第３８卷第３期２０１０年３月
同济大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＯＮＧＪＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖ０１．３８Ｎｏ．３
Ｍａｒ．２０１０
文章编号；０２５３．３７４Ｘ（２０１０）０３．０３１７．０６ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—３７４ｘ．２０１０．０３．００１
桥梁结构构件设计使用寿命的确定
陈艾荣１，王玉倩１，吴海军２，阮
欣１
（１．同济大学桥梁工程系，上海２０００９２；２．重庆交通大学结构系，蘑庆４０００７４）
摘要：通过定义桥梁及桥梁构件的设计使用寿命，对桥梁构件进行按结构体系划分和耐久性设置研究．调查了国内外桥梁结构及构件的实际工作寿命和规范指南中的设计使用寿命建议值，提出了基于寿命周期成本分析法的确定桥梁结构构件设计使用寿命的直接方法和简化方法．直接法首先为构件制定寿命方案，通过计算各寿命方案的寿命周期成本，选择经济性最优的方案；在简化法中给出了设计使用寿命简化计算公式，对影响系数进行了划分及取值讨论，并给出了基于专家调查的构件基础设计使用寿命建议值．最后，以某跨海工程为例，系统地演示了桥梁结构构件设计使用寿命的确定流程．
关键词：桥梁工程；桥梁耐久性设计；桥梁构件设计使用寿命；寿命周期成本分析法中图分类号：Ｕ
４４２．５
ｂｒｉｄｇｅ
ｅｌｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ
ａｓ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｓｅａ・ｃｒｏｓｓｉｎｇｅｘａｍｐｌｅ
ｐｒｏｊｅｃｔｗａｓｔａｋｅｎ
ｏｆ
ｄｅｓｉｇｎ
ａｎ
ｔｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅ
ｐｒｏｃｅｓｓ
ｓｅｒｖｉｃｅ
ｌｉｆｅ
ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｆｏｒｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎｏｆｂｒｉｄｇｅｓ；
ｓｅｒｖｉｃｅ
ｌｉｆｅ
ｏｆ
ｂｒｉｄｇｅ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ；ｌｉｆｅ—ｃｙｃｌｅ
ｄｅｓｉｇｎ
ｃｏｓｔｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ
在各国现行桥梁结构设计和施工规范中，涉及耐久性及设计使用寿命的内容很少；在中国的桥梁建设实践中，桥梁及构件设计使用寿命的制定往往为业主单位的单方面要求，缺乏相应的设计理论支持．对于桥梁结构，不同组成构件在使用过程中有不同的退化模式，在维护管理及更换方面有明显的差异，因此对不同桥梁构件分别制定合理的设计使用寿命应当是桥梁耐久性设计的第一步，对降低桥梁
Ｈａｉｆｌｚｎ２，ＲＵＡＮＸｉｎ
１
文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎＳｅｒｖｉｃｅＬｉｆｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｆｏｒＢｒｉｄｇｅＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ
倒Ａｉｒｏｎ９１，ＷＡＮＧ玩和他１，ＷＵ
（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＢｒｉｄｇｅ２０００９２。Ｃｈｉｎａｔ
寿命周期成本有着重大意义．本文采用了如下方法：首先明确桥梁及桥梁构件设计使用寿命的概念，调查国内外桥梁结构构件实际使用寿命和结构设计寿命建议值，进行桥梁构件划分和耐久性分类，研究影响桥梁结构构件寿命的因素，最终得到能够确定考虑各种因素影响的，寿命周期成本最优的桥梁构件设计使用寿命的两种方法．１
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ
ｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
ＪｈｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ
ａｎｄ
ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｆｏｒｂｒｉｄｇｅｓ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｙｐｅ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ａｓ
ｔｈｅｉｒ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｓｙｓｔｅｍｓ，ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ
ｔｏ
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ｗｅｌｌ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｉｒａｃｔｕａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇｌｉｖｅｓａｎｄｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ
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ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ。ａｄｉｒｅｃｔ
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ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ
ｗｅｒｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅ
ｏｎ
桥梁及其构件的设计使用寿命
在英国的建筑物耐久性标准［１１中，按照工程参
ｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｌｅｍｅｎｔｓｂａｓｅｄ
ｔｈｅ
ｌｉｒｅ－ｃｙｃｌｅ
ｃｏｓｔ
ａｎａｌｙｓｉｓ．Ａｓｆｏｒｄｉｒｅｃｔｍｅｔｈｏｄ。ｅｌｅｍｅｎｔｓｅｎ，ｉｃｅ
ｔｈｅ
