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1国外桥梁设计理念和典型示例介绍---全寿命经济分析、造型设计和组合结构桥梁陈艾荣同济大学桥梁工程系摘要：通过对日本多多罗斜拉桥和丹麦的大海带悬索桥等几座桥梁的造型特点的研究，介绍了使用造型单元设计法、整体造型设计法、拓扑分析等方法如何进行桥梁美的创造；通过对国外几座桥梁所进行的全寿命经济分析，阐述了在桥梁设计和规划阶段进行全寿命经济分析的必要性；通过对一座典型组合结构桥梁的介绍，说明组合结构桥梁的发展和应用。一、概述桥梁作为公共建筑物，是人类根据生活和生产发展的需要，利用所掌握的物质技术手段，在科学规律和美学法则支配下，通过精心设计而创造出的人工构造物，是人文科学与工程技术相结合的产物。桥梁以其实用性、巨大性、固定性、永久性和艺术性极大的影响并改变了人类的生活环境。桥梁的美如何进行创造也是人们关心的问题。和其他构造物有所不同，作为一种结构艺术，实际上桥梁的美是可以通过技术的方式来达到的。目前我国在桥梁建设管理的一些惯例和办法在一定程度上加剧了桥梁工程的病害问题。其中只注重建设初期的成本，而忽视桥梁从规划、建设到运营、破坏整个寿命周期的总体成本。各国桥梁使用实践证明，如果片面追求较低的建造费用而忽视了对结构耐久性的改善，不仅影响运输交通的安全、减少结构使用寿命，同时投入的养护维修费用十分可观，甚至远远超过建造中节省的费用。全寿命经济分析法的基本思想是，在设计施工阶段，不论是事先采取防护措施还是以后“坏了再修”，都要做出经济预算和比较，设计者和承建者要对工程的“全寿命”负责到底，目前，美国已强制实施基建工程管理中的“全寿命经济分析法”（简称LCCA，即LifeCycleCostAnalyze）。组合结构桥梁今年来得到了飞速的发展。法国工程界提出的波折腹板组合箱梁桥，是利用波折钢板抗剪强度大、纵向刚度小的特点，将其设置在腹板，达到减轻结构自重、减少腹板承担预应力的目的。同时从抗弯、抗压的角度来看，使用波折腹板后，顶底板单独受力，减少了干燥收束、徐变、温差的影响，实现了主动控制设计。本文将通过对日本多多罗斜拉桥和丹麦的大海带悬索桥等几座桥梁的造型特点的研究，介绍了使用造型单元设计法、整体造型设计法、拓扑分析等方法如何进行桥梁美的创造；然后通过对国外几座桥梁所进行的全寿命经济分析，阐述在桥梁设计和规划阶段进行全寿命经济分析的必要性和基本原理；最后通过对一座典型组合结构桥梁的介绍，来说明组合结构桥梁的发展和应用。这几个方面的国外经验，无疑是值得我们参考借鉴的。2二、桥梁的造型设计示例2.1造型单元设计法急于基本造型元素的基础上，经过简单的加工（包括加法构成和减法构成）就形成了造型单元。在桥梁造型设计中，以造型单元为基本构件进行组合，从而产生桥梁整体形态。造型单元的选取应当符合结构的要求，并尽量与桥梁的基本构件相统一。确定了几类基本的造型单元，桥梁结构的各个组成构件就可以以这些造型单元为模板，按具体的结构要求进行尺度和比例的变化，并最终构成桥梁结构整体。比如，给桥墩选定一个基本的造型单元，各墩就可将其作为模板进行变化来适应变化了的平、纵线形，满足不同的承载能力和稳定性要求。以造型单元为基本素材可以广泛地应用于各种体系和形式的桥梁造型设计，在强调各主要功能单元的同时更好地实现全桥的统一与协调，降低造型中的盲目性并简化造型设计。图1桥梁造型单元设计法大海带桥突出的是板的概念，可以将一个向上收的板看作是全桥造型设计中的一个重要造型单元，桥塔、边墩以及锚碇都可以看成是以这个板为基本造型单元，考虑各自的结构要求和受力特点进行演变而来的。桥塔可以看作是板件裁切的结果，属减法构成，与扁箱梁形式协调。另外，大海带桥在引桥墩和梁的造型上也突出了板的特点，全桥统一于一个“飘带”的概念:各个部分有相似的风格，又有不同的最终形式，有变化，有统一，从而有机组织在一起。