王崇交

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

1 橋梁全壽命設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)方法僅考慮橋梁建設(shè)初期性能和初始建造成本，并采用定值設(shè)計(jì)方法滿足設(shè)計(jì)規(guī)范條件下的參數(shù)最低要求而未考慮使用周期內(nèi)養(yǎng)護(hù)維修等措施造成的各種直接或間接成本，這往往造成橋梁全壽命期維護(hù)成本過高，維修資源分配不合理，橋梁耐久性不足與資源的不必要浪費(fèi)。根據(jù)美國聯(lián)邦高速公路管理局統(tǒng)計(jì)，美國高速公路橋梁由于耐久性不足，在2002年度維護(hù)直接成本超過83億美元，通過調(diào)查估計(jì)由于交通延誤和生產(chǎn)力損失造成的間接成本高達(dá)10倍的直接成本[1]。因此，為了提高公共安全與交通舒適度，降低使用期內(nèi)的運(yùn)營維護(hù)成本，確定具有長期成本效益的設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要。

橋梁從投入使用的時(shí)刻起其性能就開始逐漸降低，而影響橋梁使用性能的因素眾多且通常具有很強(qiáng)的不確定性，在設(shè)計(jì)的時(shí)候難以進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。另外，在漫長的使用期內(nèi)可能遇到的如車船撞擊、洪水、地震等突發(fā)事件，會(huì)顯著降低其使用性能甚至影響結(jié)構(gòu)安全。在設(shè)計(jì)階段通常有兩種選擇，一種是降低初始建造成本，通過后期維修保持橋梁的使用性能；另一種是通過使用性能好、耐腐蝕的材料或者在設(shè)計(jì)中采用更高的富裕度，這種選擇可以降低維修成本，提高橋梁使用性能，但會(huì)顯著提高初始建造成本。因此，要為某一具體項(xiàng)目選擇具有成本效益的設(shè)計(jì)方案或維修管理方案，必須從長期的全壽命周期成本分析LCCA(LifeCycleCostAnalysis)的角度對(duì)這些方案進(jìn)行評(píng)估。

目前國內(nèi)外對(duì)使用LCCA進(jìn)行不同方案策略的比較研究主要分為兩類：一類采用確定性技術(shù)，另一類采用可靠度方法。大多數(shù)基于確定性的LCCA研究集中于評(píng)估橋面設(shè)計(jì)方案比選、混凝土梁配筋率或維修中使用不同材料的成本效益。例如，彭建新等通過深入研究橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法，利用發(fā)展的混合全壽命成本模型，結(jié)合試驗(yàn)橋，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土板梁橋的幾何尺寸和材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，并驗(yàn)證其合理性[2]。Daigle和Lounis比較了不同火山灰摻量的高性能混凝土與普通混凝土用于鋼筋混凝土橋面板的長期成本效益[3]，研究指出：使用高性能混凝土在建設(shè)成本、用戶成本和環(huán)境影響方面更經(jīng)濟(jì)。O'Reilly等人比較了在混凝土橋面上使用普通鋼筋、環(huán)氧涂層鋼筋和不銹鋼鋼筋的成本效益[4]，分析指出：考慮鋼筋混凝土橋面的使用壽命為75年，使用不銹鋼鋼筋是最劃算的方案。

另一方面，基于可靠度的方法可以在分析中納入各種不確定因素。近年來基于可靠度的研究主要集中在評(píng)估劣化結(jié)構(gòu)的修復(fù)時(shí)間、修復(fù)結(jié)構(gòu)的時(shí)變性能以及使用特定修復(fù)材料對(duì)修復(fù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命分析。如劉軍等基于蒙特卡羅法計(jì)算以時(shí)間為基本變量的材料性能參數(shù)和荷載變化特征，得出了橋梁的時(shí)間-可靠概率關(guān)系曲線，推算出橋梁的使用壽命和剩余使用壽命[5]。最近，Sajedi等人提出了一種基于可靠性的多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化程序(RB-MODO)，用于考慮腐蝕影響的鋼筋混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)[6]。