ｏｎｅ
ｌｉｒｅｓｃｈｅｍｅｓｗｅｒｅｅｃｏｎｏｍｙｅａｃｈ
ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ。ａｎｄ
ｔｈｅｎ
ｗｉｔｈｏｐｔｉｍａｌ
ｃａｎｂｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｌｉｆｅｃｙｃｌｅｃｏｓｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆ
ｆｏｒ
与各方的不同关注，提出了使用寿命应分为要求使用寿命、预期使用寿命和设计使用寿命三类．虽然欧洲国家的不少技术文献肾４１都采用这一界定，但长久以来，国内工程界一直习惯地将设计使用寿命等
ｓｃｈｅｍｅ．Ａｓ
ｔｈｅ
ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ
ｍｅｔｈｏｄ，ａ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ｆｏｒｍｕｌａｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｎｄ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｖｅｓｏｆ
收稿日期：２００８—１２—１８
基金项目：国家“八六二”高技术研究发展计划资助项目（２００７ＡＡｌｌＺｌ０４）；国家自然科学基金资助项目（５０８７８１４５）；交通部西部交通建设
科技基金资助项日（２００６３１８２２３０２）
作者简介：陈艾荣（１９６３一），男，教授，博ｌ：生导师，工学博士，主要研究方向为桥梁寿命周期设计理论与方法、桥梁抗风．
Ｅ－ｍａｉｌ：ａｉｒｏｎｇ．ｃｈｅｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ
万方数据
３１８
同济大学学报（自然科学版）第３８卷
同于要求使用寿命即业主或使用者对桥梁及结构使
用寿命的目标要求．桥梁结构是由多个构件组成的结构系统，各构件因功能和材料的不同在使用寿命及维护管理要求上有很大的差异，因此单用一个桥梁整体设计使用寿命约束所有构件是不合理的．设计者需要对桥梁各构件的设计使用寿命进行优化以平衡初始建造成本和使用期的维修及社会成本，从而达到寿命周期经济性最优的目的．据此，桥梁及桥梁构件的设计使用寿命可以定义为，设计人员用以作为桥梁及桥梁构件耐久性设计的依据并具有足够安全裕度或保证率的目标使用年限．
２国内外桥梁结构及构件的实际工作
寿命及设计使用寿命建议值
１９９８年１０月，《ＣｏｎｃｒｅｔｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ））杂志发表了美国从１９５０～１９９４年修建的各类跨度大于６
ｍ
的３２７８２９座桥梁的结构缺陷率和使用寿命期望值的统计数据［５］，指出：美国公路桥梁中，钢筋混凝土桥的期望寿命基本在７０～８０年之间，其平均值为７５年；预应力混凝土桥的期望寿命在６５～１００年；美国公路钢桥的使用寿命期望值约为６５年．日本学者
Ｙｏｓｈｉｔｏ
Ｉｔｏｈ等［６］指出，日本传统的桥梁结构整体使
用寿命为６０年，普通钢筋混凝土桥面板在低污染大气环境作用下的山区为６０年，在沿海及城市地区为４０年，钢支座的使用寿命为３０年，伸缩缝的使用寿期的混凝土桥梁进行了研究，得出，虽然设计使用寿为４１年，方差系数为０．３．这砦桥梁废弃的主要原因的承载力不足．这种情况很容易导致对桥梁使用寿１９９８年底，我国共有公路桥梁２１万余座，其中１０５座．２０００年底，我国共有公路桥梁２７万５９７座，占桥梁总数的３．“％．到２００７６２３
此外，对于桥梁的设计使用寿命，英国在《钢桥、
万
方数据混凝土桥及结合桥实施规范》（ＢＳ５４００）中提出的使用寿命目标要求桥梁具有接受概率的不经维修而安全运营的最低期限为１２０年Ｌ５］．美国国家公路与运
输协会ＬＲＦＤ钢结构规范（』郴ＨＴｏ）［１０Ｊ主要基于疲
劳考虑，规定公路钢桥的设计使用寿命为７５年．对于桥梁设计使用寿命，我国仅在《混凝土结构耐久性设计与施工指南》［１１］中规定大型桥梁、高速和一级公路上的桥涵、城市干线上的大型桥梁和大型立交桥的设计使用年限应不小于１００年，二级和二级以下公路以及城市一般道路上的桥涵的设计使用年限应不小于５０年．
３桥梁构件设计使用寿命的确定方法
３．１
桥梁构件设计使用寿命的计算方法
本文讨论桥梁的设计使用寿命将基于技术使用
寿命层面，以在正常使用情况下不需要经过大修、加固或更新的承载能力极限状态作为设计寿命终止的条件．提出了桥梁结构构件设计使用寿命的两种建议计算方法，即直接法和简化法．确定桥梁构件设计使用寿命的计算方法如图１所示，虚线表示直接法计算流程，实线表示简化法计算流程［１２｜．在有条件有必要的情况下，应首选直接法对比选的桥梁或桥梁构件寿命方案的寿命周期成本进行计算，选择经
对待分析桥梁进行构件划分并对其构件进行耐
久性分类
－
●
ｔｔ
调查桥梁构件调查制造成本调查桥梁构件实际使用寿命
及成本一寿使用寿命影响
命关系
因素
Ｉ
Ｉ
ｉ
专家调专家调●
●
查得到查得到影响因直制定桥梁构基础设售
索建议接
件寿命方案
计使用兜寿命建援取值表
法寿命周期
’
，议值表
纭
．
成本分析法
查桥梁结构构件，
基础设计使用寿查影响系计算桥梁结构构
命建议值表
数取值表
件设计寿命方案全寿命成本按照公式计算桥梁构件设计使用寿命建议值
选择寿命●
成本最小的寿命Ｉ考虑各构件使用寿命的｜方案
Ｉ相互耦合适当调整
ｒ
ｌ桥梁结构构件设计使用寿命建议值Ｉ
图ｌ
确定桥梁构件设计使用寿命的计算流程图
Ｆｉｇ．１
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｅｓｉｇｎ
ｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅ
ｏｆｂｒｉｄｇｅｅｌｅｍｅｎｔｓ
命为１０～２０年，普通沥青混凝土桥面铺装使用寿命为１０年．文献［７］中对荷兰桥梁库中７９座已到寿命命多为８０～１００年，荷兰桥梁的使用寿命期望值仅并不是技术性的失效，而是功能更换或是经济性的要求，比如因不在预期之内的重型交通量增长导致命的低估；同时，也说明定义过高的设计使用寿命往往是没有必要，也是不经济的．
危桥４余座，危桥９年底，全国共有桥梁５７万余座，其中危桥为９８达不到设计使用年限（５０年或１００年）［８＿引．
座，占总数的１７．３％．这些桥梁的实际使用年限远远
第３期陈艾荣。等：桥梁结构构件设计使用寿命的确定
济性最好的方案；其次也可以采用简化法进行粗略估计．对于表２中未涉及的桥梁构件，则须对其寿命
我国较为传统的做法，即先按桥梁类型划分为梁桥、拱桥、缆索承重桥和附属设施，再具体列出各自包含的构件；这是因为我国现有桥梁大多是混凝土桥梁，而混凝土结构构件具有形状不定的特点，难以从构件角度进行划分．按构件特点划分则是美国ＡＡＳＨＴＯ规范［１０３中采用的方法．
