论桥梁构件的设计使用寿命及耐久的重要性.docx

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论桥梁构件的设计使用寿命及耐久的重要性

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摘要

通过定义桥梁及桥梁构件的设计使用寿命,对桥梁构件进行按结构体系划分和耐久性设置研究.调查了国内外桥梁结构及构件的实际工作寿命和规范指南中的设计使用寿命建议值,提出了基于寿命周期成本分析法的确定桥梁结构构件设计使用寿命的直接方法和简化方法.直接法首先为构件制定寿命方案,通过计算各寿命方案的寿命周期成本,选择经济性最优的方案;在简化法中给出了设计使用寿命简化计算公式,对影响系数进行了划分及取值讨论,并给出了基于专家调查的构件基础设计使用寿命建议值.最后,针对桥梁设计中耐久性的重要性,分析了耐久性的影响因素,提出了设计中提高桥梁结构耐久性的措施,以将耐久性设计的理念深入到桥梁结构设计的细节之中。

关键词:

桥梁工程;桥梁耐久性;桥梁构件设计使用寿命;混凝土

在各国现行桥梁结构设计和施工规范中,涉及耐久性及设计使用寿命的内容很少;在中国的桥梁建设实践中,桥梁及构件设计使用寿命的制定往往为业主单位的单方面要求,缺乏相应的设计理论支持.对于桥梁结构,不同组成构件在使用过程中有不同的退化模式,在维护管理及更换方面有明显的差异,因此对不同桥梁构件分别制定合理的设计使用寿命应当是桥梁耐久性设计的第一步,对降低桥梁寿命周期成本有着重大意义.本文采用了如下方法:

首先明确桥梁及桥梁构件设计使用寿命的概念,调查国内外桥梁结构构件实际使用寿命和结构设计寿命建议值,进行桥梁构件划分和耐久性分类,研究桥梁构件的耐久在影响桥梁寿命中的作用。

由于混凝土桥梁是最主要的一种桥梁结构,在我国的公路、市政建设中得到了广泛的应用。

桥梁通常处于恶劣的环境中,在运行中除了要承受车辆、风、地震等荷载作用以外,还要受到外部环境、有害物质的侵蚀,混凝土材料会不断退化,导致桥梁结构各部位出现不同程度的损伤。

实际桥梁结构设计中普遍重视强度设计而忽视耐久性设计。

实践反复证明,桥梁结构由于耐久性失效所产生的维护、修复费用大大高于建造时的一次性投入。

桥梁耐久性问题虽然不仅是设计原因引起的,施工、选材也是重要影响因素,但设计是桥梁结构功能最基本的保障,因此在桥梁设计中应将桥梁结构物的高耐久性作为重要的设计原则,统一考虑合理的结构布局和构造细节,应使设计出的结构易于检查、维修。

本文主要由桥梁寿命的重要性，引申出桥梁构件的耐久对桥梁寿命的影响，以及怎样在设计中提高桥梁构件的耐久性。

1桥梁设计的总原则

桥梁设计几乎涵盖了所有的桥梁类型,桥梁结构自身的安全性需靠可靠的结构计算分析成果和合理的构造处理措施来保证。

除了要考虑恒载、活载、地震荷载、施工荷载及其它荷载等,还应注重考虑强风荷载、雪荷载、冻胀力、水力等对桥梁产生的影响。

对于一些受地形条件限制较严格的路段,桥梁布设会出现高墩大跨结构,因此下部结构的刚度分配、稳定性分析等都是桥梁设计时不可缺少的考虑内容。

对于无法采用标准跨径结构的桥梁以及互通式立交中弯曲半径较小的匝道桥梁则常采用钢筋混凝土现浇结构及预应力混凝土现浇结构桥梁。

另外,所选桥型的造价是否合理是一个非常现实的问题,所以桥梁设计不但要考虑其技术的可行性,更重要的是要考虑所选桥型的经济指标是否达到了最佳范围。

因此桥梁应根据工程所处的地理环境和施工条件进行多方案的技术经济指标论证,以期获得最佳方案,从而节约工程费用,取得良好的经济指标。

同时,桥梁建设更应该在注重环保的基础上与周围自然景观环境相协调,尽量减少对植被的破坏,降低对河流的污染。

同时，桥梁还是是铁路、公路或城市道路的重要组成部分，特别是大、中桥梁的建设对当地政治、经济、国防等都具有重要意义。

因此，公路桥梁应根据所在公路的作用、性质和将来发展的需要，除应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求外，还应按照美观和有利环保的原则进行设计，并考虑因地制宜、就地取材、便于施工和养护等因素。

