橋梁的全壽命設計,源于對橋梁全壽命周期成本(BLCC,bridge life-cycle cost)的關注。橋梁全壽命周期涵蓋了從“規(guī)劃斗設計一施工一運營斗維護—維修—拆除—倒塌”所經歷的全過程,與之相對應,結構全壽命周期成本即為上述各階段耗用費用的總和。從理論上講,運用全壽命周期成本( BLCC)的理念來進行橋梁設計更為科學和合理。但在現(xiàn)實中,“前期建沒成本”和“后期使用維護成本”常常分屬不同的責任人;此外,遠期價值成本估算的復雜性和不確定性,常常使得橋梁的全壽命設計難以真正實施。
損傷容限(damage tolerance)的觀念首先承認任何橋梁皆有初始缺陷,橋梁的后期破壞一不是“由量變到質變”的損傷累積過程。
實際上,橋梁的缺陷來源于材料、加工、制造各個環(huán)節(jié)。拿鋼橋來說,盡管鋼材本身的勻質性相對較好,但焊縫始終是鋼橋的缺陷源;盡管鋼材是線彈性很好的材料,但鋼橋破壞無一不是脆性疲勞斷裂或塑性失穩(wěn)。對于混凝土橋梁,混凝土材料是細觀非勻質材料,在凝結硬化后,在集料與水泥漿的黏結界面上就有細小的微裂紋,橋梁后期發(fā)生的開裂與下?lián)系痊F(xiàn)象,也是在外荷載與環(huán)境作用下這些微裂縫的顯化過程。
為此,在橋梁結構的疲勞、斷裂、損傷演化評估、風險評估等方面已引發(fā)了很多研究,但如何應用于實際橋梁工程還有很多工作要做。
多種極限狀態(tài),從橋梁損傷與倒塌的有關統(tǒng)計與案例來看,橋梁的失效并不總能很好地歸入傳統(tǒng)的“正常使用極限狀態(tài)”與“承載能力極限狀態(tài)”范疇。必須承認,除地震、洪水、船撞等偶然作用外,橋梁在外荷載作用下出現(xiàn)超出“承載能力極限狀態(tài)”而破壞的事例較少,大部分事故的表象雖是外界作用引起,但背后多與耐久性引起的抗力逐漸下降有關。
雖然目前大多數規(guī)范采用的是承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類劃分,且“承載能力極限狀態(tài)”的范疇也可以包括強度、穩(wěn)定和疲勞破壞等檢算內容,但AASHTO橋規(guī)的多種極限狀態(tài)所反映的設計思想更清晰,檢算內容更具體,可能是今后橋梁結構設計理念的發(fā)展方向。
隨著橋梁設計理論和實踐的發(fā)展,人們逐漸認識到橋梁結構的安全與壽命應該用多種極限狀態(tài)來檢驗。用人的健康和生命作一個形象的類比,“使用極限狀態(tài)”好比是檢驗一個人正常工作的邊緣健康指標;“疲勞和斷裂極限狀態(tài)”是考察他在持續(xù)的正常工作強度下,雖產生疲勞和亞健康狀態(tài),但還能堅持工作多久;“強度極限狀態(tài)”是考察他的極限工作能力,以及相對最大潛在能力的安全系數;“極端事件極限狀態(tài)”是考察他在遇到意外事件時的應急能力和成活幾率。
近年來橋梁工程界已對考慮環(huán)境作用、材料蠕變和劣化、反復荷載作用等引起的損傷累積破壞和結構耐久性問題有了深刻的認識,對抗震、抗撞擊設計等有了更多的研究,期盼能夠將多種極限狀態(tài)納入我國橋梁設計規(guī)范。
人類的橋梁建設活動在改變地面交通格局的同時,也在改變自然地貌,并耗費自然資源,因而,橋梁工程師在全球的可持續(xù)發(fā)展議題中有一份不可推卸的責任。在全球化環(huán)境責任意識下,在橋梁規(guī)劃、設計、施工、管養(yǎng)每一個環(huán)節(jié),均應在生態(tài)保護、節(jié)能減排、水土保持、防災減災、新材料開發(fā)、環(huán)境資源綜合利用、廢棄材料再利用等方面有所作為。
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