王崇交 李亞?wèn)|

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031）

傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)方法僅考慮橋梁的初期性能和初始建造成本，采用定值設(shè)計(jì)方法來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范條件下的參數(shù)最低要求，常常發(fā)生嚴(yán)重的橋梁使用問(wèn)題并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局統(tǒng)計(jì)，美國(guó)高速公路橋梁由于耐久性不足，2002年直接運(yùn)營(yíng)成本超過(guò)83 億美元，由此產(chǎn)生的交通延誤、生產(chǎn)力損失等間接成本可達(dá)其10 倍［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(yíng)養(yǎng)修成本，采用考慮橋梁長(zhǎng)期使用性能的全壽命設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。既往研究中常采用單目標(biāo)優(yōu)化的形式，通過(guò)最小化各種失效概率或最小化確定性約束條件下的預(yù)期總成本來(lái)對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，由于可參與優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)數(shù)量十分有限，無(wú)法有效滿(mǎn)足各方面的工程要求。因此，需要研究與規(guī)范結(jié)合且涵蓋多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)已開(kāi)展了一些研究。文獻(xiàn)［2］對(duì)全壽命設(shè)計(jì)方法的基本思路、理論方法、設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為全壽命設(shè)計(jì)方法具有均衡結(jié)構(gòu)耐久能力、延長(zhǎng)使用壽命、減小全壽命成本的優(yōu)點(diǎn)，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)階段發(fā)揮作用。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于可靠度的多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，用于考慮腐蝕影響的鋼筋混凝土橋梁全壽命設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［4］以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)提出了結(jié)構(gòu)綜合全壽命設(shè)計(jì)法，旨在優(yōu)化人類(lèi)生存狀態(tài)、減小工程的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響。文獻(xiàn)［5］將橋梁全壽命期內(nèi)不同時(shí)期發(fā)生的費(fèi)用折算為現(xiàn)值并加以比較，提出了凈現(xiàn)值計(jì)算模型，直觀反映分析期內(nèi)建設(shè)、維修、更換等各項(xiàng)費(fèi)用的影響程度。文獻(xiàn)［6］將橋梁對(duì)環(huán)境造成的當(dāng)前影響和未來(lái)影響分別進(jìn)行了評(píng)估，按各影響類(lèi)別對(duì)整體環(huán)境效應(yīng)的相對(duì)重要性加權(quán)，計(jì)算加權(quán)平均影響評(píng)分作為全壽命環(huán)境評(píng)估的依據(jù)。

現(xiàn)有的橋梁全壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)方法仍存在以下不足之處：①使用確定性方法時(shí)主要依賴(lài)橋梁所在區(qū)域的統(tǒng)計(jì)資料和工程師的經(jīng)驗(yàn)，未考慮使用過(guò)程中的不確定性，從而影響方案比選的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。②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，計(jì)算量大，計(jì)算結(jié)果的精度難以保證。③全壽命優(yōu)化過(guò)程中各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間界限模糊，優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容存在重復(fù)或遺漏。④無(wú)法體現(xiàn)橋梁在自然因素作用下的持續(xù)劣化，特別是人為因素影響下橋梁性能上升下降的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

本文提出了一種基于可靠度的橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法，旨在通過(guò)考慮橋梁從建設(shè)到拆除的整個(gè)使用周期內(nèi)荷載、環(huán)境和各類(lèi)災(zāi)害的作用以及工程活動(dòng)對(duì)橋梁周?chē)淖匀画h(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成的影響，制定出合理的設(shè)計(jì)方案、養(yǎng)修管理方案、災(zāi)害應(yīng)對(duì)方案，使橋梁結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)性能均能滿(mǎn)足預(yù)期目標(biāo)且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。其基本思路是：采用時(shí)變可靠度的方法分析結(jié)構(gòu)性能的動(dòng)態(tài)變化，利用橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠指標(biāo)和時(shí)變狀態(tài)指標(biāo)結(jié)合成本效益最優(yōu)目標(biāo)，將橋梁全壽命設(shè)計(jì)與規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)、建設(shè)者期望的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)相結(jié)合。

1 橋梁全壽命可靠度設(shè)計(jì)

