续发展的思路，桥梁设计既要考虑当前发展的需要，又要考虑今后发展的需要;既要考虑桥梁的成桥性能，也要考虑桥梁使用期间的性能;既要考虑当前的利益，也要考虑后期的风险;既要重视桥梁建设的初始造价，又要考虑到生命周期内所需的费用，即要以桥梁生命周期性能与成本作为衡量桥梁性能和成本的指标，并以此来评价桥梁的优劣及经济性。因此，为了可持续发展，需要把传统设计只关注施工阶段的短期方法拓展到结构的整个使用寿命期，考虑桥梁建设的所有方面，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，进行基于全寿命的桥梁设计。根据桥梁全寿命的思想，桥梁全寿命设计是针对桥梁的整个寿命期，对桥梁建设的规划、设计、施工和使用期管理，一直到拆除和材料的回收再利用等各个阶段和各个方面进行设计。综上所述，桥梁设计理念的发展可分为三个阶段:第一阶段是传统的、只注重强度设计的短期方法，第二阶段是基于全寿命的桥梁设计阶段，第三阶段则是真正针对桥梁的规划、设计、施工、运营，一直到拆除和回收再利用的整个生命周期进行全寿命设计。国外很早就开始桥梁全寿命方面的研究，并取得了大量的研究成果，但其研究主要集中在退化结构的养护、维修和管理以及生命周期成本分析方面，从设计角度对桥梁进行全寿命设计的研究则较少。国内对于桥梁全寿命方面的研究，起步较晚，目前大多研究仍停留在概念层次上，缺少可操作性强的研究成果和方法。根据交通部的设想和要求，2004年4月，同济大学与其他单位联合进行了“桥梁工程全寿命设计理论与方法”研究课题的可行性研究，2004年9月交通部科教司下达交通部科技项目任务书，项目完成时间为2007年12月。要求研究成果具有实用性、可操作性，能直接用于桥梁工程设计。基于全寿命的桥梁设计研究现状在现行的一些设计规范中规定了结构的设计寿命。美国AASHTO规范虽然从1991年起规定了公路桥梁的设计寿命为75年，但主要是从钢筋的疲劳角度考虑到桥梁的通车次数。相对来说，欧洲各国设计规范对设计寿命的要求比较明确，对多数桥梁结构的要求为50年，重要桥梁等为100年。我国新颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定桥梁的设计基准期为100年。这些要求或规定通常是根据结构功能陈旧的估计时间得到的，其实是代表了业主和使用者的愿望而不是合理的设计准则。为了对一个新建结构做出更直接的设计寿命的规定，Somerville认为必须量化侵蚀作用并通过与强度、刚度和使用性能相似的方式来处理。业主应当知道结构需要使用多久，从而需要一个性能规划来预测在其整个设计寿命中将需要什么样的养护处理。结构实际能使用的时间可能大于或小于设计寿命，从而引出了使用寿命的概念。最早的明确的结构使用寿命概念之一是由Fagerlund提出的。目前已经建立了几个使用寿命的定义，最简单的一个是美国混凝土学会采用的：“结构执行预定功能的时间期限”。随后，大量的研究人员、国际专业组织对使用寿命方法进行了研究，其成果已经反映在一些现行的规范中。其中欧洲混凝土委员会（CEB）在过去几十年里己经努力提高了对结构寿命的理解，其工作主要体现在CEB第20号报告:耐久性和使用寿命实施、混凝土结构的CEB模式规范中。其中MC90中己经用一章的篇幅对耐久性加以规定，并提出了使用寿命设计的专门建议，从而建立了第一代使用寿命设计方法，它是通过选择适当数量和类型的防护措施以确保需要的使用寿命。后来，这个第一代使用寿命设计方法通过考虑在概率层次上模拟扩散和退化机理的处理以及考虑参数和模型的不确定性、采用基于可靠度的使用寿命设计进行评估以实现耐久性设计，从而得到了第二代使用寿命设计方法一基于可靠度的耐久性设计方法。在各国现行的结构设计和施工规范中，专门针对使用寿命的内容很少，设计和施工所强调的多是如何保证荷载作用下的强度，而没有明确的设计使用寿命的规定，包括美国混凝土协会（ACI）规范的现行版本在内。设计规范中对寿命的要求（除疲劳外）只是隐形的体现在对材料（强度等级、配比特别是最大水灰比和最小水泥用量、原材料选择和掺合料与引气剂等外加剂的使用）的要求和限制，以及对混凝土保护层厚度和其他一些构造要求上。这些要求有些与不同的环境条件挂钩，有些则不作明确解释，而且一般都没有和使用寿命的长短相联系。现行施工规范的要求很少关心耐久性，养护不良、钢筋位置变动的允差（保护层变化）等，均会对耐久性和使用寿命造成极其严重的伤害。此外，现在也非常关注通过构件的可更换性概念来延长使用寿命。从使用寿命的角度看，还应要求设计能提出使用过程中的维修管理等内容，这是因为结构的寿命应该与正常的维修有关。各国将使用寿命列为重要发展议题的原因，主要是来自于各国桥梁维护管理费用不断增加，所以必须寻找合理的新建桥梁设计使用寿命值，与延长既有桥梁使用寿命的方法，以帮助减少相关费用。现以欧洲、美国与日本地区为例，其桥梁结构使用寿命的发展特性。过去，大量的研究是针对桥梁建筑材料的极限能力的，大大减少了严重的桥梁结构倒塌问题。然而，桥梁使用性破坏的发生更频繁，而现行的设计规范只是肤浅地考虑了这个问题。工程师已经意识到，结构和侵蚀性环境间的相互作用不可避免地将导致结构材料老化和衰退。Somerville在回顾了耐久结构设计现状时发现，尽管渗透性被认为是重要的参数，规范却没有规定其取值。相反，耐久性通过4个“C”，来规定:一混合料组成（Composite）;二保护层（Cover）；三压实（Compaction）；四养护（Curing）。随后又增加了第5个“C”，裂缝（Crack）。1989年，Maunsell&Parnters根据业主委托所做的200座桥梁的性能调查报告显示:混凝土桥梁正在遭受不只限于特定的地域、特定的设计类型或特定的荷载条件的重大耐久性问题，根本的问题是目前混凝土桥梁的设计和构件细部不能提供其设计寿命所需的耐久性。从此开始了“耐久性设计”理论的研究。对于桥梁结构耐久性的关注己经集中在桥梁“如何（how）”，“为何（why）”和“何时（when）”退化。现在主要关注退化如何发生及其退化率。引入退化率即时间参数是理解桥梁结构耐久性的重要一步，它使得非定量的耐久性问题可以通过一个使用寿命的问题量化处理。结构耐久性设计方法尚处于发展阶段，在设计中目前大体有四种处理方法:宏观控制方法、基于材料退化过程分析的设计方法、指数评定法和基于随机动态可靠度方法的耐久性设计方法。虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构的耐久性要求，但是，这一宗旨并没有充分地体现在具体设计条文中，致使在以往的、乃至现在的工程设计中普遍存在重视强度设计而轻视耐久性设计的现象。我国以前的规范中涉及结构耐久性的内容很少，除了一些保证结构耐久性的构造措施的一般规定之外，只对影响混凝土耐久性的裂缝宽度加以控制。实践证明，裂缝控制对结构耐久性设计并不起决定性作用。新颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》增加了耐久性设计内容，《耐久性设计与施工指南》提出的混凝土结构应根据不同设计年限及相应的极限状态和不同的环境进行类别及其作用等级进行耐久性设计的概念，明确提出了环境作用下混凝土结构的耐久性设计与施工的基本原则与要求，是结构设计理念上的重大突破，对提高设计质量具有指导意义。吴海军提出了对桥梁构件进行耐久性等级分类的原则和方法、桥梁典型构件的耐久性设置标准及维修养护特征。