客貨共線鐵路T梁和箱梁全壽命周期技術經濟分析

班新林，蘇永華

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

橋梁設計時既要考慮橋梁的成橋性能，又要考慮橋梁使用期間的性能；既要考慮當前的利益，又要考慮后期的風險；既要重視橋梁建設的初始造價，又要考慮全壽命周期內所需的費用，即要以橋梁全壽命周期性能與成本作為衡量橋梁性能和成本的指標，并以此來評價橋梁的優劣及經濟性[1-2]。因此，為了可持續發展，需要把傳統設計中只關注施工階段的短期方法拓展到結構的整個使用壽命期，考慮橋梁建設的所有方面，包括工程建設和運營養護。

全壽命周期成本(Life Cycle Cost，LCC)及全壽命經濟性概念的提出已經有100多年的歷史。近年來，其方法和有關規定己較為完善，在航空、航天、艦船、車輛、建筑，以及家用電器、小型機械等方面均有研究與應用[3]。我國在橋梁全壽命經濟性方面研究較晚，主要應用于公路橋梁，鐵路橋梁少有涉及，因此在鐵路橋梁工程建設過程中展開全壽命周期的技術經濟分析十分必要。

1 客貨共線鐵路簡支梁橋

20世紀90年代，隨著我國鐵路混凝土橋梁技術的發展，我國客貨共線鐵路橋梁形成了以分片式預應力混凝土簡支T梁為主的局面，跨度以24，32 m為主。簡支T梁在梁場集中預制，梁體施工質量好，單片T梁自重小，便于運輸，適應了當時架橋機的架設能力。但是多片式簡支T梁在架設完成后，需要在橋位處施工橫向連接構造，由于施工環境差，施工質量不易保證。目前大量使用的簡支T梁，多采用翼緣板懸臂安裝角鋼人行道支架，但維護困難大、成本高，運營維護安全風險大。

隨著我國高速鐵路發展，高速鐵路簡支箱梁建造技術發展成熟。簡支箱梁不但整體受力性能性好，還具有運營期間養護維修用工少、成本低等優點。目前高速鐵路簡支箱梁的跨度已經發展到40 m，運梁車和架橋機的承載能力發展到 1 000 t，具備把簡支箱梁建造技術應用到客貨共線鐵路的條件。2014年，鐵路總公司發布了時速160,200 km客貨共線鐵路預制后張法預應力混凝土簡支箱梁通用參考圖，但應用范圍較小，主要原因是工程建設中箱梁建設成本比簡支T梁略高，設計方案比選階段沒有考慮橋梁運營維護成本的差異。2018年，客貨共線簡支箱梁在通用參考圖修訂過程中優化了結構和橋面附屬構造，提升了其經濟性[4]。

2 客貨共線鐵路橋梁技術對比分析

通過對現行客貨共線鐵路簡支T梁[5-7]和簡支箱梁[8-9]的設計、運營維護情況對比研究[10]，并展開客貨共線鐵路簡支箱梁深化研究，得到結論如下：

1)簡支箱梁結構具有剛度大、整體性好的優點。在相同靜活載作用下，相同梁高簡支T梁的跨中豎向變形、梁端轉角均大于箱梁。簡支T梁的基頻小于箱梁。

2)簡支箱梁整體橋面有利于保證防水體系的防水效果，便于安裝欄桿、聲屏障、電纜槽等附屬構造。運營維護經驗表明，簡支箱梁的病害以及運營維護工作量小于簡支T梁。

3)客貨共線鐵路簡支箱梁優化后可以適應ZKH荷載，優化了箱梁結構尺寸和預應力體系，電纜槽可以在橋面布置。使用邊墻安裝欄桿和聲屏障，提升了對運營需求的適應能力及經濟性。

4)箱梁擋砟墻具備脫軌防護功能和取消橋面護軌的能力；客貨共線鐵路簡支T梁擋砟墻結構不滿足列車脫軌后的防撞要求，取消護軌需要加強防護墻、橋面板和橫向連接，則客貨共線鐵路簡支T梁的工程投資會有所增加。

3 客貨共線鐵路橋梁建設成本對比

根據現行的客貨共線簡支T梁[5-6]、簡支箱梁[7-8]及橋墩的通用參考圖，結合具體線路工程應用情況，綜合考慮梁部、支座、橋面系、墩臺、基礎等構造對橋梁直接建設成本進行分析，并考慮了預制、架設、梁場建設等費用。

