桥梁使用寿命预测研究

桥梁使用寿命预测研究
岑代鲜
【摘要】目前,桥梁设计中对建设期安全、结构强度、初期投入和业主成本较重视,却忽视桥梁结构的使用寿命和全寿命成本及社会成本,存在较大的缺陷和局限性,不符合以人为本的桥梁建设可持续发展要求.造成的直接后果是使用性能差、服务寿命短、全寿命经济性指标差、桥梁维护成本高和社会负面影响大.介绍桥梁使用寿命和寿命周期确定的基本概念和使用寿命预测的研究情况及目前常用的2种使用寿命分布模型,为基于寿命周期成本的桥梁全寿命设计、维护、投资方案决策和桥梁寿命预测提供必要的基础.
【期刊名称】《公路交通技术》
【年(卷),期】2010(000)004
【总页数】5页(P80-84)
【关键词】桥梁结构;使用寿命;全寿命成本;分布模型;综述
【作者】岑代鲜
【作者单位】重庆市秀山公路桥梁工程公司,重庆,409900
【正文语种】中文
【中图分类】U44
我国正处于桥梁等基础设施建设的高峰时期，在近20、30年内已建成了大量的桥梁。

从调查分析桥梁设计、使用和病害产生的情况发现，在设计中普遍比较重视桥
梁建设期内的安全和结构强度，却容易忽视结构的使用寿命。

少数桥梁使用性能差、耐久性低、服务寿命短、全寿命经济性指标差（与人们最初的设计和规划预期有很大差异），严重影响了其正常服务功能的发挥，给养护、维修等后期运营管理工作带来难以承受的巨大经济和社会负担，也使桥梁的建设管理面临着极大的系统风险。

为实现可持续发展，延长桥梁的使用寿命，促进桥梁维护和管理水平的提高，合理配置资源与资金，降低桥梁全寿命周期的总成本，需对桥梁结构的使用寿命进行研究。

1 使用寿命与寿命周期确定
桥梁生命周期成本分析中最基本的问题是确定其使用寿命有多长。

实际中，桥梁使用寿命的终结是因为桥梁不安全、不适用或即使进行维修也不能提供预期的使用。

不安全和不适用是专家根据现行规范和标准以及得到的有用信息所确定的使用状况。

原则上，使用寿命是指桥梁从竣工到出现不安全、不适应状况的预期时间周期。

桥梁及其构件的使用寿命是不确定的。

因为管理部门在使用过程中会进行维修、加固或更换某构件以使桥梁恢复到一个较高的水平而延长使用寿命。

桥梁管理者面临的挑战是在桥梁的生命周期内确定各种措施保证桥梁的安全和适用性，以实现50～100年的使用寿命。

英国的SomerVille[1]从使用寿命终结的角度出发，将使用寿命分成以下3类。

1）技术性使用寿命：是结构使用到某种技术指标（如结构整体性、承载力等）进入不合格状态时的期限，这种状态可因混凝土剥落、钢筋锈蚀引起。

2）功能性使用寿命：与使用功能有关，是结构使用到不再满足功能实用要求的期限。

如桥梁的行车能力已不能适应新的需要、结构的使用效果发生改变等。

3）经济性使用寿命：是结构物使用到继续维修保留已不如拆换更为经济时的期限。

目前人们所说的使用寿命基本上是指结构的技术性使用寿命。

在各国现行的结构设计和施工规范中，专门针对使用寿命的内容很少，设计和施工所强调的多是如何保
证荷载作用下的强度。

许多国家的规范都没有明确的设计使用寿命规定，包括美国ACI（American Concrete Institute）规范在内。

但是美国ACI制定了不少有关耐久性和使用寿命方面的指南、建议等标准，可供设计人员参考应用。

美国的AASHTO（American Association of State Highway and Transportation Officials）规范虽然从1991年起规定了公路桥梁的设计寿命为75年，但主要是从钢筋的疲劳角度来考虑桥梁的通车次数。