提出了从体系及构造细节、防水性能、可换性、可检性等角度进行耐久性设计的原则与方法，分析了具体的设计措施、全寿命成本的构成、计算公式与计算过程，提出了从全寿命多个方面来确保结构耐久性的全面的桥梁耐久性设计方法框架。在20世纪60和70年代，新建结构的设计、施工是主要趋势。在近十年内，人们已经认识到钢筋混凝土结构正在遭受大量的侵蚀作用，从而使结构不能有效地满足预期的目标。现在，很多结构正在逐渐老化，积压了相当数量的现有结构需要养护、加固或更换结构的管理者必须计划实施结构监测和检测，它可以用作结构再评价的基准和决定应当采用哪一种维修和养护策略的依据。因此需要详细的监测规划和养护策略。监测规划和养护方法的最优决策可以根据现代的结构可靠度理论和经济决策理论确定。养护策略的一个例子是1985年英国交通运输部的桥梁恢复计划（DTP），在1999年前对桥梁进行升级，目的是使其能够承受40t的欧洲标准的卡车，所选的养护策略是把养护工作分为静态养护、评估和加固及升级不合格的特征参数三个主要部分。Bergg把养护工作分为循环式、构件更换、小型结构、主要结构及桥梁加固和更换5类。Lee提供了一个用于钢筋混凝土门架的养护方案的例子，列举了每一个子项目5种可能的损伤分类，进一步描述恶化的退化，然后考虑了可用的养护方案和每种方案的费用。通过进行费用比较选择养护方案。这种方法己应用到MidlandLinks高架桥和Tees高架桥的各种构件上，结果发现，补救的费用可能等于或超过原建设费用。在对结构体系进行管理的早期阶段，使用基于更换理论和简单力学模型的方法如残存函数。这些方法没有包括保护性养护处理的影响，因此对于现行的桥梁管理系统来说并不符合实际。这些处理增加了结构使用寿命期性能的不确定性。建立养护模型的一个主要内容是考虑退化和失效时间的不确定性。一个时变的退化和养护模型可以模拟为:失效率函数；马尔可夫模型；随机模型；时变可靠度模型。现有的桥梁管理系统所用的马尔可夫模型有4个重要的不足，如:构件的退化只通过目视的技术状况来描述；假定技术状况退化是一个单步函数;未来的技术状况仅与现在的技术状况有关（而与退化历史无关）；未明确考虑桥梁体系的技术状况退化。而通过采用基于概率、可靠度和模糊聚类理论的不同方法可以考虑与养护处理有关的不确定性。基于可靠度的退化和养护模型代表了新一代的结构管理系统。基于可靠度的养护的好处在于可以明确考虑可靠度。在基于技术状况的退化模型中，只是在技术状况转变成可靠度后隐含考虑可靠度。基于技术状况的模型的好处在于技术状况可以量测或检测，而可靠度必须进行计算，检测可以很自然地包括在养护模型中。理想地，最好的的方法是根据抗力和应力的时变随机过程建立一个退化模型，计算相应的寿命分布和失效率函数以及时变可靠度函数。目前，世界各国已经进行了大量的监测、养护与维修方面的研究°Frangopol和Estes提出了一种基于寿命期可靠度和生命周期成本的桥梁检测/维修程序的优化设计的更实用和广泛的方法，对用于公路路面和结构的养护程序异同点进行了综述。Furuta等把Tamaki开发的遗传算法(GeneticAlgorithm，GA)应用到养护规划问题，建立了一种考虑结构性能和和环境预测不确定性的、可以提供几种实用养护计划的方法。SQjrensen等提出了一种可以预测钢筋混凝土结构中的氯离子含量的、用于基于可靠度的混凝土结构养护和检测规划中的统计模型。Dogaki等考虑公路网的交通特点，研究开发了一个决策支持系统采用遗传算法来解决损伤RC桥面板养护的大型复组合优化问题以确定合理和经济的养护程序。VanNooriwijk和Frangopol描述和比较两种用于退化结构的概率生命周期养护模型，助kswaterstaat模型和Frangopol模型，可以确定以最小的的生命周期成本确保足够的可靠度水平的最优养护策略。Frangopol模型归功于英国公路局建立的桥梁养护方法的深入研究，而助kswaterstaat模型已经在荷兰应用了。尽管两种养护模型很相似，仍有以下的区别。前一种模型是基于可靠度的，处理多构件、多失效模式和多不确定性参数的情况。后一种模型是基于技术状况的，只处理单个构件、单个失效模式和单个不确定性参数的情况。另一个区别是Frangopol模型采用蒙特卡罗模拟，而助kswaterstaat模型采用解析法。此外，养护模型的区别还在于退化不确定性的模拟方法:即分别为不确定性参数和随机过程。由于基于技术状况和基于可靠度的概念上的区别，与这些概念相应的管理决策一般也是不同的。关于在新建桥梁中如何避免重复性错误，Maunsell报告建议“设计人员应当注意养护问题并进行相应的设计”。新桥从规划、设计到更换或破坏的“生命周期”成本使得要在设计阶段采取预防措施，以尽量减小各种可能的损伤。目前各国研究人员的监测、养护与维修、管理的研究主要是侧重于对已建桥梁的监测系统、养护与维修策略与方案的优化比较，从而实现对己建桥梁的运营期监测、养护与维修管理的，而很少针对新建桥梁如何进行监测、养护与维修方案的设计进行研究。桥梁美学设计研究现状随着时代的发展，人们对桥梁的要求也越来越高，桥梁不仅要满足我们的正常、安全使用，还应是美观的，甚至要成为美丽的景观和标志性建筑。随着我国经济水平的不断提高，桥梁结构设计中对美观方面的考虑不能仅仅局限于感性的层面上，只有进行理性的、系统的造型和景观设计并与结构设计有机结合，才是完美的桥梁设计。国内外已经进行了大量的桥梁美学设计方面的研究，并己经出版了很多桥梁美学的著作，如莱昂哈特先生的《桥梁建筑艺术与造型》，日本山本宏先生的《桥梁美学》，日本伊藤学先生的《桥梁造型》，唐寰澄先生的《桥梁美的哲学》以及和王壮女士的《桥梁美学》、陈艾荣、盛勇等的《桥梁造型》等等。其中和王壮老师1999年完成的《桥梁美学》一书是一本较为全面和系统的论著，对我国桥梁美学的研究是一次很大的总结和提升。陈艾荣、盛勇等的《桥梁造型》一书从桥梁美的认识出发，创造性的提出了许多桥梁造型的概念、原则和设计方法，如造型单元、功能单元的概念，桥梁造型设计的单元造型法、整体造型法、比例设计法、线形设计法、拓扑优化造型法以及源于环境的造型构思方法和按视点场进行桥梁造型设计的思想等等，为桥梁设计人员进行桥梁美学设计提供了很好的指导和实用的设计方法。桥梁环境生态设计研究现状从20世纪60-70年代开始，RachelCarson的“寂静的春天”把人们从工业时代的富足梦想中唤醒；LynnWhit揭示了环境危机的根源来自西方文化的根基，即“创世纪”本身，而GarrettHardin的“公有资源的悲剧”则揭示了资源枯竭来源于人类的本性和资本主义经济的本质;DonellaMeadows则计算出地球资源的极限，警示了人类生存的危机。所有这些都把设计师们从对美与形式及优越文化的陶醉中引向对自然的关注，引向对其它文化中关于人与自然关系的关注。设计师开始懂得用植物而非人工大坝更能有效地防止水土流失，微生物而非化学品能更持久地维持水体干净;泥质护岸比水泥护岸更经济持久。这是对自然和文化的一种全新的认识。在此背景下，产生了InMcHarg的“设计尊重自然”(DesignwithNature)，也产生了更为广泛意义上的生态设计，包括建筑与桥梁的生态设计、景观与城市的生态设计、工业及工艺的生态设计等等。“设计”是有意识地塑造物质、能量和过程，来满足预想的需要或欲望，设计是通过物质能流及土地使用来联系自然与文化的纽带。