本书涉及工程结构全寿命理论和方法共计13章，第1章为绪论，第2章为工程结构全寿命设计的基本概念，第3章为工程结构全寿命设计理论框架，第4～6章为工程结构全寿命使用寿命指标分析方法、可靠性能指标分析方法和经济指标分析方法，第7章为工程结构全寿命绿色评价体系与可持续性，第8章为工程结构全寿命环境影响与环境成本，第9章为工程结构全寿命社会影响与社会成本，第10章为工程结构全寿命设计优化与管理优化，第11、12章为工程案例，第13章介绍工程结构全寿命总成本计算软件。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 3
1.2 工程结构设计理论的发展演变 6
1.2.1 容许应力设计法 7
1.2.2 破损阶段设计法 8
1.2.3 经验极限状态设计法 8
1.2.4 基于可靠度的极限状态设计法 8
1.2.5 基于性能的设计法 9
1.2.6 基于风险的设计法 10
1.2.7 全寿命设计法 10
1.3 工程结构全寿命体系的构建 12
1.3.1 全寿命成本分析 13
1.3.2 全寿命设计 14
1.3.3 全寿命评估 14
1.3.4 全寿命管理 14
1.4 工程结构全寿命设计方法的研究现状 15
1.4.1 国外的研究状况 15
1.4.2 国内的研究状况 17
1.5 工程结构可持续性的研究现状 19
1.5.1 工程结构的经济效益 20
1.5.2 工程结构的环境影响 20
1.5.3 工程结构的社会影响 21
1.6 本书的框架内容 21
参考文献 22
第2章 工程结构全寿命设计的基本概念 29
2.1 结构的长期性能 31
2.1.1 长期性能的基本内涵 31
2.1.2 长期性能的影响因素 31
2.1.3 长期性能的关键指标 32
2.2 结构的时变性能 32
2.2.1 作用效应的时变性 32
2.2.2 结构抗力的时变性 34
2.3 不确定性 35
2.3.1 事物的随机性 35
2.3.2 事物的模糊性 35
2.3.3 事物知识的不完善性 35
2.3.4 全寿命分析中的不确定性 36
2.4 结构的可靠性 36
2.5 结构的可持续性 38
参考文献 39
第3章 工程结构全寿命设计理论框架 41
3.1 全寿命设计理论的目标体系 43
3.1.1 核心目标层次 44
3.1.2 绿色目标层次 48
3.1.3 各指标的关系 48
3.2 全寿命设计理论的基本内容 49
3.2.1 按结构全寿命设计核心目标确定 50
3.2.2 按结构全寿命设计的时间阶段确定 51
3.2.3 全寿命设计与现行结构设计的联系与区别 53
3.3 混凝土结构全寿命设计理论框架 55
3.3.1 结构全寿命设计指标体系 55
3.3.2 结构全寿命设计的核心指标 56
3.3.3 结构全寿命设计的绿色指标 60
3.3.4 全寿命分层设计的思路 65
3.4 改进的全寿命设计方法 66
3.4.1 改进的全寿命设计理论指标体系 66
3.4.2 结构可靠性指标 67
3.4.3 结构全寿命可持续发展指标 70
3.4.4 新旧全寿命设计理论体系的比较 72
3.4.5 结构耐久性对安全性、适用性的影响 73
3.4.6 结构耐久性对可持续发展指标的影响 74
参考文献 74
第4章 工程结构全寿命使用寿命指标分析方法 77
4.1 结构使用寿命的定义、分类及作用 79
4.1.1 结构使用寿命的定义及分类 79
4.1.2 不同阶段使用寿命研究内容 80
4.1.3 结构使用寿命特点 81
4.1.4 结构使用寿命的指导作用 81
4.2 结构设计使用寿命 82
4.2.1 结构设计使用寿命概念 82
4.2.2 设计使用寿命的确定 83
4.2.3 不同部件设计使用寿命及寿命匹配 86
4.3 基于使用寿命的结构设计方法 87
4.3.1 结构基于使用寿命设计的概念和思路 88
4.3.2 结构使用寿命动态终结标准 90
4.3.3 结构使用寿命预测 91
4.4 使用寿命设计与再设计 99
4.4.1 使用寿命设计基础 99
4.4.2 使用寿命设计(再设计)步骤 99
参考文献 101
第5章 工程结构全寿命可靠性能指标分析方法 103
5.1 结构性能体系模型 106
5.1.1 性能体系模型框架 106
5.1.2 目标要求及性能需求 107
5.1.3 结构的作用水平及作用标准 107
5.1.4 结构的性能水平及性能标准 119
5.1.5 结构全寿命设计的性能指标 126
5.1.6 结构全寿命性能极限状态 127
5.2 混凝土结构全寿命抗弯承载力时变模型 129
5.2.1 混凝土内钢筋全寿命性能劣化的阶段模型 129
5.2.2 混凝土结构全寿命抗弯承载力时变分段模型 130
5.2.3 模型验证 141
5.3 结构全寿命可靠性能分析 144
5.3.1 结构可靠性能的时变性 144
5.3.2 时变可靠度分析的时间参数 147
5.3.3 时变可靠度分析的荷载模型 147
5.3.4 时变抗力的随机过程模型 148
5.3.5 时变可靠度分析方法 152
5.3.6 动态可靠度计算实例 153
5.4 基于耐久性的结构全寿命可靠度设计方法 156
5.4.1 承载能力状态的可靠度设计实用方法 157
5.4.2 适用状态的可靠度设计实用方法 165
参考文献 175
第6章 工程结构全寿命经济指标分析方法 179
6.1 经济分析的方法、基本参数及成本构成 181
6.1.1 经济分析的基本方法 181
6.1.2 全寿命成本的构成 182
6.1.3 全寿命经济分析中的参数确定 184
6.2 全寿命各阶段的成本模型 186
6.2.1 全寿命各阶段的成本影响 186
6.2.2 全寿命各阶段的成本模型 187
6.3 全寿命成本模型 194
6.3.1 拟建结构的全寿命成本模型 194
6.3.2 已建结构的全寿命成本模型 195
6.4 管养措施的设置与成本预测 196
参考文献 199
第7章 工程结构全寿命绿色评价体系与可持续性 201
7.1 工程结构全寿命绿色评价指标的构建 204
7.1.1 绿色评价指标大类划分 204
7.1.2 指标分级 205
7.1.3 指标类型 206
7.1.4 指标权重 206
7.2 工程结构全寿命绿色评价指标的内涵 207
7.2.1 区域环境指标 208
7.2.2 用户及社会满意度指标 209
7.2.3 全球环境指标 210
7.2.4 工程结构全寿命绿色评价的特殊性 211
7.2.5 沿海高速公路桥梁结构全寿命绿色评价指标体系 211
7.3 全寿命环境指标、社会指标与全寿命成本的关系 213
7.4 基于可持续性的全寿命总成本模型 214
7.4.1 全寿命总成本 214
7.4.2 全寿命成本模型 215
7.4.3 基于可持续性的全寿命总成本模型 215
参考文献 216
第8章 工程结构全寿命环境影响与环境成本 219