参考文献Ｅ５３从不同构件在设计时应考虑的维
方案的寿命周期成本进行计算，选择经济性最好者．
此外，桥梁结构各构件的设计使用寿命不是彼此独立的，具有一定的耦合性．维修、更换作业往往都需要封闭车道或限制车速，造成较大的社会成本；原材料购置、运输、施工机械租赁等也因数量增加而产生规模效应；多个作业同时进行和单个作业分别进行所耗费的时间和金钱（社会成本和业主成本）往往不和作业数量成正比关系．对于直接法来说，为桥梁或桥梁构件制定寿命方案时，宜按照维修、更换工艺统一筹划，为耦合关系强的构件群（如桥面系）设计联合寿命方案．简化法中宜将耦合关系强的构件寿命进行统一，相近的合并，长寿命构件的寿命取为短寿命构件的倍数．此外，简化法计算结果可能是不以年为单位的整数，为设计施工方便起见宜取为整数，且宜将可更换构件的寿命规划为桥梁整体寿命的约数．
３．２桥梁构件的划分和耐久性设置
桥梁构件的划分国际上通常采用按结构体系划分和按构件特点划分两种方法．按结构体系划分是
护、更换等设计目标及原则，将一般桥梁构件按耐久
性特征归结为以下几种类型：①Ｉ类构件．不可维护、终生性构件（如桩基础）；无法养护且需维持至设计寿命周期结束的构件．②Ⅱ类构件．可维护、终生性构件；需要管养否则无法维持至设计寿命周期结束的构件．③Ⅲ类构件．可维护，非终生性构件；需要简单维护、周期性更换的重要受力或传力构件．④Ⅳ类构件．可维护，非终生性构件；需要周期性更换的次要受力或传力构件．
以目前的设计、施工现状以及材料的生产工艺和水平，结合构件更换、维护和加固的经济性，加之考虑到桥梁结构和各种构件的实际使用情况，可将国内常见桥梁体系主要构件的分类及耐久性类别进行归纳，见表１．
裹１国内常见桥梁体系主要构件及其耐久性类别建议
Ｔａｂ．１
Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ
ｂｒｉｄｇｅ
ｏｎｔｈｅ
ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｏｍｌｌｆｔｏｎ
ｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｏｒｄｉｎａｒｙｄｏｍｅｓｔｉｃｂｒｉｄｇｅｓｙｓｔｅｍｓ＿材料或类型平行钢丝／钢绞线平行钢丝
耐久性类别
Ⅲ
Ⅳ
类别构件斜拉索防振设备主缆
类别构件桥面铺装人行道板支座伸缩缝
材料或类型水泥／沥青砼
耐久性类别
Ⅳ
ⅣⅢⅣⅣ
Ⅳ
Ⅱ
缆索承重桥
鲁耋
锚箱索鞍主塔主拱圈立柱桥墩／台
翥磊丞丝
钢材钢材钢筋衿／钢料石／钢筋砼钢筋砼钢筋砼钢筋砼钢管／钢筋砼平行钢丝／钢绞线钢
：
Ⅱ
Ⅱ
苘
舔复
泄水孔Ｐ、，ｃ／铸铁集水及排水管ＰＶＣ／铸铁栏杆防撞护栏灯柱灯具
扩大基础／沉井
一
Ⅱ或ⅣⅡ或ⅣⅡ或ⅣⅡ或ⅣＩⅡＩ
钢筋砼／钢
ⅡⅡｍ
ⅡⅡⅡⅡⅡ或ⅢⅡⅢⅡ
臀
设
蝗
荔
主
拱桥桥面板主拱肋吊杆系杆
承台桩基
罂
梁桥
霎羹７台嚣鬈篡：
主梁预应力砼
砼桥面板（叠合梁）
３．３桥梁结构及构件设计使用寿命的简化法建议
公式
在相关数据积累和分析的基础上，参考欧洲、美国及日本相关机构在此领域的结论及分析成果，基
国实际情况的桥梁结构及构件的设计使用寿命建议公式如下：
Ｌ＝ＣＬｏ
（１）
式中：Ｌ为桥梁结构或构件的设计使用寿命建议值；Ｃ为修正系数，
于寿命周期成本分析法的相关原理，给出适用于我
万方数据
同济大学学报（自然科学版）
第３８卷
ｆＣ，Ｃ２Ｇｃ４…Ｃ。（针对桥梁整体或
Ｃ＝＿｛永久性构件）
【Ｃ。Ｃ。Ｇｃ５…Ｃ。（针对可更换构件）
Ｃ・，巴，…，Ｃ。为对桥梁结构及构件的使用寿命有影响的记个影响系数，其中：Ｃ。为气候影响系数，Ｇ为桥位小环境系数，Ｇ为养护系数，Ｃ。为重要性系数，Ｃｓ为更换难易系数；Ｌ。为基础设计使用寿命建议值（即Ｃ取１．０时的构件设计使用寿命建议值），具体取值见表２．
３．３．１气候影响系数Ｃ１
对于混凝土构件来说，温度越低，气候越湿润，碳化发牛越慢，则合理的构件设计寿命就越长；对于钢构件来说，温度越低，气候越干燥，表面腐蚀速度越慢，则合理的构件设计寿命就越长．基于上述原理，可将构件的气候影响系数按材质分为两类．文中的Ｌｏ以北温带湿润区为基准，建议气候影响系数取为Ｏ．９～１．１之间．
３．３．２桥位小环境系数ｃ２
环境条件越恶劣，为保证既定寿命花费的成本就越高，则合理的构件设计使用寿命就越短，故桥位小环境系数就越小．基于《混凝土结构耐久性设计与施工指南》Ｌｌｌｊ中环境作用的分类标准，本文中的Ｌｏ以可忽略的环境作用为基准，建议桥位小环境系数取为０．６～１．０之间．３．３．３养护系数Ｃ３
养护措施越先进合理，养护效果就越好，成本就越高，故其预期的使用寿命就越长．将养护条件划分为无养护、简单维护和周期性详尽检查维护三种．本文中的Ｌ。以无养护条件为基准，建议养护系数取为１．０～１．２之间．３．３．４重要性系数Ｃ４
对于不同等级的桥梁，其初始业主成本和重建导致的业主成本及社会成本都随桥梁重要性等级大幅上升，故重要性较高的桥梁及其永久性构件需赋予相应较高的设计使用寿命．同时，由于桥梁并不能脱离其所在的公路系统而发挥作用，其重要性系数的选取也需考虑所在公路系统的重要性．根据《公路桥涵通用设计规范》（ＪＴＧＤ６０－－２００４）１３］，目前我国的桥梁按跨径可分为特大桥、大桥、中桥和小桥四种，以重要性最低的小桥为基准，建议取用１．０～２．０的重要性系数．
３．３．５更换难易系数Ｇ
因为每种桥梁构件的更换难易程度彼此不同，此分类仅针对不同桥梁上的同种构件进行比较．文
万
方数据中的Ｌ。以中等更换难度为基准，建议对于可更换的桥梁构件取用０．８－－－Ｉ．５的重要性系数．取值时应考虑交通量大小、施工难易程度、桥梁重要程度等因素，力图平衡初始业主成本、更换时的业主成本和更换导致的社会成本．
３．３．６基础设计使用寿命建议值
上述各系数的取值和表２中基础设计使用寿命建议值主要考虑了目前桥梁的实际使用寿命和专家意见．其中，永久性构件如主梁、主塔等的设计使用寿命即为桥梁整体的设计使用寿命．表２中设计使用寿命建议值是基于Ｃ＝１．０的条件下给出的，即针对北温带湿润区、可忽略的桥位小环境作用、无养护、重要性系数为１．０的桥梁整体和其永久性构件，或者中等更换难易程度的可更换构件．
表２公路桥梁主要构件设计使用寿命建议值
Ｔａｂ．２
Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｐｒｉｍａｒｙ
ｈｉｇｈｗａｙｂｒｉｄｇｅｓ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ
年
注：表巾“一”表示缺乏这方面的资料数据或者该种上艺刚使用不久，其寿命及耐久性还有待考察，下同．
需要说明的是，影响桥梁构件使用寿命的因素除了上述提到的５个外，还可能有其他影响因素留待以后研究补充．
