可持续桥梁设计的构成因素

                               
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现如今，可持续桥梁设计变得越来越重要。可持续发展主要涉及三大要素：环境、经济和社会。耐久、可检查性和可修复性是可持续桥梁设计的主要构成因素，并已成为许多桥梁项目设计标准的一部分。桥梁业主和社会将大大受益于耐久且养护需求低的桥梁设计。

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本文将介绍实现可持续桥梁设计的策略，包括以下内容：

1.理解可持续发展的概念

2.选择适当的设计参数

3.精选耐久的建筑材料

4.设计耐久、易检和易修复的桥梁部件

5.提供适当的检修通道

6.实施有效的结构健康监测系统

可持续发展的概念

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可持续发展是一项“满足人类对自然资源、工业产品、能源、食品、运输、住房和有效废物管理需求的同时，保护环境质量和对未来发展至关重要的自然资源基础的挑战。”——《ASCE政策声明418》。

如图1所示，可持续发展涉及三个要素：环境、经济和社会。同时满足这三大要素，即可实现可持续发展。

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图1 可持续发展的三个要素

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表1列出了每个可持续性要素的主要因素和相应的策略。这些因素和策略并非详尽无遗，可根据需要进行扩展或修改。

实现耐久、易检查和易修复的桥梁设计，有助于解决三个可持续性要素中诸多因素方面的问题。例如减少材料和淡水耗减（环境），降低噪音和交通影响（社会），节省最初成本和运营成本（经济）。因此，桥梁设计师和桥梁业主有必要充分了解可持续设计的好处，并为他们的项目设定和制定适当的目标和策略。
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设计参数

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要进行可持续桥梁设计，需要从一开始就选择适当的设计参数，即设计使用寿命、荷载和交通模式。

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设计使用寿命

目前，在国际设计规范中，关于桥梁，特别是大型桥梁的使用寿命的设计有多种定义和选择。以下是一些示例。

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美国州级高速公路和交通部门管理人员协会规范——

设计寿命：瞬态荷载统计性推导的基准期（75年）。

使用寿命：预计桥梁正常运行但不进行大修的期限。该规范不建议任何特定的设计使用寿命。

欧洲规范 & 英国5400桥梁设计规范——

设计使用寿命或设计寿命：结构用于预期目的假设期，这期间进行预期维护但不需要大修。大型桥梁的最短设计使用寿命为120年。

对于大型桥梁结构，在《中国关于加筋结构耐久性的规范》中，要求最短设计使用寿命为100年。

为了实现更优的耐久性，即可持续性，有必要为缆索支承桥选择更长的设计使用寿命，因为这些桥通常为大型桥梁，且需要大量的资金投入。世界上许多缆索承重桥梁，按设计使用寿命为150年或更长的标准进行设计和建造，如表2所示。

此外，事实证明，设计使用寿命为150年或更长的年限是可以实现的。例如，纽约市的布鲁克林大桥、威廉斯堡大桥和曼哈顿大桥，以及费城的本杰明富兰克林大桥，目前已达到的使用寿命分别约为135、115、109和92年。根据缆索、桥塔和锚碇等主要桥梁元件的条件，预计所有这些元件的使用寿命都将超过150年。

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值得注意的是，不同桥梁组件的使用寿命不必相同。主跨的桥基和桥墩、主塔、缆索和缆索锚碇等主要元件，应当能够实现桥梁的目标使用寿命，如150年。吊索、斜拉索、桥面板、上层结构等其他元件都是可更换的，并且可以具有较短的设计使用寿命。例如，吊索和斜拉索的使用寿命可以是50年，混凝土桥面板的使用寿命可以是50—75年，正交异性钢桥面板的使用寿命可以是100年或更长。

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要实现给定的设计使用寿命，则有必要根据环境和设计量化使用寿命。预测使用寿命的两种主要方法是——

1.有限使用寿命法：利用数学劣化模型和概率方法估算桥梁使用寿命。

2.目标使用寿命法：使用试验数据或经验以及专家意见，表明可以实现指定或目标使用寿命的材料和设计。

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应该注意的是，由于难以获得可靠的劣化模型，因此很少使用有限使用寿命法。工程师们通常采用“目标使用寿命”法，因为其应用起来更为简便。

