當(dāng)一座橋還只是模型中的一條線，此時的決策就可能確定了它是否長壽，是否無災(zāi)無難。Lisa Russell就如何設(shè)計和確保橋梁長壽命與橋梁工程師開展了討論。

　　世界上并無神奇之法，能確保橋梁壽命達(dá)到一個世紀(jì)甚至更多；在橋梁的設(shè)計、建造、運(yùn)營的路上，無數(shù)的選項，可能顯著延長壽命，也可能相反。然而，橋梁的命運(yùn)在設(shè)計階段就已經(jīng)確定。

　　蘇格蘭交通廳首席橋梁工程師哈澤爾·麥克唐納說，在設(shè)計階段和特別階段的決策可能會對橋梁的壽命產(chǎn)生巨大影響。結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系、材料類型和質(zhì)量選擇，以及伸縮縫設(shè)置和類型選擇，以及排水管理，這些方面可以延長或縮短壽命。它們還會影響將來是否便于維護(hù)，以確保使用壽命。

　　“你能做的最重要的事情之一，就是從第一天就有一個高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范，并策劃運(yùn)營和維護(hù)，”丹麥道路理事會（Vejdirektoratet）結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)理芭芭拉·麥考利(Barbara MacAulay)說；提前做總是比事后再做要更好、更便宜。她說：“對我們來說，一份好的說明書非常重要，不僅要有空洞的文字，而且要有詳細(xì)的說明，要有圖紙和說明，來顯示出零件將來如何更換等細(xì)節(jié)。”適應(yīng)性設(shè)計是未來預(yù)防的方法之一，WSP土木、橋梁和地面工程主管史蒂夫丹頓(Steve Denton)表示，盡管有一些可以合理預(yù)見的變化，但也有一些變化將在未來100年內(nèi)發(fā)生，但現(xiàn)在真的很難預(yù)測。現(xiàn)在設(shè)計一個結(jié)構(gòu)的工程師可以考慮，如果將來有必要，可以做些什么來讓加固變得更容易。

　　長壽命設(shè)計的一個關(guān)鍵方面是要從維護(hù)和耐久性的角度來考慮設(shè)計，而不僅僅是從應(yīng)力和力的角度來考慮。Cowi執(zhí)行董事戴維麥肯齊（David MacKenzie）表示，這涉及到對挑戰(zhàn)進(jìn)行更橫向、全面的思考。他注意到，尤其需要考慮到構(gòu)件的劣化，但是規(guī)范并沒有考慮到構(gòu)件的劣化。他說，構(gòu)件會有一定程度的惡化，特別是如果這座橋沒有得到適當(dāng)?shù)木S護(hù)，這可能會威脅到這座橋的壽命。蘇格蘭交通雇主對新結(jié)構(gòu)的要求已經(jīng)演變，必須反映廣泛的各種橋梁的運(yùn)營經(jīng)驗。蘇格蘭的麥克唐納說，它們涵蓋了在過去30年左右的時間里所建的橋梁，哪些做得好，哪些做得不好。

　　奧雅納全球橋梁設(shè)計的領(lǐng)導(dǎo)者納伊姆·侯賽因評論說，實(shí)現(xiàn)長壽命不僅僅是設(shè)計的計算方面。這也意味著獲得正確的材料，這涉及到對工地現(xiàn)場的全面了解。必須了解地理條件、環(huán)境、土壤性質(zhì)等，以確定諸如混凝土配合比的設(shè)計、鋼的類型、是否應(yīng)使用復(fù)合材料等方面。

　　阿特金斯公司的技術(shù)總監(jiān)兼橋梁工程負(fù)責(zé)人克里斯·亨迪(Chris Hendy)說，概念設(shè)計是任何項目中最關(guān)鍵的階段，它為結(jié)構(gòu)確定了基調(diào)。他補(bǔ)充說，很難在后續(xù)階段進(jìn)行可維護(hù)性改造。然而，在這個階段，資金通常很少到位。做概念設(shè)計的應(yīng)該是最好的工程師，但在這個階段，行業(yè)有時會陷入將工作委派給更多初級工程師的陷阱。他表示，客戶應(yīng)努力為概念階段提供更多資金。“我理解概念階段的挑戰(zhàn)，但業(yè)主不知道會不會有一個項目，”他表示。但不這樣做，在經(jīng)濟(jì)性方面是錯誤的。

　　關(guān)注細(xì)節(jié)

　　蘇格蘭的麥克唐納說，橋梁業(yè)主和管理者擁有豐富的知識，可以影響新橋梁的壽命。他們了解當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的材料的質(zhì)量和性能，以及之前的結(jié)構(gòu)和材料的性能。這有助于明確新結(jié)構(gòu)的規(guī)范和要求，以解決材料和環(huán)境退化方面的任何已知的潛在問題。

　　蘇格蘭交通廳橋梁部門負(fù)責(zé)管理和維護(hù)超過2000座橋梁。該部門每年亦會受委托更換數(shù)座橋梁，并為負(fù)責(zé)大型工程的部門提供指引，例如福斯三橋及多個高速公路結(jié)構(gòu)的擴(kuò)建計劃。麥克唐納說：“我們就如何檢查和維護(hù)它們，以及我們希望在設(shè)計中看到的東西提出了自己的看法。”

　　例如，確保福斯三橋的使用壽命，涉及多項因素，例如混凝土和鋼材的質(zhì)量、規(guī)范、監(jiān)控要求、油漆工程、檢修通道設(shè)施，以及在有需要時可更換斜拉索。

