【摘要】： 传统的、考虑成桥状态的桥梁设计理念和建管体制是目前桥梁出现耐久性问题、达不到设计使用寿命的关键。为了可持续发展,需要拓展到结构的整个使用寿命期,进行基于全寿命的桥梁设计。本文基于全寿命的思想,对桥梁从规划、设计、施工、使用、养护与维修以及拆除和材料、构件回收再利用的整个生命周期进行了基于全寿命的桥梁设计理论与方法进行了系统研究,建立了基于全寿命的桥梁设计总体框架、流程,并得到了各个设计过程相应的设计方法。本文研究工作主要表现在以下几个方面: 1.根据基于全寿命的桥梁设计的概念内涵,提出将基于全寿命的桥梁设计概括为在包括工程可行性研究、初步设计和施工图设计三个阶段对桥梁使用寿命设计、性能设计、监测、养护与维修设计、美学设计、环境与生态设计和生命周期成本分析六个设计过程的设计。从业主、社会和使用者的需求出发,根据三个阶段对基于全寿命的桥梁设计主要过程的工作内容和目标的分析,建立了一个基于全寿命的桥梁设计总体框架; 2.在对影响桥梁使用寿命的因素分析的基础上,将桥梁使用寿命终结准则分为结构不安全、结构不适用和结构不经济三种。根据现代桥梁使用寿命的目标,通过分析桥梁使用寿命实现途径的方法,提出了基于全寿命的桥梁使用寿命设计总体策略,并建议采用策略A(避免由于侵蚀性环境作用引起的桥梁结构退化)、策略B(选择最优的材料组成和细部构造抵抗结构在设计使用寿命内的退化)和策略C(进行养护、维修以及构件和部件的更换)三种基本策略或其组合以确保桥梁设计使用寿命的实现; 3.将桥梁结构体系分为桥梁、技术体系或模块、构件、细部构造和材料等不同的层次。根据在整个生命周期内各主要构件的养护、维修、更换情况,提出把桥梁构件分为永久构件、需要一般维护构件、需要少量维修或可更换构件和易损构件等类别,以桥梁的设计使用寿命作为基准合理确定桥梁各构件设计使用寿命的使用寿命确定方法。并建议根据桥梁各构件、部件的使用寿命与桥梁设计使用寿命的关系,采用不同的设计策略与方法的组合来设计以确保桥梁设计使用寿命的实现; 4.从桥址处的环境作用出发,根据桥梁构件与侵蚀作用的接触方式,建立了环境作用引起主要侵蚀作用及其程度与桥梁构件需要的耐久性防护水平间的关系,从而为选择适当的耐久性设计策略和防护措施提供依据。并建立了根据桥址处环境作用评估桥梁构件侵蚀程度和需要防护水平及通过退化分析评估和修改耐久性设计方案的耐久性设计流程; 5.根据建立桥梁监测、养护与维修策略的目标和考虑的问题,确定桥梁监测、养护与维修的原则,建立了基于全寿命成本的桥梁监测、养护与维修策略;并从桥梁的监测、养护与维修需求分析出发,通过对桥梁养护与维修方法对结构性能的影响效应分析,确定桥梁监测、养护与维修方法应用的时机、间隔时间及其成本,建立了桥梁监测、养护与维修设计的设计流程; 6.分析了桥梁美学设计的主要内容,建立了基于全寿命的桥梁美学设计评价准则,并提出了相应评价指标,分析了与桥梁美学设计有关的生命周期成本构成,然后建立了基于全寿命的桥梁美学设计流程; 7.通过对传统桥梁设计与桥梁环境生态设计的比较,提出了桥梁环境生态设计的内涵和主要内容;提出通过环境调查、环境影响分析和环境负荷计算,进行桥梁的能源经济设计和环境改善设计的设计思路;通过对桥梁的回收再利用设计原则的分析,从材料和构件角度研究提出了桥梁回收再利用设计方法;通过对桥梁生命周期评估的内涵、评估准则和主要内容的研究,提出了桥梁环境生态设计的评价指标;分析了桥梁建设的环境成本和环境影响,并提出了环境成本和环境影响计算和分析方法,最后在以上分析的基础上,建立了桥梁环境生态设计的设计流程; 8.分析了基于全寿命的桥梁设计涉及的生命周期成本构成,提出把桥梁生命周期成本分为生命周期财务成本和生命周期环境成本,并分别建立了各成本构成的相应计算方法和计算公式;根据不同设计阶段的计算分析需要,提出了三种层次的桥梁生命周期成本分析模型;根据基于全寿命的桥梁设计总体框架,建立了基于全寿命的桥梁设计生命周期成本分析的流程;最后,提出了根据生命周期财务成本最小、生命周期环境成本最小、使用寿命最大、目标性能(安全)水平最大、美观性能最优五个目标进行基于全寿命的桥梁设计方案的多目标优化方法; 9.针对混凝土连续梁桥的特点,根据提出的基于全寿命的桥梁设计过程及其设计方法进行混凝土连续梁桥的设计分析,并编制相应的分析计算程序;通过一座5跨混凝土连续梁桥的设计实例的分析和计算,对基于全寿命的桥梁设计过程在混凝土连续梁桥中的应用和编制的程序进行验证。 【关键词】：基于全寿命的桥梁设计 设计过程 使用寿命设计 性能设计 监测、养护与维修设计 环境生态设计 耐久性设计 退化模型 可靠度 混凝土连续梁桥 钢筋腐蚀 应力腐蚀开裂 Monte-Carlo模拟