8.1 现有的环境成本分析方法 221
8.2 工程结构的环境成本模型 222
8.2.1 环境成本的范围 222
8.2.2 环境影响的货币化 223
8.2.3 包含环境成本的全寿命成本模型 226
8.3 包含环境成本的初始成本及结构选型 228
8.4 包含环境成本的桥梁构件全寿命成本分析 231
8.5 环境成本折现率 233
参考文献 234
第9章 工程结构全寿命社会影响与社会成本 239
9.1 现有的社会影响与社会成本类别 241
9.2 工程结构的社会影响类别和社会成本 242
9.2.1 个人层面影响 243
9.2.2 社会层面影响 246
9.3 包含社会成本的全寿命成本模型 248
9.4 案例分析：包含社会成本的全寿命成本分析 248
9.4.1 结构基本信息 248
9.4.2 劣化模型和维护方案 249
9.4.3 事故信息 251
9.4.4 劣化桥梁结构包含社会成本的全寿命成本分析 252
9.4.5 社会成本折现率 258
参考文献 259
第10章 工程结构全寿命设计优化与管理优化 263
10.1 设计目标可靠水平的优化 265
10.1.1 设计目标可靠指标的影响因素 265
10.1.2 考虑结构不确定性的最优可靠度 266
10.1.3 考虑全寿命成本的可靠度优化 268
10.2 设计主要参数的控制及管理方法 272
10.2.1 设计参数控制及管理方法 273
10.2.2 设计主要参数的初步识别及分类 274
10.2.3 设计参数控制及管理的实现 274
10.3 管理措施的可靠水平分析 277
10.3.1 实施管理措施的目标可靠指标 277
10.3.2 实施管理措施后的可靠水平 278
10.4 管理措施的实施方案优化 279
10.4.1 管理措施的实施准则 279
10.4.2 管理措施的具体决策 281
10.5 基于耐久性的设计与管理方案优化 284
10.5.1 耐久性设计方案与结构性能的关系 284
10.5.2 不采取维修策略时的耐久性设计 288
10.5.3 采取不同耐久性设计与维护方案时的经济分析 289
参考文献 292
第11章 案例1：某大型跨海桥梁工程的全寿命设计 295
11.1 桥梁基本信息 297
11.2 设计目标可靠水平的优化 298
11.2.1 现行桥梁规范不适用性分析 299
11.2.2 基础结构构件正常使用极限状态全寿命设计目标可靠指标初定 303
11.2.3 正常使用极限状态设计可变荷载系数的标定 304
11.3 设计参数的控制分析 315
11.3.1 设计参数的主要控制对象识别 315
11.3.2 结构的可靠度及敏感性分析 316
11.3.3 敏感性参数的范围分析 322
11.3.4 参数控制分析结果及讨论 328
参考文献 328
第12章 案例2：某桥梁工程的全寿命成本 331
12.1 桥梁基本信息 333
12.2 桥梁劣化模型与寿命预测 335
12.2.1 桥梁耐久性检测结果 335
12.2.2 初锈时间预测 338
12.2.3 锈胀开裂时间预测 340
12.3 维护方案及维护成本 341
12.3.1 维护方案一 342
12.3.2 维护方案二 350
12.4 全寿命总成本分析 357
12.4.1 阶段成本 357
12.4.2 全寿命总成本分析 359
12.4.3 不确定性分析 362
12.5 基于效用理论的工程决策 364
参考文献 367
第13章 工程结构全寿命总成本计算软件 369
13.1 软件开发背景 371
13.2 软件设计要求 371
13.3 软件计算流程 372
13.4 软件界面展示 377
13.5 软件特点与优势 382
索引 384
CONTENTS
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Research Background and Significance 3
1.2 Evolution of Engineering Structure Design Theories 6
1.2.1 Allowable Stress Design Method 7
1.2.2 Plastic Stage Design Method 8
1.2.3 Empirical Limit States Design Method 8
1.2.4 Reliability-Based Limit States Design Method 8
1.2.5 Performance-Based Design Method 9
1.2.6 Risk-Based Design Method 10
1.2.7 Life-Cycle Design Method 10
1.3 Life-Cycle System Construction of Engineering Structures 12
1.3.1 Life-Cycle Cost Analysis, LCCA 13
1.3.2 Life-Cycle Design, LCD 14
1.3.3 Life-Cycle Assetment, LCA 14
1.3.4 Life-Cycle Management, LCM 14
1.4 Review of Life-Cycle Design Methods for Engineering Structures 15
1.4.1 Abord Literature 15
1.4.2 Domestic Literature 17
1.5 Review of Engineering Structure Sustainability 19
1.5.1 Economic Benefits of Engineering Structures 20
1.5.2 Environmental Impact of Engineering Structures 20
1.5.3 Social Impact of the Engineering Structures 21
1.6 Framework of the Book 21
References 22
Chapter 2 Basic Concepts on Life-Cycle Design of Engineering Structure 29
2.1 Long-Term Structural Performance 31
2.1.1 Basic Connotation of Long-Term Performance 31
2.1.2 Long-Term Performance Factors 31
2.1.3 Long-Term Performance Key Indicators 32
2.2 Time-Varying Structural Performance 32
2.2.1 Time-Variation of Action 32
