陳琳++屈文俊++朱鵬

摘要：為延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約成本和資源，提高結(jié)構(gòu)在壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益，基于等耐久性設(shè)計(jì)和全壽命設(shè)計(jì)理念，提出了全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法，指出了其核心研究?jī)?nèi)容，并對(duì)設(shè)計(jì)方法的基本思路、理論框架、設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法具有均衡結(jié)構(gòu)耐久能力、延長(zhǎng)使用壽命、減小全壽命成本的優(yōu)點(diǎn)，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)階段發(fā)揮作用；將全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于成本投入高、使用周期長(zhǎng)的混凝土結(jié)構(gòu)（如橋梁結(jié)構(gòu)），有望帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；全壽命等耐久性設(shè)計(jì)；理論框架；設(shè)計(jì)過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)：TU318.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

早期修建的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在未達(dá)到服役年限時(shí)即出現(xiàn)了嚴(yán)重的耐久性破壞，為了修復(fù)這些結(jié)構(gòu)，投入了大量的人力物力，這些后期費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了結(jié)構(gòu)的初建費(fèi)用。造成這種現(xiàn)象的關(guān)鍵原因之一是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和管理體制，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只關(guān)注結(jié)構(gòu)初建時(shí)刻的性能和費(fèi)用，缺乏服役期性能預(yù)見(jiàn)性[13]，存在后期維護(hù)成本過(guò)高、資源分配不合理等不足，不能滿足結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的需求，調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念是解決這一問(wèn)題比較合理的措施。

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，世界各國(guó)的研究組織開(kāi)始成立特定的工作委員會(huì)來(lái)指導(dǎo)和協(xié)調(diào)混凝土耐久性方面的研究，有關(guān)材料和結(jié)構(gòu)耐久性的國(guó)際會(huì)議開(kāi)始召開(kāi)，耐久性也開(kāi)始作為新增的內(nèi)容編入相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范。經(jīng)驗(yàn)表明，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就考慮到結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，并提前采取措施，可有效地減少后期的修復(fù)費(fèi)用，較大程度地減少資源的浪費(fèi)?？紤]結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題的設(shè)計(jì)方法也成了學(xué)者的研究重點(diǎn)。

為了達(dá)到提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用壽命的目的，一些優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和理念逐漸得到重視，例如等耐久性設(shè)計(jì)方法和全壽命設(shè)計(jì)方法。等耐久性設(shè)計(jì)和全壽命設(shè)計(jì)的理念順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需求，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的耐久性能、使用性能和降低全壽命成本具有積極意義。將全壽命設(shè)計(jì)和等耐久性設(shè)計(jì)相結(jié)合，提出全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法（Life Cycle Equal Durability Design Method，LCEDDM）有助于提高混凝土結(jié)構(gòu)的性能和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。本文對(duì)該方法的設(shè)計(jì)理念、理論框架和設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了分析，重點(diǎn)指出了該方法的主要研究?jī)?nèi)容，提出了該方法的核心內(nèi)容——通過(guò)調(diào)整和規(guī)劃結(jié)構(gòu)模塊與構(gòu)件的耐久性壽命，使得結(jié)構(gòu)中的多個(gè)模塊或構(gòu)件在同一時(shí)刻發(fā)生失效，以節(jié)省由于耐久能力參差不齊而必須采取多次維修措施帶來(lái)的固定成本浪費(fèi)。

1 混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)理念

1.1 構(gòu)件層次

混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)理念的提出源于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性調(diào)查結(jié)果，實(shí)際調(diào)查的混凝土橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，混凝土因鋼筋銹蝕引起的脹裂多發(fā)生在構(gòu)件的角部，耐久性不足首先表現(xiàn)在混凝土截面的角區(qū)。某一角部混凝土的脹裂宣告了該構(gòu)件必須進(jìn)行維修或報(bào)廢，由于多次維修或報(bào)廢產(chǎn)生了較大的維修費(fèi)用及隱性的用戶成本，而此時(shí)混凝土構(gòu)件的其他部位尚未發(fā)生耐久性失效，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。屈文俊等[45]提出了混凝土截面的等耐久性設(shè)計(jì)，即構(gòu)件層次的等耐久性設(shè)計(jì)，其基本思想是采取措施保護(hù)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)角部鋼筋，延緩角部混凝土因銹脹裂，使混凝土截面各邊、角部混凝土因銹脹裂時(shí)間的均值相等。

構(gòu)件層次的等耐久性設(shè)計(jì)建議采取的方法有：在混凝土受拉區(qū)角部設(shè)置涂覆材料[6]、將受拉區(qū)角部鋼筋置換成不銹的FRP筋[7]、受拉區(qū)混凝土采用耐久性良好的RPC混凝土[8]等。這樣做雖然增加了初始建設(shè)成本，但其意義在于延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命，減少結(jié)構(gòu)維修次數(shù)，節(jié)約維修成本。