４桥梁构件设计使用寿命算例
４．１工程概况
第３期陈艾荣，等：桥梁结构构件设计使用寿命的确定
某跨海工程全长３６ｋｍ，双向６车道，由非通航区域的梁式桥和通航区域的缆索承重桥组成．为进行耐久性设计，应在初步设计完成后对该跨海工程进行构件设计使用寿命研究．４．２构件划分及耐久性设置
按照本文３．２节相关研究和该跨海工程构件的特点，对其主桥（北航道桥和南航道桥）和引桥主要构件进行了划分和耐久性设置，见表３．据此采用简化法计算主要构件设计使用寿命，采用直接法计算特殊构件风障的设计使用寿命．
４．３简化法计算主要构件设计使用寿命
查表取得基础设计使用寿命值、气候影响系数、桥位小环境系数、养护系数、重要性系数和更换难易程度系数后，得到Ｌ，的初步计算结果，见表３．根据前面提出的简化法对于构件寿命耦合关系的处理原则，将该跨海工程主桥和引桥永久构件设计使用寿命统一为１２０年；将桥面铺装和伸缩缝设计使用寿命统一，并使防撞护栏设计使用寿命为其倍数；将斜拉索和支
座设计使用寿命定为桥梁整体设计使用寿命的约数．
由此得到该跨海工程主要构件设计使用寿命Ｌ．
表３某跨海工程主要构件设计使用寿命计算表
Ｔａｂ．３
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｈｅｅｔｏｆｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｆｏｒｐｒｉｍａｒｙｍｅｍｂｅｒｓｉｎ
ａ
ｃｅｒｔａｉｎｓｅａ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ
ｐｒｏｊｅｃｔ
桥面铺装支座
附属设施
伸缩缝防撞护栏风障
１５３０１５４０
０．９５
０．８８
Ｏ．８００．８８０．８８
１．２１．２１．２１．２
１．２１．５１．３１．１
１８．１４１．０１９．６
２０
０．９５
Ｏ．９５
４０
２０
０．９５“．１４０
注：特殊构件风障的设计使用寿命见４．４节研究．
４．４直接法计算风障构件设计使用寿命
该跨海工程使用期间将受到多变的海上天气条件的不利因素的影响，行车风安全问题比较突出，故决定在特定位置布设风障来保证行车风安全［１４｜．因为风障不属于常规构件，其基础设计使用寿命无法查表２并由公式（１）计算得出，需要使用直接法对其进行不同寿命方案的寿命周期成本分析以便选择．４．４．１方案介绍
根据所采用障条的不同分为设计使用寿命２０年的方案１和设计使用寿命１５年的方案２．初始建设成本见表４．因为两种方案的风障尺寸、布设方式完全相同，故假定对侧风有完全相同的导流作用，即具有相同的经济效益．
４．４．２方案寿命周期成本计算
根据寿命周期成本分析法，风障寿命方案的寿命周期成本应当是，在设计使用期内因风障寿命方案而产生的所有成本的现值．由此，各风障寿命方案
的寿命周期成本可表示为
ＣＬ＝Ｃｏ＋侠
业主成本；Ｃｓ表示社会成本．
为计算各风障寿命方案的寿命周期成本，以下将逐项计算业主成本和社会成本．
业主成本应包括工程建设阶段的设计、材料购置、安装等费用和后期维护、荤新购置以及由于风障在交通事故中被破坏而需修复的费用（本文暂不考虑）．社会成本则应包括更换风障时因阻碍交通而导致的运输成本增加、货物和旅客时间价值损失、事故人员伤亡损失、事故车辆直接损失和其他车辆延误损失．本文中暂只考虑因阻碍交通而导致的运输成本增加和事故人员死亡损失，且不考虑数据的随机性．由文献［１５］基本数据计算业主成本、社会成本和寿命周期总成本见表４．
由表４可以看出，尽管方案１的寿命周期业主
（２）
式中：Ｃ。表示各设计方案的寿命周期成本；Ｃｏ表示
万方数据
３２２
同济大学学报（自然科学版）
第３８卷
成本高于方案２，但其方案寿命周期总成本小于方案２．根据寿命周期成本最小原则应选择寿命为２０年的方案１．
表４
两种风障寿命方案的寿命周期总成本
Ｔａｂ．４
Ｌｉｆ争ｃｙｅｌｅｃｏｓｔｆｏｒ
ｅｉｔｈｅｒｌｉｆｅｓｃｈｅｍｅｏｆｗｉｎｄ
ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ
ｓｃｒｅｅｎ
万元
５
结语
随着对桥梁结构构件耐久性、经济性的进一步
研究，通过对桥梁结构及构件制定合理的设计使用寿命从而保证桥梁结构寿命期内的经济性也日益得到认可．
（１）对桥梁结构及构件的设计使用寿命确定方法作了框架性研究，提出了两种寿命确定方法并举例说明了其应用．
（２）直接法的结果比简化法更为准确．有必要有条件时应首选直接法，基于寿命周期成本分析法（ＬＣＣＡ）选择寿命周期经济性最优的寿命方案．
（３）基于专家意见对简化法建议公式中几个影响系数及基础使用寿命建议值作了初步的建议，它们的具体取值可以通过桥梁数据库的完善、桥梁及参考文献：
［１］ＢｒｉｔｉｓｈＳｔａｎｄａｒｄｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．ＢＳ７５４３Ｇｕｉｄｅ
ｔｏ
ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆ
ｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄｂｕｉｌｄｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ－ｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｓ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＢｒｉｔｉｓｈＳｔａｎｄａｒｄｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９９．
［２］ＣｏｍｉｔｅＥｕｒｏ－ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｄｕＢｅｔｏｎ（ＣＥＢ）．Ｄｅｓｉｇｎｇｕｉｄｅｆｏｒ
ｄｕｒａｂｌｅ
ｃｏｎｃｒｅｔｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｓ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＴｈｏｍａｓＴｅｌｆｏｒｄ，１９９２．
［３］ＤｕｒａＣｒｅｔｅ．ＥＵ．Ｐｒｏｊｅｃｔ（ＢｒｉｔｅＥｕＲａｍＩＩＩ）Ｎｏ．ＢＥ９５一１３４７
Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂａｓｅｄｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎｏｆ
ｃｏｎｃｒｅｔｅ
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桥梁构件使用寿命数据的丰富而趋于准确，最终使得所确定的设计使用寿命兼顾桥梁结构的经济性、使用性和耐久性．［４］ＤｕｒａＣｒｅｔｅ．ＥＵ－Ｐｒｏｊｅｃｔ（Ｂｒｉｔｅ
