工程结构的全寿命设计方法旨在结构的设计阶段,通过考虑结构在全寿命周期中可能遭受的荷载、环境作用和灾害作用,以及全寿命工程活动可能造成的经济影响、环境影响和社会影响,制定结构的设计方案、维护方案及灾害应对方案等,使结构在全寿命过程中满足性能要求,并使各类不良影响降至最低。然而,工程结构的全寿命设计理论体系仍存在一些缺陷,全寿命设计方法的实际应用存在阻碍,全寿命设计过程中无法有效地考虑可持续性要求,而全寿命成本模型的内涵也不完善。鉴于以上问题,本文旨在研究和改进工程结构的全寿命设计理论和设计方法,建立工程结构的全寿命设计绿色指标体系,提出能够覆盖多个设计目标的全寿命分层设计实用方法,通过货币化的方法将可持续性评价中的环境影响和社会影响转化为环境成本和社会成本,并基于经典的结构全寿命成本模型建立包含直接成本、环境成本和社会成本的全寿命总成本模型,通过软件开发和实例分析的方式将全寿命总成本应用于工程实践中,为结构全寿命设计的理论研究和实际应用提供了参考。本文的主要研究工作如下:(1)从工程结构设计理论的演变历程入手,探讨了各阶段设计方法的特点与不足。结合前人提出的全寿命设计目标体系和当下的设计理论发展,建立了修正后的全寿命设计目标体系。其中,传统目标包括结构性能、使用寿命和经济效益目标,而绿色目标包括区域环境、社会影响和全球环境目标。从设计目标、设计时域、动态设计和基于耐久性的设计等方面分析了全寿命设计方法的优势,提出了全寿命设计的指标体系。(2)在工程结构全寿命周期设计理论体系的基础上,总结国内外的绿色建筑评价体系,构建了工程结构全寿命设计的绿色指标体系,包括以区域环境为对象的“区域环境指标”、以人为对象的“用户及社会满意度指标”和以全球生态为对象的“全球环境指标”。通过指标分层、指标分类和权重分析,建立了详细的工程结构全寿命绿色设计指标体系,并针对特定的结构形式、用途和所处环境,构建了沿海高速公路桥梁结构的全寿命设计绿色指标体系框架。(3)结合工程结构的传统设计和绿色设计目标,提出了钢筋混凝土结构的全寿命分层设计法,并将全寿命分层设计的设计过程分为六个层次,涵盖了安全和可靠性、耐久性、经济性、区域环境影响、社会影响和全球环境影响等方面。以某海洋环境中的钢筋混凝土高速公路桥梁结构为例,阐述了全寿命分层设计法的设计过程。与传统结构设计法的结果进行对比,体现了全寿命分层设计法的优势。(4)以结构耐久性为主线,对现有工程结构全寿命设计理论框架进行重组,建立了包含可靠性指标和可持续性指标的全寿命设计指标体系。确定基于结构动态性能的全寿命设计思路;完善全寿命成本的内涵;建立结构可持续发展指标,解决概念模糊和指标重复的问题;强调工程结构耐久性在全寿命设计理论中的贯穿作用。(5)基于污染防治理论提出环境成本模型,计算了常用建筑材料、能源、运输方式和建筑机械的环境成本。对某桥梁结构进行方案比选,对比了钢筋混凝土梁和钢梁在初始建造阶段的直接成本和环境成本。引进了包含环境成本的结构全寿命成本模型,考虑钢梁体系的初始建造成本和后期维护成本,对其进行包含环境成本的全寿命成本分析,并分析了由直接成本和环境成本引起的不确定性,并采用敏感性分析的方法研究了环境成本折现率对结构全寿命总成本的影响。(6)将工程结构的社会影响划分为个人层面影响和社会层面影响,个人层面影响包括身体状态、心理状态和个人经济状态,而社会层面影响包括人居环境、社会经济发展和社会资源,以土木工程基础设施为侧重点,通过具体的计算模型将以上社会影响转化为社会成本。采用劣化过程中的桥梁结构为案例,对社会成本各部分的计算加以说明。根据桥梁的劣化模型、维护方案和工程事故信息,对劣化桥梁结构进行了包含社会成本的全寿命成本分析。(7)工程结构的全寿命总成本为结构在全寿命各阶段的直接成本、环境成本和社会成本之和,基于环境成本和社会成本的计算模型,以MATLAB为平台设计和开发了“工程结构全寿命总成本计算软件”,用于结构的全寿命总成本分析和评价。以宁波市某沿海桥梁为例,针对耐久性退化过程制定了两套维护方案,分别进行了全寿命总成本分析,并对三类成本进行了不确定性分析。最后,采用效用理论对全寿命成本做标准化处理,并对两套维护方案进行比选。