遼寧省高速公路混凝土橋梁全壽命周期成本分析

劉 建

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)具有壽命周期長、重要性程度高、投資巨大等特點(diǎn)。我國的公路橋梁建設(shè)在經(jīng)歷了20多年的快速發(fā)展后，已建成的橋梁總數(shù)量居世界第一，已成為世界范圍內(nèi)的橋梁第一大國[1]。對于中小跨徑橋梁，國內(nèi)習(xí)慣上采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)如裝配式小箱梁、T梁、空心板等，在已建成的近80萬座橋梁中(截至2015年底)，95%以上都是混凝土橋梁。

近年來，隨著道路車流量的不斷增長，不僅橋梁需求和壓力增加，許多通車時(shí)間較早的橋梁已經(jīng)開始老化，逐漸出現(xiàn)裂縫、蜂窩等問題[2]。越來越多的橋梁出現(xiàn)了使用性能差、耐久性低、服務(wù)壽命短、全壽命經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)差等問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響了橋梁正常服務(wù)功能的發(fā)揮[3]。橋梁管養(yǎng)維修的耗費(fèi)越來越大，為了幫助投資者做出更加科學(xué)準(zhǔn)確的決策，必須采用全壽命周期成本理念對全壽命維修成本進(jìn)行預(yù)測。

生命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)及全壽命經(jīng)濟(jì)性概念的提出已經(jīng)有100多年的歷史，最早由美國軍方于20世紀(jì)60年代提出，應(yīng)用于軍用器材采辦領(lǐng)域，并迅速推廣到民用企業(yè)[4]。20世紀(jì)80年代開始，生命周期成本方法逐漸應(yīng)用到交通領(lǐng)域，很多研究者提出了橋梁設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)和更新的生命周期成本分析(LCCA)和生命周期成本評估的方法。Leemis闡述了生命周期成本計(jì)算在橋梁中的應(yīng)用[5]；Frangopol發(fā)表了多篇關(guān)于橋梁全壽命周期成本分析的論文，全面介紹了橋梁壽命周期成本的框架[6]。NCHRP對全壽命周期成本的構(gòu)成做出了詳細(xì)研究[7]。以Asko Sarja為代表的日本學(xué)者對工程全壽命設(shè)計(jì)、成本優(yōu)化、性能評價(jià)等進(jìn)行了一系列研究[8]。

對遼寧省在役高速公路混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)形式、退化程度、維修措施和成本進(jìn)行了調(diào)研，對可能的拆除方案和成本進(jìn)行了估算。在調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了五種常用中小跨徑混凝土橋梁的全壽命周期成本，通過對比分析得出了不同橋梁類型的適用性，提出了中小型混凝土橋梁今后的設(shè)計(jì)和維護(hù)建議。

1 氣候條件與橋梁常見病害

遼寧省冬季平均氣溫低于-8℃，屬于季凍地區(qū)，多冰雪天氣，需撒除冰鹽清除道路積雪。根據(jù)規(guī)范中對環(huán)境類別的規(guī)定，遼寧省常見環(huán)境類別包括近海或海洋環(huán)境和除冰鹽等其他氯鹽環(huán)境。影響混凝土橋梁耐久性的因素主要有：氯離子侵蝕作用、混凝土碳化作用、凍融循環(huán)作用等。根據(jù)橋梁的基本組成研究混凝土橋梁各部件的病害情況，見表1。

2 橋梁全壽命管養(yǎng)和維修策略

橋梁在使用過程中，性能會(huì)發(fā)生退化，結(jié)構(gòu)的退化規(guī)律與材料、結(jié)構(gòu)體系、外界環(huán)境、交通量變化等諸多因素有關(guān)，假定結(jié)構(gòu)可靠度β隨時(shí)間t的變化規(guī)律為線性的。參考《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，將橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)同橋梁結(jié)構(gòu)評定標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，得到按承載能力評定的混凝土橋梁安全等級如表2：

表1 中小跨徑混凝土梁橋基本組成和常見病害

表2 按承載能力評定的混凝土橋梁安全等級

為保障結(jié)構(gòu)在壽命周期內(nèi)的性能滿足安全和使用要求，需要在合適的時(shí)間進(jìn)行管養(yǎng)和維修。提出管養(yǎng)策略如下：當(dāng)橋梁狀態(tài)處于三類以上，進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作，酌情進(jìn)行交通管制；當(dāng)橋梁狀態(tài)低于三類，即需進(jìn)行恢復(fù)性養(yǎng)護(hù)工作，包括加固、改建、重建等，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行交通管制或關(guān)閉交通。

表3 混凝土橋梁狀態(tài)評定標(biāo)準(zhǔn)及管養(yǎng)策略

日常養(yǎng)護(hù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工作依據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》和遼寧省養(yǎng)護(hù)工作慣例按照計(jì)劃進(jìn)行，包括經(jīng)常檢查與日常養(yǎng)護(hù)(每月一次)、定期檢查與耐久性養(yǎng)護(hù)(每三年一次)兩部分工作。當(dāng)橋梁狀態(tài)低于三類(或可靠度指標(biāo)β<0.85β0)時(shí)，即需針對病害進(jìn)行相關(guān)的加固、改建或重建措施，重新恢復(fù)橋梁性能。根據(jù)混凝土橋梁可靠度指標(biāo)的變化規(guī)律及遼寧省內(nèi)中小橋養(yǎng)護(hù)工作報(bào)告，第一次恢復(fù)性養(yǎng)護(hù)工作一般發(fā)生于橋梁建成后15～20年。假設(shè)每次恢復(fù)性養(yǎng)護(hù)后橋梁性能恢復(fù)到最佳狀態(tài)的95%，即βt=0.95β0，將第一次恢復(fù)性養(yǎng)護(hù)的時(shí)間定為建成后16年，隨著退化的進(jìn)行和損傷的積累，假定每次進(jìn)行恢復(fù)性養(yǎng)護(hù)時(shí)橋梁的狀態(tài)相同，但養(yǎng)護(hù)周期逐漸變短，從16年縮短到9年，如圖1所示，在100年壽命周期內(nèi)，橋梁需要進(jìn)行7次恢復(fù)性養(yǎng)護(hù)。