图2大海带桥在多多罗大桥主塔造型确定之后，边跨的桥墩形状设计为了与主塔下塔柱形状相协调，设计成向下收拢的形状；同时中间设空，使其有开放感同时尽量不妨碍视野，即有横梁的V3形墩的形式。另外与多多罗大桥相接的高架桥的桥墩也采用相同的形状。从总体上看，依线形和地势而高低各异的桥墩具有相似的性格，因而有机统一在一起。图3多多罗桥墩2.2整体造型设计法如果说造型单元设计法源于形的加法构成思想，那么桥梁的整体造型设计法即源于形的减法构成思想。整体造型设计法更加强调的是桥梁形式的整体性。在这里，各构件的功能性得到一定的弱化，相互之间没有明显的区分。图4桥梁整体造型设计法2.3利用拓扑分析优化桥梁结构造型拓扑优化的目的就是在单独荷载或多个荷载的作用下，寻求对材料的最佳使用方式，即造型的优化（shapeoptimizationorlayoutoptimization）。对材料的最充分使用在拓扑优化中，代表的是最大刚度的设计。从理论上讲，拓扑优化寻求的是最小挖空率下最小化结构变形能Uc（minimizetheenergyofstructuralcompliance），并以此为目标函数。最小化柔度等价于结构刚度的最大化，故实际上经常是以结构整体刚度和自振频率为目标函数。下图是一个V＝60的例子，其中图a表示载荷和边界条件，图b则以密度云图形式绘制的拓扑结果。图5体积减少60%的拓扑优化示例4图6大海带桥锚碇将拓扑优化的方法应用于桥梁造型的研究中，特别是对于桥塔，锚碇，墩台这些能够强烈的表现出力感，同时又对造型要求很高的构件来讲是非常有意义，也是非常必要的。图7是初步设想的对桥塔进行拓扑优化的示意图，其中图a为塔顶两个荷载的情况，类似典型悬索桥（图c）的情况；图b为塔顶一个集中荷载的情况，类似斜拉桥倒Y型桥塔（图d）的情况。拓扑优化中以不同的挖空率为约束条件，以最大刚度或最大基频为目标，按不同的荷载和约束情况进行分析。需要指出的是，拓扑优化的结果不可能是最终的设计，它还必须经过设计师创造性的工作才有可能应用于成功的桥梁设计。(a)(b)(c)(d)图7桥塔拓扑优化示意3.4利用弯矩特点优化桥梁造型利用弯矩特点优化桥梁整体或主体构件也是桥梁造型设计中常用的方法，但这一方法不能偏激的理解为结构形式应该和弯矩图保持完全一致。对于简支梁的受力特点，人们提出了鱼腹梁的形式。但由于这种结构形式只是对弯矩图的简单模仿，并没有从造型和人性化的角度去加以升华，因而渐渐销声匿迹了。5图8是一个处理比较好的例子，即利用了梁的弯矩特点又使形式上亲切轻快。图8利用弯矩特点设计主梁造型三、进行全寿命周期经济性分析的桥梁示例3.1实桥示例之一——丹麦CFRP人行斜拉桥大跨桥梁在主体结构中经常使用缆索体系来跨越江河，包括各种系杆拱桥、斜拉桥和悬索桥。缆索（拉索或吊杆）一般布置在梁体外部，且处于高应力状态，对锈蚀等外界侵害比较敏感。因此，拉索状态直接关系到桥梁的使用寿命和使用性能，是缆索承重桥梁的生命线。国内近年来先后有多座桥梁的拉索（或吊杆）因为耐久性不足而更换，经济损失巨大。为保证拉索的耐久性，除了加强防护措施外，如能采用耐久性和疲劳性都很优秀的CFRP筋可望从根本上解决这一问题。尽管CFRP桥梁在技术、安全和适用性上是可行的，并且较现有钢材具有一些独特的优势，但是CFRP桥梁要得到进一步发展还必须在经济上具有可行性。需要注意的是科学的经济性评估应是基于桥梁全寿命周期的经济性（包括建设投资、后期运营维护投资等），而不仅限于初始建设费用。图9Herning人行桥1999年9月丹麦建成总长80米的Herning人行斜拉桥(见图9)，该桥宽3.5m，跨越铁路。该桥使用了16根CFRP斜拉索，每根拉索由37根CFRP线组成，公称直径为40mm；一6半的混凝土桥面板使用了直径7.5mm到12.5mm的CFRP筋，另一半采用不锈钢筋和普通钢筋。表1是工程承建方对采用常规方法和应用CFRP筋的经济性比较结果。