1989年5月，联合国环境署第15届理事会通过了《关于可持续发展的声明》，明确地提出了可持续发展与环境保护的关系，认为要实现可持续发展就必须维护和改善人类赖以生存和发展的自然环境。随后，VanderRyn和Cowan研究提出了生态设计的原理，JohnLyle等提出了人类生态系统设计和再生设计原理，RobertThayer等提出了可持续景观和视觉生态原理以及生态城市的原理。俞孔坚等参照SimVanderRyn和StuartC的定义:任何与生态过程相协调，尽量使其对环境的破坏影响达到最小的设计形式都称为生态设计，这种协调意味着设计尊重物种多样性，减少对资源的剥夺，保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，以有助于改善人居环境及生态系统的健康，总结了地方性，保护与节约自然资本，让自然做功和显露自然等基本原理。山本良一以一些实例从生态环境材料、生态设计、资源效率、环境经营等概念及其应用等方面对生态设计进行研究。近年来，世界各国也已经开展了一些桥梁的环境生态设计方面的研究。在日本，公共工程研究所（PWRI）和日本土木工程师协会已经开始了几个研究来计算日本桥梁施工导致的温室气体和能源消耗的份额。Itoh等认为总环境影响是桥型选择的要素之一，并把施工的能源消耗和CO：排放作为总环境影响的要素，并开发了一个系统来对几种桥型进行归类°Itoh等把环境影响作为与成本相同的一个生命周期分析的要素。Harvath和Hendrickson对钢桥和钢筋混凝土桥梁进行了关于生命周期环境影响的比较。有毒物质释放，有害废料和局部空气污染物排放被认为是桥梁施工和养护的环境影响，美国正在开发高性能的涂装系统来降低桥梁涂装的各种环境危险。我国的公路和桥梁建设一直以来也很关注公路和桥梁建设对环境生态的影响。1996年7月由中国交通部发布了《公路建设项目环境影响评价规范（试行）》，并于1997年1月1日起试行。在使用近十年后，于2006年2月8日以交通部发布了关于公布《公路建设环境影响评价规范》的公告，自2006年5月1日起施行，并规定环境影响评价的主要内容包括:社会经济环境影响评价；生态环境影响评价;大气环境影响评价；噪声环境影响评价;交通环境影响评价;文物和珍稀动植物保护及公众参与等。并要求根据公路建设的不同阶段，不同环境问题的产生与环保工作的重点，采取有针对性的措施。但环境影响评价只是环境生态设计的一部分，并不是环境生态设计的全部。陈艾荣等明确提出了桥梁环境生态设计的概念，并对桥梁生态周期评估的内容和桥梁结构及其构件、材料的问题回收再利用进行了探索性的研究，马军海等明确提出了桥梁环境生态设计是桥梁全寿命设计的一个主要设计过程。但国内的多数研究和应用仍停留在建设环境影响评价上，至今仍没有系统的桥梁环境生态设计方面的研究，因而也就无法有效地指导桥梁设计人员进行相应的设计工作。自1992年里约热内卢地球最高级会议以后，关于如何减轻地球环境负荷的问题便成为人类的一个极具挑战性的课题。里约高级会议虽己过去十多年，但人们仍生活在更加危险以致不能持续发展的世界中：人口继续增加、资源进一步消耗和废弃、贫困人口进一步增加，而生物种类、森林面积、可利用的新鲜水资源、可耕地等却进一步减少，大气层中的臭氧层也还在继续减少。桥梁建设被公认为自然资源和能源的最大消耗源之一，从而对桥梁设计人员对环境与生态的关注提出更高、更迫切的要求，迫切需要针对桥梁环境生态设计方法的研究。生命周期成本(LifeCycleCostLCC)及全寿命经济性概念的提出已经有100多年的历史。在实际应用方面，首先是由美国军方于20世纪60年代应用于军用器材采办，并迅速推广到民用企业。从20世纪60年代到70年代，是酝酿和探索阶段，所发表的文献多是对LCC的综述。英国于20世纪70年代创立的设备综合工程学以生命周期成本思想为基础，把设备技术管理与经济管理结合起来，并追求设备生命周期成本的经济性作为设备综合管理的目标。在20世纪70年代，美国政府和军事部门为此颁布了一系列文件，包括标准、规则、指令、通告及手册等，如美国国防部就发布了《生命周期成本评价采购指南》。当时所发表的文献多是从各个方面对LCC方法进行比较深入的研究，包括成本的分解、估算、建模、校核以及评估，并公布了一批实例。20世纪80年代，生命周期成本方法已在国际上得到公认，其方法和有关规定已较为完善，在航空、航天、舰船、车辆、建筑，以及家用电器、小型机械等各方面都有一定的研究与应用，并发表了不少文献。此时，人们开始研究建设项目的全寿命成本的优化，从成本的角度提出全寿命管理的观念，综合考虑建设成本，选择全寿命成本最优的方案。从这一时期开始，LCC方法逐渐应用到道路交通行业，并于90年代产生了一些阶段性成果，其中有代表性的是1998年美国联邦公路局颁布的“道路设计中的全寿命成本分析”，关于全寿命的设计理论和原理也己经写入了美国和英国桥梁设计的有关规范和设计手册，例如英国的BD36（1992）以及BA28（1992）等。在近二十年内，桥梁生命周期成本的研究己经取得了令人瞩目的成就，很多研究者提出了桥梁设计、养护和更新的生命周期成本分析（LCCA）和生命周期成本评估的方法。Leemis阐述了生命周期成本计算在桥梁中的应用°Cady和Wayers基于己建桥梁结构的退化对生命周期成本进行了研究。Chang和Shinozuka重点针对自然灾害的风险规避回顾了桥梁的生命周期成本分析。Frangopol等提出了基于最小期望生命周期成本准则的桥梁养护计划优化的实例。Liu和Itoh采用了网络级桥梁生命周期管理的最优养护策略。Kong和Frangopol用一个修正的事件树分析计算退化公路桥梁养护处理的概率和预期的生命周期成本。美国正在尝试通过采用高性能钢材来降低生命周期成本。然而，大多数研究者对于桥梁生命周期成本的研究仅关注其理论而不能完全付诸实际运用。通常，建设成本、检测成本、养护成本、用户成本和失效成本对于退化结构设施的生命周期成本分析是重要的。将来的成本通常折现到现在的价值进行有意义的比较。目标是通过平衡原始成本和寿命期成本实现成本一效益的设计。桥梁管理系统已经开始重新关注针对成本数据的估计和管理，尤其是网络级的分析。建立的方法也可用于一组相似的退化结构体系。一些研究者通过优化提出了基于可靠度的生命周期养护管理。Frangopol阐述了成本一效益的生命周期桥梁养护管理的系统框架，它集合了桥梁寿命期可靠度和生命周期成本分析。Hassanain和Loov讨论了混凝土桥梁构件和体系的成本优化，且回顾了混凝土桥梁生命周期成本分析和设计的发展。考虑检测和维修计划，Akgiil等提出了基于可靠度的退化钢筋混凝土桥梁的生命周期成本优化设计，它考虑各种检测技术的性质，基于事件树的所有维修概率、老化和腐蚀退化的作用、损伤强度、维修对结构可靠度的影响和钱的时间价值。需要指出的是，对输入数据包括腐蚀速率、检测方法的性质和失效成本不确定性的量化，是得到考虑安全和经济的可靠结构设计所必要的。需要对损伤检测概率的贝叶斯进行更新、使用改进的时变桥梁可靠度模型以及选择真正的目标可靠度水平。最近出版的NCHR.P12-43计划的NCHRP483号报告“桥梁生命周期成本分析”为交通部门提供了对桥梁进行生命周期成本分析的指南。国内以前在桥梁全寿命经济性方面的研究较晚，在20世纪90年代以前研究成果较少，且大多是概念性的介绍。如沈达峰阐述了桥梁寿命期成本概念、桥梁经济性评价以及提高桥梁寿命周期经济性的一些可行措施。指出应将桥梁寿命周期成本作为衡量桥梁成本的指标，并以此来评价桥梁的经济性。