相对来说，欧洲各国设计规范对设计寿命的要求比较明确，对多数建筑结构的要求为50年，桥梁等基础设施为100年。

尽管如此，设计规范所要求的计算校核仍然局限于强度设计，而没有使用寿命的计算和校核。

设计规范中对寿命的要求（除疲劳外）只是隐形地体现在对材料的要求和限制，以及对混凝土保护层厚度和其他一些构造要求上。

这些要求有些与不同的环境条件挂钩，有些则不作明确解释，而且一般都没有和使用寿命的长短相联系。

现行施工规范很少关注耐久性，而混凝土养护不良，钢筋位置变动的允许偏差，表层混凝土的泌水、渗水和振捣、压光不良，施工阶段的不适当抢工（如采用早强材料、提前结束养护过程、过早拆模或拆除支架）造成开裂等，均会对耐久性和使用寿命造成极其严重的伤害。

因此，从使用寿命的角度看，应要求设计者能提出使用过程中的维修管理等内容，因为结构的寿命应与正常维修有关[2]。

2 使用寿命预测
混凝土桥梁使用寿命因与材料性能、细部构造、暴露状态、劣化机理、维修质量等许多因素及其相互作用有关而较难量化。

混凝土结构性能退化往往是多种因素的综合作用结果，至少是一种侵蚀过程和荷载的共同作用。

由于综合作用的影响及机理相当复杂且不明确，所以对混凝土结构使用寿命的预测还只能考虑其中的一个主要蜕化因素。

结构构件的寿命预测是分析结构终结寿命的前提。

国内外对结构构件寿命的预测方法做了很多研究，但观点各异。

近年来，人们采用经验法、类比法、概率分析法、
快速试验法、网络法、动态分析法来预测结构构件寿命，并取得了一定成果；但对结构寿命的预测才刚刚起步，国内外在这方面的研究主要集中在考虑抗力衰减的结构可靠度分析上。

早在20世纪80年代初，Tuutti[3]就提出了基于钢筋锈蚀的结构构件使用寿命两
阶段预测模型。

Henriksen[4]等学者在此基础上考虑到保护层开裂前后锈蚀速率
的不同，细化了使用寿命的计算方法。

合理确定耐久性的极限状态是预测结构寿命终点的关键，而国内外学者对耐久性极限状态定义有不同的看法，并采用不同的构件寿命预测方法。

Morinaga[5]以氯离子引起钢筋锈蚀以至混凝土出现裂缝为失效准则，由试验建立纵向开裂时的钢筋锈蚀量与钢筋锈蚀速度关系来预测构件寿命。

Browne[6]以Fick扩散定律为基础，
建立混凝土中Cl-1浓度与扩散时间、扩散深度之间关系的数学模型预测构件寿命。

Funahashi[7]针对预应力构件的寿命问题，提出以钢筋开始锈蚀作为寿命终结的
标志，通过有限差分法计算构件使用寿命。

Weyers[8]通过对90名资深工程师的
调查，提出以构件损伤面积达12%为耐久性极限状态，建立了桥梁构件寿命预测
模型。

刘西拉[9]以纵向开裂（截面损失率达5%）作为寿命终点，采用数论模拟方法结合方差缩减技术进行寿命预测。

西南交通大学屈文俊[10]假设氯离子侵蚀的坑蚀数符合泊松过程和凹坑深度服从截尾指数分布，按随机变量极小值的统计分布理论，建立了氯离子侵蚀下的混凝土构件寿命模型。

王娴明等[11]提出结构构件剩余寿命取结构目前状态到可靠指标值下降到某一水平时所需时间Tβ或从结构目前状态到耐久性失效所需时间TD中取小值，其中TD为混凝土目前碳化深度到达钢筋表面时间Tc1与钢筋开始锈蚀到出现钢筋裂缝时间的和。

近几年，国外不少学者提出了通过试验来预测构件使用寿命的方法。

RILEM
TC71-PSL（Master[12]提出）建筑材料与构件寿命预测条例中给出了通过加速试验和老化试验的分析比较来预测构件使用寿命的系统方法。

Ahmad等学者[13]基
于损伤累积理论，从现场钻取含锈蚀钢筋的芯样，通过简单的劈裂试验和快速锈蚀试验预测结构构件使用寿命。

此外，前苏联有关标准以混凝土完全碳化深度到达钢筋表面的时间作为耐久性极限[14]。

有的研究者提出以保护层出现0.15～0.25 mm裂缝宽度或钢筋截面损失率1%作为耐久性极限状态标志，也有研究者建议以纵向裂缝宽度达到0.3 mm作为使用寿命的终止[15]，还有人提出以钢筋锈蚀深度达到0.64倍钢筋肋高作为判断粘结破坏的标准[16]。