　　她說，所有這些都在設(shè)計中考慮到了。許多問題也可以擴(kuò)展到更小的項目。

　　需要仔細(xì)考慮結(jié)構(gòu)形式，例如盡量減少接縫，避免采用難以檢查的隱藏關(guān)鍵部件，盡量減少橋墩受到?jīng)_刷或沖擊的可能性。設(shè)計需要包括堅固和易于維護(hù)的水管理制度，具有諸如滲漏檢查和排水等功能。還需要有良好的檢查和維護(hù)通道。麥克唐納說:“人們現(xiàn)在更多地考慮的是能看到什么，而不是不能看到什么。”

　　不易到達(dá)檢查意味著你檢查的能力降低了，因此你在不足變成缺陷之前看到它們的可能性大大降低了，Cowi的MacKenzie指出。他補(bǔ)充道，你不可能在不考慮檢查通道（入口）的情況下設(shè)計一座橋。如果你事先想到了，它通常只是圖紙上的一條線，很容易在一開始就設(shè)置它，但之后就很難糾正了。

　　阿特金斯公司的Hendy說，規(guī)范只告訴人們檢查構(gòu)件強(qiáng)度，但并不特別關(guān)注哪些構(gòu)造細(xì)節(jié)是耐用的。為了便于施工，構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計也很重要。他表示：“我們知道，如果建造起來很困難，就會出現(xiàn)更多問題。”

　　一種被認(rèn)為是令人滿意的方法被廣泛使用，例如，規(guī)范給出了特定暴露環(huán)境類型所需的混凝土保護(hù)層厚度。

　　現(xiàn)在有一種基于可靠性的方法，從考慮結(jié)構(gòu)的真正關(guān)鍵部分開始?？赡軙须y以修復(fù)的飛濺區(qū)，或難以到達(dá)的、朝上的表面，在那里可能會有融雪鹽。Hendy說，有些區(qū)域可能需要額外的防護(hù)措施，例如，增加混凝土保護(hù)層厚度、水泥替代品、緩蝕劑、額外表面涂層或優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化鋼筋，如不銹鋼鋼筋。這涉及到為了考慮橋梁所在地的挑戰(zhàn)，改變以往一刀切的做法。

　　阿特金斯采用了這種方法，包括橋臺使用不銹鋼鋼筋加固。業(yè)主越來越能接受在行人天橋上采用不銹鋼拉桿桿件。Hendy也鼓勵在環(huán)境不太惡劣的情況下更多地使用耐候鋼。我們在鐵路道口大量使用耐候鋼，因為未來的維護(hù)是不可能的，它消除了涂裝的需要。

　　利用經(jīng)驗

　　在大多數(shù)情況下，水可能是一種無害的物質(zhì)，但它可能是一座橋梁實(shí)現(xiàn)長期使用壽命的最大障礙之一，正如許多業(yè)主從痛苦的經(jīng)驗中了解到的那樣。Hendy說，我們遇到的大多數(shù)問題，無論是鋼橋還是混凝土橋，都與鋼的腐蝕有關(guān)。

　　如何讓水遠(yuǎn)離脆弱區(qū)域的知識，來自于看到橋梁如何運(yùn)營；這種理解需要傳遞回送給設(shè)計團(tuán)隊，以便他們能夠理解問題。“這就是為什么我認(rèn)為參與結(jié)構(gòu)維護(hù)的工程師能夠和設(shè)計師交談是非常重要的，他們直接成為設(shè)計師是更好方法。” Cowi的麥肯齊說，不要出現(xiàn)“豎井”。“同時參與這兩個方面，可以讓您了解什么地方可能出錯，在沒有檢查通道或者無法拆除或替換構(gòu)件的情況下的嘗試是多么令人沮喪。” 在Cowi，有一個統(tǒng)一的橋梁部門，所有的人都參與其中——維護(hù)、監(jiān)控、維修和新設(shè)計。

　　WSP還希望員工在工作類型之間保持平衡，丹頓（Denton）表示：“我非常鼓勵的一件事是，工程師可以在設(shè)計項目、資產(chǎn)管理項目、咨詢、研究和標(biāo)準(zhǔn)項目中獲得工作經(jīng)驗。” 我認(rèn)為如果你在其他領(lǐng)域也有經(jīng)驗，你會做得更好。

　　今天的數(shù)字工具也可以通過共享知識來幫助延長壽命。丹頓（Denton）說，現(xiàn)在確實(shí)有很多機(jī)會來構(gòu)建性能最佳的構(gòu)造細(xì)節(jié)庫，并確保我們正在使用它們。這是我們行業(yè)的本質(zhì)，隨著時間的推移，經(jīng)驗可能會丟失。擁有真正好的數(shù)字存儲庫可能非常有用。
 

　　丹麥新Storstrm橋

　　鋼橋集團(tuán)（Steel Bridge Group）、Ciria和FIB等組織為鋼橋或混凝土橋提供了廣泛的指導(dǎo)。但并不是所有的指導(dǎo)都為業(yè)界所熟知。Hendy是鋼橋集團(tuán)的主席，他說：“問題可能來自于缺乏意識和年輕人在緊張的時間壓力下工作，而不是在正確的監(jiān)督下?？梢哉液芏嘟杩?，但在我看來，這些借口都是可以解決的。承包商也可以參與其中。”他說，“有些承包商很擅長提供關(guān)于可施工性的反饋，有些則不太擅長。”

　　在規(guī)范之外確定因素——Storstrm橋

　　這座即將成為丹麥第三長的橋梁的正在建設(shè)中。4公里的Storstrm橋（丹麥語Storstrmsbroen）將通過Masned連接Zealand島和Falster，公路和鐵路合建，同時布置了人行道和自行車道。它的2個160米長的通航孔位于獨(dú)塔斜拉橋的兩側(cè)，塔高100米高。該橋采用設(shè)計施工（DB）合同，由Itinera, Condotte和Grandi Livori Fincosit組成的SBJV聯(lián)合體承擔(dān)。詳細(xì)設(shè)計由SBJV的顧問de Miranda Associati工作室進(jìn)行，由Vejdirektoratet（丹麥道路理事會）的咨詢團(tuán)隊進(jìn)行定義設(shè)計，咨詢團(tuán)隊包括Cowi和Dissing+Weitling。