現(xiàn)有的研究中在使用確定性方法時(shí)未考慮使用過程中的不確定性，而主要依賴于橋梁所在區(qū)域的統(tǒng)計(jì)資料和工程師的經(jīng)驗(yàn)，這可能導(dǎo)致方案比選不準(zhǔn)確和不經(jīng)濟(jì)。使用可靠度方法時(shí)通常涉及多個(gè)函數(shù)的計(jì)算且計(jì)算參數(shù)多為隨機(jī)變量，不僅計(jì)算量巨大，計(jì)算結(jié)果精度也難以保證。

本文在探討基于橋梁全壽命設(shè)計(jì)概念的基礎(chǔ)上，簡要介紹了近年來歐美和中國開展的一些橋梁全壽命設(shè)計(jì)研究情況，分析我國橋梁的設(shè)計(jì)維護(hù)管理現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，對(duì)中國開展橋梁全壽命設(shè)計(jì)研究提出幾點(diǎn)建議。

2 現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)方法與全壽命設(shè)計(jì)方法

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用過不同的設(shè)計(jì)方法和理論。歷史上，最早采用基于試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的方法，接著采用容許應(yīng)力法，然后是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，今天發(fā)展為基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法[7]。自1997年美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)AASHTO(AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials)頒布基于LRFD(LoadandResistanceFactorDesign)的設(shè)計(jì)規(guī)范，可靠度方法現(xiàn)已被廣泛用于校準(zhǔn)荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)提供了足夠的安全富裕度，以降低新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或舊結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估時(shí)，由于構(gòu)件承載力不足或過載而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的可能性。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的目標(biāo)可靠性水平是根據(jù)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性能的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的失效后果以及建造成本來設(shè)定的。在關(guān)于結(jié)構(gòu)適用性特別是耐久性部分的規(guī)定中，沒有諸如混凝土裂縫寬度、保護(hù)層厚度或鋼筋間距等限制標(biāo)準(zhǔn)與混凝土構(gòu)件耐久性之間的具體關(guān)系，也沒有關(guān)于結(jié)構(gòu)在使用壽命內(nèi)超過這些標(biāo)準(zhǔn)概率的具體信息。盡管相關(guān)概念模型如鋼筋銹蝕模型、混凝土開裂模型等方面有大量研究，但當(dāng)前規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐中，基于可靠度的正常使用極限狀態(tài)性能指標(biāo)的實(shí)施由于多種原因而滯后。一個(gè)主要原因是工程師不愿意限制正常使用性問題，因?yàn)閾?dān)心正常使用性能的限制可能會(huì)制約設(shè)計(jì)方案選擇扼殺創(chuàng)造力，并制約與安全無關(guān)設(shè)計(jì)問題的工程判斷[8]。因此，許多設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)沒有強(qiáng)制正常使用性標(biāo)準(zhǔn)，如美國規(guī)范ASCE7-10(ASCE/SEI2010)中僅提供了適用性設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，以維持結(jié)構(gòu)的功能和正常使用期間使用者的舒適度。

傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)方法和建管體制是目前橋梁出現(xiàn)耐久性問題和達(dá)不到設(shè)計(jì)使用壽命的關(guān)鍵[9]。全壽命的橋梁設(shè)計(jì)方法作為一種設(shè)計(jì)理念，涉及到橋梁建設(shè)的各個(gè)方面，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和使用期運(yùn)營管理維護(hù)，一直到拆除和材料的回收。為了實(shí)現(xiàn)橋梁建設(shè)的效益最優(yōu)化，把傳統(tǒng)的短期方法拓展到橋梁的整個(gè)全壽命周期，考慮橋梁整個(gè)使用周期內(nèi)各種性能指標(biāo)對(duì)所有可行方案進(jìn)行優(yōu)化。

全壽命的設(shè)計(jì)理念由于涉及參數(shù)較多且具有很強(qiáng)的時(shí)變特性和隨機(jī)性，設(shè)計(jì)難度較大且費(fèi)用高，所建立的模型和設(shè)計(jì)方法往往準(zhǔn)確度很低，建設(shè)者也難以接受遙遠(yuǎn)時(shí)間跨度外可能出現(xiàn)的問題。近年來，國內(nèi)外學(xué)者嘗試將時(shí)變可靠度引入全壽命設(shè)計(jì)，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范建立約束條件，同時(shí)最大化結(jié)構(gòu)的可靠性和最小化相關(guān)的壽命周期成本，用來解決橋梁設(shè)計(jì)方案比選與維護(hù)管理決策等問題。

