关于桥梁全寿命设计要点的探讨

关于桥梁全寿命设计要点的探讨

陈华林

中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075

摘要：近年来，国内外大量的桥梁，出现了适用性差、耐久性低、通行能力已不能满足现行通车要求等问题。这些问题的出现与以往传统的设计理念有关，传统的桥梁设计理念没有从桥梁的全寿命周期出发。而全寿命思想属于近年来针对桥梁存在的问题而提出的一种新理念，并在实际使用过程中取得了不错的效果。本文介绍了桥梁全寿命设计的概念，并探讨了桥梁全寿命设计要点。

关键词：桥梁；全寿命；结构

一、桥梁全寿命设计的概念

桥梁全寿命设计指的是在桥梁设计时应该从桥梁所涉及到的所有阶段和因素加以考虑。这些总的阶段包括涵盖了桥梁设计、施工、运营、管养、使用管理、拆除、回收等各个方面。它是实现桥梁全寿命周期过程中，桥梁的总体性能，包括成本、功能、环境、人文等都能够实现最优化的设计理念和设计方法。这种设计理念是符合现在环境保护和可持续发展的要求的，在实际应用中具有很大的可行性、实用性，不仅对我们现在的生存环境有很大的益处，而且必将对子孙后代也有持续不断的有力的影响。

采用桥梁的全寿命分析方法时，不仅考虑桥梁施工和正常使用时的可靠性，还考虑设计可靠度是否物尽其用。我国及大多国家现行桥梁设计方法是概率极限状态设计方法。概率极限状态设计方法是一种基于结构可靠度的设计方法。这种以可靠度为原则的设计方法，考虑的是结构在设计、施工、荷载都理想的情况下结构能够“可靠”服役的概率要大于结构可靠度。不难看出，这种设计方法考虑的仅仅是为了达到预期的可靠程度进行的设计，并没有对投人的成本，取得的效益的关系进行分析。也就是说，假设用这种设计方法按照8级地震的条件设计的桥梁可靠度为95%，完全可以承受7级地震，然而，此桥梁建成后仅经历了5级地震，按照8级地震设计可靠度达到60%即可承受，那么这35%的可靠度成本就没有达到预期的成本效益目标。因此，有没有必要做到的95%可靠度，就需要进行成本效益分析。

二、桥梁全寿命设计要点

（一）总方向的设计

在桥梁设计时，桥梁设计工程师首先应根据使用者的需求及建造桥梁的目的，进行总体概念上的设计构思，全面把握各因素间的相互联系，制定出桥梁建设的条件、设计遵守的准则、使用寿命的计量、资金量的需求、投资产生经济效益等具体的原则。在涉及的过程中，全寿命桥梁设计的重点内容不但应把握全寿命设计不同于普通设计的特点，还应全面掌握全寿命设计过程中的规律，构建出桥梁设计的宏伟蓝图和详细的设计原则。总方向的设计是桥梁设计工作中的首项任务，起着至关重要的决策作用。

（二）桥梁养护设计

以全寿命设计理论为基础的桥梁养护设计，在桥梁工程师设计过程中除了要分析桥梁的建设期，更要考虑桥梁的使用及养护期，通过桥梁设计把传统的重建设轻养护的习惯，转成建设与养护并重，要担负起全寿命期的责任。所以为保证桥梁有长久的使用寿命，桥梁工程师在进行桥梁设计时，首先要全面考虑结构设施的性能、有效的资源利用、应急处理灾难后果、养护成本、安全性运营、保证环境质量等。通过分析构件的各种类型、各种方案的不同效果，实现对桥梁养护时机、养护措施、养护策略的设计，同时提出合理养护维修要求，而不是待桥梁竣工通车后，再凭借经验采取哪坏修哪的事后处理途径。

（三）桥梁生命周期成本设计

桥梁生命周期成本设计是经济分析方法的一种，在假定不同桥梁设计方案得到相同利润的情况下，可以用来选择成本最优的方案。生命周期成本分析是对设计方案及其它设计过程评估和优化以满足桥梁经济目标的重要依据。当某座桥梁已经确定要进行建设，桥梁的功能往往已经明确，此时不同设计方案的效益可以认为是相同的；此外，由于桥梁工程产生的利润（或效益）包括经济效益，社会效益等有形和无形的组成部分，非常难以计算清楚。因此，生命周期成本分析方法是进行桥梁不同设计方案比较和选择的有效工具。生命周期成本分析为用户提供了一种从长远来看更为实际的估算桥梁结构各项费用的方法，使得可以进行关于规划、初步设计、施工的费用和将来发生的养护费用等的实际健全的资金管理，针对桥梁结构（己建和新建）的未来养护难题，使设计人员考虑现在做法的长远影响，目的是为了取得最好的经济效益。如果发生延期和事故的话，还要考虑地区的长远投入。其基本思想是，在设计施工阶段．不论是事先采取防护措施还是以后“坏了再修”，都要做出经济预算和比较，承建者要对工程的“全寿命”负责到底，这样可避免”短期行为”给后人带来的麻烦与巨大的经济损失。