　　Vejdirektoratet的項目團(tuán)隊已經(jīng)花了相當(dāng)多的時間與它的咨詢團(tuán)隊研究規(guī)范。這包括聽取進(jìn)行檢查和維修的人員的意見，以便了解其他結(jié)構(gòu)的困難之處以及今后如何避免同樣的問題。

　　關(guān)于設(shè)計基本要求的一份文件詳細(xì)闡述了橋梁的要求，從幾何約束到荷載。設(shè)計壽命為120年，包括主梁、橋墩、橋塔和橋臺等所有永久性部分。設(shè)計基本要求中明確，由于現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確規(guī)定達(dá)到120年設(shè)計壽命的方法，因此，這座橋的設(shè)計遵循了現(xiàn)有的方法，實(shí)現(xiàn)了100年的設(shè)計壽命，附加設(shè)計和維護(hù)條款將其延長到120年，例如采用了額外的混凝土保護(hù)層。

　　文件規(guī)定了表面和可更換部件(包括斜拉索)的最低設(shè)計壽命。斜拉索在部分更換前預(yù)計可使用75年，防水可使用50年；毫不奇怪，用于監(jiān)控系統(tǒng)的計算機(jī)的設(shè)計壽命要短得多，只有10年。麥考利說，重要的是要現(xiàn)實(shí)。她說，昂貴或很難更換的東西必須有很長的設(shè)計壽命。

　　如果貨運(yùn)或客運(yùn)列車脫軌，橋梁還必須能夠承受大量斜拉索的斷裂。麥考利說：“我們不希望火車出軌時，結(jié)構(gòu)受到損害。”這也意味著，如果有必要的話，斜拉索可以更換。

　　Vejdirektoratet還對混凝土規(guī)范等方面非常感興趣。我們在道路上用除冰鹽，而Storstrm大橋位于海中，麥考利指出，這座橋必須能夠應(yīng)對這些條件以及可能出現(xiàn)的惡劣天氣。工程特別規(guī)范載于一套約80份文件內(nèi)，涵蓋斜拉索、支座、預(yù)制節(jié)段梁、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)察系統(tǒng)及防水等方面的規(guī)定。

　　設(shè)計壽命方法

　　奧雅納公司的侯賽因說，使用“設(shè)計壽命”這一單一術(shù)語是用詞不當(dāng)，因為橋梁不同部分的設(shè)計壽命會有所不同。他認(rèn)為，接受這一點(diǎn)會導(dǎo)致人們重新思考橋梁的設(shè)計方式。顯然，有些部分是不能改變的，例如基礎(chǔ)，可能應(yīng)考慮設(shè)計壽命長達(dá)幾百年，這需要探索。在設(shè)計懸索時，可以考慮最終會更換。這可能包括在拆除舊主纜之前，為安裝新主纜做準(zhǔn)備，從一開始就建造可以容納兩倍數(shù)量主纜的錨固處，并調(diào)整主塔設(shè)計，讓新舊主纜可以同時臨時就位。另一方面，侯賽因認(rèn)為，用了100到120年之后，在附近建一座新橋可能會更便宜。因為100年之后，復(fù)合材料的使用可能會很普遍，更堅固的鋼和混凝土的成本可能會降低。

　　他說，歐洲人的橋梁設(shè)計壽命一般都在100年以上，而美國人的橋梁設(shè)計壽命一般只有75年。但這種情況正在改變。人們越來越認(rèn)識到，橋梁不可能如此頻繁地更換。侯賽因說，美國開始采用歐洲的方法。

　　延長塞繆爾·德·尚普蘭橋設(shè)計壽命

　　加拿大的標(biāo)準(zhǔn)橋梁設(shè)計壽命為75年，但加拿大基礎(chǔ)設(shè)施選擇了更長的壽命來設(shè)計新尚普蘭大橋。新薩繆爾·德·尚普蘭大橋上所有不可更換的部件都需要125年的使用壽命。

　　加拿大基礎(chǔ)設(shè)施的薩繆爾·德·尚普蘭大橋通道的總工程師蓋伊·梅奧特（Guy Mailhot）說：“總的來說，如果你要考慮耐久性，你必須從三個方面考慮：設(shè)計、施工、運(yùn)營和維護(hù)。” 規(guī)定和基于性能的要求都包括在項目協(xié)議中，涉及到設(shè)計、施工和運(yùn)營。

　　Mailhot說：“我們和我們的工程師奧雅納一起研究了橋梁的各種構(gòu)件的使用壽命要求，我們把它們分為不可更換構(gòu)件和可更換構(gòu)件。”無法更換的構(gòu)件要求使用壽命為125年。這包括樁、墩、支座、橋臺和主跨塔，以及橋面板。

　　Mailhot說，當(dāng)你指定125年的壽命時，它會迫使你以不同的方式思考。該橋被視為生命線結(jié)構(gòu)，因此其抗震性能是性能要求的重中之重。風(fēng)工程也在設(shè)計中發(fā)揮了重要的作用，并規(guī)定了超重型卡車荷載。Mailhot說，從疲勞的角度來考慮，這將增加交通負(fù)荷或增加重型車輛的數(shù)量的定義。

　　梅奧特說，現(xiàn)存尚普蘭大橋最大的問題之一是排水系統(tǒng)不完善，或者我有時喜歡說的，完全沒有排水系統(tǒng)。對于新橋，加拿大基礎(chǔ)設(shè)施要求采用組合加強(qiáng)手段，如橋面板防水膜和增強(qiáng)厚度的高性能瀝青鋪裝。我們還需要一個良好的橋面排水系統(tǒng)，我們不希望任何鹽水接觸到混凝土，他說。