3 國外橋梁全壽命研究現(xiàn)狀

國外針對(duì)橋梁全壽命設(shè)計(jì)的研究，以美國居多，其次是歐盟和日本等發(fā)達(dá)國家，這些國家普遍勞動(dòng)力成本高昂且對(duì)環(huán)境保護(hù)非常重視，他們的研究中重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)方面的影響：一是橋梁使用中的養(yǎng)護(hù)維修等工作對(duì)橋上交通和使用者的綜合經(jīng)濟(jì)影響，二是橋梁從建設(shè)到拆除整個(gè)過程對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響。

3.1 綜合經(jīng)濟(jì)影響分析

由于橋梁設(shè)計(jì)使用年限較長，在漫長的使用周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展情況需要納入到全壽命分析中，為了考慮經(jīng)濟(jì)增長以及通貨膨脹等因素，普遍采用凈現(xiàn)值分析方法作為全壽命分析的經(jīng)濟(jì)分析方法。其主要內(nèi)涵是把不同時(shí)期發(fā)生的費(fèi)用折算為現(xiàn)值，然后加以比較，就能夠比較直觀地反映分析期內(nèi)建設(shè)、維修、更換等各項(xiàng)費(fèi)用的影響程度。常用的凈現(xiàn)值計(jì)算模型如下所示[10]：

式中：NPV為現(xiàn)值；IC為初始建設(shè)費(fèi)用；MC為維護(hù)費(fèi)用；TC為檢測(cè)費(fèi)用；FRC為維修費(fèi)用；UC為用戶成本；DC為拆除費(fèi)用；S為殘值；K為時(shí)間區(qū)間；i為折現(xiàn)率。

考慮橋梁在日常維護(hù)、維修或檢測(cè)的過程中對(duì)橋梁交通和橋梁使用者的影響，將這種影響通過用戶成本來衡量，可將用戶成本簡單分為時(shí)間延誤成本(DDC)、車輛運(yùn)營成本(VOC)、安全事故成本(AC)三大類，通過下列公式進(jìn)行估算：

AC=L×ADT×N×(Aa-An)×Ca

式中：L為受影響區(qū)段長度；Sa為橋梁維護(hù)期間車速；Sn為正常車速；ADT為每天平均車流量；N為維修天數(shù)；W為用戶每小時(shí)時(shí)間價(jià)值；r為車輛平均成本；Aa為維修期間事故發(fā)生率；An為正常事故發(fā)生率；Ca為每次事故的損失。

通過分別計(jì)算不同設(shè)計(jì)方案的凈現(xiàn)值，得到全壽命周期建設(shè)成本、維護(hù)成本和用戶成本綜合消耗最低的方案。例如鋼材的腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)橋梁在使用過程中的重要問題，防腐項(xiàng)目的費(fèi)用也是其維護(hù)成本的重要組成。對(duì)鋼橋的涂裝體系進(jìn)行壽命周期分析，首先對(duì)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，國際通用的方法是環(huán)境等級(jí)劃分法，采用歐洲規(guī)范(ENISO12944-2)中的六種環(huán)境等級(jí)(表1)。確定了環(huán)境等級(jí)后再綜合考慮涂裝體系在壽命周期內(nèi)的修補(bǔ)、重涂和更換成本，以及不同方案所帶來的用戶使用成本[10]。

表1 EN ISO 12944-2中的結(jié)構(gòu)環(huán)境等級(jí)劃分

Rossi和Marquart等人對(duì)環(huán)境等級(jí)為C4的鋼橋進(jìn)行了涂漆防腐和熱鍍鋅HDG(Hot-dipGalvanized)防腐兩種方案的LCCA分析[11]。兩種方案在鋼橋使用周期內(nèi)的成本如圖1所示。圖1中描述了建設(shè)成本、維護(hù)成本和用戶成本的綜合累積成本與使用壽命的關(guān)系，鋼橋未涂漆時(shí)候的初始成本僅為HDG成本的50.3 %。對(duì)于兩種方案修補(bǔ)成本對(duì)于凈現(xiàn)值的影響都相對(duì)較低，并且在使用20a左右的重涂之后，涂漆方案的凈現(xiàn)值超過了HDG方案的凈現(xiàn)值。分析體現(xiàn)了全壽命方法對(duì)維護(hù)方案綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估的全局性，可為決策者對(duì)維護(hù)方案的選擇提供重要參考。