2.2.2 Time-Variation of Resistance 34
2.3 Uncertainty 35
2.3.1 Randomness 35
2.3.2 Ambiguity 35
2.3.3 Imperfections in Knowledge 35
2.3.4 Uncertainty in Life-Cycle Analysis 36
2.4 Structural Reliability 36
2.5 Structural Sustainability 38
References 39
Chapter 3 Theoretical Framework of Engineering Structure Life-Cycle Design 41
3.1 Target System of Life-Cycle Design Theory 43
3.1.1 Core Objective Levels 44
3.1.2 Green Target Level 48
3.1.3 Relationship Between Indicators 48
3.2 Basic Content of Life-Cycle Design Theory 49
3.2.1 Definated by Core Design Objectives 50
3.2.2 Definated by Time Phase of Life-Cycle Design 51
3.2.3 Connections and Differences Between Life-Cycle Design and Current Structural Design 53
3.3 Theoretical Framework of Life-Cycle Design for Concrete Structures 55
3.3.1 Design Indicator System of Life-Cycle Design 55
3.3.2 Core Indicators of Life-Cycle Design 56
3.3.3 Green Indicators of Life-Cycle Design 60
3.3.4 Hierarchical Life-Cycle Design of Concrete Structures 65
3.4 Modified Life-Cycle Design Method 66
3.4.1 Indicator System of Modified Life-Cycle Design Method 66
3.4.2 Reliability Indicators 67
3.4.3 Sustainable Development Indicators 70
3.4.4 Comparison of Original and Modified Life-Cycle Design Theory 72
3.4.5 Impact of Structural Durability on Safety and Suitability 73
3.4.6 Impact of Structural Durability on Sustainability Indicators 74
References 74
Chapter 4 Life-Cycle Service Life Index of Engineering Structures 77
4.1 Definition, Classification and Function of Service Life 79
4.1.1 Definition and Classification of Structural Service Life 79
4.1.2 Research Content of Service Life at Different Stages 80
4.1.3 Characteristics of Service Life 81
4.1.4 Guidance Role of Structural Service Life 81
4.2 Design Service Life of Structures 82
4.2.1 Concepts of Design Service Life 82
4.2.2 Determination of Design Service Life 83
4.2.3 Design Service Life and its Matching of Different Components 86
4.3 Design Method Based on Service Life 87
4.3.1 Design Concepts and Ideas Based on Service Life 88
4.3.2 Dynamic End-of-Life Criteria for Structural Service Life 90
4.3.3 Service Life Prediction 91
4.4 Service Life Design and Redesign 99
4.4.1 Design Basis of Service Life 99
4.4.2 Service Life Design (Redesign) Steps 99
References 101
Chapter 5 Life-Cycle Reliability Index for Engineering Structures 103
5.1 Structural Performance System Model 106
5.1.1 Performance System Model Framework 106
5.1.2 Target Requirements and Performance Requirements 107
5.1.3 Action Level and Action Criteria of Structures 107
5.1.4 Performance Level and Performance Criteria of Structures 119
5.1.5 Performance Indicators of Life-Cycle Design 126
5.1.6 Limit States of Life-Cycle Performance 127
5.2 Time-Varying Model of Life-Cycle Flexural Capacity for Concrete Structures 129
5.2.1 Stage Model of Life-Cycle Performance Deterioration of Steel in Concrete 129