桥梁结构构件设计使用寿命的确定
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
陈艾荣， 王玉倩， 吴海军， 阮欣， CHEN Airong， WANG Yuqian， WU Haijun， RUANXin
陈艾荣,王玉倩,阮欣,CHEN Airong,WANG Yuqian,RUAN Xin(同济大学,桥梁工程系,上海,200092)， 吴海军,WU Haijun(重庆交通大学,结构系,重庆,400074)同济大学学报（自然科学版）
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tjdxxb201003001.aspx
第３８卷第３期２０１０年３月
同济大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＯＮＧＪＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｖ０１．３８Ｎｏ．３
Ｍａｒ．２０１０
文章编号；０２５３．３７４Ｘ（２０１０）０３．０３１７．０６ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—３７４ｘ．２０１０．０３．００１
桥梁结构构件设计使用寿命的确定
陈艾荣１，王玉倩１，吴海军２，阮
欣１
（１．同济大学桥梁工程系，上海２０００９２；２．重庆交通大学结构系，蘑庆４０００７４）
摘要：通过定义桥梁及桥梁构件的设计使用寿命，对桥梁构件进行按结构体系划分和耐久性设置研究．调查了国内外桥梁结构及构件的实际工作寿命和规范指南中的设计使用寿命建议值，提出了基于寿命周期成本分析法的确定桥梁结构构件设计使用寿命的直接方法和简化方法．直接法首先为构件制定寿命方案，通过计算各寿命方案的寿命周期成本，选择经济性最优的方案；在简化法中给出了设计使用寿命简化计算公式，对影响系数进行了划分及取值讨论，并给出了基于专家调查的构件基础设计使用寿命建议值．最后，以某跨海工程为例，系统地演示了桥梁结构构件设计使用寿命的确定流程．
关键词：桥梁工程；桥梁耐久性设计；桥梁构件设计使用寿命；寿命周期成本分析法中图分类号：Ｕ
４４２．５
ｂｒｉｄｇｅ
ｅｌｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂａｓｅｄ
ｏｎ
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ａｓ
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ｐｒｏｊｅｃｔｗａｓｔａｋｅｎ
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ｓｅｒｖｉｃｅ
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ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｆｏｒｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎｏｆｂｒｉｄｇｅｓ；
ｓｅｒｖｉｃｅ
ｌｉｆｅ
ｏｆ
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ｅｌｅｍｅｎｔｓ；ｌｉｆｅ—ｃｙｃｌｅ
ｄｅｓｉｇｎ
ｃｏｓｔｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ
在各国现行桥梁结构设计和施工规范中，涉及耐久性及设计使用寿命的内容很少；在中国的桥梁建设实践中，桥梁及构件设计使用寿命的制定往往为业主单位的单方面要求，缺乏相应的设计理论支持．对于桥梁结构，不同组成构件在使用过程中有不同的退化模式，在维护管理及更换方面有明显的差异，因此对不同桥梁构件分别制定合理的设计使用寿命应当是桥梁耐久性设计的第一步，对降低桥梁
Ｈａｉｆｌｚｎ２，ＲＵＡＮＸｉｎ
１
文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎＳｅｒｖｉｃｅＬｉｆｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｆｏｒＢｒｉｄｇｅＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ
倒Ａｉｒｏｎ９１，ＷＡＮＧ玩和他１，ＷＵ
（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＢｒｉｄｇｅ２０００９２。Ｃｈｉｎａｔ
寿命周期成本有着重大意义．本文采用了如下方法：首先明确桥梁及桥梁构件设计使用寿命的概念，调查国内外桥梁结构构件实际使用寿命和结构设计寿命建议值，进行桥梁构件划分和耐久性分类，研究影响桥梁结构构件寿命的因素，最终得到能够确定考虑各种因素影响的，寿命周期成本最优的桥梁构件设计使用寿命的两种方法．１
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ
ｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
ＪｈｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ
ａｎｄ
ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｆｏｒｂｒｉｄｇｅｓ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｙｐｅ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ａｓ
ｔｈｅｉｒ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｓｙｓｔｅｍｓ，ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ
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ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｗｅｌｌ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｉｒａｃｔｕａｌｏｐｅｒａｔｉｎｇｌｉｖｅｓａｎｄｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ
ｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅ
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ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ
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ｍｅｔｈｏｄａｎｄａｌｓｏ
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ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ
ｗｅｒｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅ
ｏｎ
桥梁及其构件的设计使用寿命
在英国的建筑物耐久性标准［１１中，按照工程参
ｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｂｒｉｄｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｌｅｍｅｎｔｓｂａｓｅｄ
ｔｈｅ
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ｔｈｅ
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ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ。ａｎｄ
ｔｈｅｎ
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ｃａｎｂｅｓｅｌｅｃｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｌｉｆｅｃｙｃｌｅｃｏｓｔｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆ
ｆｏｒ
与各方的不同关注，提出了使用寿命应分为要求使用寿命、预期使用寿命和设计使用寿命三类．虽然欧洲国家的不少技术文献肾４１都采用这一界定，但长久以来，国内工程界一直习惯地将设计使用寿命等
ｓｃｈｅｍｅ．Ａｓ
ｔｈｅ
ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ
ｍｅｔｈｏｄ，ａ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ｆｏｒｍｕｌａｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓａｎｄ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｖｅｓｏｆ
收稿日期：２００８—１２—１８
基金项目：国家“八六二”高技术研究发展计划资助项目（２００７ＡＡｌｌＺｌ０４）；国家自然科学基金资助项目（５０８７８１４５）；交通部西部交通建设
科技基金资助项日（２００６３１８２２３０２）
作者简介：陈艾荣（１９６３一），男，教授，博ｌ：生导师，工学博士，主要研究方向为桥梁寿命周期设计理论与方法、桥梁抗风．
Ｅ－ｍａｉｌ：ａｉｒｏｎｇ．ｃｈｅｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ
万方数据
３１８
同济大学学报（自然科学版）第３８卷
同于要求使用寿命即业主或使用者对桥梁及结构使
用寿命的目标要求．桥梁结构是由多个构件组成的结构系统，各构件因功能和材料的不同在使用寿命及维护管理要求上有很大的差异，因此单用一个桥梁整体设计使用寿命约束所有构件是不合理的．设计者需要对桥梁各构件的设计使用寿命进行优化以平衡初始建造成本和使用期的维修及社会成本，从而达到寿命周期经济性最优的目的．据此，桥梁及桥梁构件的设计使用寿命可以定义为，设计人员用以作为桥梁及桥梁构件耐久性设计的依据并具有足够安全裕度或保证率的目标使用年限．
２国内外桥梁结构及构件的实际工作
寿命及设计使用寿命建议值
１９９８年１０月，《ＣｏｎｃｒｅｔｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ））杂志发表了美国从１９５０～１９９４年修建的各类跨度大于６
ｍ
的３２７８２９座桥梁的结构缺陷率和使用寿命期望值的统计数据［５］，指出：美国公路桥梁中，钢筋混凝土桥的期望寿命基本在７０～８０年之间，其平均值为７５年；预应力混凝土桥的期望寿命在６５～１００年；美国公路钢桥的使用寿命期望值约为６５年．日本学者
Ｙｏｓｈｉｔｏ
Ｉｔｏｈ等［６］指出，日本传统的桥梁结构整体使
用寿命为６０年，普通钢筋混凝土桥面板在低污染大气环境作用下的山区为６０年，在沿海及城市地区为４０年，钢支座的使用寿命为３０年，伸缩缝的使用寿期的混凝土桥梁进行了研究，得出，虽然设计使用寿为４１年，方差系数为０．３．这砦桥梁废弃的主要原因的承载力不足．这种情况很容易导致对桥梁使用寿１９９８年底，我国共有公路桥梁２１万余座，其中１０５座．２０００年底，我国共有公路桥梁２７万５９７座，占桥梁总数的３．“％．到２００７６２３
此外，对于桥梁的设计使用寿命，英国在《钢桥、
万
方数据混凝土桥及结合桥实施规范》（ＢＳ５４００）中提出的使用寿命目标要求桥梁具有接受概率的不经维修而安全运营的最低期限为１２０年Ｌ５］．美国国家公路与运
输协会ＬＲＦＤ钢结构规范（』郴ＨＴｏ）［１０Ｊ主要基于疲
劳考虑，规定公路钢桥的设计使用寿命为７５年．对于桥梁设计使用寿命，我国仅在《混凝土结构耐久性设计与施工指南》［１１］中规定大型桥梁、高速和一级公路上的桥涵、城市干线上的大型桥梁和大型立交桥的设计使用年限应不小于１００年，二级和二级以下公路以及城市一般道路上的桥涵的设计使用年限应不小于５０年．
３桥梁构件设计使用寿命的确定方法
３．１
桥梁构件设计使用寿命的计算方法
本文讨论桥梁的设计使用寿命将基于技术使用
寿命层面，以在正常使用情况下不需要经过大修、加固或更新的承载能力极限状态作为设计寿命终止的条件．提出了桥梁结构构件设计使用寿命的两种建议计算方法，即直接法和简化法．确定桥梁构件设计使用寿命的计算方法如图１所示，虚线表示直接法计算流程，实线表示简化法计算流程［１２｜．在有条件有必要的情况下，应首选直接法对比选的桥梁或桥梁构件寿命方案的寿命周期成本进行计算，选择经
对待分析桥梁进行构件划分并对其构件进行耐
久性分类
－
●
ｔｔ
调查桥梁构件调查制造成本调查桥梁构件实际使用寿命
及成本一寿使用寿命影响
命关系
因素
Ｉ
Ｉ
ｉ
专家调专家调●
●
查得到查得到影响因直制定桥梁构基础设售
索建议接
件寿命方案
计使用兜寿命建援取值表
法寿命周期
’
，议值表
