浅析桥梁全寿命设计理论
2013-07-02
1.在役桥梁存在的耐久性问题
近20余年,我国修建的许多代表现代技术的大跨度的悬索桥、斜拉桥、预应力混凝土连续梁桥、刚架桥,至今也相继出现了许多退化、腐蚀、甚至断索的问题。并且,不论在我国还是在世界范围内,桥梁耐久性问题都十分严峻。桥梁耐久性不足给后期的维护和管理造成了严重的负担,而运营期管理养护水平的好坏也直接关系到公路交通安全和耐久,在役桥梁存在着很严重的管理维护不当或维护力度不够的问题,有些桥梁的技术缺陷主要是由于养护维修不恰当或养护维修跟不上而引起的桥梁退化。
2.传统设计理念概述
桥梁系统的相关问题主要与桥梁的设计、修建和运营期的管理养护有关系。建设期的设计、施工质量和管理水平关系到桥梁竣工时的质量,延及至运营期的桥梁使用性能,是先天的因素,必须重视并给予改进。
依照传统的桥梁设计理念,国内的桥梁结构设计过程中,有这样的倾向:
(1)设计中重视建设期的安全和强度,忽视结构的耐久性、可养护性和可换性。目前的桥梁设计中,对于耐久性更多的只是作为一种概念受到关注,既没有明确提出使用年限的要求,也没有进行专门的耐久性设计(从材料、结构措施及设计程序上上保证耐久性,并明确声明在何种维护和使用条件下,桥梁具有哪种程度的耐久性)。
(2)重视强度极限状态而不重视使用极限状态。
(3)造价估算和经济性的评估仅考虑建设期的成本,而未能考虑建设工期、运营阶段管理、养护维修、构件更换等方面的长期综合成本费用,以及由此带来的间接费用和其它费用等,因此这种评估是比较片面的。
(4)建、养分离,不重视运营期桥梁的检测、管理、养护工作。鉴于传统的桥梁设计理念的缺陷,综合分析国内外已有的全寿命设计研究成果的基础上,提出一种适应我国桥梁建设发展的新的设计理念。
3.桥梁全寿命设计理论的内涵分析
在传统设计理论中,设计工作的重点主要集中于施工阶段的施工成本和结构短期性能的设计和优化,对结构耐久性设计和使用寿命的重视不够。并且,设计中没有涉及设计使用寿命内的管理、养护、维修、构件更新、拆除等建成以后的诸多问题。同时,在投资决策上,也只注重建设期的投资成本,而不重视桥梁整个寿命周期内的总成本。因此,在可持续发展的背景下,我们必须在传统的设计理念的基础上,提出一套新的、适用的桥梁设计理论,即桥梁全寿命设计理论。桥梁全寿命设计是从桥梁结构规划、设计、建设、运营、管理和养护等全寿命周期内的各个环节中寻求恰当的方法和措施来实现桥梁在寿命周期内总体性能的最优(使用性能、经济性、人文、环境与生态等)的一种设计理念和方法。桥梁全寿命设计也可称为“桥梁寿命周期设计”。
3.1 基于桥梁全寿命周期的设计理论研究
在传统的设计理念里,设计工作的重点主要集中于施工阶段的施工成本和结构短期性能的设计和优化。桥梁的寿命周期是一个桥梁的性能、服务水平等在不断恶化的过程,同时又通过人为的管理、养护和维护等手段将其维持或提高到一定程度的过程,不断反复,最终达到桥梁寿命的终结。因此,桥梁全寿命设计理论研究不再局限于短期性能设计、建设期的成本等,而是考虑桥梁全寿命周期内所可能发生的一切及其变化进行设计和优化,包括寿命周期内的性能设计和优化、寿命周期成本分析和评价、寿命周期内桥梁性能退化和维持――管理养护工作等。
3.2 基于性能的设计理论研究
桥梁全寿命设计理论是基于业主、使用者和社会等的需求而进行的,并将这些需求转化为桥梁寿命周期的功能需求,再将寿命周期内的这些功能需求转化为桥梁系统的性能要求。主要研究结构在使用过程中表现出来的服务性能,分析使性能受到弱化的原因和其发生的机理、规律。其目的主要是为了使结构在运营过程中除了保证最低的安全性要求外,尚应有良好的使用性能(包括寿命和耐久性、抗腐蚀、耐疲劳性、美观等),耐久性问题只是其考虑的一个方面。
3.3 基于寿命周期成本优化的设计理论研究
基于寿命周期成本优化的设计理论,是在满足桥梁性能需求的前提下,以寿命周期成本总值最小为目标的设计理念。桥梁全寿命周期成本与桥梁传统成本分析法的成本计算存在不同之处。传统的成本仅考虑桥梁初始建设成本;而全寿命成本则是桥梁在其寿命周期内的确定性的和不确定性的全部费用总和,包括规划、设计、施工建设、运营、养护、修复、拆除处理过程中发生的相关成本总和减去桥梁达到设计服务寿命时的残值。
桥梁全寿命设计理论不是简单的追求桥梁寿命周期成本最小,是通过优化成本的分配来优化设计、优化桥梁寿命周期内的总体性能。可以通过优化设计来提高安全储备、减缓退化速度、提高耐久性能,运营期的维护同样也是桥梁使用性能好坏的关键。设计中应平衡设计、维护、性能、成本之间的关系,使桥梁在设计使用年限内能够满足各方面的需要。
3.4 基于可持续发展的设计理论研究
桥梁在寿命周期内自然资源和能源的消耗最小化;减少桥梁寿命周期内的污染排放;保护生态(自然)环境;建筑的质量、功能、性能与环保性统一。
(1)环境保护设计。降低环境成本的手段主要是进行工程环境影响分析与评价、环境保护设计等。目前,我国已有的行业标准《公路建设项目环境影响评价规范(JTG B03-2006)》主要对以下几个方面进行评价:社会环境,生态环境,水土保持,声环境,景观,水环境,空气环境,事故污染风险分析等。
(2)回收再利用设计。当结构面临拆除时,是具有一定的残余价值的。考虑拆除物的再利用与回收设计,是将残余价值发挥出来,也是具有非常大的环保意义的,既环保又节省能源。考虑结构及部件拆除时工程材料的再利用与回收设计。在设计中必须考虑结构物的部件、组合甚至是技术体系应具备回收的可能性。从回收再利用的真正意义上看,钢材实现材料循环更容易。
4.在具体的桥梁设计中如何贯彻桥梁全寿命设计理论
在现阶段的研究成果的基础上,不断地完善桥梁全寿命设计理论,形成严密的理论体系。若要在具体的桥梁设计中贯彻桥梁全寿命设计理论,主要从方案设计、施工方法与质量控制、管理养护方面入手,逐步形成具有可操作性的条文和措施。
(1)更新设计理念,重视桥梁的使用寿命和使用性能以及性能之间的权衡,现阶段主要是耐久性和部件的可检性、可修复性和可更换性的设计;利用寿命周期成本评价法评价方案的经济性。
(2)提出施工工艺和施工质量控制的具体措施与要求。
(3)提交设计文件时最好提交桥梁管理养护计划或建议。运营中应按规定或计划实施。