圖1 此管養(yǎng)策略下不同橋齡橋梁可靠度指標(biāo)變化

3 橋梁全壽命周期成本分析

3.1 全壽命周期成本構(gòu)成

全壽命周期成本是在橋梁從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用到最終拆除和更換的壽命期間發(fā)生的總成本，包括規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、維修、養(yǎng)護(hù)和加固、交通管制等投入[9]。按照成本發(fā)生的階段，將全壽命周期成本分為設(shè)計(jì)建造成本、管養(yǎng)維修成本、拆除成本和殘余價(jià)值，將來的成本通常折現(xiàn)到現(xiàn)在的價(jià)值進(jìn)行有意義的比較。按照成本的類型，分為機(jī)構(gòu)成本和用戶成本，其中機(jī)構(gòu)成本是最直接的成本，用戶成本和社會(huì)成本由于影響因素極為復(fù)雜，很難進(jìn)行定量的分析，故關(guān)注的是機(jī)構(gòu)成本。

圖2 橋梁全壽命周期成本構(gòu)成

橋梁全壽命周期成本是橋梁從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、使用到最終拆除和更換的壽命期間發(fā)生的總成本，包括機(jī)構(gòu)成本和用戶成本，其中機(jī)構(gòu)成本為規(guī)劃設(shè)計(jì)成本、施工建造成本、管養(yǎng)維修成本及拆除成本的總和，減去橋梁拆除回收后的殘余價(jià)值。

AC=DC+CC+MC+RC-SV

式中：DC—規(guī)劃設(shè)計(jì)成本；

CC—施工建造成本；

MC—管養(yǎng)維修成本；

RC—拆除成本；

SV—?dú)堄鄡r(jià)值。

規(guī)劃設(shè)計(jì)成本按照一般設(shè)計(jì)費(fèi)率，取為橋梁工程建安費(fèi)的3%。施工建造成本即為橋梁工程的建安費(fèi)用。

管養(yǎng)維修成本分為日常養(yǎng)護(hù)成本、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)成本和恢復(fù)性維修成本，對于計(jì)劃性的日常養(yǎng)護(hù)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，假定在橋梁投入使用時(shí)即確定了工作計(jì)劃，同相關(guān)管理單位簽訂了合同，此部分成本即按當(dāng)前費(fèi)用支付，不考慮折現(xiàn)率和通貨膨脹率的影響；對于恢復(fù)性維修，發(fā)生時(shí)間受橋梁退化狀態(tài)的影響，不可計(jì)劃，故此部分成本要考慮貨幣的時(shí)間價(jià)值和價(jià)值變化，在計(jì)算時(shí)引入貼現(xiàn)率和通貨膨脹率。本報(bào)告中，貼現(xiàn)率取為8%，通貨膨脹率取為5%。

通常可以對橋梁拆除成本進(jìn)行簡化估計(jì)，對于鋼筋混凝土橋梁而言，拆除成本取為初始建設(shè)成本的10%。考慮橋梁拆除后回收的材料價(jià)值，鋼筋混凝土橋梁的殘余價(jià)值取為初始建設(shè)成本的0.5%[10]。

3.2 不同橋型的全壽命周期成本

以相同的模式計(jì)算遼寧省五種常用中小跨徑混凝土橋梁的全壽命周期成本，見表4。對于20m跨徑的小橋，分析了混凝土空心板梁橋，全壽命周期成本約為4200元/m2；對于30m跨徑的中橋，分析了裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋、現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋和裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，其中，裝配式小箱梁橋全壽命周期成本約5000元/m2，現(xiàn)澆箱梁橋全壽命周期成本約5400元/m2，T梁橋全壽命周期成本約5200元/m2；對于40m跨徑的中橋，分析了預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋，全壽命周期成本約5500元/m2。

表4 中小跨徑混凝土橋梁全壽命周期成本

根據(jù)遼寧省目前的管養(yǎng)工作投入和橋梁狀態(tài)，在中小跨徑混凝土橋梁全壽命周期成本中，設(shè)計(jì)建造期成本約占75%～83%，運(yùn)營期成本約占16%～25%，拆除成本占0.5%左右。

表5 中小跨徑混凝土橋梁不同階段成本占比情況

4 結(jié)論

分別比較幾種中小跨徑混凝土梁橋的全壽命周期成本，得到不同橋型的適用情況。當(dāng)跨徑為20m時(shí)，裝配式預(yù)應(yīng)力空心板橋較實(shí)用，建設(shè)成本也較低，但空心板橋在使用過程中鉸縫處易出現(xiàn)病害，管養(yǎng)維修費(fèi)用較高。當(dāng)跨徑為30m時(shí)，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋的全壽命周期成本最低，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋次之，現(xiàn)澆箱梁橋的全壽命周期成本最高，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁是最經(jīng)濟(jì)的選擇。而當(dāng)跨徑增加到40m時(shí)，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁橋更適用。

圖3 不同橋型全壽命周期成本對比圖