公路橋梁設計參數對工程造價的影響研究

徐新帥

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507）

0 引言

基礎設施建設項目中，特別是橋梁建設，面臨著材料選擇和設計方案的挑戰。在此背景下，以一座基礎設施項目中的橋梁為例，探討了耐腐蝕加固方案對工程造價的影響。在當前橋梁建設中，使用耐腐蝕替代材料成為趨勢，然而這些材料的長期性能和經濟效益尚未充分研究。因此，該文旨在填補這一研究空白，為基礎設施決策者提供重要的參考信息。

1 工程概況

在研究某特定的橋梁建設項目中，其采用了FRP 材料作為結構鋼筋的RC 和預應力混凝土（PC）。該項目為現有橋梁結構更換項目的一部分，原結構由于功能缺陷和老化已經超過了設計壽命，因此需要進行更換。這座橋梁由五個跨度組成，總長度達到56.7 m，寬度為17.6 m。鑒于其地理位置，水道經常受到海水污染的影響，尤其是在暴風雨季節。

已經完成的結構包括以下方面：36 根CFRP-PC 承載樁、235 根CFRP-PC/GFRP-RC 板樁、6 個GFRP-RC蓋梁和艙壁蓋梁、998 m2的GFRP-RC 橋面、長150 m的GFRP-RC 交通欄桿、兩塊161 m2的GFRP-RC 引橋板以及長20 m 的GFRP-RC 重力墻。最初的設計采用了Hillman 組合梁（HCB），該梁由一個由復合GFRP 殼體包裹的鋼筋混凝土淺系桿拱和輕質填充泡沫構成。而則考慮了一種替代的GFRP-RC 方案，旨在提供等效的強度和性能。除了創新的鋼筋解決方案外，FRP-RC/PC設計的獨特之處在于在下部結構的構件中采用了可持續的混凝土混合物。艙壁蓋梁使用含有海水的混凝土，而GFRP-RC 重力墻則采用了摻有再生混凝土骨料（RCA）和再生瀝青路面骨料（RAP）的混凝土。此外，白水泥混凝土和含有高比例礦渣和粉煤灰的混合物被用于GFRP-RC 欄桿的制作[1]。然而，這項工程中耐腐蝕替代材料并沒有得到充分研究。因此，主要目標在于探討采用不同的設計方案在經濟上的可行性。

2 設計和材料

對于鋼筋混凝土結構使用的四種加固材料進行了綜合比較，涵蓋了碳鋼、環氧涂層鋼（ECS）、不銹鋼（SS）和纖維增強聚合物（FRP）。在這些材料中，后三種材料的特性進行了深入研究，重點關注它們的耐腐蝕性能。

碳鋼棒材被分為40、60 和80 級，這些規格是基于ASTM A615/A615M 標準制定的。其中，鋼筋60 級具有最廣泛的應用，其屈服強度為414 MPa，極限強度為621 MPa，彈性模量約為200 GPa。在中，將60 級碳鋼作為基準。低松弛高強度碳鋼棒材分為250 級和270 級，這些規格是基于ASTM A416/A416M 制定的。在中，選擇了270 級作為基準，其屈服強度為1676 MPa，極限強度為1 860 MPa，彈性模量約為195 GPa[2]。

對于ECS 鋼筋和絞線，需要符合ASTM A775/A775M的全部要求，并且具有與普通碳鋼鋼筋類似的機械性能。ASTM A775/A775M 對ECS 定義為通過靜電噴涂法施加環氧保護涂層的鋼筋，以提供額外的耐腐蝕性。涂層厚度應在175~300 μm 之間，適用于尺寸為10~16 mm 和175~400 mm 的鋼筋，適用于19~57 號棒材。ECS 絞線應符合ASTM A882/A882M 的要求。

在不銹鋼方面，奧氏體不銹鋼SS-316 和雙相2205被選擇作為SS-RC 和SS-PC 的代表，其規格由ASTM A276/A276M 提供。這些選擇基于不銹鋼在鋼筋混凝土結構中性能的廣泛研究。SS-316 通常被認為是最適合船舶等應用的奧氏體不銹鋼級別，而近年來雙相2205 則在預應力絞線領域中成為新型替代品。海水混凝土中使用的奧氏體SS-304 鋼筋的使用壽命估計顯示，以10%失效概率為基礎，可保證使用壽命超過140 年。盡管SS-316和2205 級別的合金含量較低（鎳和鉬），仍保守地認為它們能夠確保100 年的使用壽命。

在新建筑中，FRP 被證明是一種無腐蝕性的可行替代品。商業解決方案包括用于鋼筋混凝土的玻璃纖維增強塑料（GFRP）鋼筋和用于預應力混凝土的碳纖維增強塑料（CFRP）絞線。無論混凝土配方如何，部署FRP 鋼筋混凝土（FRP-RC）和FRP 預應力混凝土（FRP-PC）都能夠消除鋼筋腐蝕問題。盡管FRP 是一種脆性復合材料，在失效之前會表現出彈性特性。