近年来桥梁的生命周期成本分析在国内兴起，并很快成为研究的热点。郭卓明等针对桥梁结构在国民经济中的特殊性，引入了一种基于效益一成本分析的桥梁设计目标可靠度确定的分析方法。然后利用交通网络分析的方法，借用运输项目经济评价中的国民经济评价的分析模型，并吸收灾害经济研究的最新成果，对桥梁破坏的社会经济损失进行分项计算，得出桥梁在一定使用年限内的损失期望。吴海军等介绍了寿命周期成本分析的概念及其应用于桥梁工程的发展历程，阐述了它的基本原理，探讨了桥梁寿命周期成本的构成，并给出了进行分析时的计算公式。徐岳等通过比较加固桥梁与新建桥梁的差异，对加固桥梁与新建桥梁的生命周期成本进行了横向对比分析，并提出了基于桥梁加固工程生命周期成本分析的评价方法。张克波和朱建华把价值工程理论引入到方案决策中，通过对桥梁维修加固方案功能分析和生命周期成本分析，要求工程决策者综合考虑方案决策中多因素的影响，运用系统分析的方法，把方案的优选决策转化为方案价值的分析比较。在利用己有的研究成果基础上，为桥梁维修加固提供了一种新思路。邵旭东等研究了桥梁寿命周期成本的组成，并以此建立混合寿命周期成本优化模型。马军海等认为桥梁的生命周期成本分析是基于全寿命的桥梁设计过程的重要组成部分，并且是性能设计以及监测、养护与维修设计方案等其它设计过程设计优劣的主要评价依据之一。然而，桥梁的生命周期成本分析（LCCA）因为时变退化的抗力和随机极端荷载作用会导致与结构寿命期内的强度、使用性、耐久性、退化和损伤不同的失效而变得复杂，它会导致非常复杂的成本和不确定性评估，通常缺乏与各种直接和间接损失有关的成本数据和用于评估的不确定性数据。因此，使桥梁生命周期成本预测达到要求的精度仍然很难。但如果各种方案采用同样的方法进行计算，可以用生命周期成本进行方案比较。考虑寿命期性能，最小期望生命周期成本已经广泛用作新结构体系的设计优化准则。但现有的研究主要是针对已建结构（特别是退化结构）的生命周期成本的构成、计算模型和优化方法的，对于在设计阶段需要确定桥梁生命周期中的哪些成本和如何确定，目前还缺乏系统的研究。混凝土连续梁桥设计和使用现状预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。加上这种桥型的设计施工均较成熟，施工质量和施工工期能得到控制，成桥后养护工作量小。预应力混凝土连续梁的适用范围一般在150米以内，上述种种因素使得这种桥型在公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。自20世纪60年代中期在德国莱茵河上采用悬臂浇筑法建成Bendorf桥以来，悬臂浇筑施工法和悬臂拼装施工法得到不断改进、完善和推广应用，从而使得预应力混凝土连续梁桥成为许多国家广泛采用的桥型之一。我国自20世纪50年代中期开始修建预应力混凝土梁桥，至今已有40多年的历史，比欧洲起步晚，但近年来发展迅速，在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异，预应力混凝土梁桥的设计技术与施工技术都已达到相当高的水平。尽管在各类桥梁中预应力混凝土桥梁的缺陷率最低，而使用寿命的期望值最高。美国联邦公路局（FHWA）支持的研究发现，在美国现有桥梁（共有470000座）中，预应力混凝土桥梁缺陷比例占3.8%。但自20世纪70年代以来，国内外都发现一些预应力混凝土桥梁发生损伤的情况，有的还相当严重，不但影响桥梁结构的正常使用，还危及使用者和结构的安全。目前建造的混凝土连续梁桥一般都采用预应力，因此与一般混凝土桥梁相比，凝土连续梁桥除了出现一般混凝土桥梁的问题外，还将会出现与预应力筋有关的问题，如：预应力孔道压浆问题。灌浆工艺对预应力钢筋和结构的耐久性方面影响很大。经过几十年的实践，20世纪30年代以来全世界应用最广的后张法预应力管道压浆工艺被证明质量存在不确定性。国际上，尤其是英国，在20世纪80年代到90年代早期间几座桥梁预应力筋腐蚀的调查导致了对预应力混凝土桥梁耐久性的关注。英、美等国的调查均发现锚头区有钢丝锈蚀的问题，甚至因此发生过桥梁倒塌事故，病害原因是灌浆程序不当，孔道灌浆不饱满或者根本忘记压浆。1953年英国南威尔士跨Man河建造的一座名为Ynysy-Gwas的单跨后张预应力混凝土桥，1985年在毫无预警的情况下倒塌了。事后调查表明，撒在桥面上的除冰盐沿各纵梁接缝处渗入，使接缝处灌浆不饱满的纵向与横向后张预应力筋遭受到严重腐蚀破坏。1992年比利时横跨Scheldt河上的一座后张法预应力混凝土桥也因预应力索孔道的压浆质量得不到保证导致预应力钢索锈蚀坠毁。孔道灌浆的不饱满且无法检查和补救的问题，曾使1994年英国运输部颁发了“后张法”禁用的通知，虽然19%年又恢复使用，但对悬拼结构仍持不宜采用的态度;并建议采用不腐蚀、不导电的高密度聚乙烯或聚丙烯管道，并要求改进压浆材料和工艺;同时，应加强桥面防水设施。日本曾采用由聚丙烯酸乳胶及波特兰水泥去泡剂调制的聚合物水泥浆用于预应力筋管道压浆，这种材料具有不析水、不收缩、在动载下不开裂及高延性等优点。法国在诺曼底大桥采用石蜡灌浆，其熔点在85摄氏度-105摄氏度之间，不开裂，不导电，防腐力强。国内施工对压浆工艺与材料的选用比较粗糙，锚具在封堵前一般不设防水措施，梁端接缝经常有雨水渗漏，这无疑会对结构的耐久性和使用寿命产生很大的隐患。预应力筋腐蚀。在有氧气、水分及氯离子存在的情况下，处于高应力状态的预应力筋容易发生应力腐蚀，应力腐蚀一方面会导致预应力筋中有效预应力的急剧降低，进一步引起开裂等病害，降低桥梁的耐久性;另外，严重的应力腐蚀会导致钢筋出现裂缝并断裂，应力腐蚀断裂是一种无征兆的脆性断裂，其后果往往是灾难性的，这是影响预应力混凝土桥梁构件耐久性及安全性的重要因素。即使是延性极佳的钢材，也可能产生突发性的早期脆断。在预应力混凝土构件中，因应力腐蚀而导致预应力钢筋断裂的事故占有很大的比例。目前现场施工时，锚具一般在封堵前不设防水措施。此外，目前封端混凝土的配筋量太少，而且与梁体配筋整体性差的做法也应改变。印度孟买Thane河上的第一座桥是后张预应力混凝土桥，由于该桥预应力筋在安装前就被大气中的盐分所污染，灌注的水泥浆体又用了含盐的河水，因而不到10年，所有钢筋、预应力筋及其套管都过早地遭到了严重的腐蚀破坏，现在不得不重建第二座桥。竖向预应力钢筋的耐久性。在大跨连续梁桥和连续刚构桥中普遍采用的竖向预应力筋，由于预应力筋太短，且往往由于波纹管较细、长度太短造成压浆困难，加之施工人员对竖向预应力筋重要性认识不足，都可能造成质量隐患，严重影响后期的耐久性。钱江三桥35根竖向预应力筋的随机抽检结果发现，无浆占71.42%，不饱满占11.42%，开孔流水的占40%。混凝土连续梁桥耐久性问题的原因和特点虽然预应力混凝土桥梁有较强的抵御环境侵蚀的能力，但由于以前对耐久性问题重视不够，在世界范围内出现了一系列的预应力混凝土结构耐久性失效事故，其原因有：一现有预应力结构对耐久性问题考虑不足及使用寿命的增加;二以往的统计报告没有反映除冰盐的效应;三没有考虑车辆超载和疲劳荷载的联合作用影响；四没有考虑恶劣环境对预应力筋腐蚀破坏的碳化进程加速及酸雨的侵蚀等。国内外大量调查分析发现，引起混凝土桥梁耐久性失效的原因存在于结构设计、施工及维修的各个环节。