5.2.2 Time-Varying Segmentation Model of Life-Cycle Flexural Capacity of Concrete Structures 130
5.2.3 Model Validation 141
5.3 Life-Cycle Reliability Analysis of Structures 144
5.3.1 Time-Variation of Structural Reliability 144
5.3.2 Time Parameters of Time-Varying Reliability Analysis 147
5.3.3 Load Model for Time-Varying Reliability Analysis 147
5.3.4 Stochastic Process Model of Time-Varying Resistance 148
5.3.5 Time-Varying Reliability Analysis Method 152
5.3.6 Dynamic Reliability Calculation Example 153
5.4 Structural Durability-Based Life-Cycle Reliability Design Method 156
5.4.1 Practical Reliability Design Method of Safety States 157
5.4.2 Practical Reliability Design Method of Serviceability States 165
References 175
Chapter 6 Life-Cycle Economic Indicators for Engineering Structures 179
6.1 Methods, Basic Parameters and Cost Composition of Economic Analysis 181
6.1.1 Basic Methods of Economic Analysis 181
6.1.2 Composition of Life-Cycle Costs 182
6.1.3 Determination of Parameters in Life-Cycle Economic Analysis 184
6.2 Cost Model for All Phases of Life Cycle 186
6.2.1 Cost Impact at All Phases of Life Cycle 186
6.2.2 Cost Model at All Phases of Life Cycle 187
6.3 Life-Cycle Cost Model 194
6.3.1 Life-Cycle Cost Model of Proposed Structures 194
6.3.2 Life-Cycle Cost Model of Constructed Structures 195
6.4 Maintenance and Cost Prediction 196
References 199
Chapter 7 Life-Cycle Green Evaluation System and Sustainability of Engineering Structures 201
7.1 Construction of Life-Cycle Green Evaluation Indicators for Engineering Structures 204
7.1.1 Classification of Green Evaluation Indicators 204
7.1.2 Classification of Indicators 205
7.1.3 Type of Indicators 206
7.1.4 Indicator Weights 206
7.2 Connotation of Life-Cycle Green Evaluation Indicators of Engineering Structures 207
7.2.1 Regional Environmental Indicators 208
7.2.2 User and Social Satisfaction Indicators 209
7.2.3 Global Environmental Indicators 210
7.2.4 Particularity of the Life-Cycle Green Evaluation of Engineering Structures 211
7.2.5 Green Life Evaluation Index System for Coastal Expressway Bridge Structures 211
7.3 Relationship Between Life-Cycle Environmental Indicators, Social Indicators and Life-Cycle Costs 213
7.4 Sustainability-Based Total Cost of Life Model 214
7.4.1 Total Life-Cycle Costs 214
7.4.2 Total Life-Cycle Cost Model 215
7.4.3 Sustainability-Based Total Life-Cycle Cost Model 215
References 216
Chapter 8 Environmental Impacts and Costs of Engineering Structures 219
8.1 Existing Environmental Cost Analysis Methods 221
8.2 Environmental Cost Model of Engineering Structures 222
8.2.1 Scope of Environmental Costs 222
8.2.2 Monetization of Environmental Impacts 223
8.2.3 Life-Cycle Cost Model Including Environmental Costs 226
8.3 Initial Cost and Structure Selection Considering Environmental Costs 228
8.4 Life-Cycle Cost Analysis of Bridge Beam Considering Environmental Costs 231
8.5 Environmental Cost Discount Rate 233