1.2 結(jié)構(gòu)層次

將混凝土截面等耐久性設(shè)計(jì)的理念擴(kuò)展到混凝土結(jié)構(gòu)層次，就是混凝土結(jié)構(gòu)的等耐久性設(shè)計(jì)?；炷两Y(jié)構(gòu)由不同的構(gòu)件組成，不同構(gòu)件所處的外界環(huán)境不同，受力情況不同，耐久性壽命也不同。結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計(jì)手段主要指采取適當(dāng)?shù)拇胧┦菇Y(jié)構(gòu)各組成部分的耐久性壽命保持基本一致，以達(dá)到推遲結(jié)構(gòu)整體耐久性失效時(shí)間和減小結(jié)構(gòu)全壽命成本的目的。

使耐久能力均衡可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的原因在于：結(jié)構(gòu)的某一部分發(fā)生破壞時(shí)就要進(jìn)行維修或更換，維修或更換的成本中有一部分是與維修規(guī)模無(wú)關(guān)的，即1個(gè)構(gòu)件破壞或者3個(gè)構(gòu)件同時(shí)破壞都必須要支付的一部分成本（如運(yùn)輸成本、機(jī)械使用費(fèi)、環(huán)境用戶成本等），稱(chēng)這部分成本為固定成本，基于這一點(diǎn)的考慮，如果不同構(gòu)件破壞時(shí)間參差不齊，則每次維修或更換都需要支付一次固定成本，如果構(gòu)件都在同一時(shí)刻發(fā)生破壞，則可節(jié)約一部分的固定成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)理念的基本原則為：

（1）耐久壽命分析是基于單獨(dú)構(gòu)件進(jìn)行的，不考慮結(jié)構(gòu)整體的可靠性，因?yàn)榛炷翗?gòu)件耐久性失效后的維修是針對(duì)于單獨(dú)構(gòu)件進(jìn)行的。

（2）不拒絕對(duì)構(gòu)件采取大修措施。

（3）優(yōu)先對(duì)耐久壽命短的構(gòu)件采取預(yù)防性維護(hù)措施，延長(zhǎng)其耐久壽命，使其壽命與長(zhǎng)壽命構(gòu)件的耐久壽命保持基本一致。

（4）對(duì)于多個(gè)達(dá)到耐久壽命的構(gòu)件一同采取大修措施，以降低由于交通耽誤帶來(lái)的用戶成本。2 混凝土結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)方法

近年來(lái)，全壽命設(shè)計(jì)理論與方法的研究已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。全壽命設(shè)計(jì)是從設(shè)計(jì)、管理、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)各個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)尋求恰當(dāng)方法和措施來(lái)滿足結(jié)構(gòu)全壽命周期的總體性能（安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀、生態(tài)等）最優(yōu)的設(shè)計(jì)理念和方法[9]。它將結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)的性能和與之相關(guān)的所有行為（檢測(cè)、維修加固等）都考慮在內(nèi)，其設(shè)計(jì)理念不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的耐久性和使用性能、降低全壽命成本具有現(xiàn)實(shí)意義[10]。

為了把握和應(yīng)用全壽命設(shè)計(jì)理念和方法，各國(guó)多名學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)方法的理論進(jìn)行了研究。Sarja[11]針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)全壽命綜合設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究；馬軍海等[12]研究了橋梁結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)的總體框架；金偉良等[13]研究了工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)的目標(biāo)體系，并建立了工程結(jié)構(gòu)全壽命設(shè)計(jì)理論的研究框架；鐘小平等[14]以混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能為基礎(chǔ)，建立了混凝土結(jié)構(gòu)全壽命性能設(shè)計(jì)的性能體系模型；彭建新等[3，15]建立了基于全壽命成本和性能的混凝土橋梁全壽命設(shè)計(jì)方法；Frangopol等[1618]、Kong等[19]、Van Noortwijk等[2022]、Furuta等[23]、Val等[2425]針對(duì)退化結(jié)構(gòu)的生命成本分析、養(yǎng)護(hù)管理優(yōu)化做了理論研究。3 等耐久性設(shè)計(jì)與全壽命設(shè)計(jì)理念相結(jié)合3.1 基本思路

等耐久性設(shè)計(jì)與全壽命設(shè)計(jì)理念相結(jié)合的基本思路是：首先在等耐久性理念的基礎(chǔ)上對(duì)組成結(jié)構(gòu)各部分的目標(biāo)使用壽命進(jìn)行規(guī)劃；然后對(duì)組成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)（材料、尺寸等）和維護(hù)體系參數(shù)（檢測(cè)作用類(lèi)型和時(shí)間、維護(hù)作用類(lèi)型和時(shí)間）進(jìn)行設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的使用壽命可以達(dá)到目標(biāo)使用壽命的要求。