根据现有的研究发现预应力混凝土桥梁及其构件耐久性失效有如下特点:一由于预应力筋断面小且长期处于高应力状态，锈坑腐蚀、应力腐蚀及氢脆腐蚀现象特别突出，预应力筋自开始腐蚀至失效历时很短，破坏形式表现为无任何先兆的脆性破坏；二预应力技术在工程中的成功应用，需要经过多道工艺来保证，如波纹管的制作、埋置，管道的灌浆，力筋的锚固及锚具的防腐处理等，任何一个环节的疏忽或质量的缺陷都有可能影响结构的耐久性。因此，预应力混凝土桥梁结构的耐久性比普通混凝土桥梁有更多、更高的要求。桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了严重的负担。1989年英国高速公路局估计化冰盐引起的公路桥梁的腐蚀破坏仅在英格兰和威尔士就已达6.2亿英镑，而这些桥梁仅占英国桥梁总数的10%。据最新报道，美国仅公路桥梁的腐蚀损失己高达每年83亿美元，每年用于混凝土工程的维修费用高达300亿美元，因除冰盐引起钢筋锈蚀而限载通车的公路桥梁己占全部桥梁的1/4（其中大多数为预应力桥）。美国土木工程学会在2001年指出，美国在未来的5年将有29%的桥梁被界定为具有功能性缺陷，需要在未来的10年中每年耗费106亿美元来解决。混凝土桥梁的病害由于数量大，涉及地域广，对交通运输安全畅通影响严重，修复费用巨大，成为世界各国所共同关注的问题。混凝土连续梁桥安全和耐久性的研究现状为了确保预应力混凝土桥梁的正常安全使用，世界各国从安全和耐久性角度开展了大量的研究。从结构安全角度，Stewart评估了退化钢筋混凝土梁桥面板的时变安全，Maes和Wei等建立了一个模拟不同等级材料易感性、应力状态和环境条件下预应力筋的应力腐蚀开裂模型对钢铰线腐蚀发育进行随机时变分析。Thoft-Christensen从可靠度角度研究了混凝土结构的退化步骤，通过研究钢筋腐蚀和由于钢筋膨胀导致的裂缝宽度间的关系，建议了一个新的使用寿命定义，即直到临界裂缝宽度的时间。而Cho考虑了预应力混凝土桥梁主梁的情况，根据氯离子扩散分析建立了一个预测腐蚀开始时间的模型，并通过氢原子的扩散分析建立了一个预测钢铰线和预应力筋腐蚀发育的模型，最后建立了一个包括荷载和抗力模型的受腐蚀影响的钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁主梁的可靠度分析程序。Yanaka通过确定可以接受的开裂率和裂缝宽度，以建立用于预应力混凝土桥梁主梁设计时关于腐蚀和开裂基于可靠度合理的正常使用极限状态(SLS)准则。这些研究人员并未关注由于外加荷载导致的裂缝对氯离子扩散的影响;但是，需要包括这种影响以评估结构的可靠度。为了确定结构的可接受可靠度，最适宜的是从经济角度考虑，但它通常是由工程师的判断决定。但与普通混凝土结构相比，国内外对预应力混凝土桥梁结构耐久性的研究较少，关于预应力筋腐蚀的退化机理和模型尚未得到验证，从而无法推广应用，也就无法指导桥梁设计人员进行合理的设计。我国公路桥梁设计的基本原则是:实用、经济、安全和美观。此外，根据现代桥梁建设的要求，还应增加一个要求，就是可持续性的要求。桥梁设计应考虑环境保护和可持续发展的要求。因此，根据桥梁设计的原则，桥梁设计必须满足下述各项性能要求:安全性能。桥梁在使用上的最基本原则，就是保持在使用期间的安全性能，它的整体及内部的各个构件，在施工和使用过程中应具有足够的强度、刚度和稳定性。强度要求就是指桥梁的所有构件及连接构造的承载能力具有足够的安全储备，需要通过构件外形尺寸、钢筋位置、截面积或混凝土强度等的设计选取来满足构件所需的抗弯能力、抗剪能力等，其中也包括抗震性能;刚度要求就是指桥梁在荷载作用下的变形应控制在容许范围之内;因此，不仅要满足桥梁的极限承载能力，还要考虑变形能力，根据需要还要考虑车辆的冲击力。稳定性要求就是要求桥梁结构在各种外力作用下，具有能保持原来的形状和位置的能力。使用性能。桥梁的使用性能包括结构的功能性与使用性。所谓功能性是指结构应按预期或要求发挥功能，它与结构的服务水平有关，例如桥梁的车道数能满足实际车辆通行需求等;功能性具有随使用需要逐年提高其服务水平的特点。所谓使用性，基本上涵盖变形、振动或防水性等具有随着使用而逐年变化的特点。广义来说，除安全性能等其他性能外，都可以统称为使用性能。美观性能。一座桥梁应具有优美的外形，而且这种外形从任何角度看都应该是优美的，结构布置必须简炼，并且在空间有和谐的比例。桥型应与周围环境相协调，城市桥梁和旅游地区的桥梁，可较多地考虑建筑艺术上的要求。合理的布局和轮廓是美观的主要因素，另外，施工质量对桥梁美观也有重大影响。对于不同形式的结构，在使用中因退化所产生的锈迹或裂缝，也会影响结构的美观问题。耐久性能。耐久性的要求就是确保桥梁结构在使用寿命内，各项技术指标，例如钢材的腐蚀，构件材料的疲劳、老化等，能长期符合设计的要求。可持续性。桥梁设计应考虑环境保护和可持续发展的要求。从桥位选择、桥跨布置、基础方案、墩身外形、上部结构施工方法、施工组织设计等多方面全面考虑环境要求，对于施工过程中的植被破坏、水土流失、排渣污染等，应采取必要的工程控制措施，建立环境监测保护体系，将不利影响减至最小。另外，对桥梁使用过程中的环境影响进行分析和预测，并在设计时采取措施尽可能减小资源和能源的消耗以及对环境的不利影响。经济性。桥梁设计应遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原则;经济的桥型应该是造价和养护费用综合最省的桥型，设计中应充分考虑维修的方便和维修费用少，维修时尽可能不中断交通或中断交通的时间最短;所考虑的桥位应是地质，水文条件好，桥梁长度也较短;桥位应考虑建在能缩短河道两岸的运距，促进该地区的经济发展，产生最大的效益，对于过桥收费的桥梁应能吸引更多的车辆通过，达到尽快收回投资的目的。摆脱时空约束，追求更安全、更便捷、更经济、更舒适的出行，是人们对交通工作的本质要求。在桥梁设计和建设中体现“以人为本”的要求，就要改变“建设就是发展”的传统观点，坚持把“用户需求置于桥梁建设的核心”，树立“用户第一，行者为本”的新理念，把不断满足人们的出行需求和促进人的全面发展，作为交通工作的最终目的。在今天，交通事业的发展与进步，不能只看修了多少路，架了多少桥，而是要以能为人们提供什么水准的服务来评判。桥梁设计工作的着力点，要把满足人的出行需要作为根本，在工程本身的细微之处，体现对人的关注，体现人性化的要求，注重桥梁安全性、方便性、舒适性、愉悦性的和谐统一，为人民群众提供最大限度的出行方便。桥梁的生命周期特性在一个桥梁建设项目的生命周期中，要经历最初的规划到设计、施工、运营、维护、改建以及最终拆除的各个不同阶段。每个阶段对桥梁的特点和功能都有独特的要求。每个阶段的生命周期特性，即可设计性、可建造性、可操作性、可维护性、可改建性和可拆除性为表示设计满足该阶段目标的属性。对于生命周期特性，设计专业人员处于一个与众不同的位置。通过构思和设计桥梁的特性，设计人员在确定一个桥梁的性能水平时起重要作用。一个设计人员在桥梁建设项目生命周期早期的任务主要是考虑所有的生命周期阶段，寻求一个桥梁建设项目的整个生命周期性能的优化方案。目前虽然对于可建造性己经履予了很大重视，但对于一个桥梁生命周期的其它方面却很少关注。可设计性、可建造性、可运营性、可维护性、可改建性和可拆除性是优化一个桥梁全部价值所要考虑的所有项目特性。一个桥梁建设项目总价值或全部性能具体表示为如何充分发展和实现每一个特性。对这些生命周期的阶段特性的描述可以提供评估一个桥梁整体质量和成功实施一个项目的框架。一些主要的特性阐述如下：可设计性。可设计性是反映设计一个桥梁建设项目难易程度的特性。