References 234
Chapter 9 Social Life and Costs of Engineering Structures 239
9.1 Existing Social Impact and Social Cost Categories 241
9.2 Social Impact Categories and Social Costs of Engineering Structures 242
9.2.1 Personal Level Impact 243
9.2.2 Social Level Impact 246
9.3 Life-Cycle Cost Model Including Social Costs 248
9.4 Case Study: Life-Cycle Cost Analysis Including Social Costs 248
9.4.1 Basic Information of Structure 248
9.4.2 Degradation Model and Maintenance Plans 249
9.4.3 Accident Information 251
9.4.4 Life-Cycle Cost Analysis of Degraded Bridge Structures Considering Social Costs 252
9.4.5 Social Cost Discount Rate 258
References 259
Chapter 10 Life-Cycle Design and Management Optimization of Engineering Structures 263
10.1 Optimization of the Design Target Reliability Level 265
10.1.1 Factors of Design Target Reliability Index 265
10.1.2 Optimal Reliability Considering Structural Uncertainty 266
10.1.3 Reliability Optimization Considering Life-Cycle Cost 268
10.2 Control and Management Methods for Main Design Parameters 272
10.2.1 Design Parameter Control and Management Methods 273
10.2.2 Preliminary Identification and Classification of Main Design Parameters 274
10.2.3 Implementation of Design Parameter Control and Management 274
10.3 Reliability Level Analysis of Management Measures 277
10.3.1 Target Reliability Index for Management Measures 277
10.3.2 Reliability Level after Implementation of Management Measures 278
10.4 Implementation Optimization of Management Measures 279
10.4.1 Guidelines for the Implementation of Management Measures 279
10.4.2 Specific Decisions on Management Measures 281
10.5 Durability-Based Design and Management Optimization 284
10.5.1 Relationship between Durability Design and Structural Performance 284
10.5.2 Durability Design without Maintenance Strategy 288
10.5.3 Economic Analysis of Different Design and Maintenance Measures 289
References 292
Chapter 11 Case Study 1: A Large Cross-Sea Bridge' s Life-Cycle Design 295
11.1 Basic Information of the Bridge 297
11.2 Optimization of the Design Target Reliability Level 298
11.2.1 Analysis of the Inapplicability of Current Bridge Codes 299
11.2.2 Initial Calibration of Serviceability Limit State Target Reliability Index for Basic Structural Members 303
11.2.3 Variable Action Coefficient Calibration of Serviceability Limit State 304
11.3 Analysis of Design Parameters Control 315
11.3.1 Identification of the Main Control Objects of the Design Parameters 315
11.3.2 Structural Reliability and Sensitivity Analysis 316
11.3.3 Range Analysis of Sensitivity Parameters 322
11.3.4 Parameter Control Analysis Results and Discussion 328
References 328
Chapter 12 Case Study 2: A Coastal Bridge' s Life-Cycle Cost 331
12.1 Basic Information of the Bridge 333
12.2 Bridge Degradation Model and Life Prediction 335
12.2.1 Bridge Durability Test Results 335
12.2.2 Initial Corrosion Time Prediction 338