1．安全可靠

（1）所设计的桥梁结构在强度、稳定和耐久性方面应有足够的安全储备。

（2）防撞栏杆应具有足够的高度和强度，人与车流之间应设防护栏，防止车辆撞人人行道或撞坏栏杆而落到桥下。

（3）对于交通繁忙的桥梁，应设计好照明设施，并有明确的交通标志，两端引桥坡度不宜太陡，以避免发生车辆碰撞等引起的车祸。

（4）对于河床易变迁的河道，应设计好导流设施，防止桥梁基础底部被过度冲刷；对于通行大吨位船舶的河道，除按规定加大桥孔跨径外，必要时设置防撞构筑物等。

（5）对修建在地震区的桥梁，应按抗震要求采取防震措施；对于大跨柔性桥梁，尚应考虑风振效应。

2．适用耐久

（1）桥面宽度能满足当前以及今后规划年限内的交通流量（包括行人通道）。

（2）桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝。

（3）桥跨结构的下方要有利于泄洪、通航（跨河桥）或车辆（立交桥）和行人的通行（早桥）。

（4）桥梁的两端要便于车辆的进入和疏散，而不致产生交通堵塞现象等。

（5）考虑综合利用，方便各种管线（水、电气、通信等）的搭载。

3．经济合理

（1）桥梁设计应遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原则。

（2）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第12页和维修费用少，维修时尽可能不中断交通，或使中断交通的时间最短。

（3）所选择的桥位应是地质、水文条件好，并使桥梁长度较短。

（4）桥梁应考虑建在能缩短河道两岸运距的位置，以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就能吸引更多的车辆通过，达到尽快回收投资的目的。

4．技术先进在因地制宜的前提下，桥梁设计应尽可能采用成熟的新结构、新设备、新材料和新工艺。

在注意认真学习国内外的先进技术、充分利用最新科学技术成就的同时，努力创新，淘汰和摒弃原来落后和不合理的设计思想。

只有这样才能更好地贯彻适用、经济、安全、美观的原则，提高我国的桥梁建设水平，赶上和超过世界先进水平。

5．美观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。

结构布置必须简练，并在空间上有和谐的比例。

桥型应与周围环境相协调，城市桥梁和游览区的桥梁，可较多地考虑建筑艺术上的要求。

合理的结构布局和轮廓是桥梁美观的主要因素，另外，施工质量对桥梁美观也有很大影响。

6．环境保护和可持续发展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、施工组织设计等全面考虑环境要求，采取必要的工程控制措施，并建立环境监测保护体系，将不利影响减至最小。

总之,桥梁设计的总原则可以归结为:

结构安全,使用舒适,经济性好,施工养护容易,造型优美与自然相协调。

2　桥梁及其构件的设计使用寿命

在英国的建筑物耐久性标准[1]中,按照工程参与各方的不同关注,提出了使用寿命应分为要求使用寿命、预期使用寿命和设计使用寿命三类.虽然欧洲国家的不少技术文献[2-4]都采用这一界定,但长久以来,国内工程界一直习惯地将设计使用寿命等同于要求使用寿命即业主或使用者对桥梁及结构使用寿命的目标要求.桥梁结构是由多个构件组成的结构系统,各构件因功能和材料的不同在使用寿命及维护管理要求上有很大的差异,因此单用一个桥梁整体设计使用寿命约束所有构件是不合理的.设计者需要对桥梁各构件的设计使用寿命进行优化以平衡初始建造成本和使用期的维修及社会成本,从而达到寿命周期经济性最优的目的.据此,桥梁及桥梁构件的设计使用寿命可以定义为,设计人员用以作为桥梁及桥梁构件耐久性设计的依据并具有足够安全裕度或保证率的目标使用年限.

