李志明

(杭州通拓交通工程設(shè)計有限公司，浙江 杭州　311411)

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基于全壽命的橋梁設(shè)計過程及其在混凝土連續(xù)橋梁中的應用

李志明

(杭州通拓交通工程設(shè)計有限公司，浙江 杭州311411)

摘要：目前各國橋梁使用中普遍發(fā)現(xiàn)使用壽命短、經(jīng)濟性能差等問題，橋梁使用已經(jīng)存在巨大的安全隱患，同時后期運營維護成本也較高。不同于傳統(tǒng)橋梁設(shè)計只關(guān)注施工階段需要，基于全壽命周期，對橋梁整個規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營管理階段進行全壽命設(shè)計，并探究全壽命設(shè)計在混凝土連續(xù)橋梁中的實際應用。

關(guān)鍵詞：全壽命橋梁設(shè)計；橋梁性能設(shè)計；檢測維護設(shè)計；混凝土連續(xù)橋梁

1全壽命橋梁設(shè)計過程

1.1橋梁設(shè)計主要階段

傳統(tǒng)橋梁設(shè)計主要包括初步設(shè)計和施工圖設(shè)計，而基于全壽命思想的橋梁設(shè)計，從初始投資規(guī)劃時就進入了設(shè)計，所以全壽命橋梁設(shè)計包括可行性研究、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計三部分。可行性研究既包括對工程建設(shè)的技術(shù)、經(jīng)濟和施工層面的考慮，還包括對項目建設(shè)的使用壽命、環(huán)境影響、后期運營維護等多面的評估。

1.2橋梁設(shè)計主要過程

基于全壽命橋梁設(shè)計需要引入時間變量，在全壽命期內(nèi)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，確保方案滿足橋梁性能要求及全壽命內(nèi)任意時間的性能要求。為了實現(xiàn)全壽命的設(shè)計要求，需要進行全面的設(shè)計規(guī)劃使其滿足美學設(shè)計和性能設(shè)計要求，另外還要在設(shè)計時考慮橋梁對環(huán)境造成的影響以及橋梁竣工后的監(jiān)護維修方案。綜上概括，基于全壽命橋梁設(shè)計需要綜合考慮壽命設(shè)計、性能設(shè)計、環(huán)境生態(tài)設(shè)計、美觀設(shè)計、監(jiān)護維修設(shè)計、成本分析等多個設(shè)計過程。

2橋梁使用壽命設(shè)計

2.1橋梁使用壽命因素

決定橋梁使用壽命的因素包括內(nèi)部因素和外部因素，前者包括結(jié)構(gòu)型式、體系、設(shè)計方法、構(gòu)造措施等，后者包括物理、化學、生物等其他因素。

2.2橋梁構(gòu)件分類

橋梁使用壽命必須明確具體是橋梁哪些部分的壽命，可以對橋梁結(jié)構(gòu)進行體系分析，從橋梁的部件、材料到橋梁的模塊、技術(shù)體系等進行全壽命設(shè)計。

橋梁的構(gòu)件分主梁、橋臺和橋墩等多結(jié)構(gòu)，各個部件構(gòu)件的功能、材料特性都不同，因此其使用環(huán)境、使用退化、維護管理上都有所區(qū)別，因此結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能壽命預測需要細分研究。從橋梁全壽命期內(nèi)的養(yǎng)護、維修等考慮，可將橋梁構(gòu)件分類成永久構(gòu)件I類(橋墩和橋臺的基礎(chǔ))、需要一般維護構(gòu)件Ⅱ類(橋墩、橋臺)、需要少量維修Ⅲ類(主梁、欄桿)和易損構(gòu)件Ⅳ類(支座、泄水孔、橋面鋪裝等)。

2.3橋梁構(gòu)件設(shè)計方法

(1)基礎(chǔ)：橋臺橋墩的基礎(chǔ)主要按I類構(gòu)件進行設(shè)計，保證構(gòu)件設(shè)計壽命大于橋梁設(shè)計壽命，滿足安全性要求外，要選擇恰當?shù)牟牧?、采取合理措施進行耐久性設(shè)計，施工中還要加強質(zhì)量控制。

(2)橋臺橋墩：橋臺橋墩主要按Ⅱ類構(gòu)件進行設(shè)計，保證設(shè)計壽命大于等于橋梁設(shè)計壽命，使用中進行日常的維護，無需大修和更換。

(3)上部結(jié)構(gòu)：上部結(jié)構(gòu)主要依照Ⅲ類構(gòu)件進行設(shè)計，保證設(shè)計壽命小于橋梁設(shè)計壽命。

(4)附屬結(jié)構(gòu)：附屬結(jié)構(gòu)主要按Ⅲ類或Ⅳ類構(gòu)件進行設(shè)計，確保設(shè)計壽命小于橋梁設(shè)計壽命。