12.2.3 Corrosion Cracking Time Prediction 340
12.3 Maintenance Plan and Maintenance Costs 341
12.3.1 Maintenance Plan I 342
12.3.2 Maintenance Plan II 350
12.4 Total Life-Cycle Cost Analysis 357
12.4.1 Phase Cost 357
12.4.2 Total Life-Cycle Cost Analysis 359
12.4.3 Uncertainty Analysis 362
12.5 Decision-Making Method Based on Utility Theory 364
References 367
Chapter 13 Life-Cycle Cost Calculation Software for Engineering Structures 369
13.1 Software Background Information 371
13.2 Software Design Requirements 371
13.3 Software Calculation Process 372
13.4 Software Interface Display 377
13.5 Software Features and Benefits 382
Index 384
表目录
表2-1 雪压值、基本风压值和楼面活荷载的修正系数 34
表3-1 全寿命设计与现行结构设计的区别 53
表3-2 硅酸盐水泥生产中典型的能耗和气体等排放 60
表3-3 混凝土材料生产、运输及建造的碳排放量统计 62
表3-4 GB 50068—2018规定的承载能力极限状态可靠度指标 68
表3-5 ISO 2394：2015建议的承载能力极限状态可靠度水平 68
表4-1 ISO 15686 标准中的建筑物构件或部件的设计使用寿命 82
表4-2 我国工程结构的设计使用寿命 83
表4-3 不同国家规范结构或构件设计使用年限 86
表4-4 养护条件修正系数 93
表4-5 环境条件修正系数(工业建筑) 93
表4-6 环境条件修正系数(民用建筑) 93
表4-7 海洋环境下潮汐区和浪溅区混凝土结构的部分αD建议值 95
表5-1 常见环境类别 108
表5-2 常见环境作用等级 108
表5-3 GB/T 50476—2008中氯化物环境作用等级 109
表5-4 Eurocode2中氯化物环境作用等级 109
表5-5 ACI：318中氯化物环境作用等级 110
表5-6 Odd E Gjcrv建议的严酷海洋环境下混凝土结构氯离子浓度预估值 111
表5-7 Fluge 建议的表面氯离子浓度取值 111
表5-8 Val 和Stewart 建议的表面氯离子浓度取值 111
表5-9 王胜年等建议的最大表面氯离子浓度取值(占混凝土质量) 111
表5-10 Life-365中采用的海工混凝土表面氯离子浓度(占混凝土质量) 112
表5-11 Bamforth 建议用于设计的表面氯离子浓度Cs(占混凝土质量) 112
表5-12 Duracrete中回归参数Acs的特征值(胶凝材料质量的百分比) 113
表5-13 采用Duracrete方法计算的表面氯离子浓度Cs 113
表5-14 建议的不同氯盐环境作用等级的氯离子浓度特征值Cs(占混凝土质量) 114
表5-15 港口工程结构不同设计基准期与可靠指标β 的关系 115
表5-16 民用建筑结构不同设计基准期与可靠指标的关系 115
表5-17 基准期(50年)海港堆荷荷载统计参数 118
表5-18 任意时点(1年)河港堆荷荷载统计参数 118
表5-19 海港和河港码头堆货荷载考虑结构设计使用年限的荷载调整系数γT 119
表5-20 港口工程结构的安全等级 120
表5-21 港口工程结构的裂缝控制等级 120
表5-22 本节建议的混凝土结构耐久性水平等级 121
表5-23 可靠指标β与失效概率f P的对应关系 122
表5-24 港口工程结构最小目标可靠指标β 122
表5-25 结构承载能力极限状态的目标可靠指标β 123
表5-26 ISO 2394：2015 建议的目标可靠指标 123
表5-27 Lifecon 建议的目标可靠指标βtarget 124
表5-28 本书建议的耐久性极限状态目标可靠指标βtarget 125
表5-29 港口工程混凝土最大裂缝宽度限值 125
表5-30 港口工程构件最大挠度限值[f] 125
表5-31 各模型计算参数取值 133
表5-32 材料性能及环境参数 141
表5-33 试验梁实际锈蚀量与抗弯承载力试验结果(Mu,ex) 141
表5-34 时变模型计算结果(Muc(t)) 142
表5-35 抗弯梁试验及分析计算结果表 143
表5-36 房屋建筑考虑结构设计使用年限的荷载调整系数 148
表5-37 受拉钢筋强度的统计参数 150
表5-38 可靠度计算的初始统计参数 154
表5-39 可靠指标衰减量的平均值 156
表5-40 荷载分项系数 159
表5-41 各种荷载统计参数(50 年基准期) 160
表5-42 计算t0及tcr的参数 160
表5-43 t0及tcr计算表(潮汐区和浪溅区，Cs=1.0%，占混凝土质量) 161
表5-44 t0及tcr计算表(大气区-重度盐雾，Cs=0.7%，占混凝土质量) 161
表5-45 t0及tcr计算表(大气区-轻度盐雾，Cs=0.5%，占混凝土质量) 161
表5-46 考虑耐久性退化的不同设计使用寿命期设计可靠指标β (Cs=1.0%，占混凝土质量) 162
表5-47 考虑耐久性退化的不同设计使用寿命期设计可靠指标β (Cs=0.7%，占混凝土质量) 163
表5-48 考虑耐久性退化的不同设计使用寿命期设计可靠指标β (Cs=0.5%，占混凝土质量) 164
表5-49 耐久性系数γD (潮汐区和浪溅区，Cs=1.0%，占混凝土质量) 164
表5-50 耐久性系数γD (重度盐雾大气区，Cs=0.7%，占混凝土质量) 165
表5-51 耐久性系数γD (轻度盐雾大气区，Cs=0.5%，占混凝土质量) 165
表5-52 不同环境等级氯离子浓度Cs的统计参数 170
表5-53 影响抗力的各变量统计参数 170
表5-54 钢筋初锈状态的结构耐久性系数D0 γ 170
表5-55 各主要影响因素的统计参数 172
表5-56 保护层锈胀开裂时的结构耐久性系数Dcr γ 173
表5-57 可接受损伤程度极限状态的耐久性系数Dd γ 174
表6-1 主要国家、地区及部分机构的社会折现率 185
表6-2 基于钢筋混凝土框架破坏等级的直接损失与初建成本的关系 190
表6-3 结构直接失效损失与初建成本比值的经验统计 190