3 生命周期模型

3.1 LCC 的改進方法

傳統的壽命周期成本（LCC）框架通常被構建為確定性分析，其中設計者為每個輸入參數（如維護活動的成本和頻率）分配固定值。在概率分析中，輸入參數則被視為隨機變量，基于假設、平均值（μ）、標準偏差（σ）和分布函數（F(x)）來描述。通常，這些分析中涉及的變量的概率分布函數通過蒙特卡洛模擬方法進行處理，其中隨機抽樣模型可表示為：

式中，Xi——隨機變量；Fi(x)——第i個輸入參數的概率分布函數。

這種隨機抽樣模型通常需要進行數千次迭代，以生成維護成本的概率分布。通過對多次抽樣結果的分析，可以獲得維護成本的概率分布，從而更好地理解不確定性對成本估算的影響。

通過比較確定性和概率性方法，可以更好地量化不確定變量對敏感參數分布的影響。此外，對于一般的耐久性增強材料，近期已經開發出了生命周期優化框架，旨在最大程度提升整個生命周期的性能，并將維護成本降至最低。

盡管LCC 分析中所使用的模型可能被視為實踐狀態，而非最先進的創新，然而該文的目的在于提供一個傳統的確定性框架，作為比較四種不同橋梁設計方案在成本和環境影響方面的工具。通過靈敏度分析，這一確定性框架考慮了不確定性參數的影響。

3.2 使用壽命和模型邊界

生命周期分析的主要標準是EN 15804 和ASTM E917/E2453。該文提出的模型采用了與上述標準相同的命名法和程序。使用壽命的概念與設計壽命的概念存在區別。已有多項研究確定，以碳鋼（CS）為加固材料的橋梁項目的使用壽命為75 年。然而，隨著創新的耐久性材料的采用，該領域的目標是延長使用壽命。

在第二個生命周期階段，即使用壽命的后25 年，為了將碳鋼加固方案（CS-RC/PC）與環氧涂層鋼加固方案（ECS-RC/PC）的壽命延長至100 年，以便實現對四種設計方案的一致比較，第二階段的年限也被納入分析中。此外，假設橋梁使用與原橋梁相同的設計標準、使用壽命預期和施工方法，重建活動（以及相關的成本和環境影響）將占初始施工成本的三分之一。

4 LCC 分析

4.1 材料費

產品階段指的是鋼筋的制造過程。不同設計備選方案的產品階段成本數據來源于政府機構、私營企業以及軟件提供的報告。

4.1.1 碳鋼替代品

CS 鋼筋和絞線通常是按照單位重量進行定價。CS鋼筋的單位成本為8.45 元/kg 而CS 絞線的單位成本被視為21.12 元/kg。對于CS-RC/PC 替代方案的混凝土混合料成本，是通過在傳統混凝土配合比中添加硅灰（HRP）以滿足預期使用壽命所需的成本來進行估算。將硅灰添加到混凝土混合物中會導致預應力混凝土構件的成本增加125.89 元/m3，而現澆構件的成本則會增加334.93 元/m3[3]。

4.1.2 環氧涂層鋼替代品

與CS 鋼筋和絞線類似，ECS 鋼筋按照單位重量進行定價。ECS 鋼筋和絞線的單位成本被假設比CS 鋼筋和絞線高出33%。這種價格差異來源于軟件Life-365的數據。Life-365 中列出的ECS 棒的成本是8.58 元/kg，而CS 棒的成本為6.44 元/kg。顯示的單位成本與當前可用的估計值以及FDOT 公開的歷史投標價格報告一致。與CS-RC/PC 替代方案類似，ECS-RC/PC 解決方案在混凝土配合比的設計中，考慮了加入硅灰的情況。

4.1.3 不銹鋼替代品

奧氏體不銹鋼（SS）合金316 被選作主要鋼筋，而雙相2205 被選擇為SS 設計備選方案中的預應力絞線，以提高在腐蝕環境中的耐腐蝕性和使用壽命，至少可達100 年。SS-316 鋼筋的單位成本為56.29 元/公斤。因此，CS 鋼筋和SS 鋼筋之間的成本比約為6.68。相反，SS 絞線的成本是基于CS 絞線的單位成本，然后乘以CS 鋼筋和SS 鋼筋之間的成本比。在具有腐蝕性環境的情況下，使用SS 作為主要鋼筋，并將構成橋梁下部結構構件的混凝土保護層從76.2 mm 減少至50.8 mm[4]。

4.1.4 FRP 替代方案

GFRP 鋼筋和CFRP 絞線按單位長度進行定價。FRP鋼筋的單位成本采用HRB 項目的單位成本作為基準。與SS-RC/PC 替代方案和施工計劃類似，FRP-RC/PC 解決方案在下部結構構件中減少了混凝土保護層的厚度，并采用傳統混凝土配合比設計。