3.2 核心研究?jī)?nèi)容

將等耐久性設(shè)計(jì)與全壽命設(shè)計(jì)理念相結(jié)合研究的核心內(nèi)容包括耐久性退化過(guò)程研究、基于可靠性的耐久性壽命的分布研究、結(jié)構(gòu)模塊化使用壽命規(guī)劃、耐久性使用壽命設(shè)計(jì)、全壽命成本分析、檢測(cè)/維護(hù)策略研究，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)的性能在壽命周期內(nèi)會(huì)發(fā)生退化的根本原因是耐久性問(wèn)題的存在[26]，構(gòu)件使用壽命的終結(jié)也是由于耐久性問(wèn)題造成的，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件維護(hù)的檢測(cè)和維護(hù)行為主要是針對(duì)耐久性退化而進(jìn)行的?？梢?jiàn)，耐久性的退化過(guò)程是該項(xiàng)研究最基本的內(nèi)容。

影響結(jié)構(gòu)耐久性能的因素包括設(shè)計(jì)、施工、材料、環(huán)境等，使得結(jié)構(gòu)耐久性的退化過(guò)程具有很大的不確定性，耐久性使用壽命也不是一個(gè)確定的量，而是一個(gè)隨機(jī)變量。耐久性使用壽命的分布在一定程度上反映了耐久性的一些特性，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的維護(hù)決策帶來(lái)一定的影響。耐久性使用壽命的分布是該項(xiàng)研究的一個(gè)核心內(nèi)容。

由于結(jié)構(gòu)的各組成部分受到的環(huán)境作用不同，各部分的受力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)材料也存在差異性，因此，各部分的實(shí)際耐久性壽命也不同。為了減少由于多次維修帶來(lái)的相應(yīng)固定成本，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久能力進(jìn)行均衡化處理是有必要的。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性質(zhì)不同，將所有構(gòu)件的耐久性能進(jìn)行均衡設(shè)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的，可行的方案是將同一類(lèi)型的構(gòu)件（同一模塊）耐久性能進(jìn)行均衡設(shè)計(jì)，對(duì)不同類(lèi)型的構(gòu)件（不同模塊間）耐久性壽命進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)模塊化目標(biāo)使用壽命規(guī)劃是該項(xiàng)研究的重要內(nèi)容。

耐久性使用壽命設(shè)計(jì)是該項(xiàng)研究的另一個(gè)核心內(nèi)容，其目的是使混凝土構(gòu)件的耐久性壽命能夠達(dá)到模塊化壽命規(guī)劃的目標(biāo)值，且具有一定的保證率。

為了保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件能達(dá)到規(guī)劃的使用壽命，需要對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件采取適當(dāng)?shù)木S護(hù)措施，維護(hù)措施的實(shí)施又會(huì)對(duì)全壽命成本產(chǎn)生直接的影響，全壽命成本的分析和結(jié)構(gòu)維護(hù)策略的研究是另外2個(gè)核心內(nèi)容，全壽命成本分析的作用是幫助決策者選擇最優(yōu)的耐久性壽命規(guī)劃方案及相應(yīng)的維護(hù)方案。

下面對(duì)每一個(gè)核心內(nèi)容的研究?jī)?nèi)容和方法進(jìn)行較詳細(xì)的論述。

3.3 耐久性退化過(guò)程和壽命分布研究

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的因素主要來(lái)源于4個(gè)方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性質(zhì)、施工質(zhì)量、環(huán)境條件[27]?；炷两Y(jié)構(gòu)由于耐久能力下降會(huì)發(fā)生安全性、使用性和外觀完整性的退化，無(wú)論什么因素引發(fā)的混凝土耐久性退化，其退化表現(xiàn)均是從外觀退化（表面裂縫、表面磨損等）開(kāi)始，進(jìn)而產(chǎn)生更嚴(yán)重的使用性能退化或承載能力下降；當(dāng)外觀完整性退化嚴(yán)重時(shí)，會(huì)給人帶來(lái)嚴(yán)重的不安全感，運(yùn)營(yíng)管理單位會(huì)對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)和加固。因此，混凝土結(jié)構(gòu)由于各種因素引起的外觀退化是耐久性能下降的主要表現(xiàn)形式，有必要進(jìn)行基于外觀退化的耐久性壽命分析。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化的影響因素的不確定性決定了耐久性壽命不是一個(gè)可以確定的量，不能用確定性的理論來(lái)進(jìn)行耐久性壽命的分析，需要采用基于隨機(jī)理論的方法來(lái)進(jìn)行耐久性使用壽命的分析[2829]。耐久性使用壽命分布研究的主要工作和步驟為：

