桥梁全寿命的设计与发展

桥梁全寿命的设计与发展

摘要：介绍全寿命设计方法及应用,根据全寿命设计理论, 对桥梁设计建设的发展进行的分析, 提出桥梁设计建设所必经的3个阶段。讲述了设计理论对我国桥梁建设的进步有着重大意义。

关健词：桥梁；全寿命设计；

近年来, 国内外大量的桥梁, 出现了2种不同的问题桥梁年限没到就已经存在严重病害, 如适用性差、耐久性低、与城市规划不协调等桥梁已到设计年限, 虽然局部构件损坏、桥面铺装已破损、通行能力已不能满足现行通车要求, 但主体结构完好, 承载能力尚能满足现行标准。前者由于桥梁还在设计适用期内, 会进行加固、修补, 继续使用, 造成桥梁建设成本的增加后者由于桥梁已到设计年限, 加固、修补的费用较高, 通常进行拆除, 由于主体完好, 承载能力尚足, 可以判断在早期建设中投人的成本很高。

2种现状, 虽然有不同的表现, 但从根本出发, 都可以归结为设计初期的考虑不足。前者是对桥梁使用阶段考虑荷载增加时过于保守后者则是过高估计了荷载增加。因此, 本文针对之前的设计进行推敲, 得到了采用桥梁全寿命设计的新方法。

1全寿命设计方法

1.1定义

全寿命设计理念是基于社会基础建设总体效益达到最优为最终目标提出的,最终目的是使桥梁在全寿命期内, 设计建设付出的成本得到最高的经济效益。这里的成本付出, 不仅包括桥梁的最初建设费用,还包括了规划、运营、监测、养护、加固、拆除等。因此, 桥梁的全寿命设计方法定义为综合统筹考虑桥梁寿命周期的5个主要阶段规划、设计、施工、使用、拆除, 通过成本分析, 寻求安全性、耐久性、美观性、有利于生态环境4个方面的经济效益平衡, 最终达到社会效益最好的设计理念（1）。

1.2费用模型

除美国外, 其它国家对于系统的全寿命设计方法研究都不彻底, 费用模型不成熟, 因此使用美国现行的费用模型进行费用分析, 其中各种参量选取均以美国国情作为参考。

费用模型是以经济效益为目标, 以成本比例为因素建立的模型, 定义为在桥梁全寿命周期内发生的与桥梁的建设、维护、适用和管理相关的所有费用总和的计算模型。根据经验假定费用比例是确定的, 维护和维修费用也是确定的。费用

模型为（2）：

式中为现值;为初始费用;t为分析时间域;n为桥梁使用期；为现值因素‘为维护费用;为检测费用;后续修复费用;为用户费用;S为残值.

由于各项费用是在不同时刻发生的, 一般利用贴现率将未来成本折算成现值以便于比较。未来成本与现值之间的换算关系为

式中为净现值；为未来第N年发生的成本；r为分析时的贴现率。

1.3 优点

采用桥梁的全寿命分析方法时, 不仅考虑桥梁施工和正常使用时的可靠性, 还考虑设计可靠度是否物尽其用。我国及大多国家现行桥梁设计方法是概率极限状态设计方法,其基本原则及对应的具体设计方法、控制对象和目标归纳如表1所示.

概率极限状态设计方法是一种基于结构可靠度的设计方法’〕。可靠度是指结构在规定时间内与规定条件下, 完成预定功能的概率。这种以可靠度为原则的设计方法, 考虑的是结构在设计、施工、荷载都理想的情况下结构能够“ 可靠” 服役的概率要大于结构可靠度。不难看出, 这种设计方法考虑的仅仅是为了达到预期的可靠程度进行的设计, 并没有对投人的成本, 取得的效益的关系进行分析。也就是说, 假设用这种设计方法按照8级地震的条件设计的桥梁可靠度为95%, 完全可以承受7级地震，然而, 此桥梁建成后仅经历了5级地震, 按照8级地震设计可靠度达到60%即可承受, 那么这35%的可靠度成本就没有达到预期的成本效益目标。因此, 有没有必要做到的95%可靠度, 就需要进行成本效益分析

全寿命设计方法是一种以成本效益为设计原则的设计方法, 在这个经济社会里, 一定量成本能够得到多大的效益回报是大家关心的重点。桥梁的设计不仅围绕达到什么样的可靠度, 也要考虑在完成桥梁固有作用同时, 怎样尽量减少桥梁总成本的投入，不光考虑建桥时的成本, 更要综合桥梁从设计建成后一直到报废拆除所有成本的投入。表2为桥梁全寿命设计方法与现行设计方法的比较。由表2可见全寿命设计方法在提高效益成本比例方面有显著的优势。与此同时, 节约成本也刺激了桥梁设计建设技术提高, 为桥梁的发展不断做出贡献。

1.4 应用条件

从现行传统的设计方法过渡到全寿命方法需要具备一定条件。

首先, 要有一套合理的经济学模式对桥梁全寿命成本投入做系统合理的分配。一方面不会因为可靠度过高而浪费前期建设投入, 造成总成本过高另一方面也不会因为可靠度过低而造成后期维护费高, 甚至超过建设费用, 造成总成本过高.

其次, 在桥梁全寿命设计实施过程中要尽量节约成本。一方面, 桥梁设计、建设技术一定要提高, 尽量节约不必要的投入；另一方面, 桥梁施工质量要绝对保证, 能够高标准实现设计要求, 避免施工质量问题造成不必要的成本投入。

最后, 完善的社会、行业体制对施行全寿命设计方法必不可少。设计方、施工方不再仅负责桥梁设计、建设的一小段时间域, 而要负责桥梁整个使用寿命期间的全部问题。因此, 桥梁全寿命设计方法是一种全新的设计理念, 改变了以可靠度为原则的设计方法, 而将成本收益作为基本原则对桥梁进行设计。

2国外现状

美国是世界上最早在公路领域进行桥梁寿命周期成本分析的国家。早在2003年就颁布全国公路研究协作计划第483号报告《桥梁寿命周期成本分析》和配套软件, 现已进人桥梁全寿命周期成本分析的全面实施阶段。美国以外的发达国家,20 世纪90年代初才开始研究桥梁工程全寿命设计, 目前仍处于起步阶段。

目前, 美国已经强制实施基建工程管理“ 全寿命经济分析法”.LCCA作为法令必须执行, 同时它又是一个可以具体操作的方法, 是重要投资评估和经济分析技术。美国法典(USC)给的LCCA定义是“ 它是一个程序和方法, 用于评价可行计划项目的总经济价值。包括初始成本和经折现的进一步成本—整个寿命期内的维护、修复、,重建和表面翻新处理成本。美国桥梁设计已经从传统桥梁设计理念成功转为全寿命设计理念。以往只考虑桥梁初建成本, 不考虑成桥后的维护费用。实践证明, 以前的做法无论从技术上、经济上, 还是从对社会影响上都是不恰用的。

LCCA方法要求工程立项初期, 首先要对投入资金的合理性进行评估, 只有成本评估合理且分配合理, 项目才能继续进行。全部资金应包括初始投资和进一步投资2部分组成。第一部分是指建设时的设计、施工相关费用第二部分则是包括从成桥后一直到达到寿命期投入的一切后续费用, 包括监测、维护、加固、拆除等费用。