计算时采用了净现值（NPV－NetPresentValue）计算理论，公式如下：...3,2,1)1()1(NNNirCLrTDCOMCniiiCCNPV（1）式中：NPV为净现值费用；OMCi为第i年的维护费用；TDCi为第i年的交通阻隔等引起的费用；CC为初始建设费用；CL为评估期结束时的资金损失；N1，N2，…为进行维护时的年份；γ为分析时的贴现率。计算中考虑了以下因素：1）普通钢梁的沥青铺装层每25年更换一次，在预期75-100年使用期内更换3次；2）考虑了年贴现率的影响，假定为5％；3）初始建设费用中材料价格等按建设时的实际价格计算。两种桥梁经济性估算比较表2费用项目钢桥CFRP桥CFRP桥（降价后）建设费用662000858000704000更换防护层16400000附加维护165000214000215000总净费用9910001072000919000注：表中货币单位为美元。从上述比较可见，CFRP斜拉桥的初始建设费用较常规斜拉桥高约25％，即使考虑了全寿命周期的经济性，也要较常规斜拉桥高出约10％（这主要是由于当时CFRP材料过于昂贵）；表中第三栏是假定随着CFRP应用的日益广泛及材料制造工艺的进步，CFRP原材料的价格降低50％，这时CFRP桥梁就具有经济性。但如果该桥桥面板不采用CFRP筋，而只将其用于仅承受拉力的斜拉索，那么总体经济性将会有不小的改善。该桥的经济性分析只是一个例子，鉴于不同国家、不同地域桥梁造价的组成差别非常大，因此该结论不具有普遍性，但它从一个侧面揭示了目前制约CFRP桥梁推广应用的主要障碍之一，就是它的造价太高，经济指标较差，特别是只比较初始建设费用时，差别就更加明显。这也是目前CFRP材料在主要用于旧桥加固的一个主要原因。3.2实桥示例之二——美国某桥梁立柱图10是一则对位于海水中受到氯离子侵蚀的边长为60cm的方形柱实施全寿命经济性分析的结果。可以看出，在氯盐环境中的常规混凝土(未采取防护措施)，虽然初建费稍低，但约15年后便开始第一次修复工程，40年内要修复4次，修复费约为初建费的4倍；而采用加钢筋阻锈剂同时掺硅灰的方法，40年内不用修复，虽初建费略有增加，但每年的总费用比未采取防护措施者至少节约7倍，这也正是近年来美国大力推行加钢筋阻锈剂同时掺硅灰的原因所在。7图10不同耐久性防护措施对应的成本分析3.3实桥示例之三——美国某桥梁桥面表3给出了一则利用LACC法对美国华盛顿郡46号公路的一座混凝土桥梁的桥面进行75年寿命期总花费(NetPresentValue)评定结果的相对比较值。其中混凝土未采取防护措施者(空白)为100。可以看出，采用防护措施后虽然初始成本会增加一些，但在寿命期内的后期花费(修复费等)可大大降低。其中最好的防护措施是硅粉加钢筋阻锈剂。采用该措施，在满足寿命期要求的前提下，与未采取防护措施者相比，总花费节约达67％。从寿命的角度来看，如果该桥面以当时的普遍做法建造，13年后将发生钢筋锈蚀；如果使用环氧涂层钢筋，腐蚀则被推迟到25年时；如果采用高性能混凝土，腐蚀开始的时间则被延后到50年；如果这两种措施同时被采用，那么进行第一次较大维修的时间将延长至75年时，桥梁的寿命也得到明显的延长。表3不同防护方案总花费的比较防护措施总花费（相对值）空白100环氧树脂涂层钢筋75镀锌钢筋86耐蚀钢筋83钢筋阻锈剂65硅粉（高性能混凝土）67硅粉＋钢筋阻锈剂33环氧树脂涂层钢筋＋钢筋阻锈剂513.4、实桥示例之四——不同设计策略下全寿命经济性分析示例该例是针对大西洋北部海岸的某座桥梁的钢筋混凝土柱式桥墩，设计要求为50年内受氯离子侵蚀而锈蚀的概率不超过5%。图11示意了钢筋混凝土结构耐久性退化的过程，其中点1和点2代表了结构的正常使用状态，点3是正常使用状态与承载能力极限状态的分界线，点4则代表着结构的毁坏。点1是钢筋开始脱钝化，点2是混凝土保护层开裂，点3代表混凝土保护层剥落，点4则是结构毁坏。保证结构耐久性的4种设计策略：8图11：混凝土桥梁寿命期的重要阶段策略1：采用普通的混凝土、普通的设计及一般的施工方法。容许结构发生腐蚀，当发现严重腐蚀的迹象超过混凝土表面积的5％时