（1）環(huán)境效應(yīng)分析。包括氣候條件（溫度、濕度變化、空氣污染、冰凍、太陽(yáng)輻射）和地質(zhì)條件（地表水組成、氯離子分布情況）以及人為因素（橋面撒鹽、車(chē)輛磨損等）。

（2）耐久性劣化因素和機(jī)理的確定。選擇對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件有主要影響的幾個(gè)劣化因素，研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在這些因素作用下的退化過(guò)程。

（3）耐久性指標(biāo)及耐久性極限狀態(tài)的確定。結(jié)合耐久性退化過(guò)程的分析選擇適合的耐久性指標(biāo)及相應(yīng)的極限狀態(tài)。

（4）耐久性模型的選取。目前對(duì)于多因素共同作用下的耐久性退化規(guī)律的研究不充分，因此，需要確定具有決定性作用的退化因素，選取相應(yīng)的耐久性模型。

（5）建立耐久性壽命隨機(jī)模型。明確耐久性模型中各不確定變量的概率特性，建立耐久性壽命的隨機(jī)模型。

（6）耐久性壽命分析。在隨機(jī)模型下對(duì)耐久性壽命分布進(jìn)行分析。

3.4 模塊化使用壽命規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)等耐久性設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性，需要對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)耐久性壽命進(jìn)行規(guī)劃。通過(guò)改變各模塊的目標(biāo)耐久性壽命值，對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命期內(nèi)各構(gòu)件建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、更換等成本進(jìn)行比較優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)整體在功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面均優(yōu)于未經(jīng)壽命規(guī)劃的結(jié)構(gòu)。

3.4.1 結(jié)構(gòu)模塊化分割

混凝土結(jié)構(gòu)是由相互作用、相互依賴(lài)的若干部分組成的有機(jī)整體，結(jié)構(gòu)合理的模塊化分割是進(jìn)行結(jié)構(gòu)模塊化耐久性壽命規(guī)劃的前提。

由于組成混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)量眾多，功能和重要性各不相同，構(gòu)件類(lèi)型的劃分具有明顯的層次性，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多層次的模塊化分割，形成結(jié)構(gòu)模塊構(gòu)件層次模型，有助于對(duì)同一類(lèi)型構(gòu)件的退化過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一分析，對(duì)構(gòu)件的耐久性壽命進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

首先，結(jié)構(gòu)構(gòu)件按空間、材料、功能等可以劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的一級(jí)模塊，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的典型模塊分割方法如表1所示[11]（暫不考慮設(shè)備等附屬設(shè)施）。

對(duì)于尺寸比較大的結(jié)構(gòu)，如橋梁結(jié)構(gòu)，同一模塊構(gòu)件所受到的局部環(huán)境作用是不同的，例如，上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)梁由于受到橋面的良好遮蔽，一般不會(huì)受到雨水的侵蝕，邊梁則時(shí)常受到風(fēng)吹雨淋以及日照輻射的作用，邊梁和內(nèi)梁的耐久性退化過(guò)程會(huì)有所不同。根據(jù)不同的局部環(huán)境條件可將同一模塊內(nèi)的構(gòu)件劃分為不同的二級(jí)模塊。以梁板橋?yàn)槔K劃分示意如圖2所示。

3.4.2 模塊化耐久性壽命規(guī)劃

由于模塊功能、受力狀態(tài)不同，不同模塊的目標(biāo)使用壽命是不同的。以橋梁結(jié)構(gòu)為例，一般來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)、墩、主梁等的使用壽命被認(rèn)為應(yīng)當(dāng)與結(jié)構(gòu)整體的使用壽命相同，板、路面等被認(rèn)為在使用期內(nèi)可以維修和更換的，其使用壽命可以短于結(jié)構(gòu)整體使用壽命。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的每一次維修或更換，都會(huì)產(chǎn)生一部分固定成本，多次維修不便于實(shí)現(xiàn)降低全壽命成本的目標(biāo)，因此，從降低多次維修帶來(lái)的固定成本的角度上看，實(shí)現(xiàn)模塊間的使用壽命規(guī)劃變得比較重要。

壽命規(guī)劃的宗旨是使多個(gè)構(gòu)件或模塊在同一時(shí)刻發(fā)生失效，一次性對(duì)多個(gè)構(gòu)件或模塊進(jìn)行維修，降低由于失效時(shí)間參差不齊而必須進(jìn)行多次維修產(chǎn)生的固定成本。具體的可執(zhí)行的壽命規(guī)劃方法為（以圖2的模塊劃分為例）：使一級(jí)模塊的壽命值為倍數(shù)關(guān)系[式（1），（2）]，使隸屬于同一一級(jí)模塊的二級(jí)模塊的壽命值相等[式（3）]。