表6-4 Sin及uin的取值 190
表6-5 不同破坏状态下的人员死亡率和受伤率 191
表6-6 不同破坏等级下的间接成本与直接结构成本之比 192
表8-1 现有的环境成本分析方法与模型 222
表8-2 常见有害排放的环境成本费率 226
表8-3 工程活动相关的直接成本(CDIR)和环境成本(CE) 227
表8-4 钢梁和预应力钢筋混凝土梁的初始成本 230
表8-5 两种梁在废气、废水和固体废弃物方面的环境成本 231
表8-6 钢梁涂层维护的直接成本(CDIR)、环境成本(CE)和包含环境成本的总维护成本 231
表9-1 现有知识体系中的社会影响类别 241
表9-2 现有知识体系中的社会成本类别 242
表9-3 一些国家的ICAF 244
表9-4 一些国家的VOSL 244
表9-5 案例分析使用的事故信息 252
表9-6 变速过程的额外能源消耗 253
表9-7 案例分析中使用的参数及假设 254
表9-8 两种维护活动的社会成本组成 255
表10-1 一些事故的年死亡率 266
表10-2 我国工程结构承载能力极限状态的目标可靠指标 267
表10-3 计算梁不考虑耐久性退化时所需钢筋截面面积 290
表10-4 计算梁考虑耐久性措施时所需追加的钢筋截面面积及成本 291
表10-5 计算梁混凝土造价 291
表10-6 计算梁各种耐久性措施和策略的全寿命成本比较 292
表11-1 两种公路桥梁规范下某桩截面配筋比较 299
表11-2 不同规范下C2 值和C 值的计算结果比较 302
表11-3 JCSS 模式规范下正常使用极限状态的年目标可靠度和年失效概率建议值 304
表11-4 需标定的工况 306
表11-5 荷载及抗力的概率分布形式及其参数 306
表11-6 顺桥向(非固结墩)及横桥向墩身墩底荷载(作用)效应比值 307
表11-7 顺桥向(固结墩)墩身墩底荷载(作用)效应比值 308
表11-8 纵向(非固结墩)及横向基础荷载(作用)效应比值 309
表11-9 不同可靠度的可变荷载频遇值系数和准永久值系数的取值 314
表11-10 不同可靠度下对表11-1 所提到桩基的重新设计结果 315
表11-11 其他抗力的概率分布形式及其参数 316
表11-12 可靠度和灵敏度计算结果(1) 318
表11-13 可靠度和灵敏度计算结果(2) 320
表11-14 可靠度和灵敏度计算结果(3) 320
表11-15 可靠度和灵敏度计算结果(4) 321
表12-1 结构各部位氯离子浓度检测结果 335
表12-2 氯离子环境参数及其分布 336
表12-3 承台混凝土水流冲刷掏空尺寸 337
表12-4 案例桥梁各部位锈蚀起始极限状态 339
表12-5 结构锈蚀开裂时间预测主要参数及其分布 340
表12-6 结构锈胀开裂时间分布参数 341
表12-7 维护方案一的主要操作过程 343
表12-8 维护方案一中1#、2#承台维护的主要直接成本构成 346
表12-9 维护方案一中全桥环氧涂层的直接成本构成 347
表12-10 维护方案一的主要环境成本构成 348
表12-11 维护方案一的主要社会成本构成 349
表12-12 首次电化学除氯后各构件钢筋附近氯离子浓度 351
表12-13 维护方案二的主要操作过程 352
表12-14 维护方案二中桥墩维护的主要直接成本构成 353
表12-15 维护方案二中承台维护的主要直接成本构成 354
表12-16 维护方案二的主要环境成本构成 355
表12-17 维护方案二的主要社会成本构成 357
表12-18 A 桥建设阶段的主要环境成本构成 358
表12-19 A 桥维修加固的主要环境成本构成 359
表12-20 A 桥维修加固主要社会成本构成 359
表12-21 两种维护方案的全寿命总成本现值 360
表12-22 直接成本相关参数及其分布 363
表12-23 维护方案一的各项成本取值范围 365
表12-24 维护方案二的各项成本取值范围 365
表12-25 不同风险态度下的成本效用值 366
图目录
图1-1 我国近30 年的建筑业发展趋势图 3
图1-2 我国的基础设施领域发展趋势图 3
图1-3 常见的结构耐久性问题 4
图1-4 工程结构全寿命的研究周期 11
图1-5 结构全寿命设计和管理框架 15
图1-6 建筑结构综合全寿命设计方法框架 16
图1-7 桥梁结构全寿命设计总体框架 18
图1-8 工程结构全寿命设计目标体系 19
图2-1 导致结构劣化的外界作用 31
图2-2 作用效应和结构抗力时变性 32
图2-3 活荷载最大值概率分布时变规律 33
图2-4 结构的功能状态 37
图3-1 工程结构全寿命周期理论研究框架 43
图3-2 工程结构全寿命周期研究核心指标的关系 44
图3-3 工程结构全寿命设计目标体系构成 45
图3-4 各指标之间的关系 49
图3-5 基于核心目标的结构全寿命设计研究内容及相互关系 50
图3-6 按时间阶段划分的结构全寿命设计研究内容及相互关系 52
图3-7 混凝土结构全寿命设计指标体系 56
图3-8 结构寿命期内CO2 排放量示意图 61
图3-9 水泥生产过程中排放CO2 61
图3-10 全寿命分层设计法指标层次示意图 66
图3-11 改进的工程结构全寿命设计理论指标体系 67
图3-12 工程结构与环境的相互作用 71
图3-13 耐久性对结构安全性和适用性的影响 73
图4-1 基于时间的可靠度分析原理 88
图4-2 混凝土结构钢筋锈蚀程度 90
图5-1 性能体系模型框架 107
图5-2 不同水泥用量下氯离子占混凝土质量百分比与占水泥质量百分比的换算 113
图5-3 任意时点最大活荷载分布与设计基准期最大活荷载分布关系 117
图5-4 码头堆货荷载调整系数随设计使用年限变化的关系 119
图5-5 结构全寿命性能设计的性能标准 121
图5-6 考虑经济性确定的最优可靠度水平 124
图5-7 结构全寿命性能设计的性能指标体系 127
图5-8 结构失效概率与时间的关系 128
图5-9 钢筋全寿命性能劣化的阶段模型 130
图5-10 不同电阻率混凝土中钢筋腐蚀电流密度时变曲线 131
图5-11 锈蚀速率时变过程模式 132
图5-12 不同模型计算的钢筋腐蚀电流密度时变曲线 134
图5-13 黏结强度随锈蚀率变化的关系曲线 136
图5-14 抗弯梁相对极限抗弯强度退化曲线 138
图5-15 钢筋锈蚀率随时间变化的关系 142
图5-16 计算协同工作系数随时间变化的关系 142
图5-17 抗弯承载力随时间变化的关系及试验值与计算值比较 142
图5-18 腐蚀电流密度随时间变化的关系曲线 142
图5-19 结构抗力、荷载随时间的变化示意图 144
图5-20 钢筋锈蚀、结构性能随时间变化的关系 145
图5-21 安全性、适用性与耐久性的关系 147