1)箱梁與T梁建設成本對比見表1。

表1 箱梁與T梁建設成本對比

注：“-”表示箱梁成本低于T梁；梁體建設成本含梁部、橋面系、支座等。

2)單線簡支箱梁橋橋墩材料用量比簡支T梁橋大，雙線簡支箱梁橋橋墩材料用量比簡支T梁橋小，具體見表2。客貨共線鐵路簡支箱梁橋的橋墩在結構構造方面還存在一定優化空間，在滿足設計、運營性能指標的情況下可以進一步降低材料用量，節省橋墩建設成本。

表2 箱梁與T梁橋墩工程用量對比

3)橋梁基礎費用和地震烈度對客貨共線鐵路簡支T梁橋和簡支箱梁橋的工程建設成本影響較小。

綜上可知，從工程建設直接成本來看，梁部建設成本是決定客貨共線鐵路橋梁成本高低的主要影響因素，有無聲屏障是梁部建設成本高低的主要影響因素。

4 客貨共線鐵路橋梁運營維護成本對比

根據北京、上海鐵路局工務部門提供的數據進行測算，并考慮了100年的使用壽命，對客貨共線鐵路橋梁運營維護成本進行分析，結果如下：

1)鐵路橋梁人行道設置方式對于人工需求、維護成本的影響顯著。橋梁角鋼支架人行道主要維護內容為除銹涂裝，只能采用人工方式，費時、費工、作業效率低、涂裝質量不易保證，且存在一定作業風險。

2)從鐵路橋梁運營維護實踐情況來看，人工成本是橋梁養護維修中的重要部分，所占比例較大。從橋梁的梁型來看，簡支箱梁養護維修用工量少于簡支T梁，在人力成本逐漸增加的情況下，簡支箱梁在養護維修用工方面占有明顯優勢。

3)根據既有客貨共線鐵路分片式T梁運營維修情況，1孔雙線32 m角鋼支架簡支T梁橋100年壽命周期內的養護維修費用為北京局71.4萬元、上海局78.4萬元。根據現階段高速鐵路整孔箱梁維護情況，1孔雙線32 m簡支箱梁橋100年壽命周期內的養護維修費用為上海局19.6萬元。

5 接觸網立柱和護軌的影響分析

1)客貨共線鐵路簡支T梁橋和簡支箱梁橋接觸網立柱的設置對工程建設成本有一定影響。對于客貨共線鐵路1孔雙線32 m簡支梁橋，簡支箱梁橋采用的H形鋼柱接觸網立柱建造費用比簡支T梁橋采用的格構式鋼柱接觸網立柱節省1.27萬元。

2)客貨共線鐵路橋梁是否設置護軌對工程建設成本影響較大。對于客貨共線鐵路1孔32 m簡支梁橋，在100年壽命使用期內，不設置護軌比設置護軌的費用節省9.68萬元。由于簡支箱梁設置了防護墻，若取消護軌則能節省大量建設和運營維護成本。

6 工程實例分析

目前，我國客貨共線鐵路橋梁規模化應用箱梁的線路主要是滬通鐵路和青連鐵路。新建滬通鐵路首次應用時速200 km客貨共線鐵路簡支箱梁，全線13座雙線特大橋由簡支T梁優化為簡支箱梁，長98 km。經概算投資成本減少 3 936 萬元，其中橋梁減少 9 406 萬元，電力及電力牽引供電減少 1 966 萬元，大型臨時設施和過渡工程增加 7 436 萬元，鋪架工期減少4個月。滬通鐵路簡支箱梁橋的橋面設置了護軌，與簡支T梁橋一致，建設成本中沒有體現護軌設置的區別。

7 結論

1)客貨共線鐵路雙線橋梁工程(包括梁部、橋墩、基礎、支座、橋面附屬設施等)直接建設成本對比分析表明：有聲屏障箱梁橋比整體橋面T梁橋低，無聲屏障箱梁橋比角鋼支架T梁橋高。

2)客貨共線鐵路橋梁運營維護成本分析結果表明：角鋼支架簡支T梁橋的運營維護成本約占100年全壽命周期成本的20%～30%，簡支箱梁橋的運營維護成本約占100年全壽命周期成本的10%。人工成本在橋梁運營維護成本中所占的比例較大，角鋼支架簡支T梁橋的運營養護成本明顯大于簡支箱梁橋。

3)客貨共線鐵路簡支箱梁橋全壽命周期成本低于整體橋面簡支T梁橋，也低于角鋼支架簡支T梁橋。考慮橋梁100年全壽命周期成本，有聲屏障簡支箱梁橋比整體橋面簡支T梁橋低約5%～10%，無聲屏障簡支箱梁橋比角鋼支架簡支T梁橋低約15%左右。

4)從國內外鐵路橋梁技術發展來看，采用整體式橋梁結構是技術趨勢；從結構構造方面來看，后期運營過程中有增設聲屏障需求時，簡支箱梁比簡支T梁更便于設置，且成本較低。