【学位授予单位】：同济大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：U442.5
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.066562
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-16
• 符号说明16-24
• 第一章 绪论24-43
• 1.1 桥梁设计理念的发展24-26
• 1.2 基于全寿命的桥梁设计研究现状26-36
• 1.2.1 桥梁使用寿命设计研究概况26-27
• 1.2.2 桥梁性能设计研究概况27-29
• 1.2.3 桥梁监测、养护与维修设计研究概况29-31
• 1.2.4 桥梁美学和环境生态设计研究概况31-33
• 1.2.5 生命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis，LCCA)研究概况33-36
• 1.3 混凝土连续梁桥设计和使用现状36-40
• 1.3.1 混凝土连续梁桥发展概况36
• 1.3.2 混凝土连续梁桥使用现状36-40
• 1.4 本文的主要研究内容40-43
• 第二章 基于全寿命的桥梁设计过程和总体框架43-55
• 2.1 基于全寿命的桥梁设计概念和主要阶段43-48
• 2.1.1 桥梁设计的基本原则和性能要求43-45
• 2.1.2 桥梁性能设计分类45
• 2.1.3 基于全寿命的桥梁设计概念45-47
• 2.1.4 桥梁的生命周期特性47-48
• 2.2 基于全寿命的桥梁设计主要阶段和设计过程48-51
• 2.2.1 基于全寿命的桥梁设计主要阶段48
• 2.2.2 基于全寿命的桥梁设计主要过程48-51
• 2.3 桥梁设计阶段的主要过程和工作51-52
• 2.4 基于全寿命的桥梁设计总体框架52-54
• 2.5 本章小结54-55
• 第三章 桥梁使用寿命规划与设计55-77
• 3.1 桥梁使用寿命的概念和分类55-64
• 3.1.1 几个与寿命有关的概念55-56
• 3.1.2 影响桥梁使用寿命的因素56-57
• 3.1.3 桥梁使用寿命终结准则57-60
• 3.1.4 桥梁使用寿命终结准则的评价指标60-62
• 3.1.5 桥梁使用寿命分类62
• 3.1.6 桥梁使用寿命的确定方法62-64
• 3.2 桥梁使用寿命设计策略和方法64-67
• 3.2.1 桥梁使用寿命设计策略64-65
• 3.2.2 桥梁使用寿命设计方法65-67
• 3.3 桥梁使用寿命设计67-69
• 3.3.1 桥梁体系分级67
• 3.3.2 桥梁构件分类67-68
• 3.3.3 桥梁主要构件的设计方法68-69
• 3.4 桥梁使用寿命设计流程69
• 3.5 桥梁生命周期各阶段的主要任务69-74
• 3.5.1 桥梁使用寿命的规划70-71
• 3.5.2 桥梁使用寿命的初步设计71-73
• 3.5.3 桥梁使用寿命的详细设计73
• 3.5.4 桥梁使用寿命设计的施工确保73-74
• 3.5.5 桥梁使用寿命设计的使用期管理74
• 3.6 本章小结74-77
• 第四章 基于全寿命的桥梁性能设计77-116
• 4.1 桥梁性能设计的主要内容和设计流程77-78
• 4.2 桥梁使用性能设计78-81
• 4.2.1 桥梁用途和功能需求分析79
• 4.2.2 桥梁使用中或未来变化时的灵活性设计79-80
• 4.2.3 桥梁使用安全设计80-81
• 4.2.4 桥梁健康设计81
• 4.3 桥梁安全性能设计81-82
• 4.4 桥梁耐久性设计82-114
• 4.4.1 耐久性的定义、影响因素82-85
• 4.4.2 桥梁耐久性设计与常规设计的异同85-86
• 4.4.3 桥梁的环境作用研究86-90
• 4.4.4 桥梁构件暴露状况评估90-96
• 4.4.6 桥梁耐久性防护水平和防护措施96-100