4.2 施工階段

施工階段產生的成本包括從制造廠到現場的材料運輸活動，以及材料安裝所需的勞動力和設備，比如混凝土模板、混凝土澆筑工具和鋼筋籠的安裝。所有與施工活動相關的數據均源自橋梁項目施工階段所獲得的信息。

與安裝額外鋼筋相關的成本大致相當于采用FRPRC/PC 元件更快、更經濟的安裝方法所節省下來的成本。FRP-RC/PC 解決方案的設計考慮了更多的鋼筋，這是因為FRP 的某些特性以及當前的設計限制，例如其較低的彈性模量可能對撓度和裂縫寬度產生負面影響，此外，其有限的抗蠕變斷裂性能也可能影響結構的長期性能[5]。

5 結果

5.1 LCC

圖1 呈現了4 種耐腐蝕加固材料設計方案的累積LCC 分析結果。從圖中可以看出，ECSRC/PC 方案的凈現值（NPV）僅比CS-RC/PC備選方案略低0.75%，這意味著前者的長期經濟效益有限。同樣的，SS-RC/PC 解決方案的NPV 相比CS-RC/PC 備選方案下降了10.37%，而與ECS-RC/PC 方案相比降低了9.60%。就成本效益而言，FRP-RC/PC 解決方案表現最佳，其NPV 比CS-RC/PC 備選方案低約20%。此外，FRP-RC/PC 解決方案的NPV 分別比ECS-RC/PC 和SS-RC/PC 方案低了19.30%和14.92%。盡管CS-RC/PC 和ECS-RC/PC 的初始成本較低，但在整個分析期內，兩種最具效益的耐腐蝕設計（即FRP-RC/PC 和SS-RC/PC 替代方案）展示出長遠的成本節約效應，這是因為它們延長了使用壽命并降低了維護成本。

圖1 LCC 結果考慮了貼現率為1%的基線情景

FRP-RC/PC 方案已被驗證為最佳解決方案。與SSRC/PC 方案相比，它具有更低的初始投資，并且從長遠來看，其凈現值（NPV）更低。然而，隨著市場對于SS鋼筋的擴大，材料變得更具經濟性和競爭力。這可能使得SS-RC/PC 方案成為一種優選的備選方案，允許傳統RC 構件的設計，并綜合了CS-RC/PC 構件的所有積極和獨特特點（從機械性能到內在可回收性）。

建筑成本可分為兩類：與鋼筋選擇相關的施工成本以及與所選鋼筋材料無關的施工成本。盡管CS-RC/PC和ECS-RC/PC 設計方案在材料相關的施工成本方面較為經濟，但這四種方案在與材料無關的施工成本方面是相同的。后者包括與鋼筋材料選擇無關的所有成本，例如運營費用、設備和材料的引入、交通設備的維護、臨時障礙物、質量保證和質量控制、調查活動、橋梁臨時工程等，這些都是完成大橋所必需的。

5.2 LCA

在五個評估類別中，FRP-RC/PC 替代方案在四個類別中優于CS-RC/PC 和ECS-RC/PC 解決方案。FRP-RC/PC 方案唯一在環境方面稍顯不足的是臭氧消耗。然而，從數量級來看，這種影響非常小（以小數為單位的絕對值），這與所用碳纖維過時數據庫的數據輸入密切相關。

類似地，SS-RC/PC 替代方案在五個類別中的三個類別中表現出色，成為FRP-RC/PC 解決方案的主要競爭對手。然而，考慮到生產不銹鋼鋼筋和絞線所需的大量熱能，這種設計方案對碳排放產生顯著影響。其凈影響達到35 508 kg CO2當量，使得相比于SS-RC/PC 替代方案，FRP-RC/PC 解決方案更具吸引力。

最后，ECS-RC/PC 方案在環境友好性方面表現最不佳，在各類別中均未達到理想水平。這是因為所需的環氧涂層用于保護鋼筋和絞線，其貢獻較大。估計需要用于保護所有橋梁鋼筋的涂層相當于約2 910 L。

6 結語

經過對不同耐腐蝕加固材料設計方案的綜合比較，得出以下結論：在經濟和環境性能方面，FRP-RC/PC 解決方案表現最為出色。它不僅具有較低的生命周期成本，還對環境影響較小。盡管不銹鋼解決方案在耐腐蝕性方面表現出色，但在碳排放方面產生了顯著影響。與之相比，環氧涂層鋼解決方案在經濟和環境方面的表現相對較差，主要歸因于涂層制造和施工的高成本。這些研究結果對基礎設施項目的規劃者和設計者在選擇合適的加固材料和方案時具有重要的指導意義。它們有助于推動更加可持續和環保的基礎設施建設，從而實現長期的社會、環境和經濟效益。同時，這些結論也為將生命周期成本分析和生命周期評價等方法融入評估基礎設施項目影響的過程提供了基礎，使決策更加全面和明智。