式中：L為模塊壽命值；m，n為正整數(shù)。

在模塊化的壽命規(guī)劃過(guò)程中，需考慮到現(xiàn)今的技術(shù)水平（設(shè)計(jì)水平、維護(hù)水平等），使壽命規(guī)劃方案具備可行性。壽命規(guī)劃后，得到若干可行的壽命規(guī)劃方案，可通過(guò)全壽命成本分析方法來(lái)對(duì)壽命規(guī)劃方案進(jìn)行比選和優(yōu)化。圖3為一級(jí)模塊壽命規(guī)劃示意圖。

3.5.2 耐久性水平

針對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，耐久性水平為其在可能遇到的各種作用下容許破壞的最大程度，是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前應(yīng)該明確的一個(gè)內(nèi)容。

現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，有對(duì)結(jié)構(gòu)安全性水平和使用性水平的描述，如根據(jù)結(jié)構(gòu)失效可能產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度將結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)安全等級(jí)，根據(jù)使用要求將裂縫分為3級(jí)裂縫控制等級(jí)，不同的安全等級(jí)、裂縫控制等級(jí)體現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和使用性的可接受程度。然而，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于耐久性水平?jīng)]有明確的規(guī)定。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響因素和機(jī)理的分析、性能演變過(guò)程的分析和目前結(jié)構(gòu)耐久性研究成果，本文建議將混凝土結(jié)構(gòu)耐久性水平劃分為3級(jí)，見(jiàn)表2。

確定結(jié)構(gòu)的耐久性水平應(yīng)該綜合考慮多個(gè)因素，包括業(yè)主和用戶的要求、結(jié)構(gòu)的重要性程度、風(fēng)險(xiǎn)水平、環(huán)境作用類(lèi)型、結(jié)構(gòu)耐久性退化機(jī)理等。類(lèi)似于結(jié)構(gòu)安全等級(jí)的要求，同一結(jié)構(gòu)內(nèi)的各構(gòu)件宜與結(jié)構(gòu)整體采用相同的耐久性等級(jí)，但允許對(duì)部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整。對(duì)耐久性水平的調(diào)整應(yīng)遵循以下原則：

（1）對(duì)于重要性程度高（主要受力構(gòu)件）、損壞后可能造成較大的人員傷亡或經(jīng)濟(jì)損失的模塊或構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)高其耐久性水平。

（2）對(duì)于受環(huán)境作用比較惡劣的模塊或構(gòu)件，可適當(dāng)調(diào)高其耐久性水平。

（3）對(duì)于不可更換的模塊或構(gòu)件、維修時(shí)難以到達(dá)要求的模塊或構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)高其耐久性水平。

當(dāng)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐久性水平確定后，就對(duì)耐久性設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的耐久性要求，設(shè)計(jì)者可根據(jù)該要求進(jìn)行量化分析和設(shè)計(jì)。

3.5.3 耐久性可靠指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

由于可靠指標(biāo)和失效概率之間具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以耐久性可靠指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)也就反映了構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)耐久性壽命保證率標(biāo)準(zhǔn)。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中尚未納入耐久性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，缺少目標(biāo)耐久性可靠度的標(biāo)準(zhǔn)。目標(biāo)耐久性可靠指標(biāo)的選取應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮失效的不利后果（人員傷亡、環(huán)境影響等）及失效后維修成本的高低。

對(duì)于耐久性失效的極限狀態(tài)也可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)2種，分別對(duì)應(yīng)于由于耐久性能不足而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用情況不良和安全性能下降，相應(yīng)的可靠指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示[3233]。

3.5.4 壽命安全系數(shù)

使用壽命安全系數(shù)和允許失效概率（或目標(biāo)可靠指標(biāo)）有關(guān)，同時(shí)與使用壽命的分布類(lèi)型和變異系數(shù)有關(guān)。使用壽命的變異系數(shù)通常在0.15～0.3之間[34]，當(dāng)環(huán)境荷載的變異性較大時(shí)，引起的使用壽命變異系數(shù)也會(huì)增大。TC 130 CSL委員會(huì)建議在正常使用極限狀態(tài)下壽命安全系數(shù)取1.9～2.5，在承載能力極限狀態(tài)下取2.9～3.3?？紤]到環(huán)境荷載對(duì)使用壽命影響的變異性較大，當(dāng)使用壽命變異系數(shù)為0.3～0.4時(shí)，不同耐久性水平的壽命安全系數(shù)取值見(jiàn)表4，具體取值應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、結(jié)構(gòu)耐久性失效帶來(lái)的損失及耐久性修復(fù)的難易程度綜合確定。

3.6 基于目標(biāo)使用壽命的檢測(cè)/維護(hù)體系設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)使用周期內(nèi)檢測(cè)、維護(hù)行為的作用主要是：①及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷；②將結(jié)構(gòu)的性能維持在一定的水平上；③預(yù)防結(jié)構(gòu)的失效；④延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。當(dāng)結(jié)構(gòu)在荷載、環(huán)境等因素作用下的實(shí)際使用壽命達(dá)不到預(yù)期值時(shí)，檢測(cè)/維護(hù)體系就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命的延長(zhǎng)起到重要的作用。

