桥梁全寿命设计理论在混凝土梁桥应用

1桥梁全寿命设计理论
1)使用寿命设计。桥梁结构使用寿命设计的思路为:以桥梁生命周期的各类需求为基础，明确桥梁在生命周期内的使用要求，综合考虑造型、性能、管养和生态设计，把成本最小化作为控制目标，确定桥梁整体或构件结构。其中，LS为桥梁结构/构件设计使用寿命建议值;LS0为基础设计使用寿命建议值;C1为气候影响系数;C2为桥位小环境系数;C3为养护系数。2)性能设计。根据桥梁全寿命理论，其结构性能为一个时间动态值，与结构材料，状态和体系特征等因素相关，除此之外，其功能需求也受到使用条件的制约和影响。所以桥梁性能设计不是单一设计，它需要在结构优化的基础上同时实现效用指标(即需求指标)的优化，以两个方向的综合考虑达到基于全寿命周期理论的成本优化。故性能设计将由原来的静态设计转化为动态设计，需要设计师对桥梁整个生命周期里变化的结构状态和功能需求进行统筹的分析、计算和检验。3)管养设计。桥梁在使用阶段的性能状态与自身的管理和养护息息相关［4］。桥梁管养以满足其在生命周期里的功能需求为目标，根据不同的工作内容，可以分为检测、检查、更换、维修、拆除等几大类。4)成本分析。利用全寿命理论对桥梁进行成本分析时，其优化目标为桥梁寿命周期内的所有成本，成本计算时间需从桥梁规划开始直至桥梁寿命结束。其中，AC为全寿命周期机构成本，由初始建造，维护检测及拆除和回收再利用这三类成本组成。其中初始建筑成本涵盖规划、设计和施工;UC为用户成本;VC为易损性成本;EC为环境成本［5］。
2工程实例及分析
拟建项目为新疆喀什特区某市政主干道上一座跨越河流的桥梁，无通航要求，荷载等级为城—A级。综合考虑桥梁的使用目的，与周围环境相匹配，并结合业主与社会实际要求，依照全寿命周期设计理论，以成本最小值为目标确定本桥设计方案:设计使用寿命100年，总投资不超过3500万元;桥梁采用先简支后连续的4×25m预应力混凝土组合箱梁结构，长106．08m，宽40m双幅桥(见图1)。2．1使用寿命设计对桥梁结构进行耐久性构件划分后，按其使用寿命建议值公式进行设计使用寿命计算(见表1)。2．2性能设计根据地质勘察报告，拟建桥址处的环境类别为Ⅱ类，水和土中的SO2－4对混凝土有弱腐蚀性，Cl－对钢筋具有中等腐蚀性。拟建桥址区全年平均气温11．4℃～11．7℃，极端最高气温39．6℃，极端最低气温－25．2℃，冻土层深度80cm;年平均相对湿度52%，CO2浓度为0．04%。故混凝土结构将会受到SO－24，Cl－的侵蚀作用、温度引起的冻融侵蚀作用以及CO2引起的碳化作用。主梁耐久性能设计:采用C50抗冻融混凝土(即在混凝土中加入适量减水剂及引气剂)，水灰比W/C=0．38，顶、底板和腹板主筋混凝土保护层(以下简称保护层)厚度分别为40mm，30mm和30mm(见图2)。墩台耐久性能设计初步确定两种方案:1)采用C30抗冻融混凝土，水灰比W/C=0．4，保护层厚度为50mm，主筋采用环氧涂层钢筋;2)采用C30抗冻融混凝土，水灰比W/C=0．35，保护层厚度为50mm(见图3)。基础耐久性能设计初步确定两种方案:1)采用C30抗硫酸盐混凝土，水灰比W/C=0．4，保护层厚度为85mm，主筋采用环氧涂层钢筋;2)采用C30抗硫酸盐混凝土，水灰比W/C=0．35，保护层厚度为85mm(见图4)。2．3桥梁管养设计在完成桥梁总体结构和构件使用寿命和性能设计的基础上，依据桥梁的位置特点与自身重要性，确定桥梁管养的具体方案。桥梁主要构件维护及更换周期表见表2。2．4桥梁全寿命周期成本分析通过之前的分析，初步确定三种设计方案:1)墩台采用C30抗冻融混凝土，W/C=0．4，保护层厚度为50mm;基础采用C30抗硫酸盐混凝土，W/C=0．4，保护层厚度为85mm，墩台及基础主筋均采用环氧涂层钢筋;2)墩台采用C30抗冻融混凝土，W/C=0．35，保护层厚度为50mm;基础采用C30抗硫酸盐混凝土，W/C=0．35，保护层厚度为85mm;3)墩台及基础采用C30普通混凝土，W/C=0．4，桥墩保护层厚度为50mm，基础保护层厚度为85mm(见表3)。根据这三种设计方案，通过造价软件计算可以得到桥梁的机构成本。方案1)与方案2)的管养方案一样，故监测维护成本也一样，初步估算为350万元;此外二者所产生的用户成本、易损性成本、环境成本也一样。方案3)初始建设成本较低，但因未采取耐久性措施，无法达到设计使用寿命100年的要求，运营过程中可能需要重建或加固，后期投入远高于前两者，故不予采用。因此，根据以上分析可知，方案2)为最优设计方案。
3结论与建议
本文结合工程实例，初步探讨了全寿命理论在桥梁设计中的运用。在完成对桥梁的使用寿命、性能和管养设计后，通过全寿命成本分析比较了三种不同的设计方案，从中可以得到如下结论:1)桥梁设计时需要综合考虑其全寿命周期内的各项成本，而非一味追求初期成本的最小化，桥梁的后期维护和用户成本等也会对全寿命周期成本产生非常大的影响;2)桥梁后期构件维护和更换的管养成本对全寿命周期成本的影响很大，因此选择适合的管养方案是降低全寿命周期成本的关键;3)从本实例中可以看出，方案3)初期建设成本最低，但耐久性最差，无法达到设计标准;方案1)耐久性虽好，但全寿命周期成本却无法实现最小化要求，因此综合考虑了桥梁全寿命周期内各项成本，方案2)才是该工程的首选方案。本文仅是对全寿命理论运用到桥梁设计的初步探讨，桥梁设计是一个复杂且精细化的工作，从工程开始的可行性分析到桥梁建成后的维护保养都需要深入的考虑和研究，因此本文意在对桥梁全寿命理论运用的一次尝试，希望对今后的相关设计有一定的参考和借鉴作用。