橋梁的可靠性指結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)達(dá)到預(yù)定使用要求的概率，用可靠度β和失效概率Pf來(lái)度量，一般采用功能函數(shù)的形式進(jìn)行計(jì)算，即

式中：Z為極限狀態(tài)功能函數(shù)；R為廣義結(jié)構(gòu)抗力；S為廣義結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)可靠度β和失效概率Pf分別表示為

1.1 橋梁安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)

橋梁的安全性包括橋梁使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全和結(jié)構(gòu)自身在使用過(guò)程中的安全，對(duì)應(yīng)承載能力極限狀態(tài)，如結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失去平衡、發(fā)生斷裂等。能夠安全地承受各項(xiàng)設(shè)計(jì)荷載是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的基本要求。對(duì)于承受循環(huán)荷載的結(jié)構(gòu)，需要考慮構(gòu)件的疲勞壽命和疲勞極限，對(duì)損傷后需要快速修復(fù)的重要橋梁結(jié)構(gòu)，可恢復(fù)性也是一項(xiàng)重要的安全性指標(biāo)［7］。根據(jù)中外橋梁實(shí)際使用壽命和橋梁事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果［8］，按我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)在到達(dá)設(shè)計(jì)使用壽命之前，其承載能力通常已低于規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的使用壽命往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。全壽命設(shè)計(jì)中使用的承載能力可靠度應(yīng)隨時(shí)間變化，且要求橋梁的承載能力在整個(gè)壽命期內(nèi)均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

在使用過(guò)程中，橋梁性能會(huì)受到諸多因素的共同影響，且劣化后結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)出非線(xiàn)性化，因此需要更合理的劣化模型。本文采用彭建新［9］提出的非線(xiàn)性劣化的指數(shù)模型表征全壽命周期內(nèi)承載能力極限狀態(tài)的可靠度βB（t），即

式中：t為結(jié)構(gòu)實(shí)際使用年限；β0為結(jié)構(gòu)初始可靠度；tβ為結(jié)構(gòu)開(kāi)始劣化時(shí)間；αβ為可靠指標(biāo)劣化率。

總體上，橋梁結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)要求保證結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)承載能力極限狀態(tài)的可靠度βB（t）大于規(guī)范規(guī)定的目標(biāo)可靠度βT，即βB（t）＞βT。

各國(guó)規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度要求不同。針對(duì)承載能力極限狀態(tài)，歐洲規(guī)范BS EN 1990 將橋梁結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)安全等級(jí)，并根據(jù)不同的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期規(guī)定了不同的目標(biāo)可靠度，見(jiàn)表1。美國(guó)規(guī)范AASHTO LRFDUS—2017依據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的重要性給出了建議的目標(biāo)可靠度，見(jiàn)表2。我國(guó)規(guī)范GB/T 50289—1999《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性和破壞形式規(guī)定了不同的目標(biāo)可靠度，見(jiàn)表3。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度（歐洲規(guī)范）

表2 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度（美國(guó)規(guī)范）

表3 橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度（中國(guó)規(guī)范）

橋梁結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度的最優(yōu)化設(shè)計(jì)與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、技術(shù)實(shí)力有關(guān)。將表1—表3中不同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期下的目標(biāo)可靠度換算到相同設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期下，發(fā)現(xiàn)我國(guó)規(guī)范的目標(biāo)可靠度顯著高于歐美規(guī)范。這是由于我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)期，社會(huì)發(fā)展日新月異，需要在工程設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)未來(lái)可能面臨的荷載快速增長(zhǎng)留有更多的富余度。

1.2 橋梁適用性設(shè)計(jì)目標(biāo)

橋梁的適用性對(duì)應(yīng)的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可能在滿(mǎn)足承載能力的情況下出現(xiàn)不適合使用的情形，如出現(xiàn)使行人感到不舒適或限制結(jié)構(gòu)功能有效性的變形或震動(dòng)，產(chǎn)生影響外觀、耐久性或結(jié)構(gòu)功能的損壞等。通常在結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定正常使用極限進(jìn)行結(jié)構(gòu)適用性設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［10］用線(xiàn)性模型描述了這種使用過(guò)程中逐漸產(chǎn)生的變化。