3.6.1 結(jié)構(gòu)檢測(cè)/維護(hù)作用類(lèi)型

混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)體系包含檢測(cè)（Inspection）和維護(hù)（Maintenance）兩大部分。

結(jié)構(gòu)的檢測(cè)行為包括日常檢查和專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)。日常檢查是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就預(yù)先設(shè)定的對(duì)結(jié)構(gòu)的使用情況進(jìn)行檢查的一種行為，主要以目測(cè)為主；專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)的內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)材料的物理或化學(xué)性能退化程度及原因的測(cè)定，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件開(kāi)裂狀態(tài)的檢測(cè)和評(píng)定，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的測(cè)定和驗(yàn)算等，技術(shù)要求較高，檢測(cè)工作承擔(dān)者需要有相應(yīng)的儀器設(shè)備、試驗(yàn)和分析手段，且具有較深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和判斷結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的豐富經(jīng)驗(yàn)。

檢測(cè)是結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和維護(hù)的前提，對(duì)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)行為進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)有助于提高結(jié)構(gòu)的性能和減少結(jié)構(gòu)的全壽命費(fèi)用[35]。

結(jié)構(gòu)維護(hù)措施類(lèi)型分為預(yù)防性維護(hù)措施（Preventive Maintenance，PM）和維修加固措施（Essential Maintenance， EM）兩大類(lèi)[36]。預(yù)防性維護(hù)措施是指對(duì)混凝土性能退化具有預(yù)防性保護(hù)作用的一類(lèi)措施，如混凝土表面涂層、硅烷浸漬、陰極保護(hù)等，預(yù)防性維護(hù)的作用主要為延緩結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生或降低結(jié)構(gòu)性能的退化速度。維修加固措施是指對(duì)即將失效的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行的大修，如混凝土結(jié)構(gòu)表面修補(bǔ)、構(gòu)件加固、構(gòu)件更換等。

3.6.2 檢測(cè)/維護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)構(gòu)件的初始設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足目標(biāo)使用壽命要求的時(shí)候，需要對(duì)檢測(cè)/維護(hù)體系進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用壽命不是一個(gè)可預(yù)測(cè)的確定值，所以需要進(jìn)行基于目標(biāo)使用壽命的檢測(cè)/維護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)[37]。

維護(hù)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)首先依賴(lài)于檢測(cè)/維護(hù)與壽命成本關(guān)系的研究。合理的規(guī)劃?rùn)z測(cè)行為包括確定檢測(cè)行為的頻率（檢測(cè)時(shí)間間隔）和檢測(cè)行為的精度。檢測(cè)間隔過(guò)短會(huì)增加檢測(cè)成本，間隔過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加結(jié)構(gòu)失效的概率；檢測(cè)精度越高能更及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，但是會(huì)增加檢測(cè)成本，精度越低會(huì)降低檢測(cè)成本，但是會(huì)增加結(jié)構(gòu)失效的概率。同時(shí)，檢測(cè)與維護(hù)行為息息相關(guān)，維護(hù)措施的選擇和檢測(cè)結(jié)果關(guān)系十分密切。維護(hù)作用可延長(zhǎng)壽命，維護(hù)效果越好，維護(hù)成本越高；維護(hù)效果越低，維護(hù)成本越低。檢測(cè)/維護(hù)作用、壽命、成本三者關(guān)系的研究有利于幫助設(shè)計(jì)者和決策者進(jìn)行合理的維護(hù)體系設(shè)計(jì)。

檢測(cè)/維護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括全壽命過(guò)程中檢測(cè)作用時(shí)間、檢測(cè)作用精度、維護(hù)作用類(lèi)型、維護(hù)作用的選擇等[38]。

檢測(cè)/維護(hù)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是多目標(biāo)、多約束的規(guī)劃問(wèn)題，設(shè)計(jì)目標(biāo)包括成本最小化、使用壽命最大化等，性能目標(biāo)和成本目標(biāo)之間存在矛盾和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，性能和成本的綜合優(yōu)化是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。多目標(biāo)維護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)依賴(lài)于多目標(biāo)優(yōu)化算法的研究和應(yīng)用。

3.7 全壽命成本分析

全壽命成本分析是全壽命設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，是設(shè)計(jì)決策的重要依據(jù)[26]，用來(lái)幫助決策者選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案、檢測(cè)/維護(hù)方案。