设计荷载

要实现较长的设计使用寿命，则有必要预测在桥梁整个使用寿命期间设计荷载的变化，并选择适当的设计荷载。目前尚无针对较长设计使用寿命（如150年）的各种设计荷载的系统性建议。因此，可能有必要确定针对特定项目的设计荷载。

对于美国现有的许多使用寿命接近或超过100年的大跨度桥梁，最初的均匀设计活载，通常大于当前设计规范或指南中采用的标准。然而，多年以来，卡车变得越来越重，导致大量桥梁疲劳损坏或故障。

因此，需要进一步确定更长（150年以上）使用寿命桥梁的设计荷载。此外，当前采用的、规范规定的抗震和抗风荷载，也需要根据超越数概率进行调整，使桥梁使用期限更长。

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未来的交通模式

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历年以来，交通需求和模式同样多变，最主要的变化有：

1.交通量增加。

2.运输模式的变化，即车辆、通行、骑车者和行人的需求变化。

美国的许多桥梁由于无法适应交通模式的变化而变得“功能退化”，这些桥梁需要更换。因此，重要的是预测未来流量模式的变化，选择能够更好地适应这些变化的结构类型和配置。

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耐久的结构材料

桥梁工程中使用的材料主要包括混凝土、钢筋、结构钢、高强度钢丝和锚固螺栓。以前通常基于成本、强度和刚度来选择材料，而可持续设计需要从更广阔的视角去选择材料。图2所示为针对所有寿命周期阶段的建筑材料的部分可持续性评估标准。这些标准与传统的建筑材料选择标准不同。每个寿命周期阶段，有多个可持续标准，并且每个标准可适用于多个阶段。

图2 建筑材料的寿命周期可持续性标准

混凝土

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可持续混凝土设计旨在找出资源消耗量最小、环境影响最小，且满足强度、耐久性和可加工性要求的混凝土配合比。在设计混凝土配合比时，工程师们应考虑以下措施，不仅可以减少水和水泥的消耗，还可以提高混凝土的耐久性和强度：

1.使用高性能减水剂，降低水/水泥比。

2.选择辅助胶凝材料，如粉煤灰和硅粉。

3.使用品级优良的集料，减少水泥的使用。

4.使用聚丙烯等纤维，控制开裂和增加强度。

钢筋

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由氯化物侵入或混凝土碳化引起的钢筋腐蚀，是钢筋混凝土结构劣化的主要原因。表3比较了在给定参考环境中几种类型钢筋的耐久性和成本：环氧涂层钢筋的性能并不比碳钢钢筋好很多；镀锌和低碳铬钢筋的使用寿命长，初始和生命周期成本较低；不锈钢钢筋的耐久性可能最佳，但它们的初始和生命周期成本也最高。低碳铬钢筋是最近研发的钢筋类型，尚未进行广泛研究。对于其余的钢筋类型，表3中的数据与其他文献中的数据一致。

钢结构

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钢材是使用最广泛的桥梁结构建筑材料之一。影响钢结构使用寿命的主要因素是腐蚀。钢结构的可持续设计包括：

1.选择高回收率的钢产品。

2.使用高性能钢材，减少用钢量。

3.选择更耐久的钢材，如不锈钢和耐候钢。

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高强度钢丝

悬索桥中的缆索和吊索大多由高强度钢丝制成。钢丝腐蚀和氢脆是限制其使用寿命的主要因素。缆索和吊索安装完成后，将难以对钢丝进行检查。为提高缆索和吊索的耐久性，建议采取以下措施：

1.在制造过程中更好地控制质量，减少在氢气中的暴露机会和初始缺陷。

2.使用更大的卷筒，减少钢丝拉直后内弧面的拉应力。

3.指定更耐久的涂层，例如锌铝复合涂层（例如Galfan涂层）。

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高强度锚固螺栓或锚杆

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高强度锚固螺栓或锚杆通常处于潮湿环境中，因此在张紧后它们易出现严重腐蚀和氢脆。但是，更换这些锚固螺栓或锚杆通常都极为困难且成本较高。为了克服这些问题，建议：

