公路桥梁全寿命设计理论 在旧桥 加固设计中应用 研究

李龙辉

 林同棪国际工程咨询（中国）有限公司；重庆市渝北区 401120

摘 要： 桥梁全寿命设计理论在现在设计中，较为注重，一来为确保结构安全，二来为节约成本，通过综合比选，论证方案合理性、经济性。本文通过阐述桥梁全寿命设计理论引出现有桥梁加固技术，通过建立了使用寿命和使用性能优化加固桥梁全寿命成本(LCC)的设计框架，提出了加固桥梁全寿命成本的优化计算模型，最后根据具体实际工程案列证明了该理论的正确性和可行性。

关键词：公路桥梁 ;全寿命设计理论;旧桥加固;优化设计

1 概述

桥梁全寿命设计理论可以从三个方面进行考虑：桥梁全寿命使用寿命优化设计、桥梁全寿命成本优化设计、桥梁全寿命使用性能优化设计。三者之间的内容相互交叉联系紧密，设计时必须综合考虑。桥梁全寿命使用寿命优化设计是全寿命设计的前提，它直接决定桥梁全寿命成本的大小和使用性能的高低。桥梁全寿命使用性能优化设计是基础，是桥梁结构产生效益的基础。桥梁全寿命成本优化是目的，全寿命成本又可广义地分为业主成本、用户成本和社会成本。

2 桥梁加固原理和现状

（1）桥梁加固原理

新建桥梁的设计、计算理论已基本成熟，实现了由极限状态设计阶段向基于可靠度理论设计阶段的转变。但诸多因素决定了桥梁结构的加固、改造有着不同的作用机理和结构特性，并不能完全套用现有的新建结构的分析理论和计算方法。加固结构与新建结构分析的区别主要体现在应力分布、刚度分布、协调变形、协同工作等方面。可以预见，从基本理论角度对既有桥梁加固技术进行研究是今后桥梁研究工作的一个重要方向。

（2）加固方法现状

桥梁加固存在诸多方法，每种加固方法的选择应以桥梁损坏的具体情况而定。针对于桥梁上部结构的加固方法，往往存在一题多解的情况，这就需要进行方案比选，应用桥梁全寿命设计理论进行加固设计优化，选择出最经济实用的加固方案。

本文特别介绍预应力加固技术中体外预应力加固方法。从世界对体外预应力在桥梁结构的应用来看，英国、美国、日本等国家技术较为成熟，而我国体外预应力仅限于加固维修，对于设计研究较少，与其他各国的应用很不相称。体外预应力技术对于改善桥梁结构使用性能，降低加固成本，延长使用寿命等方面较其他加固方法有诸多优势，是桥梁加固研究的重要发展方向，具有非常光明的前景。但我国体外预应力设计研究的缺乏相当程度上延缓了其加固理论的发展与创新。

3 旧桥加固设计中全寿命设计理论的应用

（1）理论基础

高校桥梁工程研究所通过对高速公路大桥进行桥梁全寿命设计，以实践证明了全寿命设计理论较常规设计理论的优越性。对新建桥梁全寿命设计理论的成功实践，可以合理进行推断：全寿命设计理论必将对加固设计优化有着重要的指导作用。

（2）全寿命加固优化设计计算模型

1） 使用寿命优化设计计算模型

（1）

（2）

（3）

（4）

式中： ——全寿命理论下的优化使用寿命；

——剩余使用寿命；

——设计使用寿命；

——结构已使用寿命；

——业主时变成本；

——用户时变成本；

——社会时变成本；

——结构初始可靠指标；

——结构时变可靠指标；

——结构时变抗力函数；

——恒载效应函数；

——可变荷载效应函数。

2）成本优化设计计算模型

（5）

（6）

（7）

式中： ——加固优化设计周期总成本；

——结构使用寿命优化系数；

——结构使用性能优化系数，一般情况下取１；

——加固设计周期总成本；

——优化使用寿命；

——结构时变可靠指标。

3）案列分析

以实际工程案例中一项设计为例，某道路桥梁三跨预应力简支梁桥，跨径40m，桥面净宽9m，双向2车道，设计荷载标准为汽车－20级，挂车－100级。由于该桥出现了较为严重的损坏，结构可靠度以接近不安全状态，所以必须及时采取相应的加固维修措施。主要的加固方案有两种，其一为在梁底部粘贴钢板进行加固，工期3个月，设计寿命50年，其二为采用体外预应力对受损梁体进行主动式加固，工期3个月，设计寿命50年。其三, 考虑设计寿命的体外预应力加固，工期3个月，设计寿命40年。

相应的桥梁加固方案在寿命周期内产生的费用（万）：方案一施工费150，维修加固费用100，用户成本10，社会成本15，总成本275。方案二施工费170，维修加固费用40，用户成本10，社会成本15，总成本235。方案三施工费140，维修加固费用38，用户成本10，社会成本15，总成本203。

加固方案的对比可以看出方案1和方案2 周期费用相差较大的主要原因是由于方案2采用体外预应力加固大大减小了后期维修加固的费用。方案3则是在方案2的基础上进行了设计寿命和结构可靠度指标的优化。

方案3总成本的计算，采用公式（5）－（7），其中

，

注： 的取值并不准确，只是为了说明实际问题。

在此必须加以强调，采用设计寿命和结构可靠度指标进行优化设计并不是适用于任何情况，仅当在此优化条件下节省的费用较多，经济效益明显优于其他加固方案时建议采用。

4 结论

本文在对新建桥梁全寿命理论和现有桥梁加固方法研究的基础上，提出了全寿命理论下的桥梁加固设计框架，讨论了使用寿命和使用性能对桥梁加固全寿命成本的影响，得出以下结论：

1) 将全寿命理论应用于在役桥梁的加固维修中，从整体上把握桥梁的经济性、耐久性、可靠性，具有巨大的现实意义，而且在工程上具有很高的可实施性。

2) 从宏观上来讲，桥梁加固的全寿命成本是以使用寿命和使用性能为自变量的函数，那么我们就可以反过来通过对使用寿命和使用性能的调整来对全寿命成本进行优化，达到效益最大化。

3) 在提出全寿命优化设计计算模型的基础上，通过实际算例证明了使用寿命对桥梁全寿命成本的优化作用。

参考文献

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