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。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、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、成本優(yōu)化、性能評價等進(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，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、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、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)計建造成本、管養(yǎng)維修成本、拆除成本和殘余價值，將來的成本通常折現(xiàn)到現(xiàn)在的價值進(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、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值。

AC=DC+CC+MC+RC-SV

式中：DC—規(guī)劃設(shè)計成本；

CC—施工建造成本；

MC—管養(yǎng)維修成本；

RC—拆除成本；

SV—殘余價值。

規(guī)劃設(shè)計成本按照一般設(shè)計費率，取為橋梁工程建安費的3%。施工建造成本即為橋梁工程的建安費用。

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即確定了工作計劃，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)生時間受橋梁退化狀態(tài)的影響，不可計劃，故此部分成本要考慮貨幣的時間價值和價值變化，在計算時引入貼現(xiàn)率和通貨膨脹率。本報告中，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，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值，鋼筋混凝土橋梁的殘余價值取為初始建設(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)計建造期成本約占75%～83%，運營期成本約占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，裝配式預(yù)應(yīng)力空心板橋較實用，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)維修費用較高。當(dāng)跨徑為30m時，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，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