淺析橋梁全壽命設計理論
2013-07-02
1.在役橋梁存在的耐久性問題
近20余年,我國修建的許多代表現(xiàn)代技術的大跨度的懸索橋、斜拉橋、預應力混凝土連續(xù)梁橋、剛架橋,至今也相繼出現(xiàn)了許多退化、腐蝕、甚至斷索的問題。并且,不論在我國還是在世界范圍內,橋梁耐久性問題都十分嚴峻。橋梁耐久性不足給后期的維護和管理造成了嚴重的負擔,而運營期管理養(yǎng)護水平的好壞也直接關系到公路交通安全和耐久,在役橋梁存在著很嚴重的管理維護不當或維護力度不夠的問題,有些橋梁的技術缺陷主要是由于養(yǎng)護維修不恰當或養(yǎng)護維修跟不上而引起的橋梁退化。
2.傳統(tǒng)設計理念概述
橋梁系統(tǒng)的相關問題主要與橋梁的設計、修建和運營期的管理養(yǎng)護有關系。建設期的設計、施工質量和管理水平關系到橋梁竣工時的質量,延及至運營期的橋梁使用性能,是先天的因素,必須重視并給予改進。
依照傳統(tǒng)的橋梁設計理念,國內的橋梁結構設計過程中,有這樣的傾向:
(1)設計中重視建設期的安全和強度,忽視結構的耐久性、可養(yǎng)護性和可換性。目前的橋梁設計中,對于耐久性更多的只是作為一種概念受到關注,既沒有明確提出使用年限的要求,也沒有進行專門的耐久性設計(從材料、結構措施及設計程序上上保證耐久性,并明確聲明在何種維護和使用條件下,橋梁具有哪種程度的耐久性)。
(2)重視強度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)。
(3)造價估算和經濟性的評估僅考慮建設期的成本,而未能考慮建設工期、運營階段管理、養(yǎng)護維修、構件更換等方面的長期綜合成本費用,以及由此帶來的間接費用和其它費用等,因此這種評估是比較片面的。
(4)建、養(yǎng)分離,不重視運營期橋梁的檢測、管理、養(yǎng)護工作。鑒于傳統(tǒng)的橋梁設計理念的缺陷,綜合分析國內外已有的全壽命設計研究成果的基礎上,提出一種適應我國橋梁建設發(fā)展的新的設計理念。
3.橋梁全壽命設計理論的內涵分析
在傳統(tǒng)設計理論中,設計工作的重點主要集中于施工階段的施工成本和結構短期性能的設計和優(yōu)化,對結構耐久性設計和使用壽命的重視不夠。并且,設計中沒有涉及設計使用壽命內的管理、養(yǎng)護、維修、構件更新、拆除等建成以后的諸多問題。同時,在投資決策上,也只注重建設期的投資成本,而不重視橋梁整個壽命周期內的總成本。因此,在可持續(xù)發(fā)展的背景下,我們必須在傳統(tǒng)的設計理念的基礎上,提出一套新的、適用的橋梁設計理論,即橋梁全壽命設計理論。橋梁全壽命設計是從橋梁結構規(guī)劃、設計、建設、運營、管理和養(yǎng)護等全壽命周期內的各個環(huán)節(jié)中尋求恰當?shù)姆椒ê痛胧﹣韺崿F(xiàn)橋梁在壽命周期內總體性能的最優(yōu)(使用性能、經濟性、人文、環(huán)境與生態(tài)等)的一種設計理念和方法。橋梁全壽命設計也可稱為“橋梁壽命周期設計”。
3.1 基于橋梁全壽命周期的設計理論研究
在傳統(tǒng)的設計理念里,設計工作的重點主要集中于施工階段的施工成本和結構短期性能的設計和優(yōu)化。橋梁的壽命周期是一個橋梁的性能、服務水平等在不斷惡化的過程,同時又通過人為的管理、養(yǎng)護和維護等手段將其維持或提高到一定程度的過程,不斷反復,最終達到橋梁壽命的終結。因此,橋梁全壽命設計理論研究不再局限于短期性能設計、建設期的成本等,而是考慮橋梁全壽命周期內所可能發(fā)生的一切及其變化進行設計和優(yōu)化,包括壽命周期內的性能設計和優(yōu)化、壽命周期成本分析和評價、壽命周期內橋梁性能退化和維持――管理養(yǎng)護工作等。