2.4橋梁性能設(shè)計

全壽命橋梁設(shè)計最重要的設(shè)計環(huán)節(jié)是性能設(shè)計。橋梁使用性能設(shè)計就是考慮橋梁在建成后的使用過程中可能出現(xiàn)的變化，在設(shè)計之初就對這些可能出現(xiàn)的變化采取某些措施從而避免這些變化出現(xiàn)；橋梁安全性能設(shè)計就是在設(shè)計時要充分考慮橋梁在各種荷載作用下的力學指標，通過計算得出如強度、剛度和穩(wěn)定性等等；橋梁耐久性能設(shè)計是指設(shè)計階段就考慮進行耐久性設(shè)計以滿足橋梁及其構(gòu)件在其設(shè)計使用壽命內(nèi)的耐久性，提高橋梁結(jié)構(gòu)對氣候作用、化學侵蝕、物理作用或任何其他破壞過程的抵抗能力。

3全壽命設(shè)計理論在混凝土梁橋中的應用

3.1橋梁使用壽命設(shè)計

根據(jù)全壽命橋梁使用壽命設(shè)計策略，橋墩和橋臺基礎(chǔ)按I類設(shè)計，其壽命為120年大于橋梁設(shè)計壽命，設(shè)計時滿足安全性要求并進行耐久性設(shè)計，施工中進行質(zhì)量控制，使用中進行日常維護。橋墩橋臺按Ⅱ類設(shè)計其壽命為100年，不需要進行大修更換，設(shè)計時滿足安全性要求并進行耐久性設(shè)計，施工中進行質(zhì)量控制，使用中進行日常維護。主梁則按Ⅲ類設(shè)計其壽命為50～100年，使用壽命內(nèi)至多更換一次，設(shè)計時滿足安全性要求并進行耐久性設(shè)計，施工中進行質(zhì)量控制，使用中進行檢測養(yǎng)護并通過更換實現(xiàn)設(shè)計壽命。附屬結(jié)構(gòu)按Ⅲ類或Ⅳ類設(shè)計，其中支座設(shè)計使用壽命為25年,在橋梁的設(shè)計使用壽命100年內(nèi)需要更換3次；伸縮縫設(shè)計使用壽命為10年,需要更換9次；橋面鋪裝設(shè)計使用壽命為10年,需要更換9次,防水層設(shè)計使用壽命也為10年,因而可以在更換橋面鋪裝時同時更換；排水設(shè)施和裝置如泄水孔、排水管等的設(shè)計使用壽命為50年,需要更換1次；護欄設(shè)計使用壽命為50年,需要更換1次；照明裝置等設(shè)計使用壽命為50年,需要更換1次。

3.2橋梁安全性能設(shè)計

根據(jù)橋梁安全性能的設(shè)計要求，對橋梁結(jié)構(gòu)采用數(shù)學與力學相結(jié)合的方法進行設(shè)計，充分考慮橋梁結(jié)構(gòu)在完好、損傷等各種狀態(tài)下的剛度、強度和穩(wěn)定性，從而確定橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸、混凝土強度、配筋量和位置等。

3.3橋梁耐久性能設(shè)計

(1)基礎(chǔ)的耐久性設(shè)計?；A(chǔ)一般位于水下或土壤中,除非水或土壤中含有侵蝕性化學物質(zhì),一般不會因為外界環(huán)境的影響而發(fā)生腐蝕。

(2)墩臺的耐久性設(shè)計。橋梁下部結(jié)構(gòu)的墩臺會受到碳化和氯離子侵蝕的作用。因此,墩臺退化問題主要以混凝土的碳化和鋼筋的腐蝕為主。

(3)主梁的耐久性設(shè)計。在結(jié)構(gòu)設(shè)計前，需要對結(jié)構(gòu)進行退化分析。主梁退化主要方式有混凝土碳化、鋼筋銹蝕和凍融破壞，通過退化分析得出退化參數(shù)，再結(jié)合橋梁使用壽命和耐久性的要求，對設(shè)計方案進行論證是否滿足要求，從而對混凝土配合比、厚度、鋼筋數(shù)量、位置和尺寸等參數(shù)進行修改，使主梁設(shè)計滿足耐久性設(shè)計要求。

參考文獻：

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收稿日期：2016-02-11

作者簡介：李志明(1980-)，男，浙江杭州人，工程師，研究方向：交通土建工程。

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)05-0109-02