日本建筑学会以因钢筋锈蚀引起截面减小，使钢筋应力达到屈服应力的时间作为耐久性极限[17]。

混凝土中钢筋锈蚀是一个渐进过程。

考虑钢筋锈蚀对结构构件抗力的影响，其可靠度是一动态值，国内外研究者考虑使用过程中的耐久性损伤对构件承载力的影响，对服役结构构件抗力的动态可靠度进行了探讨。

Chan[18]考虑钢筋锈蚀引起的抗力退化，将结构抗力看作Gaussian随机变量，将荷载看作Gaussian随机过程，给出了结构体系的可靠度时变模型。

Val、Enright[19]研究了锈后钢筋混凝土的时变可靠度。

Morinaga[5]用泊松过程考虑维修或灾害的突变，建立了考虑钢筋锈蚀影响的简单结构体系的失效概率模型。

钢筋混凝土桥梁的使用寿命过短通常是由于设计和施工的失误引起的。

桥梁在设计建造时，往往过度强调工程的造价而忽略了后期的维修、加固费用，而钢筋混凝土桥梁的设计寿命隐含着使用过程中的维修、加固，因此，钢筋混凝土桥梁因钢筋锈蚀导致结构性能下降已引起广泛关注。

目前该方面的研究多集中在结构性能下降的过程（通过加速试验等方法），但尚未得到准确预测钢筋混凝土桥梁结构性能下降的方法，因此考虑桥梁使用性能下降而采取偏安全的设计方法是合理的。

Kiyohiro和Frangopol[20]提出了一个用寿命函数评估现有桥梁在养护或不养护情况下残存的整个体系可靠度的模型。

在该模型中，桥梁被模拟为独立的或相关构件的体系。

把该模型应用到位于美国科罗拉多州丹佛市的现有桥梁上，得到根据使
用寿命的延长和累积养护成本的优化养护策略。

3 设计使用寿命的设计考虑
3.1 设计使用寿命
设计者应根据用户要求及有关法规标准，提出工程设计对象的设计使用寿命，并在设计中采取相应措施满足耐久性要求。

一个结构物的设计寿命是针对其主体结构的寿命而言，并不代表各种部件都能达到这一要求。

即使是结构的主要受力构件，有时也不能都达到所要求的结构寿命，需要在使用过程中加以更换。

如斜拉桥的拉索寿命可能只有30年，而桥梁主体的设计寿命一般需要100年。

我国的设计标准长期以来都没有明确的设计使用寿命（或工作寿命）要求。

现行的建筑结构设计统一标准才提出将建筑结构的设计工作寿命分成4类，即临时性结构（1～5年）、易于替换的结构构件（25年）、普通房屋和构筑物（50年）和纪念性或特殊重要建筑物（100年及以上）。

这与欧洲共同体委员会规范Eurocode的规定相同，但后者还规定桥梁等各种桥梁结构物的设计工作寿命均为100年。

重要的工程都有各自的使用寿命要求，如1997年完工的丹麦跨海交通要道Great Belt Link，长18 km，包括2座海底铁路隧道，1座公路铁路二用桥和1座高等级公路桥，使用寿命100年。