3.7.1 固定成本和變動(dòng)成本

全壽命成本可以按照全壽命階段劃分為建設(shè)前期成本、建設(shè)期成本、運(yùn)營(yíng)期成本和結(jié)構(gòu)拆除成本；按成本承擔(dān)主體劃分為業(yè)主成本、用戶成本和社會(huì)成本[38]。不論按哪種方式劃分的成本，都包含固定成本和非固定成本。固定成本是與作用措施規(guī)模無(wú)關(guān)的成本，一旦采取措施就必須要投入，若同時(shí)對(duì)2個(gè)或多個(gè)對(duì)象一同采取措施也不會(huì)增加的成本；非固定成本是與作用規(guī)模和作用效果有關(guān)的成本，隨著作用規(guī)模和效果的增減而發(fā)生增減的各項(xiàng)費(fèi)用，一般來(lái)說(shuō)與作用規(guī)模成比例關(guān)系。全壽命成本計(jì)算公式為

C=CF+CV

（7）

式中：C為總費(fèi)用；CF為固定成本部分；CV為變動(dòng)成本部分。

以橋梁結(jié)構(gòu)的一次性維修作用來(lái)說(shuō)明固定成本和非固定成本的概念和組成。對(duì)于單次維修作用，假定維修實(shí)際天數(shù)與維修規(guī)模無(wú)關(guān)，即使要維修多個(gè)構(gòu)件，其維修總天數(shù)與維修1根構(gòu)件是相同的。固定成本中最典型的是運(yùn)輸費(fèi)及封閉道路帶來(lái)的用戶成本、社會(huì)成本等，因?yàn)闊o(wú)論維修1根構(gòu)件和維修多個(gè)構(gòu)件，均需對(duì)道路進(jìn)行相同天數(shù)的封閉或者限行，在這2種情況下，由此產(chǎn)生的用戶成本、社會(huì)成本是相同的，可見(jiàn)，一次性維修多個(gè)構(gòu)件是有利的。非固定成本與維護(hù)作用的規(guī)模（如維修構(gòu)件數(shù)量等）有關(guān)，如材料費(fèi)用、機(jī)械使用費(fèi)、人工費(fèi)等，因?yàn)榧俣偩S修時(shí)間相同，那么在維修多個(gè)構(gòu)件時(shí)必須要同時(shí)使用更多的機(jī)械和人工才能完成維修工作。

固定成本在結(jié)構(gòu)維護(hù)時(shí)是必然存在的，它的存在體現(xiàn)了等耐久性設(shè)計(jì)理念對(duì)減小全壽命成本的貢獻(xiàn)，等耐久性設(shè)計(jì)通過(guò)目標(biāo)使用壽命的規(guī)劃設(shè)計(jì)來(lái)減小全壽命成本中固定成本的部分，然而，它也相應(yīng)帶來(lái)了其他成本的增加，等耐久性設(shè)計(jì)能否帶來(lái)整個(gè)壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性還需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命周期內(nèi)的成本分析。

3.7.2 全壽命成本模型

結(jié)構(gòu)全壽命成本是在全壽命周期內(nèi)所發(fā)生的一切與建設(shè)、維護(hù)、管理、拆除等有關(guān)的費(fèi)用[39]。根據(jù)全壽命成本的概念和構(gòu)成分析，建立結(jié)構(gòu)全壽命成本計(jì)算模型[40]，即

LCC=CI+CIN（T）+CRM（T）+CIN，D（T）+

CM（T）+CF（T）

（8）

式中：LCC為結(jié)構(gòu)全壽命成本；CI為結(jié)構(gòu)初始成本；CIN（T）為結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)的日常檢查成本總和；CRM（T）為結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)的日常養(yǎng)護(hù)成本總和；CIN，D（T）為結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)的專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)成本總和；CM（T）為結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)的維護(hù)成本總和；CF（T）為結(jié)構(gòu)的失效成本；T為分析周期。

全壽命成本分析的合理與否依賴(lài)于各項(xiàng)成本的合理建模和估計(jì)。

3.7.3 全壽命成本分析過(guò)程

全壽命成本分析的過(guò)程主要有以下5個(gè)步驟：

（1）明確分析對(duì)象、比選方案。分析對(duì)象可以是一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，或者結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分，如只針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)；比選方案指可供選擇的耐久性壽命規(guī)劃方案，這些方案必須是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)的。

（2）確定基本的分析參數(shù)。分析參數(shù)包括分析方法（如凈現(xiàn)值法或凈年值法等）、分析周期和折現(xiàn)率等。

（3）確定全壽命成本組成和成本基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。全壽命成本分析的關(guān)鍵步驟、全壽命成本組成和成本數(shù)據(jù)的合理與否直接關(guān)系到全壽命成本分析的結(jié)果。對(duì)于各方案中相同的成本可以適當(dāng)忽略不計(jì)，因?yàn)槿珘勖杀痉治龅哪康氖沁x擇最優(yōu)的方案，而不是確定確切的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。