影响可设计性的因素有美学要求、业主限制性的要求、环境限制、设计工期和预算。最坏的情况可能会导致在设计阶段放弃桥梁项目的设计、建造，而最好的情况是在规定的设计工期和预算内完成桥梁设计。可建造性。可建造性是反映一个桥梁建设项目施工难易程度以及一个项目合同文件明确性和完整性的特性。施工体系、建筑材料和设计复杂性的选取是影响该特性的一些因素。可操作性。可操作性是反映一座桥梁所有操作设施的可达性、功能性、操作和控制难易程度的特性。它描述了桥梁结构体系如何很好满足业主、使用者的要求，如照明水平、环境控制、行车道限制等。可维护性。可维护性是反映一座桥梁结构体系及其构件的可靠度和维修或更换难易程度的特性。与该特性有关的主要问题是维修频率和类型、养护和维修方法和需要的设备。较长的运营阶段和维护阶段会导致桥梁总成本很高，其成本包括以金钱衡量的维修成本，还包括给使用者带来的不便、环境影响等。可改建性。可改建性是反映一座桥梁变更或扩建以满足未来需要难易程度的特性。影响该特性的一个重要因素是竣工图的质量。可拆除性。可拆除性是反映一座桥梁不再需要或已经达到其有用寿命终结时，拆除的难易程度。与拆除有关的另一个问题是一个桥梁构件和部件等的可回收性和关于拆除施工和拆除废物的影响。传统的公路工程基本建设项目一般采用两阶段设计，即初步设计和施工图设计。技术上复杂而又缺乏经验的建设项目或建设项目中的个别路段、特殊大桥、互通式立体交叉、隧道等，必要时采用包括技术设计的三阶段设计。而根据基于全寿命的桥梁设计思想，桥梁从投资规划开始就已经进入设计阶段了，因此基于全寿命的桥梁设计一般可分为工程可行性研究、初步设计和施工图设计三个阶段。其中工程可行性研究，是对项目建设的必要性、技术可行性、经济合理性和实施可行性进行综合性研究，从而针对项目建设的目的确定工程的功能和使用寿命，分析环境因素对桥梁结构后期可能产生的影响，进而初步确定为保证桥梁的使用寿命所必须进行的性能设计（尤其是耐久性设计），明确运营阶段管、养以及可更换件估算指标，进行基于全寿命的桥梁设计的投资估算和经济评价。需要指出的是，这里的分析暂不考虑技术设计阶段，在需要进行技术设计时，可开展基于全寿命的桥梁设计中技术设计方面的某些专题研究。基于全寿命的桥梁设计与传统桥梁设计的主要区别就在于引入时间变量，把结构设计方案放到桥梁的整个生命周期内去分析，设计方案不仅需要满足竣工时的性能要求，还要使桥梁在其设计使用寿命内任一时刻的各种性能均能满足需要。因此，为了实现良好的桥梁生命周期质量，需要对桥梁进行合理的使用寿命设计和规划，确保其满足设计使用寿命的要求；进行必要的美学设计以满足人们对桥梁的美学和景观要求；进行性能设计以满足桥梁的（狭义的）性能要求;同时还要考虑桥梁对环境生态的影响，并要在设计时考虑未来的监测、养护与维修需要，对监测、养护与维修方案进行设计。在所有这些项目的设计中，要得到最优的设计方案必须对每个设计方案的各个设计项目和环节进行成本分析，对其整个生命周期的总成本（包括财务成本和环境成本）进行比较，从而确定最优方案。因此，基于全寿命的桥梁设计可概括为在桥梁设计的三个不同阶段对使用寿命设计、美学设计、环境生态设计、性能设计、养护与维修设计及成本分析等六大设计过程的设计。使用寿命设计。桥梁设计人员需要与业主合作，对桥梁的使用生命周期进行规划，并对各种可能设计方案进行使用生命周期优化。根据业主与用户对桥梁使用寿命需求，确定桥梁设计寿命的目标，将桥梁的各构件分成不同的目标使用寿命类别，再确定桥梁在设计使用寿命期内各构件必须更换的次数，并通过比较各种使用寿命规划方案的成本进行设计优化。在桥梁结构中，一般仅主体结构如主梁和下部结构的桥墩、基础等被设计成为能够抵抗设计使用寿命内发生的性能退化，而那些只有较短设计使用寿命的部件，特别是桥面铺装、伸缩缝、支座等，则可能在设计使用寿命内需要多次更换。性能设计。这里所说的性能设计是指狭义的性能设计，主要包括安全性能设计、耐久性设计和使用性能设计。在性能设计过程中，主要的工作有结构体系和组件的功能设计、使用中或未来变化时的灵活性设计、常规力学设计、耐久性设计、施工方案设计以及其它方面安全、健康设计等以及一些特殊情况下的设计，如大风、大雾、暴雨多发地区桥梁设计考虑等。为了确保良好的桥梁生命周期质量，必须对桥梁使用中和未来可能的变化进行预测，同时在设计中采取各种灵活性措施以适应未来的变化，而不致在未达其使用寿命时就已经陈旧、过时。常规力学设计的主要任务是确保在施工过程中实现确定的目标与要求，并把它们贯彻于桥梁整个生命周期。这意味着桥梁必须具备可建造性、适用性和耐久性，可以对它进行养护和维修，最终可以拆除，产生的废物可以回收或处理。设计工作需要保证技术体系在整个设计使用寿命内的性能和耐久性。为此，耐久性设计方法则显得至关重要，需要在计算中引入时间因素把抗力设计扩展为耐久性设计。为了确保桥梁设计方案的可行性，必须在设计阶段就考虑设计方案相应可行的施工方法，为此，桥梁设计人员需要与有经验的施工人员合作，初步确定可行的施工方案。监测、养护与维修设计。桥梁结构的生命周期性能几乎完全依赖于养护。因此，在设计阶段就要提出生命周期监测、养护的方案规划。桥梁设计人员的基本工作包括:分析比较桥梁的监测、养护与维修方法，确定监测、养护与维修策略，拟定初步的监测、养护与维修方案与实施流程。美学设计。在有效利用桥梁全寿命设计过程的潜在效益过程中，美学设计起着决定性的作用，它对于桥梁的经济、环境、美学、功能以及技术质量有重要的影响。事实上在桥梁规划设计的一开始，从功能方面的造型与视觉方面的造型就需同时考虑，而且美学设计应贯穿于结构构造设计的全过程，也就是说，桥梁设计是构造设计和美学设计的综合，通过两者的结合，可以最大限度地实现功能、技术、经济、美观等桥梁全寿命设计的总体性能要求。桥梁美学设计要求在满足功能要求的前提下，要选用最佳的结构形式，结构造型和谐并有适当的比例，并且有秩序感和韵律感，结构各构件材料表面的质感和色彩的运用、选取要与环境协调。因此，桥梁美学设计的内容主要包括桥梁造型设计和桥梁景观设计。桥梁结构设计中对美观方面的考虑不能仅仅局限于感性的层面上，只有进行理性的、系统的造型和景观设计并与结构设计有机结合，才是完美的桥梁设计。桥梁造型设计包括力学性能和形式构成两方面的设计。从整体布置到细部构造，桥梁造型设计力求在不同层次上达到形式与功能的融合，表现力与美的统一。根据设计概念和环境的特点、桥梁设计条件，确定最主要的构型，其他构型以之为基调进行配合，做到有重点有突出。通过必要的整合形成造型单元后即可进一步在全桥范围内结合结构性能进行变化扩展。桥梁设计是否合理、是否赏心悦目，除了满足交通功能外，就在于桥梁本身的韵味及其与环境相处的艺术。桥梁造型中的协调问题归纳为桥梁与环境的协调、桥梁本身的协调两大类。景观桥梁设计主要由桥梁结构形式、桥位周边环境和景观特征确定，其主要内容为确定景观设计方针，对景观设计项目进行设计，色彩、照明设计以及通过景观评价对景观设计方案进行优化。贯彻景观设计始终的关键是景观设计方针的确定。环境生态设计。开展面向环境设计的主要目标是为了满足桥梁结构物在整个生命周期内可持续发展的要求，为桥梁设计提供设计理念和方法。环境生态设计的主要内容包括环境调查分析、环境影响分析、能源经济设计和环境改善设计、回收再利用设计、生命周期环境成本分析等。出于回收利用考虑，对桥梁结构体系及其组件和材料进行有选择性的拆除，可以在建设、改造和拆除过程中，积极地减少废物的产生。