中国的几座已建成的大桥如江苏润扬长江大桥、杭州湾大桥和东海大桥等，设计使用寿命均为100年。

设计寿命年限应具有一定保证率，在统计概念上它并不是预期的平均值。

按照可靠度设计方法，结构破坏或承载力极限状态的失效概率在10-4的量级，正常使用极限状态的失效概率在10-2的量级。

由于规范可靠度设计方法本身的不完善，它给出的失效概率或保证率只具相对比较的意义，本身只是一个脱离实际的虚假值，因为10-4量级的失效概率仍然过高。

尽管如此，因耐久性失效导致结构破坏或不能正常使用的概率，从理论上讲也应与上面所说的相同。

因此用概率可靠度方法来分
析使用寿命的困难在于缺乏有关参数的统计特性。

3.2 结构部件的设计寿命
设计者应对结构或建筑物不同部件的使用寿命进行分类。

在结构物的整个设计寿命期限内，有些部件需要更换，有些需要定期维护，有些则为全寿命。

所以设计者应向业主提出各个部件的寿命明细表，对可维护或可替换的部件提出维护或替换的期限和方法。

不同构件或部件的目标使用寿命是不一样的，工程建成后，认为一切都一劳永逸的想法是不切实际的。

一些临时性工程，尽管设计寿命短，但如完全按现行混凝土结构设计规范的要求设计主体结构，则其使用寿命至少也应在50年以上。

4 常用使用寿命分布模型
目前，比较常用的使用寿命分布模型有对数分布、三角分布、威布尔分布、正态分布等，其中威布尔分布和正态分布应用研究较多。

在文献[21]中，假定在某一特定年的构件使用状况指标符合正态分布，研究开发了一种基于可靠度的桥梁构件退化模型，且应用以前的检测数据，可在真实的世界里更准确地模拟桥梁构件的退化，提供在构件使用寿命期间采取补救措施时的精确预测，从而改进桥梁生命周期成本分析的精确性。

在文献[22]中，荷兰的van Noortwijk提出了一种确定混凝土桥
梁寿命分布的统计分析方法，该方法认为桥梁使用寿命符合威布尔分布。

用威布尔分布表示桥梁寿命中不确定性的优点是有可能合理模拟老化和当现在年龄给定时分析得到剩余寿命的条件概率密度函数。

以下是2种常用的寿命分布模型。

1）对数正态分布（Log-normal Distribution）。

对数正态分布的概率密度函数为：
其中，μlnn和σlnN分别为寿命随机变量N对数的平均值和标准差，与N的平均值和标准差的关系为：
其中，μN和δN分别为N的平均值和变异系数。

对数正态分布的概率分布函数为：
2）威布尔分布（Welbull Distribution）。

威布尔分布是一个特别有用的模拟老化的概率分布。

随机变量X有一个形状参数a ＞0和比例参数b＞0的威布尔分布，X的概率密度函数由下式给出：
其中，当x∈A时，IA（x）＝1；当x∉A时，IA（x）＝0，且A＝（0，∞）。

残存函数定义为：
为了计算现在桥梁的将来更换成本，必须考虑其年龄。

为此，可以现有的寿命或年龄y为条件，确定在给定X＞y时寿命X超过x的条件概率，即：
因此，这种所谓的左截断威布尔分布相应的概率密度函数为：
这种密度表示现在年龄为y的桥梁寿命的不确定性，其中剩余（或超过）寿命为X －y。

左截断威布尔分布的统计性质来自于Wingo的文章。

例如，第k个时刻的剩余寿命可以写成
为了估计桥梁寿命的威布尔分布参数，有2种观测可用：破坏桥梁的全寿命和现有桥梁的先验寿命。

尽管后一种观测不能包括实际寿命，但它们仍是有价值的资料来源，至少可使人们知道现有桥梁的寿命将大于现在的年龄。

采用极大似然估计，全观测和先验观测可以用于估计威布尔分布的参数a和b。

令X＝（x1，x2，…，xr）'表示全寿命的r次随机取样，y＝（y1，y2，…，ym）'表示先验寿命的 m次
随机取样。

使用式（5）和式（6），相应的似然函数可以写成
极大似然估计a^和b^可以由似然函数的对数的数值极值算得。

5 结论
本文介绍了桥梁的使用寿命和寿命周期确定的基本概念和基本原理，总结了桥梁结构使用寿命预测的研究情况和一些研究成果及目前常用的使用寿命分布模型，为基于寿命周期成本的桥梁全寿命设计、维护、投资方案决策以及桥梁结构的寿命预测、桥梁使用寿命的确定提供了必要的基础，最终达到延长桥梁使用寿命、促进桥梁维护和管理水平的提高、合理配置资源与资金的目的。

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