客貨共線鐵路T梁和箱梁全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

班新林，蘇永華

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

橋梁設(shè)計(jì)時(shí)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(dāng)前的利益，又要考慮后期的風(fēng)險(xiǎn)；既要重視橋梁建設(shè)的初始造價(jià)，又要考慮全壽命周期內(nèi)所需的費(fèi)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(biāo)，并以此來評(píng)價(jià)橋梁的優(yōu)劣及經(jīng)濟(jì)性[1-2]。因此，為了可持續(xù)發(fā)展，需要把傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中只關(guān)注施工階段的短期方法拓展到結(jié)構(gòu)的整個(gè)使用壽命期，考慮橋梁建設(shè)的所有方面，包括工程建設(shè)和運(yùn)營養(yǎng)護(hù)。

全壽命周期成本(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。近年來，其方法和有關(guān)規(guī)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(jī)械等方面均有研究與應(yīng)用[3]。我國在橋梁全壽命經(jīng)濟(jì)性方面研究較晚，主要應(yīng)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(shè)過程中展開全壽命周期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析十分必要。

1 客貨共線鐵路簡支梁橋

20世紀(jì)90年代，隨著我國鐵路混凝土橋梁技術(shù)的發(fā)展，我國客貨共線鐵路橋梁形成了以分片式預(yù)應(yīng)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(chǎng)集中預(yù)制，梁體施工質(zhì)量好，單片T梁自重小，便于運(yùn)輸，適應(yīng)了當(dāng)時(shí)架橋機(jī)的架設(shè)能力。但是多片式簡支T梁在架設(shè)完成后，需要在橋位處施工橫向連接構(gòu)造，由于施工環(huán)境差，施工質(zhì)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(hù)困難大、成本高，運(yùn)營維護(hù)安全風(fēng)險(xiǎn)大。

隨著我國高速鐵路發(fā)展，高速鐵路簡支箱梁建造技術(shù)發(fā)展成熟。簡支箱梁不但整體受力性能性好，還具有運(yùn)營期間養(yǎng)護(hù)維修用工少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前高速鐵路簡支箱梁的跨度已經(jīng)發(fā)展到40 m，運(yùn)梁車和架橋機(jī)的承載能力發(fā)展到 1 000 t，具備把簡支箱梁建造技術(shù)應(yīng)用到客貨共線鐵路的條件。2014年，鐵路總公司發(fā)布了時(shí)速160,200 km客貨共線鐵路預(yù)制后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁通用參考圖，但應(yīng)用范圍較小，主要原因是工程建設(shè)中箱梁建設(shè)成本比簡支T梁略高，設(shè)計(jì)方案比選階段沒有考慮橋梁運(yùn)營維護(hù)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(yōu)化了結(jié)構(gòu)和橋面附屬構(gòu)造，提升了其經(jīng)濟(jì)性[4]。

2 客貨共線鐵路橋梁技術(shù)對(duì)比分析

通過對(duì)現(xiàn)行客貨共線鐵路簡支T梁[5-7]和簡支箱梁[8-9]的設(shè)計(jì)、運(yùn)營維護(hù)情況對(duì)比研究[10]，并展開客貨共線鐵路簡支箱梁深化研究，得到結(jié)論如下：

1)簡支箱梁結(jié)構(gòu)具有剛度大、整體性好的優(yōu)點(diǎn)。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(zhuǎn)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(gòu)造。運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)表明，簡支箱梁的病害以及運(yùn)營維護(hù)工作量小于簡支T梁。

3)客貨共線鐵路簡支箱梁優(yōu)化后可以適應(yīng)ZKH荷載，優(yōu)化了箱梁結(jié)構(gòu)尺寸和預(yù)應(yīng)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(duì)運(yùn)營需求的適應(yīng)能力及經(jīng)濟(jì)性。

4)箱梁擋砟墻具備脫軌防護(hù)功能和取消橋面護(hù)軌的能力；客貨共線鐵路簡支T梁擋砟墻結(jié)構(gòu)不滿足列車脫軌后的防撞要求，取消護(hù)軌需要加強(qiáng)防護(hù)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(huì)有所增加。

3 客貨共線鐵路橋梁建設(shè)成本對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)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(jié)合具體線路工程應(yīng)用情況，綜合考慮梁部、支座、橋面系、墩臺(tái)、基礎(chǔ)等構(gòu)造對(duì)橋梁直接建設(shè)成本進(jìn)行分析，并考慮了預(yù)制、架設(shè)、梁場(chǎng)建設(shè)等費(fèi)用。