圖1 兩種方案在鋼橋使用周期內(nèi)的成本變化

3.2 環(huán)境影響分析

建筑業(yè)消耗了地球上一半的能源，這個(gè)比例比任何其他工業(yè)部門都高。所有設(shè)施的建造、營運(yùn)及拆卸工程約占地球上全部能源最終用途的40 %至45 %。建筑業(yè)未來之路是發(fā)展一個(gè)綜合辦法，稱為“可持續(xù)建設(shè)”，其中環(huán)境問題通常使用以成本為基礎(chǔ)的辦法與安全和功能要求一并處理。在歐洲一系列旨在評(píng)估結(jié)構(gòu)工程可持續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)中，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(EuropeanCommitteeforStandardization)在EN15643-4:2012中提供了一個(gè)評(píng)估框架，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性提供了原則、要求和參考[12]。按照總體框架，壽命周期分析又細(xì)分為4個(gè)模塊，同樣適用于橋梁可持續(xù)性效益評(píng)價(jià)(圖2)。全壽命周期環(huán)境分析的實(shí)施在很大程度上取決于各種影響數(shù)據(jù)的獲取，以及對(duì)這些影響和相關(guān)材料的基本壽命周期評(píng)估。全壽命分析(環(huán)境和成本)在很大程度上取決于對(duì)結(jié)構(gòu)劣化的評(píng)估和對(duì)其實(shí)際使用壽命的評(píng)估。

圖2 全壽命環(huán)境分析系統(tǒng)

例如，位于葡萄牙中部地區(qū)Mira和Aveiro之間的高速公路橋，橋長364.50m。該橋的設(shè)計(jì)按照RSA1983,REBAP1986《葡萄牙橋梁設(shè)計(jì)條例》和《歐洲規(guī)范》的要求，這座橋的設(shè)計(jì)使用壽命為50a[12]。設(shè)計(jì)過程中提出了兩種主梁建設(shè)方案，一種是預(yù)應(yīng)力混凝土雙U形梁和現(xiàn)澆混凝土板組合結(jié)構(gòu)，另一種是雙工字梁鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，并采用全壽命分析法對(duì)兩種方案進(jìn)行了方案比選，在比選過程中著重考慮了橋梁建設(shè)對(duì)環(huán)境造成的影響，如資源消耗、氣體廢物排放，固體廢物處理等。為比較整體環(huán)境效應(yīng)得到所有影響類別的綜合評(píng)分，HelenaGervásio等人按各影響類別對(duì)整體環(huán)境效應(yīng)的相對(duì)重要性加權(quán)，然后計(jì)算加權(quán)平均影響評(píng)分[12]。該方法中使用的權(quán)重集基于哈佛大學(xué)(Norberg-Bohmetal.1992)的一項(xiàng)研究[13]。該研究為美國和歐洲各國制定了單獨(dú)的評(píng)估方法。此外，對(duì)每個(gè)國家的“當(dāng)前影響”和“未來影響”分別進(jìn)行了評(píng)估。就當(dāng)前影響而言，更重要的是今天主要關(guān)注的影響，而未來影響則更加重視那些預(yù)計(jì)在未來25a后將變得更加糟糕的影響。為當(dāng)前和未來的結(jié)果推導(dǎo)出一系列相對(duì)重要的權(quán)重，然后通過將未來結(jié)果的重要性計(jì)算為當(dāng)前結(jié)果的兩倍來進(jìn)行組合。對(duì)比分析表明，盡管混凝土方案具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)(便宜20 %)，但全壽命周期環(huán)境分析更有利于鋼結(jié)構(gòu)方案(環(huán)境影響低35 %)，設(shè)計(jì)使用壽命50a中，鋼結(jié)構(gòu)方案綜合評(píng)分為59分，略好于混凝土方案的55分。當(dāng)然，結(jié)論在很大程度上取決于所使用的方法和權(quán)重，鑒于這方面的不確定性和選擇任意性，下一個(gè)的研究顯然是發(fā)展一種概率性的全壽命周期環(huán)境分析方法。

3.3 可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)