1.使用高韧性钢材料。

2.优化制造技术，避免氢脆。

3.采取保护措施，使其不受相关因素的影响。

4.如有可能，请使用不锈钢锚固螺栓。

耐久设计细节

除了选择可持续材料外，完善耐久设计的细节也非常重要。本文介绍了主缆索、眼杆、缆索锚碇、吊索、索塔、正交异性混凝土和钢桥面板、上部结构和桥面板接缝等主要桥梁元件的典型性能和推荐的解决措施。

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主缆索

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主缆索的常见问题是缆索腐蚀、开裂和断裂。此外，恒载或活载的增加将进一步降低其安全系数。为了提高主缆索的耐久性，建议：

1.对高强度缆索进行严格的质量控制试验，尤其要检测氢含量。

2.安装缆索和锚固除湿系统。

3.积极研究加强原有主缆索的可行性。

4.在塔顶和锚碇上预留额外空间，以便安装更多的辅助缆索。

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眼杆

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吊杆是吊索系统的主要元件。由于渗漏水的原因，锚碇内的空气往往非常潮湿，且眼杆和混凝土之间的接触面通常也是潮湿的。因此，眼杆中通常会出现严重腐蚀和截面损失问题。为了克服这些问题，建议：

1.安装可与主缆索除湿系统集成一体的眼杆除湿系统。

2.研究为锚碇内钢绞缆索提供备用锚固的可行性。

3.使用高强度预应力钢绞线代替眼杆，并用柔性填料填充管道，以便更换。

4.安装备用管道，以便今后安装备用钢绞线。

缆索锚碇

主缆索的锚碇通常由采用相对轻质的钢筋加固的大体积混凝土结构制成。锚碇的常见缺陷有：表面龟裂；碱二氧化硅反应（ASR）；基础沉降不均匀可能造成的结构性裂缝。为了提高锚碇的耐久性，我们可以：

1.规定采用更厚的混凝土保护层。

2.使用镀锌钢筋作为外层钢筋。

3.选择更耐久的混凝土配合比设计。

4.在施工缝处放置足够数量的镀锌钢筋。

5.采取更好的温度控制和抗裂措施。

吊索

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吊索的主要性能问题是，吊索下端的钢索和套筒接触处的腐蚀。用临时吊索更换吊索耗费极高，并且/或者通常需要顶升框架。为了提高吊索的耐久性，并降低吊索的更换成本，可采取以下措施：

1.提升钢索与套筒接触处的位置，使其高于低处积水点。

2.使用螺纹套筒的外部螺母承压。在拆卸过程中，可以转动螺母以调节吊索力或卸下吊索。

3.在一个节点安装两个吊索，以便在没有临时支撑的情况下逐个更换吊索。

图3 推荐的吊索套筒连接

混凝土桥面板

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缆索支承桥梁或一些跨度较短的斜拉桥的引桥，采用的是混凝土桥面板。混凝土桥面板的常见问题是，氯化物渗入导致的钢筋腐蚀、混凝土开裂和剥落。在美国，混凝土桥面板维修或更换是最常见的维修工作。为了最大限度地减少性能问题，可以采取以下措施，如图4所示。

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图4 针对混凝土桥面板推荐的耐久性措施

1.在沥青覆盖层和混凝土桥面板之间铺置防水膜。

2.增加顶部混凝土保护层并添加不锈钢丝网。

3.使用镀锌或不锈钢筋。

4.研发更耐久的混凝土配合比。

5.提供适当的桥面板排水系统，例如使用至少2%的横坡。

6.使用预制桥面板，提高制造质量。

正交异性钢桥面板

由于重量轻和强度高,正交异性钢桥面板(SOD)(图5)通常用于缆索支承桥梁。但在许多正交异性钢桥面板的不同位置均观测到疲劳裂纹。SOD的最佳实践包括：

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图5 闭口肋和开口肋正交异性钢桥面板

1.选择较厚的桥面板，例如20mm，以达到更好的疲劳和覆盖性能。

2.采用大半径，以便在纵肋和隔板之间平稳过渡。

3.考虑或选择开口肋，便于检查和维修。

4.在制造和安装SOD期间，更好地进行质量控制。

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主塔

缆索承重桥梁的主塔也是主要承载构件，并且需要具有与桥梁相同的寿命。混凝土索塔的常见问题是钢筋腐蚀及混凝土开裂和剥落；钢索塔的常见问题是钢材腐蚀。为了提高主塔的耐久性，可采取以下措施：