　　大量的凍融循環(huán)和蒙特利爾大量使用除冰鹽促使決定在橋面板采用不銹鋼鋼筋，以及其他重要部位也應(yīng)用不銹鋼鋼筋。Mailhot說，據(jù)我們所知，這是北美不銹鋼加鋼筋用量最大的橋梁。我們認(rèn)為，如果我們沒有硬性規(guī)定用不銹鋼筋，那么一些人就會試圖證明不需要它。我們不想冒任何風(fēng)險。

　　對所用的混凝土類型提出了嚴(yán)格的要求，以便有利于長期的耐久性。研究特殊配合比，例如抗冰蝕。此外，還要求私營伙伴制定一項持久性計劃，以證明每個構(gòu)件可以滿足目標(biāo)。我們還要求他們做每一個構(gòu)件的腐蝕模型。Mailhot補(bǔ)充。

　　可更換的部件包括支座、伸縮縫和欄桿，這些有30到50年的設(shè)計壽命。斜拉索具有65年以上的使用壽命。在特許期結(jié)束時，獨(dú)立的移交工程師將進(jìn)行檢查，并對所有部件的剩余壽命進(jìn)行評估。

　　設(shè)計的一部分工作是確?？商鎿Q的構(gòu)件確實(shí)可以替換。例如，在設(shè)計中已規(guī)定千斤頂可以頂升橋梁來更換支座。還有輔助檢查的系統(tǒng)。他說，它們是橋梁設(shè)計的一部分，因為如果有良好的檢查，就有更好的機(jī)會確保達(dá)到耐久性目標(biāo)。

　　采用優(yōu)質(zhì)材料

　　使用更新或更先進(jìn)的材料，如不銹鋼、GFRP或碳纖維，可能會產(chǎn)生建筑成本增加。但Pedelta首席執(zhí)行長索布里諾(Juan Sobrino)說，從長遠(yuǎn)來看，有大量研究證明使用這類材料是劃算的。長期以來，他一直對先進(jìn)材料在橋梁上的應(yīng)用感興趣，以提高耐久性、強(qiáng)度和外觀；Pedelta設(shè)計了一系列由不銹鋼、GFRP或兩者混合材料制成的橋梁。

　　在加拿大，橋梁經(jīng)常處于惡劣的環(huán)境中，并且暴露在除冰鹽中。這帶來了潛在的腐蝕，因此經(jīng)常需要采取預(yù)防措施，如防水或在混凝土橋梁上增保護(hù)層）。Sobrino補(bǔ)充說，在某些情況下，在加拿大使用高級鋼筋是非常普遍的。通常，這涉及到不銹鋼或玻璃纖維的使用。

　　優(yōu)質(zhì)鋼材也被用于鋼橋。Pedelta的第一座雙相不銹鋼橋是2004年為米諾卡島設(shè)計的——世界上第一座使用這種材料的橋。從那以后，該公司又設(shè)計了7座橋，其中包括位于加拿大多倫多的約克堡步行橋，目前已接近完工。這是北美第一座完全采用雙相不銹鋼的結(jié)構(gòu)。該合同采用的是設(shè)計-建造合同，在此基礎(chǔ)上獲得了合同。承包商Dufferin和Pedelta作為其設(shè)計伙伴，提出了不銹鋼結(jié)構(gòu)，并獲得了成功；它低于城市的預(yù)算，基于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的考慮，授予了合同。提議使用優(yōu)質(zhì)材料的一個關(guān)鍵原因是，這座由兩部分組成的橋橫跨加拿大最繁忙的鐵路通道之一。Sobrino說，將來進(jìn)行檢查和維護(hù)將是一個挑戰(zhàn)。因此我們提出采用不銹鋼，它提供更高的強(qiáng)度和耐久性。他說，該項目最低要求的設(shè)計壽命是75年，但不銹鋼的設(shè)計壽命要長得多。

　　Sobrino說，從技術(shù)角度來看，這樣的項目可能具有挑戰(zhàn)性，因為缺乏控制使用這些新材料的規(guī)范。它涉及歐洲規(guī)范、加拿大橋梁規(guī)范和其他技術(shù)規(guī)范和指南的綜合使用。Sobrino說，客戶很樂意參與這類項目。創(chuàng)新和做一些不同的事情是我們?nèi)祟惖奶煨浴Ｈ欢?，他?qiáng)調(diào)了在解釋該提案將帶來的好處的同時，要說明任何挑戰(zhàn)的重要性，你需要誠實(shí)，他說。

　　雖然使用不銹鋼來延長橋梁的使用壽命已被證實(shí)，但證明碳纖維或GFRP 等其他材料的優(yōu)點(diǎn)可能更具挑戰(zhàn)性，因為該行業(yè)對這些材料的長期性能了解較少。這樣的橋梁相對來說比較新，雖然有些橋齡已經(jīng)有幾十年了。

　　在引入新材料時，讓承包商參與可能會很困難，而且可能取決于采購模式。如果承包商是在一個聯(lián)合體與特許權(quán)人，那么將有興趣確保低維護(hù)費(fèi)用，因為它將帶來財政節(jié)約。但是對于傳統(tǒng)的交付方式，它掌握在業(yè)主手中，Sobrino說。如果業(yè)主想要延長橋梁的壽命，或者使用新材料，那么唯一的方法就是在招標(biāo)過程中。他建議采用一種評分方法，鼓勵創(chuàng)新或使用減少維護(hù)的材料（加分），否則承包商不會采用新材料。

