目前我国公路桥梁已超过80万座,总长度已达到5000万米。在复杂交通环境及车辆荷载的作用下,桥梁结构性能将逐渐退化、破损、钢筋锈蚀、耐久性降低,严重影响桥梁的安全运营。因此,有必要在桥梁设计中引入全寿命设计方法,即在设计阶段就考虑结构建成后养护、检测、维修加固等。传统的桥梁全生命周期分析和设计中主要包括安全性、适用性、耐久性等性能指标和经济指标。但桥梁在修建过程中需要消耗大量能源和自然资源,特别是修建在生态环境薄弱地域或水域的桥梁,更容易对当地的生态环境造成负面影响。为了提高桥梁的可持续性,有必要在确保安全的前提下将现有方法中的安全、耐久等性能指标拓展到包含环境、经济、社会以及结构性能等各方面的可持续性指标。作为桥梁在施工建造过程中最主要的工程材料,混凝土在其生产过程中(尤其是水泥的生产)需要消耗大量的能源并造成极大的温室气体排放,研究显示大约每生产1吨水泥熟料就要向大气排放0.73-0.99吨二氧化碳。粉煤灰是目前应用最广泛、用量最大的辅助胶凝材料,用粉煤灰替换部分水泥,不仅够改善混凝土的各项性能,还能减少水泥及其熟料的用量,降低混凝土及其结构在全生命周期内的能源消耗和温室气体排放。本文基于生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)基本理论,以粉煤灰混凝土及桥梁的上部结构——粉煤灰钢筋混凝土梁作为研究对象,从原材料选取、设计、施工、以及运营维护各个阶段,考虑粉煤灰掺量、粉煤灰混凝土强度和强度发展特性、粉煤灰混凝土耐久性等因素,对粉煤灰混凝土及其构件生命周期内的碳排放和成本进行定量化分析,构建粉煤灰混凝土结构全生命周期综合可持续性评价指标和设计方法。本文的主要研究内容如下:(1)确立了粉煤灰混凝土强度、龄期和掺量等参数的影响特性,构建了以混凝土强度为主要表征的碳排放计算模型,对粉煤灰混凝土在其生产过程中的碳排放进行计算,并对影响碳排放的重要参数进行不确定性分析。(2)基于一般大气环境下的粉煤灰钢筋混凝土梁非线性时变可靠度模型,考虑混凝土结构使用年限的碳排放和成本评价问题,建立了粉煤灰钢筋混凝土梁生命周期内碳排放和成本增量分析模型。(3)针对以往对碳排放和成本的时间效应研究不足的问题,从碳排放的持续效应、货币的时间价值和考虑货币时间价值的碳排放折现三个方面进行研究,建立了粉煤灰钢筋混凝土梁碳排放和成本的时间效应模型。(4)考虑粉煤灰钢筋混凝土梁全生命周期内碳排放、成本和可靠度等因素的变化,采用动态规划理论,提出了粉煤灰钢筋混凝土梁全生命周期维修优化策。(5)考虑性能、环境、经济和社会等因素综合影响,建立了粉煤灰钢筋混凝土梁全生命周期可持续性评价模型,并对可持续评价模型中的社会、经济、环境的权重因子的不确定性进行分析,提出了混凝土结构可持续设计的概念和思路。