為反映結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中復(fù)雜的適用性變化，參考承載能力極限狀態(tài)劣化模型，建立非線(xiàn)性模型表征全壽命周期內(nèi)正常使用極限狀態(tài)的可靠度βC（t），即

式中：C0為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)指標(biāo)；tC為結(jié)構(gòu)開(kāi)始劣化時(shí)間；αC為狀態(tài)指標(biāo)劣化率。

總體上，橋梁結(jié)構(gòu)適用性設(shè)計(jì)要求保證結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)正常使用極限狀態(tài)的可靠度βC（t）大于規(guī)范規(guī)定的目標(biāo)可靠度βT，即βC（t）＞βT。

承載能力極限狀態(tài)的可靠度βB（t）與正常使用極限狀態(tài)的可靠度βC（t）之間既有聯(lián)系又存在不同。在沒(méi)有對(duì)橋梁進(jìn)行養(yǎng)修時(shí)，二者相互獨(dú)立。當(dāng)考慮橋梁養(yǎng)修時(shí)，有的養(yǎng)修活動(dòng)先對(duì)βC（t）產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)βB（t）起作用，如裂縫灌漿改善了結(jié)構(gòu)外觀，延緩了結(jié)構(gòu)開(kāi)裂并降低了結(jié)構(gòu)性能的退化速率；有的養(yǎng)修活動(dòng)（如更換翻新）對(duì)βC（t）和βB（t）同時(shí)起作用。

各國(guó)規(guī)范對(duì)橋梁正常使用極限狀態(tài)下的目標(biāo)可靠度指標(biāo)的規(guī)定都較為粗略。我國(guó)GB/T 50289—1999中只給出了正常使用極限狀態(tài)目標(biāo)可靠度的推薦值為0.5 ～1.5。歐洲規(guī)范BS EN 1990規(guī)定，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為1 年和50 年的正常使用（不可逆）極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度分別為2.9，1.5；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年的疲勞極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度為1.5 ～3.8。顯然，正常使用極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度要遠(yuǎn)低于承載能力極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度，這是為了在不涉及結(jié)構(gòu)安全的領(lǐng)域給予設(shè)計(jì)師更多的發(fā)揮空間。

1.3 橋梁耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了更好地描述橋梁在全壽命周期內(nèi)耐久性的變化，從實(shí)用性角度提出了與結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)的2 階段極限狀態(tài)，并結(jié)合ISO 13823：2008 中關(guān)于結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的一般原則提出橋梁全壽命耐久性指標(biāo)。

第1階段耐久性極限狀態(tài)描述結(jié)構(gòu)開(kāi)始劣化的耐久性初始極限狀態(tài)，是針對(duì)結(jié)構(gòu)使用過(guò)中表觀狀態(tài)的定義。如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在碳化或氯離子擴(kuò)散的影響下鋼筋銹蝕并開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，或鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的表面防腐涂層失效導(dǎo)致其開(kāi)始腐蝕，即認(rèn)為其達(dá)到了耐久性初始極限狀態(tài)，需要對(duì)橋梁進(jìn)行修復(fù)。耐久性初始極限狀態(tài)用公式表達(dá)為

式中：SE，lim為環(huán)境作用效應(yīng)的臨界值；SE為結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用下的響應(yīng)；TS為結(jié)構(gòu)實(shí)際使用壽命；Tstart為結(jié)構(gòu)劣化起始時(shí)間。

第2階段耐久性極限狀態(tài)描述橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際使用性能的耐久性最終極限狀態(tài)，是基于結(jié)構(gòu)使用功能的定義。如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫寬度過(guò)大或保護(hù)層剝落導(dǎo)致鋼筋外露，鋼結(jié)構(gòu)由于銹蝕而呈現(xiàn)令使用者難以接受的外觀，即認(rèn)為其達(dá)到了耐久性最終極限狀態(tài)，需要進(jìn)行構(gòu)件更換或結(jié)構(gòu)大修。耐久性最終極限狀態(tài)用公式表達(dá)為

式中：ZD為耐久性極限狀態(tài)功能函數(shù)；TD為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用期。