全壽命可靠度分析的目的是找到一個(gè)設(shè)計(jì)變量的向量x，作為目標(biāo)函數(shù)f(x)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)兩個(gè)邊界約束條件x-和x+的值，采用不等式g(x,t)≥0進(jìn)行時(shí)變行為約束，設(shè)計(jì)年限為Td。多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題可表述為：

D={x|x-≤x≤x+,g(x,t)≥0,t0≤t≤Td}

目標(biāo)函數(shù)f(x)代表優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，通常與結(jié)構(gòu)成本有關(guān)，包括初始建設(shè)成本和養(yǎng)護(hù)維修成本、拆除成本以及附加的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，例如安全性、適用性等。設(shè)計(jì)變量x可以包括結(jié)構(gòu)的幾何和力學(xué)性能，以及維護(hù)和維修干預(yù)措施對(duì)使用時(shí)間和可靠度的提升。設(shè)計(jì)變量x相關(guān)的基于可靠度的設(shè)計(jì)涉及到失效概率的評(píng)估或相應(yīng)的可靠度指標(biāo)：

D={x|x-≤x≤x+,β(x,t)≥β*(x,t),t0≤t≤Td}

因此，全壽命可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的一般公式可轉(zhuǎn)換為以下形式：

PF(x,t)=p|gj(x,t)<0,j=1,2...|,t0≤t≤Td

β(x,t)=-Φ-1[PF(x,t)],t0≤t≤Td

因?yàn)槟繕?biāo)可靠度β*=β*(t)反映了結(jié)構(gòu)的類型、重要性、失效后果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響等可能隨時(shí)間變化因素，所以通常是時(shí)變的。因此，進(jìn)一步研究確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和維修的最佳目標(biāo)可靠度指標(biāo)是必要的。

優(yōu)化過程的計(jì)算成本取決于問題的大小和解決方案要求的函數(shù)評(píng)估次數(shù)，包括目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)約束以及設(shè)計(jì)變量的敏感性。全壽命可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)問題通常涉及多個(gè)函數(shù)的評(píng)估，盡管有高效的分析程序，求解過程的計(jì)算成本依然非常高。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，為了支持模型的開發(fā)并使設(shè)計(jì)問題變得切實(shí)可行，通常需要敏感性分析過程和前分析和后分析策略，不確定性參數(shù)的重要程度也應(yīng)該進(jìn)行相對(duì)重要性的量化，并獲得不確定性效應(yīng)所起的時(shí)變作用。這些方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于基于可靠度的建筑和橋梁設(shè)計(jì)程序中[14]。

4 我國橋梁全壽命研究現(xiàn)狀

2004年我國開展了首次針對(duì)橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論與方法的研究，該研究項(xiàng)目的批準(zhǔn)和啟動(dòng)，標(biāo)志著我國向橋梁全壽命設(shè)計(jì)的全面研究和應(yīng)用邁出了扎實(shí)的一步[15]。從我國現(xiàn)有橋梁狀況調(diào)查分析入手，通過文獻(xiàn)搜集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、統(tǒng)計(jì)分析、理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、示例應(yīng)用等手段，全面展開了以下十個(gè)專題的研究：

(1)國內(nèi)外橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀調(diào)研；

(2)橋梁典型病害調(diào)查及橋梁正常使用壽命確定；

(3)橋梁全壽命周期成本計(jì)算模型研究；

(4)橋梁各設(shè)計(jì)階段全壽命設(shè)計(jì)方法研究；

(5)全壽命橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與保險(xiǎn)策略研究；

(6)橋梁混凝土構(gòu)件全壽命設(shè)計(jì)研究；

(7)橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及纜索系統(tǒng)全壽命設(shè)計(jì)研究；

(8)橋梁附屬設(shè)施全壽命設(shè)計(jì)研究；

(9)橋梁全壽命設(shè)計(jì)示例；

(10)橋梁全壽命設(shè)計(jì)指南。

項(xiàng)目研究填補(bǔ)了國內(nèi)外橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論與方法的空白，標(biāo)志著傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)理念正在向橋梁全壽命設(shè)計(jì)理念及方法過渡。提出了《橋梁全壽命設(shè)計(jì)指南》，成為我國實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命設(shè)計(jì)的良好開端，為以后開展進(jìn)一步的橋梁全壽命設(shè)計(jì)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

