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基于全寿命的桥梁设计过程及其在混凝土连续梁桥中的应用

马军海

   传统的、考虑成桥状态的桥梁设计理念和建管体制是目前桥梁出现耐久性问题、达不到设计使用寿命的关键。为了可持续发展,需要拓展到结构的整个使用寿命期,进行基于全寿命的桥梁设计。本文基于全寿命的思想,对桥梁从规划、设计、施工、使用、养护与维修以及拆除和材料、构件回收再利用的整个生命周期进行了基于全寿命的桥梁设计理论与方法进行了系统研究,建立了基于全寿命的桥梁设计总体框架、流程,并得到了各个设计过程相应的设计方法。本文研究工作主要表现在以下几个方面: 1.根据基于全寿命的桥梁设计的概念内涵,提出将基于全寿命的桥梁设计概括为在包括工程可行性研究、初步设计和施工图设计三个阶段对桥梁使用寿命设计、性能设计、监测、养护与维修设计、美学设计、环境与生态设计和生命周期成本分析六个设计过程的设计。从业主、社会和使用者的需求出发,根据三个阶段对基于全寿命的桥梁设计主要过程的工作内容和目标的分析,建立了一个基于全寿命的桥梁设计总体框架; 2.在对影响桥梁使用寿命的因素分析的基础上,将桥梁使用寿命终结准则分为结构不安全、结构不适用和结构不经济三种。根据现代桥梁使用寿命的目标,通过分析桥梁使用寿命实现途径的方法,提出了基于全寿命的桥梁使用寿命设计总体策略,并建议采用策略A(避免由于侵蚀性环境作用引起的桥梁结构退化)、策略B(选择最优的材料组成和细部构造抵抗结构在设计使用寿命内的退化)和策略C(进行养护、维修以及构件和部件的更换)三种基本策略或其组合以确保桥梁设计使用寿命的实现; 3.将桥梁结构体系分为桥梁、技术体系或模块、构件、细部构造和材料等不同的层次。根据在整个生命周期内各主要构件的养护、维修、更换情况,提出把桥梁构件分为永久构件、需要一般维护构件、需要少量维修或可更换构件和易损构件等类别,以桥梁的设计使用寿命作为基准合理确定桥梁各构件设计使用寿命的使用寿命确定方法。并建议根据桥梁各构件、部件的使用寿命与桥梁设计使用寿命的关系,采用不同的设计策略与方法的组合来设计以确保桥梁设计使用寿命的实现; 4.从桥址处的环境作用出发,根据桥梁构件与侵蚀作用的接触方式,建立了环境作用引起主要侵蚀作用及其程度与桥梁构件需要的耐久性防护水平间的关系,从而为选择适当的耐久性设计策略和防护措施提供依据。并建立了根据桥址处环境作用评估桥梁构件侵蚀程度和需要防护水平及通过退化分析评估和修改耐久性设计方案的耐久性设计流程; 5.根据建立桥梁监测、养护与维修策略的目标和考虑的问题,确定桥梁监测、养护与维修的原则,建立了基于全寿命成本的桥梁监测、养护与维修策略;并从桥梁的监测、养护与维修需求分析出发,通过对桥梁养护与维修方法对结构性能的影响效应分析,确定桥梁监测、养护与维修方法应用的时机、间隔时间及其成本,建立了桥梁监测、养护与维修设计的设计流程; 6.分析了桥梁美学设计的主要内容,建立了基于全寿命的桥梁美学设计评价准则,并提出了相应评价指标,分析了与桥梁美学设计有关的生命周期成本构成,然后建立了基于全寿命的桥梁美学设计流程; 7.通过对传统桥梁设计与桥梁环境生态设计的比较,提出了桥梁环境生态设计的内涵和主要内容;提出通过环境调查、环境影响分析和环境负荷计算,进行桥梁的能源经济设计和环境改善设计的设计思路;通过对桥梁的回收再利用设计原则的分析,从材料和构件角度研究提出了桥梁回收再利用设计方法;通过对桥梁生命周期评估的内涵、评估准则和主要内容的研究,提出了桥梁环境生态设计的评价指标;分析了桥梁建设的环境成本和环境影响,并提出了环境成本和环境影响计算和分析方法,最后在以上分析的基础上,建立了桥梁环境生态设计的设计流程; 8.分析了基于全寿命的桥梁设计涉及的生命周期成本构成,提出把桥梁生命周期成本分为生命周期财务成本和生命周期环境成本,并分别建立了各成本构成的相应计算方法和计算公式;根据不同设计阶段的计算分析需要,提出了三种层次的桥梁生命周期成本分析模型;根据基于全寿命的桥梁设计总体框架,建立了基于全寿命的桥梁设计生命周期成本分析的流程;最后,提出了根据生命周期财务成本最小、生命周期环境成本最小、使用寿命最大、目标性能(安全)水平最大、美观性能最优五个目标进行基于全寿命的桥梁设计方案的多目标优化方法; 9.针对混凝土连续梁桥的特点,根据提出的基于全寿命的桥梁设计过程及其设计方法进行混凝土连续梁桥的设计分析,并编制相应的分析计算程序;通过一座5跨混凝土连续梁桥的设计实例的分析和计算,对基于全寿命的桥梁设计过程在混凝土连续梁桥中的应用和编制的程序进行验证。……   
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