　　避免采用活動連接與支座

　　活動連接和支座被廣泛認(rèn)為是未來潛在問題的來源，近年來有避免使用它們的趨勢，從而轉(zhuǎn)向了整體橋梁的建設(shè)。Schlaich Bergermann合伙人總經(jīng)理Mike Schlaich認(rèn)為，賦予一座橋梁長壽命，需要經(jīng)驗，而不是簡單地遵循規(guī)范和清單。但是，應(yīng)該遵循一些通用原則，以確保持久性、健壯性和易于維護(hù)。他說，首先，也是最重要的，就是選擇建造整體式橋梁。我相信，你采用越多的活動連接和支座，你就會有更多的麻煩。它們增加了維護(hù)的數(shù)量；每當(dāng)一輛卡車經(jīng)過一個伸縮縫，它會造成一個嚴(yán)重的動態(tài)沖擊，導(dǎo)致退化。他說，我認(rèn)為最好的解決辦法是沒有活動連接和支座，不過他也承認(rèn)，并不是在任何情況下都是可能的。

　　由此產(chǎn)生的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在地震等情況下也帶來了安全方面的冗余。Schlaich指出，當(dāng)位移過大時，簡支梁會倒塌，但連續(xù)梁可能會抵抗這種現(xiàn)象。橋墩直接連接到橋面而沒有活動連接（鉸接）的橋梁也會將彎矩分配到橋墩上。如果所有的東西都連接起來，那么橋就會更細(xì)，因為力矩分布在各處。Schlaich說，建造整體式橋梁在壽命、環(huán)境和結(jié)構(gòu)外觀方面帶來好處。他認(rèn)為，甚至還有社會方面的因素。設(shè)計整體橋梁，創(chuàng)造高質(zhì)量就業(yè)。這不是你在電腦上敲幾個數(shù)字就能做到的事情。你必須思考，所以你需要優(yōu)秀的工程師?？蛻羰芤嬗谝粋€優(yōu)雅的、持久的橋梁，但工程師必須進(jìn)行非常困難的設(shè)計計算。他補(bǔ)充說，問題是，客戶通常只付給你相同的費(fèi)用。

　　對于公私合營項目或者建設(shè)-運(yùn)營-移交項目而言，整體式無縫橋梁是一個更加簡單直接的選擇，因為承包商的管理養(yǎng)護(hù)期長達(dá)30年。

　　Schlaich喜歡和承包商合作，尤其是那些對“建筑文化”感興趣的，這種合作方式可以把社會、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、情感以及審美等方面結(jié)合在一起。為了證明這一觀點(diǎn)，他以比利時最近建造的一座公路橋為例，這座橋是由SBP設(shè)計，由比利時承包商JandeNul建造。作為2017年竣工完成的A11橋梁項目的組成部分之一，這座800米長的橋梁顯得非常細(xì)長，幾乎完全沒有接縫或支座。這樣看起來很簡單，而且節(jié)省了很多混凝土。他還提到：“在當(dāng)前節(jié)能減排的時期，考慮到CO2的排放，這一點(diǎn)同樣顯得非常重要。”

　　除了在SBP任職以外，Schlaich還是柏林理工大學(xué)的概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計教授。他認(rèn)為：“在大學(xué)高校研究這一層次，我們現(xiàn)在研究碳纖維后張拉技術(shù)，而不是使用鋼纖維，因為碳纖維不會腐蝕，也不存在疲勞問題。” 此外，沒有腐蝕就意味著所需的混凝土保護(hù)層厚度更小，橋梁就顯得更為纖細(xì)、優(yōu)雅。為此，柏林理工大學(xué)目前正在研究使用碳纖維的先張和后張混凝土橋梁，目前正在建造第一座試驗梁。

　　其目的是設(shè)計綜合應(yīng)用整體結(jié)構(gòu)、碳纖維以及預(yù)制三種方法的橋梁，三種方法都有助于延長橋梁的使用壽命。在工廠限定條件下預(yù)制的構(gòu)件可以提高橋梁的質(zhì)量，但是也同樣會造成更多的接縫，在預(yù)期的壽命周期內(nèi)存在風(fēng)險。每當(dāng)考慮到20世紀(jì)50、60以及70年代在德國公路上修建的成百上千座小橋時，Schlaich的腦海中都會浮現(xiàn)出這個難題。這些老化的橋梁現(xiàn)在許多都需要進(jìn)行修理或更換，因為它們使用的后張拉預(yù)應(yīng)力筋現(xiàn)在產(chǎn)生了腐蝕，造成了剝落。柏林理工大學(xué)的研究目標(biāo)是使用約40米長的預(yù)制梁（最好是碳纖維預(yù)應(yīng)力梁）建造新的橋梁，然后將其和橋臺澆筑連接，形成一個整體，這樣橋梁就不存在接縫，該校正在測試的梁正是為了應(yīng)用于這種類型的橋梁。

　　比利時A11橋梁項目中一座800m跨徑的橋梁非常纖細(xì)

　　幾乎完全沒有接縫或者支座。

　　比利時A11無縫橋梁

　　延長橋梁使用壽命

　　設(shè)計橋梁時，延長使用壽命的障礙之一就是很難量化整個使用壽命周期的成本。Vejdirektoratet擁有自己的用于生命周期成本預(yù)測的工具，但很難對承包商提出的部件或材料所要求的效益進(jìn)行客觀評估，尤其是在只有文字說明而沒有技術(shù)數(shù)據(jù)或測試的的情況下。

　　對拉索進(jìn)行干燥除濕可以延長其使用壽命，其他延長其使用壽命的方法還包括減小應(yīng)力幅，從而減少疲勞損傷。Arup的Naeem Hussain指出，鋼索技術(shù)一直都在進(jìn)步，包括錨具的發(fā)展，使得其使用壽命更長，并且解決了疲勞問題。鋼索也可以安裝防護(hù)裝置，無論是環(huán)境造成的損傷還是蓄意或者意外造成損壞都可以防護(hù)。他還提到，Arup目前的項目包括文萊的Temburong大橋（全長30公里，今年啟用通車），這是世界上第一座為其拉索提供防火保護(hù)的大橋。