纭
．
成本分析法
查桥梁结构构件，
基础设计使用寿查影响系计算桥梁结构构
命建议值表
数取值表
件设计寿命方案全寿命成本按照公式计算桥梁构件设计使用寿命建议值
选择寿命●
成本最小的寿命Ｉ考虑各构件使用寿命的｜方案
Ｉ相互耦合适当调整
ｒ
ｌ桥梁结构构件设计使用寿命建议值Ｉ
图ｌ
确定桥梁构件设计使用寿命的计算流程图
Ｆｉｇ．１
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｅｓｉｇｎ
ｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅ
ｏｆｂｒｉｄｇｅｅｌｅｍｅｎｔｓ
命为１０～２０年，普通沥青混凝土桥面铺装使用寿命为１０年．文献［７］中对荷兰桥梁库中７９座已到寿命命多为８０～１００年，荷兰桥梁的使用寿命期望值仅并不是技术性的失效，而是功能更换或是经济性的要求，比如因不在预期之内的重型交通量增长导致命的低估；同时，也说明定义过高的设计使用寿命往往是没有必要，也是不经济的．
危桥４余座，危桥９年底，全国共有桥梁５７万余座，其中危桥为９８达不到设计使用年限（５０年或１００年）［８＿引．
座，占总数的１７．３％．这些桥梁的实际使用年限远远
第３期陈艾荣。等：桥梁结构构件设计使用寿命的确定
济性最好的方案；其次也可以采用简化法进行粗略估计．对于表２中未涉及的桥梁构件，则须对其寿命
我国较为传统的做法，即先按桥梁类型划分为梁桥、拱桥、缆索承重桥和附属设施，再具体列出各自包含的构件；这是因为我国现有桥梁大多是混凝土桥梁，而混凝土结构构件具有形状不定的特点，难以从构件角度进行划分．按构件特点划分则是美国ＡＡＳＨＴＯ规范［１０３中采用的方法．
参考文献Ｅ５３从不同构件在设计时应考虑的维
方案的寿命周期成本进行计算，选择经济性最好者．
此外，桥梁结构各构件的设计使用寿命不是彼此独立的，具有一定的耦合性．维修、更换作业往往都需要封闭车道或限制车速，造成较大的社会成本；原材料购置、运输、施工机械租赁等也因数量增加而产生规模效应；多个作业同时进行和单个作业分别进行所耗费的时间和金钱（社会成本和业主成本）往往不和作业数量成正比关系．对于直接法来说，为桥梁或桥梁构件制定寿命方案时，宜按照维修、更换工艺统一筹划，为耦合关系强的构件群（如桥面系）设计联合寿命方案．简化法中宜将耦合关系强的构件寿命进行统一，相近的合并，长寿命构件的寿命取为短寿命构件的倍数．此外，简化法计算结果可能是不以年为单位的整数，为设计施工方便起见宜取为整数，且宜将可更换构件的寿命规划为桥梁整体寿命的约数．
３．２桥梁构件的划分和耐久性设置
桥梁构件的划分国际上通常采用按结构体系划分和按构件特点划分两种方法．按结构体系划分是
护、更换等设计目标及原则，将一般桥梁构件按耐久
性特征归结为以下几种类型：①Ｉ类构件．不可维护、终生性构件（如桩基础）；无法养护且需维持至设计寿命周期结束的构件．②Ⅱ类构件．可维护、终生性构件；需要管养否则无法维持至设计寿命周期结束的构件．③Ⅲ类构件．可维护，非终生性构件；需要简单维护、周期性更换的重要受力或传力构件．④Ⅳ类构件．可维护，非终生性构件；需要周期性更换的次要受力或传力构件．
以目前的设计、施工现状以及材料的生产工艺和水平，结合构件更换、维护和加固的经济性，加之考虑到桥梁结构和各种构件的实际使用情况，可将国内常见桥梁体系主要构件的分类及耐久性类别进行归纳，见表１．
裹１国内常见桥梁体系主要构件及其耐久性类别建议
Ｔａｂ．１
Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ
ｂｒｉｄｇｅ
ｏｎｔｈｅ
ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｏｍｌｌｆｔｏｎ
ｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｏｒｄｉｎａｒｙｄｏｍｅｓｔｉｃｂｒｉｄｇｅｓｙｓｔｅｍｓ＿材料或类型平行钢丝／钢绞线平行钢丝
耐久性类别
Ⅲ
Ⅳ
类别构件斜拉索防振设备主缆
类别构件桥面铺装人行道板支座伸缩缝
材料或类型水泥／沥青砼
耐久性类别
Ⅳ
ⅣⅢⅣⅣ
Ⅳ
Ⅱ
缆索承重桥
鲁耋
锚箱索鞍主塔主拱圈立柱桥墩／台
翥磊丞丝
钢材钢材钢筋衿／钢料石／钢筋砼钢筋砼钢筋砼钢筋砼钢管／钢筋砼平行钢丝／钢绞线钢
：
Ⅱ
Ⅱ
苘
舔复
泄水孔Ｐ、，ｃ／铸铁集水及排水管ＰＶＣ／铸铁栏杆防撞护栏灯柱灯具
扩大基础／沉井
一
Ⅱ或ⅣⅡ或ⅣⅡ或ⅣⅡ或ⅣＩⅡＩ
钢筋砼／钢
ⅡⅡｍ
ⅡⅡⅡⅡⅡ或ⅢⅡⅢⅡ
臀
设
蝗
荔
主
拱桥桥面板主拱肋吊杆系杆
承台桩基
罂
梁桥
霎羹７台嚣鬈篡：
主梁预应力砼
砼桥面板（叠合梁）
３．３桥梁结构及构件设计使用寿命的简化法建议
公式
在相关数据积累和分析的基础上，参考欧洲、美国及日本相关机构在此领域的结论及分析成果，基
国实际情况的桥梁结构及构件的设计使用寿命建议公式如下：
Ｌ＝ＣＬｏ
（１）
式中：Ｌ为桥梁结构或构件的设计使用寿命建议值；Ｃ为修正系数，
于寿命周期成本分析法的相关原理，给出适用于我
万方数据
同济大学学报（自然科学版）
第３８卷
ｆＣ，Ｃ２Ｇｃ４…Ｃ。（针对桥梁整体或
Ｃ＝＿｛永久性构件）
【Ｃ。Ｃ。Ｇｃ５…Ｃ。（针对可更换构件）
Ｃ・，巴，…，Ｃ。为对桥梁结构及构件的使用寿命有影响的记个影响系数，其中：Ｃ。为气候影响系数，Ｇ为桥位小环境系数，Ｇ为养护系数，Ｃ。为重要性系数，Ｃｓ为更换难易系数；Ｌ。为基础设计使用寿命建议值（即Ｃ取１．０时的构件设计使用寿命建议值），具体取值见表２．
３．３．１气候影响系数Ｃ１
对于混凝土构件来说，温度越低，气候越湿润，碳化发牛越慢，则合理的构件设计寿命就越长；对于钢构件来说，温度越低，气候越干燥，表面腐蚀速度越慢，则合理的构件设计寿命就越长．基于上述原理，可将构件的气候影响系数按材质分为两类．文中的Ｌｏ以北温带湿润区为基准，建议气候影响系数取为Ｏ．９～１．１之间．
３．３．２桥位小环境系数ｃ２
环境条件越恶劣，为保证既定寿命花费的成本就越高，则合理的构件设计使用寿命就越短，故桥位小环境系数就越小．基于《混凝土结构耐久性设计与施工指南》Ｌｌｌｊ中环境作用的分类标准，本文中的Ｌｏ以可忽略的环境作用为基准，建议桥位小环境系数取为０．６～１．０之间．３．３．３养护系数Ｃ３
养护措施越先进合理，养护效果就越好，成本就越高，故其预期的使用寿命就越长．将养护条件划分为无养护、简单维护和周期性详尽检查维护三种．本文中的Ｌ。以无养护条件为基准，建议养护系数取为１．０～１．２之间．３．３．４重要性系数Ｃ４
对于不同等级的桥梁，其初始业主成本和重建导致的业主成本及社会成本都随桥梁重要性等级大幅上升，故重要性较高的桥梁及其永久性构件需赋予相应较高的设计使用寿命．同时，由于桥梁并不能脱离其所在的公路系统而发挥作用，其重要性系数的选取也需考虑所在公路系统的重要性．根据《公路桥涵通用设计规范》（ＪＴＧＤ６０－－２００４）１３］，目前我国的桥梁按跨径可分为特大桥、大桥、中桥和小桥四种，以重要性最低的小桥为基准，建议取用１．０～２．０的重要性系数．