其研究成果為提升橋梁設(shè)計(jì)理念，提高橋梁設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)水平，提高橋梁耐久性，延長橋梁使用壽命，確保投資的長期效益，優(yōu)化工程資金配置提供了理論基礎(chǔ)。因此，項(xiàng)目研究成果具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值，在橋梁工程設(shè)計(jì)中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，也可為隧道、港工等進(jìn)行全壽命設(shè)計(jì)和研究提供參考和借鑒。

參與該項(xiàng)目的吳海軍等人通過項(xiàng)目的研究提出了全面的橋梁耐久性設(shè)計(jì)框架，為橋梁全壽命研究奠定了基礎(chǔ)，此后馬軍海等人在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入研究，提出了全壽命的橋梁設(shè)計(jì)框架與設(shè)計(jì)過程，并嘗試將全壽命的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到混凝土連續(xù)梁橋中。彭建新等人提出了基于全壽命周期成本的橋梁設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于橋梁多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)和維護(hù)方案決策。

耐久性是全壽命問題中最重要的因素，全壽命的橋梁設(shè)計(jì)必須是一個(gè)涉及橋梁多方面及不同階段耐久性能的完整全面的體系框架，考慮到影響耐久性的多種因素及橋梁耐久性問題的復(fù)雜性、重要性，并保證各個(gè)構(gòu)成部分之間互相補(bǔ)充、互相執(zhí)調(diào)。全面的橋梁耐久性設(shè)計(jì)方法框架的主要組成部分及相互關(guān)系見圖3所示[16]。做好了圖3中的第1、2部分即基本的設(shè)計(jì)因素，橋梁的使用性能就有了基本保證，第3點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)橋梁初始階段良好性能的必要條件，而第4點(diǎn)則是保證橋梁運(yùn)營期使用性能和耐久性的必要條件。這些問題可以歸結(jié)為：設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)、施工是關(guān)鍵、養(yǎng)護(hù)和管理是保證、經(jīng)濟(jì)性是方案優(yōu)化與評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

圖3 全面的橋梁耐久性設(shè)計(jì)方法框架

為滿足橋梁在全壽命周期的使用要求，需要基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)框架來為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供方法，由此得到良好的全壽命周期性能。馬軍海等人提出的基于全壽命的橋梁設(shè)計(jì)總體框架，從業(yè)主、社會(huì)和使用者的需求出發(fā)，分三個(gè)橋梁設(shè)計(jì)主要階段：工程可行性研究階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖設(shè)計(jì)階段，對(duì)主要過程：使用壽命設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)與維修設(shè)計(jì)、美學(xué)設(shè)計(jì)、環(huán)境生態(tài)設(shè)計(jì)及成本分析等六大過程[17]。采用各種恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧┻M(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段為橋梁全壽命周期性能提供保證(圖4)。

圖4 橋梁全壽命設(shè)計(jì)總體框架

一座橋梁的規(guī)劃設(shè)計(jì)所涉及的因素很多，是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)工程，將全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)放在初步設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)之間，在初步設(shè)計(jì)完成后，即橋型方案、主要初步尺寸和工程投資確定后，進(jìn)入全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，引入橋梁劣化模型、維護(hù)策略等因素，在投資、可靠性能、力學(xué)指標(biāo)多重約束作用下對(duì)橋梁截面尺寸進(jìn)行重新確定，優(yōu)化結(jié)果將修改初步設(shè)計(jì)和工程預(yù)算投資。有時(shí)，可以將初步設(shè)計(jì)和全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)合并，同步進(jìn)行。彭建新等人提出了橋梁全壽命設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)框架，在未來的橋梁設(shè)計(jì)過程中，為橋梁設(shè)計(jì)人員引入全壽命設(shè)計(jì)理念提供參考(圖5)[18]。

結(jié)構(gòu)性能的退化本身取決于混凝土性能、收縮徐變引起的開裂和鋼結(jié)構(gòu)防腐體系等諸多參數(shù)，每一個(gè)參數(shù)都有相當(dāng)多的不確定性，這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能評(píng)估中存在較大的不確定性。結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算結(jié)果很大程度上取決于考慮的隨機(jī)變量和分析中采用的模型，這就是為什么在不同國家或地區(qū)的設(shè)計(jì)規(guī)范中采用了不同的目標(biāo)可靠度。為了考慮這些不確定性，可以采用時(shí)變可靠度來比較不同方案在特定時(shí)間點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)此筆者提出了基于可靠度的全壽命設(shè)計(jì)框架，通過將橋梁結(jié)構(gòu)使用至某一時(shí)間段的可靠度與規(guī)范要求的目標(biāo)可靠度進(jìn)行比較，可直觀反映設(shè)計(jì)方案與養(yǎng)護(hù)維護(hù)方案的合理性(圖6)。