現(xiàn)行各國(guó)規(guī)范對(duì)橋梁耐久性極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)尚無(wú)明確規(guī)定。ISO 13823：2008 提出，結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的可靠度應(yīng)基于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的設(shè)計(jì)使用壽命、結(jié)構(gòu)的養(yǎng)修難度和養(yǎng)修成本、結(jié)構(gòu)的失效后果等因素確定，并且酌情考慮專(zhuān)家意見(jiàn)和客戶(hù)需求［11］。在全壽命耐久性設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮橋梁抗力和效應(yīng)的時(shí)變特性。參考正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法，將全壽命耐久性設(shè)計(jì)的功能函數(shù)、失效概率、可靠度表達(dá)為

式中：Z（t）為結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻的耐久性功能函數(shù)；R（t）為t時(shí)刻的廣義抗力；S（t）為t時(shí)刻的廣義作用效應(yīng)；Pf（t）為t時(shí)刻結(jié)構(gòu)失效概率；βD（t）為t時(shí)刻結(jié)構(gòu)耐久性可靠度。

橋梁結(jié)構(gòu)壽命周期各類(lèi)耐久性指標(biāo)的變化如圖1所示，該圖直觀反映了各類(lèi)指標(biāo)之間的關(guān)系。其中Pt為結(jié)構(gòu)目標(biāo)失效概率，Pt=Pf（TD）。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)壽命周期耐久性指標(biāo)的變化

2 橋梁全壽命經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)

全壽命經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)考慮橋梁從設(shè)計(jì)到拆除整個(gè)壽命周期的各項(xiàng)直接和間接成本，得出不同的橋梁設(shè)計(jì)方案在整個(gè)壽命周期的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 直接成本計(jì)算方法

直接成本指參與橋梁建造各方所投入的建設(shè)資金，可以分為橋梁建成前的建設(shè)成本C前和建成后的檢測(cè)、維修、更換等后期運(yùn)營(yíng)需要的成本C后。

橋梁建成前的建設(shè)成本可表示為

式中：CD為設(shè)計(jì)成本；CC為初始建造成本。

CD為確定性成本，一般為初始建造成本的d%，即CD=CC·d%，在優(yōu)化分析中可以忽略。CC由建設(shè)單位提供。

橋梁建成后的運(yùn)營(yíng)成本可表示為

式中：T為橋梁全壽命周期；Cins為檢測(cè)成本；Crep為一般維修成本；Cm為大修或更換成本；Cr為拆除回收成本。

橋梁需要在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，以確保其實(shí)際性能滿(mǎn)足使用要求。秦權(quán)［12］提出了與時(shí)間相關(guān)的計(jì)算方法，檢測(cè)成本Cins的計(jì)算公式為

式中：K為全壽命周期檢測(cè)總次數(shù)；Ci，ins（T）為第i次檢測(cè)時(shí)的費(fèi)用，本文假設(shè)橋梁每次檢測(cè)費(fèi)用與橋梁狀態(tài)相關(guān)，檢測(cè)費(fèi)用逐次增加；α為比例常數(shù)，由橋梁的劣化狀態(tài)確定。

對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的維修成本計(jì)算，本文提出了基于耐久性極限狀態(tài)的維修方式和成本計(jì)算方法。引用Bocchini 等［13］對(duì)維修活動(dòng)的發(fā)生時(shí)間和時(shí)間間隔2 項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法，將維修成本分為一般維修成本Crep和大修或更換成本Cm，計(jì)算公式為

式中：Crep，i為橋梁全壽命周期內(nèi)的第i次一般維修成本；Pd1，i為橋梁第i次耐久性初始極限狀態(tài)下的失效概率；Cm，j為橋梁全壽命周期內(nèi)第j次大修或更換成本；Pd2，j為橋梁第j次耐久性最終極限狀態(tài)下的失效概率；tPI，tP分別為初始維修時(shí)間和維修使用時(shí)間間隔。

Crep，i，Pd1，i，Cm，j，Pd2，j均為設(shè)計(jì)變量的隱函數(shù)，取決于橋梁建造時(shí)的設(shè)計(jì)與施工，如混凝土保護(hù)層厚度、鋼結(jié)構(gòu)涂裝體系等。