（四）桥梁结构设计

1、根据桥梁建设地的实际情况进行桥梁结构设计

符合使用要求和施工条件的桥梁结构设计方案，能够有效的提高桥梁寿命。因此，在进行桥梁结构的设计时，要根据施工建设场地的实际情况，结合工程的使用要求，设计选择出经济合理的结构方案。通常设计方案的选择首选的是造价经济、施工简便、预制配件标准化的标准跨径的预制拼装结构，条件受限时可选择现浇结构和大跨径常规结构。不宜因为过分追求景观、地标建筑、管理人员意愿而采用特殊结构，不仅增加了工程投资，而且由于施工环境或者是施工技术的限制，桥梁施工质量不能达到设计要求，造成桥梁建成之后存在安全隐患。

2、上部构造设计

上部构造型式应与桥梁具体情况相结合，并综合考虑其受力特点和经济性。在预应力混凝土连续桥中，引起弯扭作用的力包括温度变化、混凝土收缩与徐变、预应力、梁体自重及活载。平弯预应力在梁中产生水平径向力，径向力在竖直截面上的偏心对梁体产生扭转。曲线桥除自重、预应力产生的扭矩外，汽车荷载的偏心布置及其行驶时的离心力在曲线梁上也产生向外偏转的扭矩。因此，抗扭能力强的整体式闭合箱成为曲线桥的首选型式。对于大跨径桥梁，采用悬臂浇注箱梁无疑是一种优选桥型。但是，对于中等跨径桥，箱梁桥不论采取何种施工方式，费用都较高，与预制拼装多梁式T梁相比，处于弱势。

预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点。其造价低于整体式箱梁，是中等跨径直梁桥的常用桥型。但对于曲线桥来讲，T梁为开口式断面，抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差。曲梁的弯扭作用对下部产生的不平衡力大。当曲线桥的弯曲程度较小时，曲线T梁桥采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线性，可减少曲梁的弯扭作用．在一定程度上弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。虽然直梁设置的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在，但却较曲梁小。此外可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性能。

3、重视下部结构设计

下部构造设计主要指桥梁墩台的设计。对于常见高度的桥墩。即墩高小于40m的桥墩多采用柱式墩或Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圆柱和方柱。圆柱施工时外观质量易控制，且与桩基衔接方便，平原地区使用较多。但从美观角度来说，方柱棱角分明，与上构梁体协调，有一定的视线诱导性，较美观。从受力上看，截面积相等的圆柱和方柱。方柱的抗弯刚度耍大于圆柱，受力优于圆柱，当体系为连续刚构时，方柱可以方便的调节两个方向的尺度来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。从施工角度说，圆柱施工更简单，方柱与桩基衔接一般需增设桩帽，增加了工程量，而且对于山区地形横坡较陡，增设桩帽会增加挖方工程量，易引起边坡失稳。山区高速公路桥台一般采用重力式型台、肋式台、柱式台。台控制的填土范围一般为4—10m，所以U台高度最好控制在10m之内。山区桥梁台一个显著特征就是横向、纵向横坡陡，为了适应地形，减少开挖，节约土方量，台设计时必须合理分台阶。桩柱式桥台由于抗推刚度小，当联长较长，台后填土较高时不宜使用，一般台后填土商度宜控制在5m以下，联长宜控制在150m以内。埋置式肋式台适用范围广一些，但也不宜太高，不宜超过12m。山区高速公路纵向地形陡峭，往往不能设置锥坡，这时采用柱式台或肋式台就会受到较大限制。当地质条件较差时，往往会出现U台下设置桩基的情况。

参考文献：

[1]徐国平，刘明虎，耿爽.桥梁工程全寿命设计方法[J].桥梁建筑设计，2011，（04）：224-226.

[2]赵鸥鹏，虞建成.桥梁全寿命设计方法的现状及前景[J].山东交通学院学报，2012，04（11）：17-19.