• 4.4.6 桥梁退化分析和可靠度评估100-112
• 4.4.7 桥梁耐久性设计流程112-114
• 4.5 本章小结114-116
• 第五章 桥梁监测、养护与维修设计116-141
• 5.1 桥梁及其构件的监测、养护与维修需求分析116-121
• 5.1.1 桥梁全寿命退化曲线116-117
• 5.1.2 桥梁性能指标117
• 5.1.3 桥梁技术状况和可靠度退化117-120
• 5.1.4 桥梁临界性能水平120
• 5.1.5 基于全寿命评估的桥梁监测、养护需求分析120-121
• 5.2 桥梁监测、养护与维修策略与方案121-136
• 5.2.1 桥梁监测、养护与维修的目标122
• 5.2.2 建立桥梁监测、养护与维修策略与方案考虑的问题122-123
• 5.2.3 桥梁养护和维修原则123-124
• 5.2.4 基于全寿命成本的桥梁监测、养护与维修策略124
• 5.2.5 桥梁监测、养护与维修方案的确定124-126
• 5.2.6 桥梁监测、养护与维修方法126-130
• 5.2.7 桥梁养护与维修的影响效应130-134
• 5.2.9 桥梁监测、养护与维修的处理过程134-136
• 5.3 桥梁监测、养护与维修设计136-138
• 5.3.1 桥梁监测、养护与维修设计的主要内容136-137
• 5.3.2 基于全寿命成本的桥梁监测、养护与维修设计流程137-138
• 5.4 桥梁可检性、可修性和可换性构造措施138-139
• 5.4.1 桥梁可检性、可修性和可换性原则139
• 5.4.2 桥梁可检性、可修性和可换性构造设计139
• 5.5 本章小结139-141
• 第六章 生命周期桥梁美学设计和环境生态设计141-168
• 6.1 基于全寿命的桥梁美学设计141-149
• 6.1.1 桥梁美学设计的主要内容141-143
• 6.1.2 桥梁美学设计评价准则和指标143-146
• 6.1.3 桥梁美学设计生命周期成本分析146
• 6.1.4 基于全寿命的桥梁美学设计流程146-149
• 6.2 桥梁生命周期环境生态设计149-166
• 6.2.1 桥梁环境生态设计的内涵及主要内容149-152
• 6.2.2 桥梁的能源经济设计和环境改善设计152-155
• 6.2.3 桥梁的回收再利用设计155-160
• 6.2.4 桥梁生命周期环境生态设计的评价准则和指标160-164
• 6.2.5 桥梁生命周期环境成本(影响)分析164
• 6.2.6 桥梁环境生态设计总体流程164-166
• 6.3 本章小结166-168
• 第七章 桥梁生命周期成本分析与多目标设计优化168-184
• 7.1 桥梁生命周期成本分析方法及其主要构成168-177
• 7.1.1 桥梁生命周期成本分析的概念168-169
• 7.1.2 桥梁生命周期成本基本构成169-177
• 7.2 桥梁生命周期成本分析(BLCCA)模型177-180
• 7.2 桥梁生命周期成本分析(BLCCA)流程180-181
• 7.3 桥梁多目标设计优化方法181-182
• 7.4 本章小结182-184
• 第八章 基于全寿命的设计过程在混凝土连续梁桥中的应用184-254
• 8.1 工程可行性研究184-185
• 8.1.1 桥梁建设需求分析184-185
• 8.1.2 桥梁建设的可行性研究185
• 8.1.3 全寿命设计目标确定185
• 8.2 初步设计185-252
• 8.2.1 初拟结构设计方案185-187
• 8.2.2 混凝土连续梁桥使用寿命设计187-190
• 8.2.3 混凝土连续梁桥安全性能设计190-192
• 8.2.4 混凝土连续梁桥耐久性设计192-241
• 8.2.5 混凝土连续梁桥监测、养护与维修设计241-246
• 8.2.6 混凝土连续梁桥生命周期成本分析与设计优化246-252
• 8.3 施工图设计252
• 8.4 本章小结252-254
• 第九章 结论与展望254-258
• 9.1 理论与方法上的进步254-255
• 9.2 实际应用结论255-256
• 9.3 进一步研究的建议256-258
• 参考文献258-284
• 致谢284-285
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果285