2.2 間接成本計(jì)算方法

橋梁在全壽命周期的建造、維修等工程活動(dòng)不僅需要資金投入，還消耗大量資源，造成環(huán)境污染及生態(tài)破壞，并且可能影響橋梁正常發(fā)揮運(yùn)輸功能，對(duì)橋梁所在地的區(qū)域交通造成不良影響。這類(lèi)損失的貨幣價(jià)值稱(chēng)為間接成本。本文重點(diǎn)考慮橋梁全壽命期對(duì)周?chē)h(huán)境及社會(huì)造成的影響。

2.2.1 社會(huì)成本

社會(huì)成本主要來(lái)源于橋梁養(yǎng)修時(shí)由于交通堵塞、延遲、線(xiàn)路改道等造成行車(chē)時(shí)間損失以及路況不佳可能引發(fā)的交通事故。橋梁交通狀況的模擬較為復(fù)雜，美國(guó)聯(lián)邦公路局（Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA）開(kāi)發(fā)的交通仿真軟件TSIS 可對(duì)橋梁維修時(shí)的交通流情況進(jìn)行模擬，確定維修過(guò)程中的交通耽擱時(shí)間、交通堵塞程度、車(chē)速等，進(jìn)而計(jì)算出由于養(yǎng)修活動(dòng)造成的社會(huì)成本。

橋梁維修造成的行車(chē)時(shí)間損失成本期望值CDDC的計(jì)算公式為

式中：N為維修總次數(shù)；H為車(chē)型種類(lèi)（如貨車(chē)、公交車(chē)、私家車(chē)等）的數(shù)量；wh為某一種車(chē)型的駕駛員時(shí)間成本；khm為某一類(lèi)型車(chē)的交通量；tw為維修時(shí)交通延誤時(shí)間；l為維修施工影響長(zhǎng)度；nh為不維修時(shí)的正常運(yùn)行車(chē)速；nhi為維修時(shí)某一種車(chē)型的車(chē)速；r為累積成本折現(xiàn)率；ti為第i次維修的發(fā)生時(shí)間。

橋梁維修時(shí)可能引發(fā)的交通事故損失成本期望值CACC的計(jì)算公式為

式中：Cha為某一車(chē)型發(fā)生事故的成本損失；Aha為某一車(chē)型在維修時(shí)的事故率；Ah為正常行駛的事故率。

2.2.2 環(huán)境成本

橋梁工程活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響通常需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的累積才得以體現(xiàn)，而生態(tài)環(huán)境在全壽命這個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)也是一個(gè)易變的系統(tǒng)，因此橋梁的環(huán)境影響大多難以直接界定和量化。文獻(xiàn)［14］提出了環(huán)境影響計(jì)算方法，主要考慮了全球變暖、水污染、空氣污染3 種環(huán)境影響因素。每種影響因素對(duì)應(yīng)1 個(gè)潛在影響指數(shù)，這些指數(shù)是由工程中各種物資的使用量（如混凝土用量、鋼筋用量等）對(duì)環(huán)境影響的相對(duì)貢獻(xiàn)加權(quán)得出的。各因素的潛在影響指數(shù)IAequ，jk的計(jì)算公式為

式中：IAj為不同類(lèi)型的物資使用量；IVjk為不同類(lèi)型物資的排放量；IVwjk為不同類(lèi)型物資排放的權(quán)重；Nk為影響量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格化值。

環(huán)境治理成本Cequ的計(jì)算公式為

式中：p為所考慮的環(huán)境影響物資類(lèi)別數(shù)；IApoc為影響指數(shù)對(duì)應(yīng)的污染治理成本。

對(duì)于計(jì)算中需要的污染治理成本等數(shù)據(jù)，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局研究與發(fā)展辦公室（US EPA Office of Research and Development）發(fā)布了環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)［15］。將每類(lèi)環(huán)境影響除以固定的影響規(guī)模和治理成本，產(chǎn)生某一個(gè)影響類(lèi)別的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，再將該參數(shù)置于所有促成該影響的工程活動(dòng)中進(jìn)行加權(quán)，得到環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)。

