淺析橋梁全壽命設(shè)計(jì)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(shù)的大跨度的懸索橋、斜拉橋、預(yù)應(yīng)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(yán)峻。橋梁耐久性不足給后期的維護(hù)和管理造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān),而運(yùn)營期管理養(yǎng)護(hù)水平的好壞也直接關(guān)系到公路交通安全和耐久,在役橋梁存在著很嚴(yán)重的管理維護(hù)不當(dāng)或維護(hù)力度不夠的問題,有些橋梁的技術(shù)缺陷主要是由于養(yǎng)護(hù)維修不恰當(dāng)或養(yǎng)護(hù)維修跟不上而引起的橋梁退化。
2.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念概述
橋梁系統(tǒng)的相關(guān)問題主要與橋梁的設(shè)計(jì)、修建和運(yùn)營期的管理養(yǎng)護(hù)有關(guān)系。建設(shè)期的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量和管理水平關(guān)系到橋梁竣工時(shí)的質(zhì)量,延及至運(yùn)營期的橋梁使用性能,是先天的因素,必須重視并給予改進(jìn)。
依照傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)理念,國內(nèi)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,有這樣的傾向:
(1)設(shè)計(jì)中重視建設(shè)期的安全和強(qiáng)度,忽視結(jié)構(gòu)的耐久性、可養(yǎng)護(hù)性和可換性。目前的橋梁設(shè)計(jì)中,對(duì)于耐久性更多的只是作為一種概念受到關(guān)注,既沒有明確提出使用年限的要求,也沒有進(jìn)行專門的耐久性設(shè)計(jì)(從材料、結(jié)構(gòu)措施及設(shè)計(jì)程序上上保證耐久性,并明確聲明在何種維護(hù)和使用條件下,橋梁具有哪種程度的耐久性)。
(2)重視強(qiáng)度極限狀態(tài)而不重視使用極限狀態(tài)。
(3)造價(jià)估算和經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估僅考慮建設(shè)期的成本,而未能考慮建設(shè)工期、運(yùn)營階段管理、養(yǎng)護(hù)維修、構(gòu)件更換等方面的長期綜合成本費(fèi)用,以及由此帶來的間接費(fèi)用和其它費(fèi)用等,因此這種評(píng)估是比較片面的。
(4)建、養(yǎng)分離,不重視運(yùn)營期橋梁的檢測(cè)、管理、養(yǎng)護(hù)工作。鑒于傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)理念的缺陷,綜合分析國內(nèi)外已有的全壽命設(shè)計(jì)研究成果的基礎(chǔ)上,提出一種適應(yīng)我國橋梁建設(shè)發(fā)展的新的設(shè)計(jì)理念。
3.橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論的內(nèi)涵分析
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論中,設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)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(shè)計(jì)和優(yōu)化,對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和使用壽命的重視不夠。并且,設(shè)計(jì)中沒有涉及設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的管理、養(yǎng)護(hù)、維修、構(gòu)件更新、拆除等建成以后的諸多問題。同時(shí),在投資決策上,也只注重建設(shè)期的投資成本,而不重視橋梁整個(gè)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(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上,提出一套新的、適用的橋梁設(shè)計(jì)理論,即橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論。橋梁全壽命設(shè)計(jì)是從橋梁結(jié)構(gòu)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營、管理和養(yǎng)護(hù)等全壽命周期內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)中尋求恰當(dāng)?shù)姆椒ê痛胧﹣韺?shí)現(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(jì)性、人文、環(huán)境與生態(tài)等)的一種設(shè)計(jì)理念和方法。橋梁全壽命設(shè)計(jì)也可稱為“橋梁壽命周期設(shè)計(jì)”。
3.1 基于橋梁全壽命周期的設(shè)計(jì)理論研究
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念里,設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)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(shè)計(jì)和優(yōu)化。橋梁的壽命周期是一個(gè)橋梁的性能、服務(wù)水平等在不斷惡化的過程,同時(shí)又通過人為的管理、養(yǎng)護(hù)和維護(hù)等手段將其維持或提高到一定程度的過程,不斷反復(fù),最終達(dá)到橋梁壽命的終結(jié)。因此,橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論研究不再局限于短期性能設(shè)計(jì)、建設(shè)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(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,包括壽命周期內(nèi)的性能設(shè)計(jì)和優(yōu)化、壽命周期成本分析和評(píng)價(jià)、壽命周期內(nèi)橋梁性能退化和維持――管理養(yǎng)護(hù)工作等。
3.2 基于性能的設(shè)計(jì)理論研究
橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論是基于業(yè)主、使用者和社會(huì)等的需求而進(jìn)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(wù)性能,分析使性能受到弱化的原因和其發(fā)生的機(jī)理、規(guī)律。其目的主要是為了使結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中除了保證最低的安全性要求外,尚應(yīng)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(gè)方面。
3.3 基于壽命周期成本優(yōu)化的設(shè)計(jì)理論研究
基于壽命周期成本優(yōu)化的設(shè)計(jì)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(biāo)的設(shè)計(jì)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(jì)算存在不同之處。傳統(tǒng)的成本僅考慮橋梁初始建設(shè)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(fèi)用總和,包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)、修復(fù)、拆除處理過程中發(fā)生的相關(guān)成本總和減去橋梁達(dá)到設(shè)計(jì)服務(wù)壽命時(shí)的殘值。
橋梁全壽命設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、優(yōu)化橋梁壽命周期內(nèi)的總體性能?？梢酝ㄟ^優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高安全儲(chǔ)備、減緩?fù)嘶俣?、提高耐久性?運(yùn)營期的維護(hù)同樣也是橋梁使用性能好壞的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中應(yīng)平衡設(shè)計(jì)、維護(hù)、性能、成本之間的關(guān)系,使橋梁在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hù)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(hù)設(shè)計(jì)。降低環(huán)境成本的手段主要是進(jìn)行工程環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)、環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)等。目前,我國已有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范(JTG B03-2006)》主要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià):社會(huì)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(fēng)險(xiǎn)分析等。
(2)回收再利用設(shè)計(jì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)面臨拆除時(shí),是具有一定的殘余價(jià)值的。考慮拆除物的再利用與回收設(shè)計(jì),是將殘余價(jià)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?？紤]結(jié)構(gòu)及部件拆除時(shí)工程材料的再利用與回收設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中必須考慮結(jié)構(gòu)物的部件、組合甚至是技術(shù)體系應(yīng)具備回收的可能性。從回收再利用的真正意義上看,鋼材實(shí)現(xiàn)材料循環(huán)更容易。
4.在具體的橋梁設(shè)計(jì)中如何貫徹橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論
在現(xiàn)階段的研究成果的基礎(chǔ)上,不斷地完善橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論,形成嚴(yán)密的理論體系。若要在具體的橋梁設(shè)計(jì)中貫徹橋梁全壽命設(shè)計(jì)理論,主要從方案設(shè)計(jì)、施工方法與質(zhì)量控制、管理養(yǎng)護(hù)方面入手,逐步形成具有可操作性的條文和措施。
(1)更新設(shè)計(jì)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(fù)性和可更換性的設(shè)計(jì);利用壽命周期成本評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)方案的經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)文件時(shí)最好提交橋梁管理養(yǎng)護(hù)計(jì)劃或建議。運(yùn)營中應(yīng)按規(guī)定或計(jì)劃實(shí)施。
