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(nèi),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(zhì)量和管理水平關系到橋梁竣工時的質(zhì)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(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(gòu)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)短期性能的設計和優(yōu)化,對結(jié)構(gòu)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(nèi)的管理、養(yǎng)護、維修、構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)規(guī)劃、設計、建設、運營、管理和養(yǎng)護等全壽命周期內(nèi)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(nèi)總體性能的最優(yōu)(使用性能、經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)。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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)化為橋梁壽命周期的功能需求,再將壽命周期內(nèi)的這些功能需求轉(zhuǎn)化為橋梁系統(tǒng)的性能要求。主要研究結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)的總體性能。可以通過優(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(nèi)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(nèi)自然資源和能源的消耗最小化;減少橋梁壽命周期內(nèi)的污染排放;保護生態(tài)(自然)環(huán)境;建筑的質(zhì)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(jié)構(gòu)面臨拆除時,是具有一定的殘余價值的?？紤]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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(quán)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(jīng)濟性。
(2)提出施工工藝和施工質(zhì)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。