3　国内外桥梁结构及构件的实际工作寿命及设计使用寿命建议值

1998年10月,《ConcreteInternational》杂志发表了美国从1950~1994年修建的各类跨度大于6m的327829座桥梁的结构缺陷率和使用寿命期望值的统计数据[5],指出:

美国公路桥梁中,钢筋混凝土桥的期望寿命基本在70~80年之间,其平均值为75年;预应力混凝土桥的期望寿命在65~100年;美国公路钢桥的使用寿命期望值约为65年.日本学者YoshitoItoh等[6]指出,日本传统的桥梁结构整体使用寿命为60年,普通钢筋混凝土桥面板在低污染大气环境作用下的山区为60年,在沿海及城市地区为40年,钢支座的使用寿命为30年,伸缩缝的使用寿命为10~20年,普通沥青混凝土桥面铺装使用寿命为10年.文献[7]中对荷兰桥梁库中79座已到寿命期的混凝土桥梁进行了研究,得出,虽然设计使用寿命多为80~100年,荷兰桥梁的使用寿命期望值仅为41年,方差系数为0.3.这些桥梁废弃的主要原因并不是技术性的失效,而是功能更换或是经济性的要求,比如因不在预期之内的重型交通量增长导致的承载力不足.这种情况很容易导致对桥梁使用寿命的低估;同时,也说明定义过高的设计使用寿命往往是没有必要,也是不经济的.

1998年底,我国共有公路桥梁21万余座,其中危桥4105座.2000年底,我国共有公路桥梁27万余座,危桥9597座,占桥梁总数的3.44%.到2007年底,全国共有桥梁57万余座,其中危桥为98623座,占总数的17.3%.这些桥梁的实际使用年限远远达不到设计使用年限（50年或100年）[8-9].

此外,对于桥梁的设计使用寿命,英国在《钢桥、混凝土桥及结合桥实施规范》（BS5400）中提出的使用寿命目标要求桥梁具有接受概率的不经维修而安全运营的最低期限为120年[5].美国国家公路与运输协会LRFD钢结构规范（AASHTO）[10]主要基于疲劳考虑,规定公路钢桥的设计使用寿命为75年.对于桥梁设计使用寿命,我国仅在《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[11]中规定大型桥梁、高速和一级公路上的桥涵、城市干线上的大型桥梁和大型立交桥的设计使用年限应不小于100年,二级和二级以下公路以及城市一般道路上的桥涵的设计使用年限应不小于50年.

4　桥梁构件设计使用寿命的确定方法

4.1　桥梁构件设计使用寿命的计算方法

本文讨论桥梁的设计使用寿命将基于技术使用寿命层面,以在正常使用情况下不需要经过大修、加固或更新的承载能力极限状态作为设计寿命终止的条件.提出了桥梁结构构件设计使用寿命的两种建议计算方法,即直接法和简化法.确定桥梁构件设计使用寿命的计算方法如图1所示,虚线表示直接法计算流程,实线表示简化法计算流程[12].在有条件有必要的情况下,应首选直接法对比选的桥梁或桥梁构件寿命方案的寿命周期成本进行计算,选择经济性最好的方案;其次也可以采用简化法进行粗略估计.对于表2中未涉及的桥梁构件,则须对其寿命方案的寿命周期成本进行计算,选择经济性最好者。

此外,桥梁结构各构件的设计使用寿命不是彼此独立的,具有一定的耦合性.维修、更换作业往往都需要封闭车道或限制车速,造成较大的社会成本;原材料购置、运输、施工机械租赁等也因数量增加而产生规模效应;多个作业同时进行和单个作业分别进行所耗费的时间和金钱（社会成本和业主成本）往往不和作业数量成正比关系.对于直接法来说,为桥梁或桥梁构件制定寿命方案时,宜按照维修、更换工艺统一筹划,为耦合关系强的构件群（如桥面系）设计联合寿命方案.简化法中宜将耦合关系强的构件寿命进行统一,相近的合并,长寿命构件的寿命取为短寿命构件的倍数.此外,简化法计算结果可能是不以年为单位的整数,为设计施工方便起见宜取为整数,且宜将可更换构件的寿命规划为桥梁整体寿命的约数.

4.2　桥梁构件的划分和耐久性设置

桥梁构件的划分国际上通常采用按结构体系划分和按构件特点划分两种方法.按结构体系划分是我国较为传统的做法,即先按桥梁类型划分为梁桥、拱桥、缆索承重桥和附属设施,再具体列出各自包含的构件;这是因为我国现有桥梁大多是混凝土桥梁,而混凝土结构构件具有形状不定的特点,难以从构件角度进行划分.按构件特点划分则是美国AASHTO规范[10]中采用的方法.

参考文献[13]从不同构件在设计时应考虑的维护、更换等设计目标及原则,将一般桥梁构件按耐久性特征归结为以下几种类型:

①Ⅰ类构件.不