图5-22 抗弯梁尺寸及其配筋示意图 153
图5-23 抗力平均值随时间变化曲线 154
图5-24 抗力变异系数随时间变化曲线 154
图5-25 可靠指标随时间变化曲线 155
图5-26 可靠指标衰减量随时间变化曲线 155
图5-27 结构全寿命性能示意图 165
图6-1 全寿命成本分类 183
图6-2 工程结构项目各阶段成本对全寿命成本的影响 186
图6-3 PM、RM 和EM 维护维修措施的差别 188
图6-4 使用功能不充分系数曲线 192
图6-5 结构全寿命费用及性能劣化曲线示意图 194
图6-6 结构全寿命管理的事件树预测 198
图7-1 工程结构全寿命各阶段绿色评价内容 203
图7-2 工程结构全寿命绿色评价的对象 205
图7-3 工程结构全寿命绿色评价指标层次关系 206
图7-4 工程结构全寿命绿色设计对象示意图 207
图7-5 沿海高速公路桥梁结构全寿命设计绿色指标体系 212
图8-1 结构全寿命工程活动产生的环境影响 223
图8-2 考虑系统升级、排放处理和污染费用的水泥产品环境成本 225
图8-3 桥梁上部结构构造图 228
图8-4 梁的设计荷载情况 228
图8-5 截面设计预应力钢筋混凝土梁(a)和钢梁(b) 229
图8-6 钢梁与钢筋混凝土梁体系间的初始成本比较 230
图8-7 桥梁梁体系的全寿命总成本、直接成本和环境成本 232
图8-8 不同时刻的累积总成本、直接成本和环境成本的现值概率密度 233
图8-9 采用门槛折现率(a)和定值折现率(b)的钢梁建造环境成本现值 234
图9-1 工程基础设施的社会影响 243
图9-2 案例分析中的高速公路桥梁 249
图9-3 高速公路桥梁上部结构 249
图9-4 桥梁面板结构的可靠度劣化模型 250
图9-5 两种维护方案的全寿命直接成本 251
图9-6 案例分析假设的2km 变速过程 253
图9-7 两种维护方式的各项社会成本比例 256
图9-8 重新施加WRSIS 涂层和重建桥梁面板的全寿命SCPHY、SCPSY 和SCPE 256
图9-9 重新施加WRSIS 涂层和重建桥梁面板的全寿命SCHS、SCSE 和SCSR 257
图9-10 两种维护方案的全寿命社会成本和包含社会成本的全寿命总成本 258
图10-1 结构初建成本与初始可靠度的关系 270
图10-2 设计目标可靠指标的优选 271
图10-3 结构全寿命性能及相应的管理成本 272
图10-4 结构设计参数的控制及管理分析 273
图10-5 结构设计参数的可允许范围分析 276
图10-6 结构维修程度与成本的关系 279
图10-7 检测最佳样本数量的选取 280
图10-8 结构运营期管理措施方案选择 282
图10-9 维护维修措施的时点选择方案比选 283
图10-10 可靠指标衰减曲线示意图 284
图10-11 保护层厚度对t0的影响(Cs=1.0%) 285
图10-12 保护层厚度对tcr-t0的影响(Cs=1.0%) 285
图10-13 t0相对前一级保护层厚度延长的百分比 286
图10-14 tcr-t0相对前一级保护层厚度延长的百分比 286
图10-15 水灰比对扩散系数的影响(室内试验) 286
图10-16 水灰比对扩散系数的影响(暴露试验) 286
图10-17 水灰比对t0的影响(Cs=1.0%) 287
图10-18 水灰比对tcr-t0的影响(Cs=1.0%) 287
图10-19 不同耐久性设计策略时结构可靠指标衰减模型 288
图10-20 钢筋费用增加随保护层厚度的变化情况 291
图10-21 计算梁不同耐久性设计策略的全寿命成本 292
图11-1 大桥桥型图 298
图11-2 实测月极值风速统计分析 299
图11-3 桥位设计月极值风速推定值统计分析 300
图11-4 100 年设计基准期内月极值模拟风速统计分析 300
图11-5 100 年设计基准期内月极值模拟风速跨时率统计分析 300
图11-6 可变作用系数标定流程 310
图11-7 可变作用系数标定结果 314
图11-8 大桥设计参数管理分析流程 316
图11-9 大桥结构体系示意图 317
图11-10 结构设计参数的可允许变化范围分析结果 328
图12-1 跨海大桥全景图 333
图12-2 跨海大桥立面布置图 333
图12-3 桥梁位置图 334
图12-4 岛屿D 地区历年财政收入 334
图12-5 混凝土保护层内氯离子含量的预测值和实测值 336
图12-6 承台混凝土掏空示意图 337
图12-7 耐久性初始极限状态可靠度 339
图12-8 构件锈胀开裂时间的概率密度分布 341
图12-9 1#、2#承台2018 年时的混凝土保护层内氯离子浓度 342
图12-10 混凝土表面环氧涂层裂缝示意图 343
图12-11 维护方案一的初始极限状态全寿命可靠度指标 344
图12-12 承台维护的围堰布置图 345
图12-13 连续梁施工的轻型悬挂脚手架(a)和墩身施工的落地脚手架(b) 345
图12-14 维护方案一的主要施工进度计划 346
图12-15 电化学除氯前混凝土内的氯离子浓度(a)和电化学除氯后混凝土内的氯离子浓度(b) 351
图12-16 维护方案二的初始极限状态全寿命可靠度 352
图12-17 维护方案二的主要施工进度计划 353
图12-18 两种维护方案的全寿命直接成本、环境成本和社会成本现值 360
图12-19 两种维护方案的全寿命各阶段总成本比例 361
图12-20 A桥的全寿命各项成本累积图 362
图12-21 全寿命直接成本、环境成本和社会成本的均值与标准差 363
图12-22 不同风险态度下的效用值曲线示意图 365
图12-23 不同风险态度下两种维护方案的全寿命成本效用值 366
图12-24 不同权重组合的全寿命总成本综合效用值 367
图13-1 全寿命总成本计算软件的第一步 372
图13-2 全寿命总成本计算软件的第二步和第三步 373
图13-3 全寿命总成本计算软件的第四步 374
图13-4 全寿命总成本计算软件的第五步 375
图13-5 全寿命总成本计算软件的第六步 376
图13-6 全寿命总成本计算软件的第七步 376
图13-7 全寿命总成本计算软件算例结构示意图 377
图13-8 软件欢迎页 377
图13-9 项目基本信息页 378
图13-10 材料与构件成本信息页 378
图13-11 施工成本计算页 379
图13-12 检测成本计算页 379
图13-13 维护成本计算页 380
图13-14 维修成本计算页 380
图13-15 拆除成本计算页 381
图13-16 结果展示页 381
图13-17 全寿命成本计算结果分析报告 382
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