因此，桥梁设计的环境效益就体现在以下方面：对当地环保型原材料的选择、在使用过程中的高耐久性和易保养性、施工废物的回收利用以及拆除后对结构组件和材料的最终回收等。对于只有很短或一般的使用寿命的结构组件，如栏杆等，最重要的就是易组装性和易回收性。成本分析。在桥梁全寿命设计中，分析和设计扩展到财务成本和环境成本两个方面，设计目标是在桥梁整个生命周期内总的财务成本和环境影响最小。通过对建设、养护、维修、变更、改造、修复、回收再利用和拆除等各阶段费用折现，生命周期成本可以计算为现值或年度成本。环境成本指的是利用不可再生的自然资源（材料和能源）以及造成的大气或水土污染。大气污染的后果会导致健康问题，给人类带来不便，损耗臭氧层，造成全球变暖现象。这些影响勾画出桥梁的环境内容，其目的是把环境成本限制到允许范围内，并将其减少到最低程度。实际上，在以上几大过程中，都不可避免地需要进行成本分析，并把桥梁整个生命周期的总成本作为方案比较的重要依据之一。主要过程的相关关系。在以上六大主要过程中，很明显，使用寿命设计对于其它设计过程有很大的影响，特别是对于性能设计和监测、养护和维修设计，它决定了性能设计的目标和监测、养护和维修的需要。性能设计的任务是创建各种结构设计方案以确保在桥梁设计使用寿命内的正常、安全使用，因此性能设计是实现使用寿命设计最重要的途径。一旦已经确定了一座桥梁的设计使用寿命，监测、养护和维修的需要也就相应确定了。由于桥梁的生命周期性能在很大程度上依赖于养护和维修，因此，监测、养护和维修设计是实现桥梁设计使用寿命的另一重要途径。美学设计对于一个桥梁方案来说是至关重要的，因为在这个过程中所做的决策对于一座桥梁的经济、环境、美学、功能和技术质量等都有很大的影响。生命周期成本分析（LCCA）是对设计方案及其它设计过程评估和优化以满足桥梁经济目标的重要依据。环境成本是桥梁生命周期成本的重要组成部分，根据可持续发展的需要，在桥梁设计中必须进行环境和生态设计以降低环境负担和节约自然资源。桥梁设计是桥梁建设中的重要联合，设计人员根据业主、用户和社会的要求对桥梁进行设计，以满足桥梁在设计使用寿命期间的性能要求。在进行基于全寿命的桥梁设计时，桥梁设计人员需要对投资进行规划，把业主、用户和社会的要求转变成技术体系的性能要求;创造并优化满足这些要求的技术方案;通过分析和尺寸计算将使整体设计使用寿命期间的性能得到满足，并根据桥梁整个生命周期的总成本进行设计方案的优化，最后对选定方案进行详细设计。在桥梁工程可行性研究、初步设计和施工图设计等阶段的设计目标、任务各不相同，因而相应基于全寿命的桥梁设计各主要过程的工作内容也不一样。从一座桥梁的寿命期的组成和设计性能要求出发，通过比较基于全寿命的桥梁设计与传统桥梁设计方法的差异，得到了基于全寿命的桥梁设计的概念;根据基于全寿命的桥梁设计的概念内涵，提出基于全寿命的桥梁设计主要阶段包括工程可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段;根据桥梁设计的性能要求，提出基于全寿命的桥梁设计可主要概括为对使用寿命设计、性能设计、监测、养护与维修设计、美学设计、环境生态设计、成本分析等六大设计过程的设计;从业主、社会和使用者的需求出发，根据三个阶段对基于全寿命的桥梁设计主要过程的工作内容和目标的分析，建立一个基于全寿命的桥梁设计总体框架。从以上分析中，得到了如下的结论：一根据现代桥梁建设和全寿命的思想，除实用、经济、安全和美观等桥梁设计的四项基本原则之外，还应增加可持续性的要求;二根据桥梁设计的原则，广义的桥梁性能设计分为安全性能设计、使用性能设计、美学设计、耐久性设计、环境生态设计、成本分析及优化设计。狭义的性能设计则是指安全性能设计、耐久性设计和使用性能设计。三基于全寿命的桥梁设计是桥梁建设中的重要联合，可定义为从桥梁结构规划、设计、建设、运营、管理和养护以及拆除的各个环节来寻求恰当方法和措施来满足桥梁结构生命周期的总体性能最优（使用性能、经济性、人文、生态等）的设计理念和方法;四基于全寿命的桥梁设计可分为工程可行性研究、初步设计和施工图设计三个阶段。这里的分析暂不考虑技术设计阶段，需要时可开展基于全寿命的桥梁设计中技术设计方面的某些专题研究;五基于全寿命的桥梁设计主要内容可概括为使用寿命设计、美学设计、性能设计、环境生态设计、监测、养护与维修设计及成本分析等六大过程;使用寿命设计对于其它设计过程有很大影响，特别是对于性能设计和监测、养护和维修设计，它决定了性能设计的目标和监测、养护和维修的需要。性能设计和监测、养护与维修设计是实现使用寿命设计的两种重要方法。美学设计对于一座桥梁的经济、环境、美学、功能和技术质量等有很大的影响。生命周期成本分析是对设计方案以及其它设计过程评估和优化以满足桥梁经济目标的重要依据。环境成本是桥梁生命周期成本的重要组成，根据可持续发展的需要，在桥梁设计中必须进行环境和生态设计以降低环境负担和节约自然资源。六在桥梁工程可行性研究、初步设计和施工图设计等阶段的设计目标、任务各不相同，因而相应的基于全寿命的桥梁设计各主要过程的工作内容也不一样。七基于全寿命的桥梁设计总体流程是从业主、社会和使用者的需求出发，分三个设计阶段一工程可行性研究阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段，对主要过程一使用寿命设计、性能设计、监测、养护与维修设计、美学设计、环境生态设计及成本分析等六大过程采用各种恰当方法和措施进行设计，最终实现桥梁良好的生命周期质量。一般来说，桥梁是规划、设计、施工、使用和养护期间决策和采取各种措施的产物。基于全寿命的桥梁设计是针对桥梁从规划、设计，一直到拆除和材料的回收再利用的整个生命周期进行的设计过程。基于全寿命的桥梁设计中最基本的问题就是确定一座桥梁的使用寿命有多长和在设计中如何采取措施确保设计使用寿命的实现。要进行基于全寿命的桥梁设计、分析和决策，必须要先明确桥梁生命周期的概念及桥梁生命周期如何确定。以前人们没有认识到公路桥梁设计寿命的概念，但由于结构的过早退化以及超出预期的、过大的养护与维修成本，近来越来越关注桥梁的设计寿命问题。因此，桥梁使用寿命设计是基于全寿命的桥梁设计中首要和至关重要的设计过程，它将确定桥梁设计使用寿命的长短和采用什么样的方法和措施来实现其设计使用寿命。因此，通过桥梁使用寿命设计将首先解决基于全寿命的桥梁设计中其它设计过程（性能设计、监测、养护与维修设计、美学设计、环境生态设计、成本分析）的分析期问题，即决定了基于全寿命的桥梁设计中其它设计过程需要在多长的生命周期内进行分析、计算和决策。此外，桥梁使用寿命设计也决定了性能设计和监测、养护与维修设计两大过程需要如何组合来确保这个桥梁及其构件、部件设计使用寿命的实现。对影响桥梁使用寿命的因素、桥梁使用寿命终结准则及其评价指标研究的基础上，提出桥梁使用寿命的分类和桥梁使用寿命的确定方法与流程;并根据现代桥梁使用寿命设计的目标，通过分析桥梁使用寿命实现的方法，建立桥梁使用寿命设计的策略和设计方法;通过对桥梁进行体系分级和构件分类，分别确定桥梁体系和构件、部件的设计使用寿命，并根据构件设计寿命与桥梁体系的设计寿命的关系，分别采用不同的使用寿命设计策略和方法进行设计，最后在以上分析的基础上建立桥梁使用寿命设计的设计流程。