3.2 基于性能的設計理論研究
橋梁全壽命設計理論是基于業(yè)主、使用者和社會等的需求而進行的,并將這些需求轉化為橋梁壽命周期的功能需求,再將壽命周期內的這些功能需求轉化為橋梁系統(tǒng)的性能要求。主要研究結構在使用過程中表現(xiàn)出來的服務性能,分析使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機理、規(guī)律。其目的主要是為了使結構在運營過程中除了保證最低的安全性要求外,尚應有良好的使用性能(包括壽命和耐久性、抗腐蝕、耐疲勞性、美觀等),耐久性問題只是其考慮的一個方面。
3.3 基于壽命周期成本優(yōu)化的設計理論研究
基于壽命周期成本優(yōu)化的設計理論,是在滿足橋梁性能需求的前提下,以壽命周期成本總值最小為目標的設計理念。橋梁全壽命周期成本與橋梁傳統(tǒng)成本分析法的成本計算存在不同之處。傳統(tǒng)的成本僅考慮橋梁初始建設成本;而全壽命成本則是橋梁在其壽命周期內的確定性的和不確定性的全部費用總和,包括規(guī)劃、設計、施工建設、運營、養(yǎng)護、修復、拆除處理過程中發(fā)生的相關成本總和減去橋梁達到設計服務壽命時的殘值。
橋梁全壽命設計理論不是簡單的追求橋梁壽命周期成本最小,是通過優(yōu)化成本的分配來優(yōu)化設計、優(yōu)化橋梁壽命周期內的總體性能?？梢酝ㄟ^優(yōu)化設計來提高安全儲備、減緩退化速度、提高耐久性能,運營期的維護同樣也是橋梁使用性能好壞的關鍵。設計中應平衡設計、維護、性能、成本之間的關系,使橋梁在設計使用年限內能夠滿足各方面的需要。
3.4 基于可持續(xù)發(fā)展的設計理論研究
橋梁在壽命周期內自然資源和能源的消耗最小化;減少橋梁壽命周期內的污染排放;保護生態(tài)(自然)環(huán)境;建筑的質量、功能、性能與環(huán)保性統(tǒng)一。
(1)環(huán)境保護設計。降低環(huán)境成本的手段主要是進行工程環(huán)境影響分析與評價、環(huán)境保護設計等。目前,我國已有的行業(yè)標準《公路建設項目環(huán)境影響評價規(guī)范(JTG B03-2006)》主要對以下幾個方面進行評價:社會環(huán)境,生態(tài)環(huán)境,水土保持,聲環(huán)境,景觀,水環(huán)境,空氣環(huán)境,事故污染風險分析等。
(2)回收再利用設計。當結構面臨拆除時,是具有一定的殘余價值的。考慮拆除物的再利用與回收設計,是將殘余價值發(fā)揮出來,也是具有非常大的環(huán)保意義的,既環(huán)保又節(jié)省能源。考慮結構及部件拆除時工程材料的再利用與回收設計。在設計中必須考慮結構物的部件、組合甚至是技術體系應具備回收的可能性。從回收再利用的真正意義上看,鋼材實現(xiàn)材料循環(huán)更容易。
4.在具體的橋梁設計中如何貫徹橋梁全壽命設計理論
在現(xiàn)階段的研究成果的基礎上,不斷地完善橋梁全壽命設計理論,形成嚴密的理論體系。若要在具體的橋梁設計中貫徹橋梁全壽命設計理論,主要從方案設計、施工方法與質量控制、管理養(yǎng)護方面入手,逐步形成具有可操作性的條文和措施。
(1)更新設計理念,重視橋梁的使用壽命和使用性能以及性能之間的權衡,現(xiàn)階段主要是耐久性和部件的可檢性、可修復性和可更換性的設計;利用壽命周期成本評價法評價方案的經濟性。
(2)提出施工工藝和施工質量控制的具體措施與要求。
(3)提交設計文件時最好提交橋梁管理養(yǎng)護計劃或建議。運營中應按規(guī)定或計劃實施。