　　試驗輔助設(shè)計

　　Atkins的Chris Hendy提到：“技術(shù)存在的一個問題就是無論是數(shù)據(jù)形式還是材料形式，技術(shù)都發(fā)展得如此之快，以至于將技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐的方法或準(zhǔn)則無法跟上其腳步。”行業(yè)可能需要更多地轉(zhuǎn)向基于性能的方法，更多的設(shè)計通過測試予以輔助。

　　他認(rèn)為，纖維增強(qiáng)混凝土將變得越來越重要，尤其是如果可以用聚丙烯纖維代替鋼來消除腐蝕風(fēng)險。特別是在馬來西亞已經(jīng)有這樣的案例，Dura的執(zhí)行董事兼首席執(zhí)行官VooYen Lei博士用這種方法建成了橋的主梁。他說，這種方法在很大程度上減少了鋼筋的使用，但仍然存在一些難題，例如，材料的疲勞性能尚未完全了解。但是，如果在安裝使用之前進(jìn)行加速疲勞試驗，它就可以應(yīng)用于工程項目。Hendy的觀點(diǎn)是：“我不認(rèn)為我們通過測試做了足夠的設(shè)計——在采購過程中我們不會總是有足夠的時間。這也取決于客戶對這一理念的接受程度，盡管這一原則得以在歐洲規(guī)范中體現(xiàn)，只要它得到理論模型的支持。”

　　新技術(shù)能夠延長結(jié)構(gòu)的壽命，但是可能也會帶來自身的局限性，如果要取得潛在的收益，那么就需要解決這些局限性。例如，碳纖維的脆性是一個已知的缺陷，只能通過進(jìn)行廣泛的測試、開發(fā)原型，然后最終形成更大的研究項目來克服這一缺陷。十幾年前，Schlaich和他的博士生在柏林理工大學(xué)設(shè)計了第一座碳纖維應(yīng)力帶狀橋。SBP目前正在使用碳纖維吊具建造一座網(wǎng)狀拱橋；測試已經(jīng)開展，Stuttgart的輕軌交通橋也已經(jīng)投標(biāo)。

　　評估創(chuàng)新

　　制造商可能會要求一種產(chǎn)品的使用壽命為50年，但如何證明這一點(diǎn)是另一回事。Mackenzie提出，測試可以起到幫助，但是加速測試很困難，并且得到的結(jié)果和長期的性能有所不同。但是，許多新產(chǎn)品引入了針對特定問題的增量更新。評估它們可能涉及到查看新版本與現(xiàn)有版本的區(qū)別，以及新產(chǎn)品的開發(fā)是否解決了之前的問題。他認(rèn)為，即使這種有益的影響無法量化，但很明顯這是應(yīng)對特定問題的正確方式。

　　McDonald在受委托進(jìn)行一座新橋時，對新技術(shù)持“適當(dāng)?shù)膽岩蓱B(tài)度”，因為創(chuàng)新有時達(dá)不到他們的預(yù)期。許多產(chǎn)品來到市場時，都會聲明它們能做什么，以及誰已經(jīng)使用過它們，但她已經(jīng)學(xué)會了質(zhì)疑這些說法。打電話給另一位業(yè)主，得到了確認(rèn)，某一特定產(chǎn)品確實(shí)被用于一座英國結(jié)構(gòu)，但這是一場徹底的災(zāi)難。

　　McDonald認(rèn)為：“用創(chuàng)新的產(chǎn)品和技術(shù)從谷殼中篩選小麥?zhǔn)呛苜M(fèi)時的，一個完美的解決方案可能會被忽視，因此分享信息很重要。”她發(fā)現(xiàn)，橋梁這一集體擅長通過諸如英國的“BridgesBoard”、“BridgeOwners'Forum”以及蘇格蘭的“Scots Bridges Group”等論壇互相分享信息。“蘇格蘭交通”和“英國國營鐵路公司”之間的聯(lián)絡(luò)工具則是另一個論壇。

　　Mac Aulay提出：“新技術(shù)和新產(chǎn)品不應(yīng)阻礙進(jìn)步，但它們不應(yīng)該飛速的發(fā)展而不遭到任何質(zhì)疑。”她還提到：“例如，我們的伸縮縫至少需要五年的使用參照數(shù)據(jù)。”Storstrm 大橋要運(yùn)行鐵路，因此從橋的一端到另一端只應(yīng)有四個伸縮縫，這一點(diǎn)已經(jīng)決定了。“其中一個承包商提出了只有兩個伸縮縫的想法，”她這樣說到，“我們決定和這四家公司合作，因為對于這種尺寸的伸縮縫，他們有著經(jīng)得起檢驗的使用歷史。”

　　文萊Temburong大橋

　　世界上第一座對斜拉索進(jìn)行防火保護(hù)的大橋

　　Temburong跨海大橋

　　WSP的Denton指出，在考慮使用新技術(shù)時，可能會出現(xiàn)“Catch-22”現(xiàn)象（意為本身就有問題、不符合邏輯而難以實(shí)現(xiàn)的規(guī)則或者進(jìn)退兩難的境地）；一些新技術(shù)不可避免地缺乏長期的性能數(shù)據(jù)。“然而，如果我們不前進(jìn)，那么我們就只能堅持我們一直在做的事情，這也不是正確的解決方法。” 他這樣說道，“對我來說，真正重要的是試用和監(jiān)控事物的方法。”如果證明部件的耐久性不能達(dá)到我們希望或預(yù)期的程度，那么設(shè)計過程中可以通過給部件可以更換這樣的措施來減輕這些風(fēng)險。