３．３．５更换难易系数Ｇ
因为每种桥梁构件的更换难易程度彼此不同，此分类仅针对不同桥梁上的同种构件进行比较．文
万
方数据中的Ｌ。以中等更换难度为基准，建议对于可更换的桥梁构件取用０．８－－－Ｉ．５的重要性系数．取值时应考虑交通量大小、施工难易程度、桥梁重要程度等因素，力图平衡初始业主成本、更换时的业主成本和更换导致的社会成本．
３．３．６基础设计使用寿命建议值
上述各系数的取值和表２中基础设计使用寿命建议值主要考虑了目前桥梁的实际使用寿命和专家意见．其中，永久性构件如主梁、主塔等的设计使用寿命即为桥梁整体的设计使用寿命．表２中设计使用寿命建议值是基于Ｃ＝１．０的条件下给出的，即针对北温带湿润区、可忽略的桥位小环境作用、无养护、重要性系数为１．０的桥梁整体和其永久性构件，或者中等更换难易程度的可更换构件．
表２公路桥梁主要构件设计使用寿命建议值
Ｔａｂ．２
Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｐｒｉｍａｒｙ
ｈｉｇｈｗａｙｂｒｉｄｇｅｓ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ
年
注：表巾“一”表示缺乏这方面的资料数据或者该种上艺刚使用不久，其寿命及耐久性还有待考察，下同．
需要说明的是，影响桥梁构件使用寿命的因素除了上述提到的５个外，还可能有其他影响因素留待以后研究补充．
４桥梁构件设计使用寿命算例
４．１工程概况
第３期陈艾荣，等：桥梁结构构件设计使用寿命的确定
某跨海工程全长３６ｋｍ，双向６车道，由非通航区域的梁式桥和通航区域的缆索承重桥组成．为进行耐久性设计，应在初步设计完成后对该跨海工程进行构件设计使用寿命研究．４．２构件划分及耐久性设置
按照本文３．２节相关研究和该跨海工程构件的特点，对其主桥（北航道桥和南航道桥）和引桥主要构件进行了划分和耐久性设置，见表３．据此采用简化法计算主要构件设计使用寿命，采用直接法计算特殊构件风障的设计使用寿命．
４．３简化法计算主要构件设计使用寿命
查表取得基础设计使用寿命值、气候影响系数、桥位小环境系数、养护系数、重要性系数和更换难易程度系数后，得到Ｌ，的初步计算结果，见表３．根据前面提出的简化法对于构件寿命耦合关系的处理原则，将该跨海工程主桥和引桥永久构件设计使用寿命统一为１２０年；将桥面铺装和伸缩缝设计使用寿命统一，并使防撞护栏设计使用寿命为其倍数；将斜拉索和支
座设计使用寿命定为桥梁整体设计使用寿命的约数．
由此得到该跨海工程主要构件设计使用寿命Ｌ．
表３某跨海工程主要构件设计使用寿命计算表
Ｔａｂ．３
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｈｅｅｔｏｆｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｆｏｒｐｒｉｍａｒｙｍｅｍｂｅｒｓｉｎ
ａ
ｃｅｒｔａｉｎｓｅａ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ
ｐｒｏｊｅｃｔ
桥面铺装支座
附属设施
伸缩缝防撞护栏风障
１５３０１５４０
０．９５
０．８８
Ｏ．８００．８８０．８８
１．２１．２１．２１．２
１．２１．５１．３１．１
１８．１４１．０１９．６
２０
０．９５
Ｏ．９５
４０
２０
０．９５“．１４０
注：特殊构件风障的设计使用寿命见４．４节研究．
４．４直接法计算风障构件设计使用寿命
该跨海工程使用期间将受到多变的海上天气条件的不利因素的影响，行车风安全问题比较突出，故决定在特定位置布设风障来保证行车风安全［１４｜．因为风障不属于常规构件，其基础设计使用寿命无法查表２并由公式（１）计算得出，需要使用直接法对其进行不同寿命方案的寿命周期成本分析以便选择．４．４．１方案介绍
根据所采用障条的不同分为设计使用寿命２０年的方案１和设计使用寿命１５年的方案２．初始建设成本见表４．因为两种方案的风障尺寸、布设方式完全相同，故假定对侧风有完全相同的导流作用，即具有相同的经济效益．
４．４．２方案寿命周期成本计算
根据寿命周期成本分析法，风障寿命方案的寿命周期成本应当是，在设计使用期内因风障寿命方案而产生的所有成本的现值．由此，各风障寿命方案
的寿命周期成本可表示为
ＣＬ＝Ｃｏ＋侠
业主成本；Ｃｓ表示社会成本．
为计算各风障寿命方案的寿命周期成本，以下将逐项计算业主成本和社会成本．
业主成本应包括工程建设阶段的设计、材料购置、安装等费用和后期维护、荤新购置以及由于风障在交通事故中被破坏而需修复的费用（本文暂不考虑）．社会成本则应包括更换风障时因阻碍交通而导致的运输成本增加、货物和旅客时间价值损失、事故人员伤亡损失、事故车辆直接损失和其他车辆延误损失．本文中暂只考虑因阻碍交通而导致的运输成本增加和事故人员死亡损失，且不考虑数据的随机性．由文献［１５］基本数据计算业主成本、社会成本和寿命周期总成本见表４．
由表４可以看出，尽管方案１的寿命周期业主
（２）
式中：Ｃ。表示各设计方案的寿命周期成本；Ｃｏ表示
万方数据
３２２
同济大学学报（自然科学版）
第３８卷
成本高于方案２，但其方案寿命周期总成本小于方案２．根据寿命周期成本最小原则应选择寿命为２０年的方案１．
表４
两种风障寿命方案的寿命周期总成本
Ｔａｂ．４
Ｌｉｆ争ｃｙｅｌｅｃｏｓｔｆｏｒ
ｅｉｔｈｅｒｌｉｆｅｓｃｈｅｍｅｏｆｗｉｎｄ
ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ
ｓｃｒｅｅｎ
万元
５
结语
随着对桥梁结构构件耐久性、经济性的进一步
研究，通过对桥梁结构及构件制定合理的设计使用寿命从而保证桥梁结构寿命期内的经济性也日益得到认可．
（１）对桥梁结构及构件的设计使用寿命确定方法作了框架性研究，提出了两种寿命确定方法并举例说明了其应用．
（２）直接法的结果比简化法更为准确．有必要有条件时应首选直接法，基于寿命周期成本分析法（ＬＣＣＡ）选择寿命周期经济性最优的寿命方案．
（３）基于专家意见对简化法建议公式中几个影响系数及基础使用寿命建议值作了初步的建议，它们的具体取值可以通过桥梁数据库的完善、桥梁及参考文献：
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陈艾荣,王玉倩,阮欣,CHEN Airong,WANG Yuqian,RUAN Xin(同济大学,桥梁工程系,上海,200092)， 吴海军,WU Haijun(重庆交通大学,结构系,重庆,400074)同济大学学报（自然科学版）
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tjdxxb201003001.aspx