根据英国SomerVille的研究，从使用寿命终结的角度出发，使用寿命可分成以下三类：技术性使用寿命:是结构使用到某种技术指标（如安全性能指标、技术状况指标、可靠度指标等）进入不合格状态时（严重影响桥梁可运营性）的期限，这种状态可因混凝土剥落、钢筋或预应力筋锈蚀等引起;对应寿命终结判别准则是结构不安全。确定桥梁“技术性使用寿命”的关键是要掌握由于交通荷载和环境作用等引起的'荷载效应”和“结构抗力”变化的规律，可以通过桥梁在其生命周期内的时变可靠度来表征。功能性使用寿命:与使用功能有关，是结构使用到不再满足功能实用要求的期限。如桥梁的通行能力已不能适应新的需要、结构的用途发生改变等;对应寿命终结判别准则是结构不适用。经济性使用寿命:是结构物使用到继续维修保留己不如拆换更为经济，或结构运营对环境的影响以及导致的环境成本超过容许值时的期限。对应寿命终结判别准则早结柏不环溶。确定设计使用寿命的考虑因素在确定桥梁的设计使用寿命时，要考虑以下因素的影响:一桥梁的使用寿命与其所处的地域环境及使用过程中的交通荷载和受到的主要侵蚀作用有直接关系，相应的设计措施也有区别，因此设计使用寿命的确定要因使用环境不同而有不同。为确定桥梁的设计使用寿命，必须先分析桥梁的用途和确定使用环境结构将受到什么样的荷载、作用和气候条件。之后，可以选择满足设计要求的材料和结构类型。在役构件实际使用寿命高低的影响。定出超过正常规律的使用寿命数值可能要付出高昂的经济代价，定的太低则会是一种极大的浪费，要在经济性与长寿命之间取得平衡。目前技术进步的影响。旧桥的相关数据不能直接用于新建桥梁，随着人们日益认识到耐久性的重要性及材料性能及制作工艺的提高，使用寿命逐步提高是大的趋势。随着社会经济发展速度的加快，影响桥梁使用寿命的非技术因素，例如功能的新要求、交通流量增加等将可能日益突出，桥梁设计寿命的确定应适当考虑桥梁功能过时的风险。桥梁重要性及投资数额的影响。对于不同地域、不同重要性的不同用途的桥梁，桥梁需要的设计使用寿命也是不相同的。对于投资巨大、对社会、经济发展意义重要的桥梁，要考虑较高的设计寿命。由于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定公路桥梁的设计基准期为100年。因此，考虑桥梁所处的重要性，可考虑把重要桥梁的设计使用寿命定为100年。当然，根据桥梁重要性的不同，或有特殊要求，也可适当提高或降低要求。由于我国没有开展桥梁使用寿命方面的统计工作，所以目前国内桥梁使用寿命方面的资料非常缺乏;而且有些时候桥梁寿命的终止及更换并非取决于其技术性能或经济指标。这使得我们很难通过足够的实际数据分析得到相对科学的使用寿命建议值。桥梁使用寿命的确定方法及流程根据以上的分析，可以桥梁的使用寿命确定方法及其流程如下:分析可能影响桥梁的各种因素（特别是交通车辆荷载和环境作用），确定影响桥梁的关键因素。根据桥梁的关键影响因素，分析桥梁的主要退化机理和失效机制的，合理桥梁的寿命终结准则。计算相应的寿命终结准则的评价指标。把计算得到各种寿命终结准则的评价指标与相应的临界值相比，一旦超过其临界值，则桥梁达到其使用寿命。桥梁使用寿命设计策略现代桥梁使用寿命的总体要求。根据基于全寿命的桥梁设计思想，一座新建桥梁的使用寿命要求应明确表述设计依据的一部分，即设计使用寿命，它应当量化为如100年、120年或甚至200年。一座桥梁使用寿命设计的目标可以表示如下:通过桥梁的设计、施工和使用等方面措施和方法的考虑，使桥梁在其设计使用寿命内，在预期的使用环境中，可以维持其安全性能、使用性能以及可以接受的外观。桥梁使用寿命总体设计策略设计策略应当考虑可能的措施以确保桥梁的安全使用和防止桥梁结构过早退化，一座桥梁设计应当包括确保结构承载能力、实现桥梁在其设计使用寿命内耐久性的规定。现在已经很关注通过构件的可更换性概念来延长使用寿命。寿命有限的构件应当设计为易于更换和维修，以便整个结构的寿命不致受到某些短寿命构件的制约。但是，更换并不适用于所有的设计寿命问题，它也不能代替高质量的设计和施工。如果进行一个设计优化，必须比较可更换性方案和一个更强健的设计。然而，总有一些构件的寿命是有限的。整个设计必须考虑到这一点，并包括那些构件的更换。应当采用以前验证过的结构型式、细部构造和养护频率，因为它对于设计方案实现设计使用寿命有决定性的影响，结构型式、细部构造和未来养护频率变更的任一决策都会改变实际使用寿命。因此，根据桥梁全寿命设计的思想，桥梁使用寿命设计的总体策略可确定为:根据桥梁的使用环境，在综合考虑业主、用户和社会的桥梁使用寿命需求后，合理确定桥梁的设计使用寿命要求，根据性能设计（包括安全性能设计、使用性能设计和耐久性设计）方面的考虑，选择适当的结构型式、构件和材料以及必要的防护措施，进行细部构造设计、未来的监测、养护、维修和更换设计并在规划、设计、施工、运营、拆除等各个阶段进行实施以确保桥梁在设计使用寿命内令人满意的使用，并且使整个生命周期内的总成本和总的环境影响最小。桥梁使用寿命基本设计策略一般来说，为确保实现桥梁设计使用寿命，需要进行使用性能设计以满足桥梁的功能和使用性能要求，进行常规力学设计以满足结构的承载能力等安全性能的要求和进行耐久性设计以满足结构的耐久性的要求，并在使用过程中通过养护、维修以及构件和部件的更换来确保设计使用寿命得以实现。因此，根据使用寿命设计总体策略，为确保设计使用寿命的实现，可以实施以下三个不同的基本设计策略中的一个或其组合进行桥梁设计：策略A:避免由于侵蚀性环境作用引起的桥梁结构退化。策略B:选择最优的材料组成和细部构造抵抗结构在设计使用寿命内的退化。策略C:进行养护、维修以及构件和部件的更换。策略A和策略B实质上为确保设计使用寿命的实现而进行的耐久性设计，可以在同一个结构中同时使用，但是用于不同暴露程度的不同部位。策略C实质上是考虑桥梁结构、构件和部件的可维护性和可更换性，进行养护、维修和更换设计。在进行桥梁设计时，仅采用一种策略往往不能满足设计使用寿命的需要，大多数时候需要同时采用三种不同的策略进行协作以实现桥梁的设计使用寿命目标。桥梁使用寿命设计方法桥梁设计人员应该根据业主、社会和使用者的需求及有关法规标准，合理确定拟建桥梁的设计使用寿命，并在设计中采取相应措施满足耐久性要求。基于策略A的桥梁使用寿命设计方法根据策略A，有三种不同类型的方法:改变微观环境，例如通过防水层、膜或涂层等实现。对于整个结构和结构的单个构件，要想改变微观环境，首先需要更严格定义使用环境，才能在设计时采取措施例如通过防水层、膜或涂层等实现桥梁的耐久性设计。选择非活性的，或惰性的材料，如不锈钢钢筋或预应力筋、非活性集料、抗硫酸水泥、低碱性水泥。抑制反应，例如通过阴极防护实现。采用环氧涂层钢筋代替传统钢筋和预应力筋来避免传统钢筋和预应力筋频繁的腐蚀也属于这一分类。实际中的使用寿命可以得益于选择大量的防护措施进行协作以一个可以接受的可靠度水平确保需要的使用寿命。这个改进的设计策略被看作一个多阶段防护策略，设计人员选择各种适当的防护措施以满足设计和使用需要。一组适当的措施（一个或多个）可以组合以确保需要的使用寿命以足够高的概率实现。不同的措施可以同时在防护时起作用，或一旦前一个措施的防护效用已经被威胁桥梁结构的侵蚀性物质克服或消除，一个措施可以为下一个措施所代替。桥梁的使用寿命应当不依赖于多次养护和更换的专门附加防护来实现。但是，对于特殊的侵蚀环境如海水浪溅区的情况，需要预见并采用专门的附加防护措施。基于策略B的桥梁使用寿命设计方法策略B:选择一个最优的材料组成和细部构造在一个规定的使用寿命期间来抵抗结构的退化。例如腐蚀防护可以通过选择适当的保护层和适当密度