綜上，全壽命期內(nèi)發(fā)生的綜合成本LCC（T）的表達(dá)式為

3 與既有橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法的對(duì)比

3.1 體系組成

既有橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)既有方法）普遍存在設(shè)計(jì)概念模糊、設(shè)計(jì)指標(biāo)重復(fù)或缺失等問(wèn)題，缺少與現(xiàn)行規(guī)范的聯(lián)系，在全壽命成本計(jì)算方面也缺少完整的計(jì)算體系。

本文提出的橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法（簡(jiǎn)稱(chēng)本文方法）將設(shè)計(jì)目標(biāo)明確分為基于可靠度的結(jié)構(gòu)自身性能設(shè)計(jì)、基于成本形式的結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)自身性能設(shè)計(jì)包括安全性、適用性、耐久性3 方面內(nèi)容，均采用極限狀態(tài)的形式來(lái)表達(dá)并與現(xiàn)行規(guī)范相結(jié)合。結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)包括橋梁從建設(shè)到拆除整個(gè)過(guò)程的資金投入、橋梁工程活動(dòng)對(duì)環(huán)境和社會(huì)的相關(guān)影響，并在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的成本形式來(lái)計(jì)算。

3.2 設(shè)計(jì)理念

既有方法按照傳統(tǒng)土木工程的設(shè)計(jì)理念來(lái)劃分設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)層次［16］，設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍存在主觀性，并且難以體現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)在壽命周期中隨時(shí)間變化的特點(diǎn)。

本文方法關(guān)注了橋梁在全壽命過(guò)程中的長(zhǎng)期性能，同時(shí)將結(jié)構(gòu)成本、社會(huì)成本、環(huán)境成本組合成統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)成本計(jì)算形式，以方便橋梁結(jié)構(gòu)全壽命的優(yōu)化、設(shè)計(jì)和管理。

3.3 結(jié)構(gòu)自身性能設(shè)計(jì)內(nèi)容

既有方法采用固定不變的可靠度指標(biāo)。本文方法將時(shí)間因素融入到全壽命設(shè)計(jì)方法的可靠度指標(biāo)設(shè)計(jì)體系中，解決了既有方法中相關(guān)指標(biāo)約定不明且與規(guī)范脫節(jié)的問(wèn)題。

本文方法以時(shí)變可靠度理論為基礎(chǔ)，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法來(lái)保證橋梁在全壽命期內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿(mǎn)足使用要求，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

本文方法將耐久性融入到全壽命設(shè)計(jì)中，基于工程實(shí)踐提出了2 階段耐久性極限狀態(tài)，并采用時(shí)變可靠度來(lái)表達(dá)，突破了傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)在耐久性部分的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，反映了橋梁在長(zhǎng)期使用過(guò)程性能的動(dòng)態(tài)變化以及人為因素對(duì)其造成的影響。

3.4 經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)內(nèi)容

既有方法在社會(huì)影響方面缺乏明確的計(jì)算方法，在環(huán)境影響方面僅停留在定義和評(píng)估層面，未完全確定相關(guān)環(huán)境影響指標(biāo)。

新體系中基于交通仿真軟件TSIS 和環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)的影響成本計(jì)算方法，將全壽命經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)進(jìn)行了更詳細(xì)的劃分，為定性評(píng)價(jià)和定量分析提供了更完善的方法，使經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果更為全面可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于可靠度的橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法更為直觀地反映了結(jié)構(gòu)性能與成本投入的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系，豐富了橋梁全壽命設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，使其更具有普適性，促進(jìn)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

橋梁全壽命設(shè)計(jì)理念在實(shí)際橋梁工程中的應(yīng)用并不算多，這是由于其較為繁瑣的設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程，特別是對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)情況和性能狀況需要采集大量的信息，這都要求較大的人力投入，目前還難以實(shí)現(xiàn)。隨著信息技術(shù)革命以及5G 時(shí)代的到來(lái)，已經(jīng)出現(xiàn)了諸如智慧城市、智慧園區(qū)等智能管理模式，智能化將是人類(lèi)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。筆者相信在不久的將來(lái)也會(huì)出現(xiàn)第一座“智慧橋梁”，而橋梁全壽命設(shè)計(jì)理念會(huì)成為她的靈魂。