1.选择耐久的混凝土配合比设计和钢筋。

2.增加飞溅区混凝土保护层的厚度，并在保护层上铺设一层不锈钢丝网，类似于图4所示混凝土桥面板中的不锈钢丝网。

3.提供更好的排水设置及钢塔密封。

4.考虑在钢塔内采取除湿措施。

上部结构

缆索支承桥梁的上部结构主要由钢桁架或箱体制成。其常见问题是腐蚀和疲劳损坏。为了克服这些问题，建议：

1.设计适当的桥面板排水系统，例如设置一个超过2%的横坡，并将水排到上部结构之下。

2.在外表面涂覆耐久的防腐涂料。

3.在钢箱梁内安装除湿系统。

4.遵循本文针对正交异性钢桥面板提出的建议，解决疲劳问题。

桥面板接缝

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缆索支承桥梁主要采用两种类型的桥面板接缝：索塔伸缩缝和每个跨度内的桥面板卸载接缝。通常，这些桥面板接缝的使用寿命有限且维护不便。通过劣化的桥面板接缝渗入的异物，会导致下面的混凝土和钢结构腐蚀损坏。为了克服这个问题，建议：

1.选择更耐久的桥面板接缝类型，例如用于桥面板卸载接缝和索塔与锚碇处组装接缝的密封条。

2.对桥面板接缝内的钢构件采取镀锌处理。

3.提高施工质量，确保满足安装公差；建议在车间进行预装配。

4.设计和建造一个无接缝桥面板，如图6所示。

5.使上部结构跨过索塔，取消伸缩缝。

图6 美国费城沃尔特惠特曼大桥上的无接缝“浮动”桥面板

适当的检修通道

提供适当的检修通道，对于实现桥梁的耐久性和可持续性至关重要。如果没有适当的通道，则会影响检修频次和质量，并大大增加成本。图7为适当检修通道的良好范例，图中检修通道位于美国巴里准将大桥（Commodore Barry Bridge）的引桥桁架跨度中。

图7 美国费城巴里准将大桥的检修通道

不同的桥梁元件需要特定类型的检修通道。例如，混凝土索塔的外表面可能需要钢索通道，钢箱梁内部可以使用载人检查载具。也可使用无人机等创新技术作为额外的检查方法。

有效的结构健康监测系统

提及检查和养护，人们会不可避免地讨论结构健康监测。目前的结构健康监测中采用了多种传感器。为每个项目选择适当的传感器非常重要。表4所示为建议悬索桥使用的健康监测系统。结构健康监测系统应侧重于特定桥梁的需求，并且是精益监测系统。否则，系统能够生成大量数据却不能全面分析，就失去了实用价值。

应当注意的是，目前仍然缺乏对所收集数据的分析。娴熟的专业技术知识和先进的分析技能，对于从所收集数据中提取有用信息至关重要。

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耐久性设计的价值

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本文首先介绍了可持续发展的概念及其三大要素：环境、经济和社会。然后重点介绍了可持续性的耐久性因素。为了实现耐久性，需要采取以下措施：

1.建立可实现的设计使用寿命目标。事实证明，大型桥梁可以实现150年的使用寿命。

2.确定与更长使用寿命兼容的设计荷载，并预测未来交通模式的变化，使桥梁在其设计使用寿命期间能够正常运行。

3.研发或选择适用于不同桥梁部件的耐久性更好的材料。例如，使用辅助胶凝材料，包括混凝土混合物中的粉煤灰和硅粉，用镀锌或不锈钢筋代替黑色钢筋。

4.从过去的经验中学习，设计耐久、易检和易修复的桥梁部件。

5.提供适当的检修通道。

6.实施有效的结构健康监测系统。

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研究还发现，提高耐久性不仅可以改善经济因素，还有利于环境和社会。例如，使用粉煤灰或硅粉，不仅可以使混凝土更耐久且降低其生命周期成本，而且还能减少水泥生产中的能源消耗，进而使环境得以明显改善。减少养护和维修频次，将最大限度地减少对交通的影响。

桥梁业主和社会将大大受益于耐久且低养护需求的桥梁设计。

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资料很好，值得学习，谢谢分享。