（4）計(jì)算每種比選方案的全壽命成本現(xiàn)值。全壽命成本中的各項(xiàng)成本必須通過(guò)折現(xiàn)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)值，以便可以對(duì)不同方案做比較。

（5）比較各方案的全壽命成本，選取最優(yōu)的方案。4 全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法

4.1 定 義

全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法在全壽命設(shè)計(jì)方法的某一個(gè)或幾個(gè)環(huán)節(jié)上引入等耐久性設(shè)計(jì)的理念，是對(duì)全壽命設(shè)計(jì)方法的一個(gè)創(chuàng)新。全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法的基本宗旨是均衡優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體的耐久性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性。它可定義為在結(jié)構(gòu)的使用壽命周期內(nèi)尋求恰當(dāng)?shù)拇胧鈨?yōu)化結(jié)構(gòu)整體的耐久性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的方法。

4.2 LCEDDM在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程是將業(yè)主、使用者和社會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的需要轉(zhuǎn)化為技術(shù)性能要求，并建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以滿足這些需求的過(guò)程，設(shè)計(jì)的目的要滿足安全、正常使用、耐久、美觀、經(jīng)濟(jì)等各項(xiàng)要求。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)3個(gè)階段[4145]。工程可行性研究是要對(duì)擬建結(jié)構(gòu)的業(yè)主、使用需求進(jìn)行調(diào)查分析，并根據(jù)其需求的發(fā)展趨勢(shì)，合理確定結(jié)構(gòu)需要滿足的安全性、使用性能、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)；初步設(shè)計(jì)是根據(jù)可行性研究確定的目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、材料選擇、構(gòu)件截面初步設(shè)計(jì)等；施工圖設(shè)計(jì)是在確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，對(duì)構(gòu)件以及細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成具備可行性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法主要在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段發(fā)揮作用（圖4）。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，首先按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，獲得初步設(shè)計(jì)方案；然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化分析，對(duì)組成結(jié)構(gòu)的各組成部分的目標(biāo)使用壽命進(jìn)行規(guī)劃；最后對(duì)初步設(shè)計(jì)方案下各構(gòu)件使用壽命進(jìn)行分析，在目標(biāo)使用壽命下對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行必要的調(diào)整，當(dāng)使用壽命預(yù)期值不能達(dá)到目標(biāo)使用壽命值時(shí)，對(duì)構(gòu)件的檢測(cè)/維護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.4 未來(lái)研究關(guān)鍵問(wèn)題

全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法的研究過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）構(gòu)件目標(biāo)使用壽命設(shè)計(jì)及壽命安全系數(shù)的確定。構(gòu)件目標(biāo)使用壽命需根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)條件及等耐久性原則確定；壽命安全系數(shù)需根據(jù)構(gòu)件重要性程度、耐久性水平、失效后果綜合確定。

（2）基于目標(biāo)使用壽命的檢測(cè)/維護(hù)策略?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法的建立。分析檢測(cè)精度與檢測(cè)成本關(guān)系、維護(hù)作用與使用壽命關(guān)系、維護(hù)作用與維護(hù)成本關(guān)系，建立檢測(cè)/維護(hù)壽命成本綜合關(guān)系模型，為建立基于目標(biāo)使用壽命的檢測(cè)/維護(hù)策略?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法提供基礎(chǔ)；確定設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)，建立基于目標(biāo)使用壽命的檢測(cè)/維護(hù)策略?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法的基本框架；分析多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，解決檢測(cè)/維護(hù)策略?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算問(wèn)題。

（3）全壽命成本分析理論的完善。在固定成本和變動(dòng)成本概念的基礎(chǔ)上，明確2項(xiàng)成本的組成及估計(jì)方法；由于構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的使用壽命是不確定的，需要建立基于不確定性的全壽命成本分析方法。5 結(jié) 語(yǔ)

（1）全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法的基本宗旨是均衡優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體的耐久性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性，其理論研究的核心內(nèi)容包括耐久性退化過(guò)程研究，耐久性壽命的分布研究，結(jié)構(gòu)模塊化使用壽命規(guī)劃，耐久性使用壽命設(shè)計(jì)，全壽命成本分析，檢測(cè)/維護(hù)策略研究。

（2）全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法的基本思路為：首先在等耐久性理念的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)各組成部分的目標(biāo)使用壽命進(jìn)行規(guī)劃；然后對(duì)組成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)和維護(hù)體系參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的使用壽命可以達(dá)到目標(biāo)使用壽命的要求。

（3）對(duì)LCEDDM在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，根據(jù)核心研究?jī)?nèi)容，提出了考慮LCEDDM的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)過(guò)程。

（4）全壽命等耐久性設(shè)計(jì)方法是對(duì)等耐久性設(shè)計(jì)和全壽命設(shè)計(jì)相結(jié)合理論研究的一種探索，其具體的應(yīng)用尚需更多的理論研究作支持。

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