圖5 橋梁全壽命設(shè)計(jì)框架

圖6 基于可靠度的全壽命設(shè)計(jì)框架

總體而言，我國橋梁全壽命研究發(fā)展的特點(diǎn)是：

(1)在科學(xué)發(fā)展觀思想的指導(dǎo)下首次對(duì)橋梁全壽命進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

(2)系統(tǒng)性研究中投入了大量科研人員和資金，取得了豐碩的成果，不僅完善了橋梁全壽命的基礎(chǔ)理論體系，對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用也做了嘗試。

(3)雖然理論基礎(chǔ)已經(jīng)建立，但受限于我國橋梁建設(shè)建管養(yǎng)分離的體系，并沒有繼續(xù)開展后續(xù)深入研究。

近年來國內(nèi)外有不少學(xué)者開始將時(shí)變可靠度的方法引入全壽命設(shè)計(jì)，嘗試參考承載能力極限狀態(tài)的方法來進(jìn)行全壽命設(shè)計(jì)。歐美等發(fā)達(dá)國家由于已經(jīng)進(jìn)入“管養(yǎng)為主階段”，其研究主要集中在維護(hù)管理策略領(lǐng)域。隨著我國橋梁逐漸步入“建養(yǎng)并重階段”，養(yǎng)修壓力日益加大，全壽命設(shè)計(jì)將為這一嚴(yán)峻挑戰(zhàn)提供解決方法。

5 對(duì)我國橋梁全壽命設(shè)計(jì)研究和實(shí)踐的建議

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，橋梁建設(shè)數(shù)量和保有量的日益增長，不僅要求橋梁在建設(shè)初期具有良好的使用性能，對(duì)其滿足長期使用以及使用中方便維護(hù)維修等可持續(xù)發(fā)展方面也提出了更高要求。我國橋梁數(shù)量增長從20世紀(jì)80年代的改革開放初期開始步入快車道，這就意味我國將很快迎來短期內(nèi)諸多橋梁需要維護(hù)更換的狀況，這將對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。需要對(duì)維護(hù)更換問題進(jìn)行科學(xué)部署和規(guī)劃，本文僅就我國開展橋梁全壽命設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議：

(1)將全壽命周期成本納入到建設(shè)方案中進(jìn)行比選。需要后期成本低的方案，在建設(shè)初期的投資成本往往是較高的。而當(dāng)前工程建設(shè)體系中，特別是在招投標(biāo)環(huán)節(jié)沒有將可持續(xù)發(fā)展的理念納入到建設(shè)方案評(píng)估中，這使得各投標(biāo)單位只注重減少初始成本以期在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而不考慮后期使用和維護(hù)問題。應(yīng)當(dāng)在方案選擇的招投標(biāo)環(huán)節(jié)將可持續(xù)性作為考核項(xiàng)目，鼓勵(lì)投標(biāo)單位在建設(shè)初期就考慮整個(gè)壽命周期的長期使用問題。

(2)加強(qiáng)建管養(yǎng)部門之間的統(tǒng)籌規(guī)劃。我國建管養(yǎng)分離的體系使得同一座橋在使用的不同時(shí)期會(huì)有不同的管理單位，不同單位僅考慮橋梁在自己管轄期間的使用性能成為橋梁運(yùn)營過程中的普遍現(xiàn)象。橋梁的使用期往往很長，全壽命設(shè)計(jì)中需要統(tǒng)一規(guī)劃，讓其在運(yùn)營管理各個(gè)階段中有統(tǒng)籌和銜接。

(3)將基于可靠度的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法納入到全壽命設(shè)計(jì)中?；诳煽慷鹊臉O限狀態(tài)方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各國的設(shè)計(jì)規(guī)范的制定，全壽命設(shè)計(jì)方法可以借鑒基于可靠度的承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以目標(biāo)可靠度指標(biāo)的簡明形式比較不同全壽命設(shè)計(jì)方案的可靠性，方便其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。