随着我国基础设施的不断完善,桥梁的数量也在不断增加。桥梁作为一种跨越障碍物的重要结构物,其安全性和耐久性对道路的通行能力和行车安全都有直接的影响。随着使用年限的增加,一些桥梁的使用寿命和使用性能与最初设计出现了较大的出入,严重影响桥梁的正常运营,面对如此严峻的工程考验,我们不得不重新审视过去的桥梁设计思路和管理模式,从过去的分阶段设计转向全寿命周期设计。所谓桥梁的全寿命设计理论可以定义为:从桥梁的规划、设计、施工、使用期管理,直到拆除和材料回收再利用的各个环节来寻求恰当的方法和措施,以满足桥梁全寿命周期的总体性能最优的设计理念和方法。

1 桥梁全寿命周期设计研究

所谓的桥梁全寿命设计是指从桥梁规划、设计、建设、运营、管理及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(以设计使用寿命为准)内总体性能的最优(使用性能、经济性、人文、生态等)的一种设计理念和方法。

根据不同阶段的设计任务和目的将全寿命周期设计分为工程可行性研究、初步设计和施工图设计3个相对独立的阶段,其设计内容又可分为使用寿命设计、性能设计、管养设计(检测、养护与维修设计),美学设计、环境生态设计和全寿命周期成本分析6大过程。

2 桥梁安全和耐久性研究

桥梁的安全性是指其在正常使用极限状态和承载能力极限状态下仍然能够保证通行要求的性能。桥梁的安全性能是从外部作用效应和结构抗力角度衡量的。结构的功能函数可用式(1)表示。

γ0S≤R (1)

式中:γ0为安全系数;S为结构效应函数;R为结构抗力函数。

基于桥梁全寿命周期的安全性贯穿于桥梁规划、设计、建设、运营、管理及养护各个阶段,在考虑效应函数时,不仅将传统设计方法中的永久作用、可变作用和偶然作用都计算在内,更应根据不同阶段内桥梁和环境的相互作用通过合理的设计方法将其列入设计效应函数内,这些作用包括温度作用、侵蚀作用等。

桥梁耐久性设计是指结构在使用一定年限后并与环境发生各种物理化学反应后仍然能保持其各项功能的能力。耐久性是从桥梁自身出发考虑结构抗力函数随时间的变化

按照设计顺序将桥梁全寿命周期耐久性设计分为5步,第一步是确定桥梁的目标使用寿命,因为在不同的设计使用年限下,桥梁结构构造及材料等都存在一定差异,这直接影响到全寿命周期的成本,桥梁目标使用寿命确定后进一步确定各构件的使用寿命。耐久性设计的第二步是对桥梁进行环境效应调查分析。第三步根据调查结果确定影响桥梁耐久性的不同环境因素的权重,并根据权重系数建立功能退化模型。第四步制定桥梁耐久性设计方案,第五步制定管理养护方案和建议。

3 结论

桥梁全寿命周期设计是与桥梁工作状态最为相符的设计理念和设计方法,本文以该设计理念为依据对桥梁的安全性和耐久性设计进行了探讨,主要得出了以下结论:

a.桥梁全寿命周期设计包含了桥梁规划、设计、建设、运营、管理及养护等各个阶段, 其主要需求包括成本、使用需求、社会与文化、社会与生态4个方面,与传统设计方法相比,安全性、环境保护、耐久性、经济性、适用性都有显著优势。

b.桥梁的安全性和耐久性是通过计算结构效应和抗力的功能函数来进行定义的,基于对全寿命周期的考量,建立结构抗力的时间效应功能函数,根据桥梁全寿命周期的阶段划分将耐久性设计分为5步,并详细阐述了每一步的工作内容。

c.根据桥梁全寿命周期设计理论对日喀则地区某市政桥梁进行了设计研究,并按照本文阐述的设计步骤完成了设计任务。