　　Schlaich Bergermann合作人目前正在研究一種碳纖維網(wǎng)狀拱橋

　　歐洲規(guī)范的發(fā)展

　　2019年6月，Steve Denton開始了前所未有的第三個三年任期，擔(dān)任CEN TC250的主席，負(fù)責(zé)歐洲結(jié)構(gòu)和巖土工程工程師的歐洲規(guī)范。他說：“我們目前正致力于開發(fā)第二代歐洲規(guī)范。”數(shù)千名歐洲專家參與了該項目。第一批新文件有望在未來兩年內(nèi)通過國際調(diào)查和正式表決。

　　他還提到，一些重點(diǎn)領(lǐng)域與結(jié)構(gòu)壽命尤其相關(guān)。其中之一就是正在進(jìn)行的關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前設(shè)計的結(jié)構(gòu)中處理未來氣候變化的影響的研究。

　　應(yīng)對極端事件的設(shè)計很復(fù)雜，例如，有些地方冰雪引起的荷載預(yù)計會上升，而另一些地方可能會下降。他說：“與此同時，我們絕對致力于在下一代歐洲規(guī)范關(guān)于環(huán)境作用的條文中提供一些處理或解釋氣候變化的方法。”

　　面向未來的設(shè)計

　　對每一個可能發(fā)生的事情都要做面向未來的預(yù)測是困難的，“我們真的不知道事情未來會發(fā)生多大的改變，”蘇格蘭交通部的Hazel McDonald說，“但是我們所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的重現(xiàn)期要長得多，特別是流量和洪水。我們現(xiàn)在對洪水和沖刷風(fēng)險有了更深的了解，因此我們設(shè)計了200年一遇的更高流量，另外還有20%用于氣候變化。”

　　這一點(diǎn)在蘇格蘭A830和A835橋的替換中很明顯。她說：“現(xiàn)有橋梁的設(shè)計是在洪水和設(shè)計流量不太清楚的時候進(jìn)行的，因此橋梁的跨徑要小得多，這會阻礙水流，并導(dǎo)致它們成為碎片收集區(qū)，需要定期清理。”

　　“當(dāng)你設(shè)計一座基準(zhǔn)期是100年的橋梁時，你不能盲目地跟著規(guī)范走，”Arup的Hussain說，“如果沒有國家的相應(yīng)預(yù)測，就有必要回到基礎(chǔ)上來。” Arup現(xiàn)在在菲律賓有個項目，這個項目正在進(jìn)行可行性研究，研究可以使得政府做出這個決定——用橋梁連接各島嶼是有潛力的。

　　這可能涉及約2500m跨紀(jì)錄跨徑，Arup最近正在對荷載進(jìn)行全面評估，這些荷載考慮到當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展計劃和交通量的調(diào)查。與此同時，臺風(fēng)越來越強(qiáng)烈，海嘯越來越多。Hussain說：“我們現(xiàn)在需要關(guān)注的除了活載外還有環(huán)境帶來的荷載，在菲律賓，環(huán)境是都是極端的，比如臺風(fēng)、地震、海嘯等等，并且他們還越來越嚴(yán)重”。

　　Denton說：“我們在全球范圍內(nèi)開展的一項重要工作是，努力讓我們所有的項目都有一個思路，即質(zhì)疑我們正在設(shè)計的是不是‘面向未來的’。”這涉及到環(huán)境、社會和技術(shù)問題的未來趨勢的探索。“我們現(xiàn)在在所有新項目上要做的是花一些時間來考慮這些趨勢的潛在影響。”這可能就包括質(zhì)疑這個項目是否必要，以及人口變化、氣候變化這些因素對橋梁的風(fēng)載、雪荷載及溫度作用的潛在影響。

　　適應(yīng)性設(shè)計

　　Cowi的Mackenzie觀察到，當(dāng)一座橋梁“在交通的重壓下呻吟”時，一個常見的抱怨就是為什么在建造時沒有考慮到交通量的增長。通常的答案是錢不夠。另一個挑戰(zhàn)是，結(jié)構(gòu)的作用可能會發(fā)生變化，荷載、環(huán)境限制和法率也可能發(fā)生變化；現(xiàn)在可接受的事情在未來可能就不接受了。

　　但有時會在適當(dāng)?shù)臅r候升級。澳大利亞維多利亞州EJ Whitten大橋最近完成的加寬工程得益于最初設(shè)計時的規(guī)定。

　　這座橋于1995年作為墨爾本M80環(huán)路的一部分開通，作為雙幅高架橋建造?？蛻鬡ICROADS始終知道，在某些階段交通量會增長，因此采取了不同尋常的步驟，確保原始設(shè)計便于橋梁加寬的設(shè)計，即通過預(yù)留空間（在兩個梁之間預(yù)留第三個混凝土箱梁的空間），基礎(chǔ)和橋墩設(shè)計成有助于在墩頂之間增加蓋梁，蓋梁用于支撐加寬的第三個箱梁。

　　然而，自從這座橋建成以來，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)生了變化。很明顯，混凝土箱梁很難用頂推施工到兩個已有車道之間，而且它也很重，特別是隨著交通量和地震需求的增加。Cowi設(shè)計了一種可行方案。MacKenzie說：“鋼混組合箱梁可以減輕重量，并且可以在原橋面板邊緣安裝龍門吊。”新的設(shè)計得益于原設(shè)計人員的遠(yuǎn)見，例如為框架橫梁后張法施工提供足夠的管道，并預(yù)留下橋面板搭接鋼筋，使新橋面板能與原橋面板成為一體。他說：“這是一個優(yōu)秀的客戶長期思考的例子。”

　　在美國的一座新橋上也有類似的規(guī)定。“紐約州的Governor Mario M Cuomo大橋的設(shè)計包括一個未來的鐵路橋面板，它將被組合到現(xiàn)有的兩個橋面板之間，” MacKenzie說。“這是由積極主動的橋梁業(yè)主推動的未來發(fā)展的前瞻性規(guī)劃的又一個例子。”

　　澳大利亞維多利亞州EJ Whitten大橋拓寬項目

　　得益于最初設(shè)計時的要求（COWI）

　　結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

　　使用塑性方法、屈服線分析或拉壓桿方法等方法對橋梁進(jìn)行設(shè)計表明，橋梁具有一定的強(qiáng)度儲備，但是強(qiáng)度儲備在常規(guī)方法分析中并不明顯。Denton說：“我們的橋梁的實(shí)際性能往往比我們建模所能預(yù)測性能的要好。”“我們傾向于謹(jǐn)慎假設(shè)，而事實(shí)上，我們的結(jié)構(gòu)中隱藏著性能和強(qiáng)度的儲備。因此，另一種概念性設(shè)計方法是思考我們?nèi)绾卫斫庹鎸?shí)的力學(xué)行為。”

　　這就是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以發(fā)揮作用的地方。更好地理解這種行為可能意味著對其需求的改變——例如，重型車——可能不需要任何升級。Denton說：“這有可能使我們能夠推遲或完全避免干預(yù)。”

　　對SHMS的前期投資通常重要，因此也越來越需要證明客戶將在短期內(nèi)獲得回報。最明顯的方式是以更好的橋梁運(yùn)行和更好的維護(hù)的形式，但它也可以涉及設(shè)計的改進(jìn)和橋梁的評估。

　　Ramboll的高級專家Torben Bangsgaard說，從歷史上看——比如說，早在羅馬時代——人們就從一座坍塌的橋梁中學(xué)到了經(jīng)驗，并優(yōu)化下一座橋。然而，50年或100年的設(shè)計壽命使得學(xué)習(xí)周期非常緩慢——我們不再接受那些作為循環(huán)一部分而坍塌的橋梁。他建議，設(shè)計師需要能夠在不超過20年左右的短得多的時間內(nèi)汲取知識。而SHMS可以以橋梁在活荷載下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使工程師重新評估橋梁在整個生命期內(nèi)的狀態(tài)。

　　Bangsgaard說：“如果你要有一個智能的、長壽命的設(shè)計，你必須要進(jìn)行SHMS，因為SHMS可以生成數(shù)據(jù)，隨著時間的推移可以用來重新評估橋梁。”對于大型橋梁，規(guī)定SHMS所需要的招標(biāo)文件可能長達(dá)數(shù)百頁，并需要安裝1000個或更多傳感器。他說：“這張圖完整地顯示了這座橋所承受的荷載。”他說，對這些數(shù)據(jù)的研究肯定會導(dǎo)致新的分析模型的開發(fā)，這些模型將為設(shè)計過程提供信息，有助于實(shí)現(xiàn)未來橋梁的長壽命。

　　SHMS的信息也可以用來支持這樣的論點(diǎn)——在滿足設(shè)計壽命的同時，可以建造更便宜的結(jié)構(gòu)——也許是更纖細(xì)的設(shè)計。例如，從其他橋梁獲得的數(shù)據(jù)可以用來證明，混凝土的耐久性比預(yù)期的要長，疲勞和開裂也不太可能是一個問題。

　　Bangsgaard說：“如果我們能夠證明這一點(diǎn)并在設(shè)計中加以考慮，那么SHMS在降低橋梁成本方面就變得很有價值。”他補(bǔ)充說，能源部門已經(jīng)開始利用過去通過SHMS收集的數(shù)據(jù)，這種方法也開始滲透到橋梁領(lǐng)域。

　　長壽還可能得益于通過“數(shù)字孿生”產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和理解。“數(shù)字孿生”是一個總括性術(shù)語，涵蓋了在信息化平臺運(yùn)行計算機(jī)模型的情況。Bangsgaard說，來自SHMS的數(shù)據(jù)將導(dǎo)致建立先進(jìn)的數(shù)字孿生。Ramboll正率先為福斯三橋開發(fā)先進(jìn)的數(shù)字孿生。

　　數(shù)字孿生也允許使用橋梁設(shè)計時使用的底層計算機(jī)模型。Bangsgaard說：“我們可以引入測量數(shù)據(jù)，例如不同位置的應(yīng)力和應(yīng)變，并查看其他位置的應(yīng)力情況。”“我們還可以校準(zhǔn)各種數(shù)字孿生和融合數(shù)據(jù)。本質(zhì)上，我們正在進(jìn)行模型修正以匹配現(xiàn)實(shí)中的結(jié)構(gòu)。然后我們得到更好的預(yù)測。在Ramboll，這些被稱為“真正的數(shù)字孿生”。

　　小型橋梁也采用了SHMS，盡管對于小型結(jié)構(gòu)，它可能集中在特定區(qū)域。“在某個時候，我們將開始監(jiān)測一些有代表性的橋梁，以便從中吸取教訓(xùn)，并指導(dǎo)我們?nèi)绾卧O(shè)計和運(yùn)營類似的橋梁，”Bangsgaard說。一個國家可能一年建造兩座大橋，其余的由更小的橋梁組成，小橋們的總價可能比大橋的總價大十倍。

　　并非所有的監(jiān)控都涉及到在結(jié)構(gòu)上附加一些東西。Atkins的Hendy說：“我們最近取得了巨大成功的一件事是有關(guān)于數(shù)字圖像的，即利用照片完全遠(yuǎn)程測量應(yīng)變和位移。”數(shù)字圖像利用模式識別技術(shù)、攝像機(jī)和圖像相關(guān)算法從不同圖像之間識別出的微小變化中確定信息。Hendy說：“我們在近一公里上用它測量了Humber大橋的撓度，精度為毫米。”

　　Atkins在包括Humber橋在內(nèi)的結(jié)構(gòu)上使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)

　　對數(shù)百米外的位移進(jìn)行精確測量