1)箱梁與T梁建設(shè)成本對(duì)比見表1。

表1 箱梁與T梁建設(shè)成本對(duì)比

注：“-”表示箱梁成本低于T梁；梁體建設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)造方面還存在一定優(yōu)化空間，在滿足設(shè)計(jì)、運(yùn)營性能指標(biāo)的情況下可以進(jìn)一步降低材料用量，節(jié)省橋墩建設(shè)成本。

表2 箱梁與T梁橋墩工程用量對(duì)比

3)橋梁基礎(chǔ)費(fèi)用和地震烈度對(duì)客貨共線鐵路簡支T梁橋和簡支箱梁橋的工程建設(shè)成本影響較小。

綜上可知，從工程建設(shè)直接成本來看，梁部建設(shè)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(shè)成本高低的主要影響因素。

4 客貨共線鐵路橋梁運(yùn)營維護(hù)成本對(duì)比

根據(jù)北京、上海鐵路局工務(wù)部門提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，并考慮了100年的使用壽命，對(duì)客貨共線鐵路橋梁運(yùn)營維護(hù)成本進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

1)鐵路橋梁人行道設(shè)置方式對(duì)于人工需求、維護(hù)成本的影響顯著。橋梁角鋼支架人行道主要維護(hù)內(nèi)容為除銹涂裝，只能采用人工方式，費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、作業(yè)效率低、涂裝質(zhì)量不易保證，且存在一定作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2)從鐵路橋梁運(yùn)營維護(hù)實(shí)踐情況來看，人工成本是橋梁養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)維修用工方面占有明顯優(yōu)勢(shì)。

3)根據(jù)既有客貨共線鐵路分片式T梁運(yùn)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(nèi)的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用為北京局71.4萬元、上海局78.4萬元。根據(jù)現(xiàn)階段高速鐵路整孔箱梁維護(hù)情況，1孔雙線32 m簡支箱梁橋100年壽命周期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用為上海局19.6萬元。

5 接觸網(wǎng)立柱和護(hù)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(wǎng)立柱的設(shè)置對(duì)工程建設(shè)成本有一定影響。對(duì)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(wǎng)立柱建造費(fèi)用比簡支T梁橋采用的格構(gòu)式鋼柱接觸網(wǎng)立柱節(jié)省1.27萬元。

2)客貨共線鐵路橋梁是否設(shè)置護(hù)軌對(duì)工程建設(shè)成本影響較大。對(duì)于客貨共線鐵路1孔32 m簡支梁橋，在100年壽命使用期內(nèi)，不設(shè)置護(hù)軌比設(shè)置護(hù)軌的費(fèi)用節(jié)省9.68萬元。由于簡支箱梁設(shè)置了防護(hù)墻，若取消護(hù)軌則能節(jié)省大量建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)成本。

6 工程實(shí)例分析

目前，我國客貨共線鐵路橋梁規(guī)?；瘧?yīng)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(yīng)用時(shí)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(yōu)化為簡支箱梁，長98 km。經(jīng)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(shí)設(shè)施和過渡工程增加 7 436 萬元，鋪架工期減少4個(gè)月。滬通鐵路簡支箱梁橋的橋面設(shè)置了護(hù)軌，與簡支T梁橋一致，建設(shè)成本中沒有體現(xiàn)護(hù)軌設(shè)置的區(qū)別。

7 結(jié)論

1)客貨共線鐵路雙線橋梁工程(包括梁部、橋墩、基礎(chǔ)、支座、橋面附屬設(shè)施等)直接建設(shè)成本對(duì)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(yùn)營維護(hù)成本分析結(jié)果表明：角鋼支架簡支T梁橋的運(yùn)營維護(hù)成本約占100年全壽命周期成本的20%～30%，簡支箱梁橋的運(yùn)營維護(hù)成本約占100年全壽命周期成本的10%。人工成本在橋梁運(yùn)營維護(hù)成本中所占的比例較大，角鋼支架簡支T梁橋的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)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?？紤]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(nèi)外鐵路橋梁技術(shù)發(fā)展來看，采用整體式橋梁結(jié)構(gòu)是技術(shù)趨勢(shì)；從結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面來看，后期運(yùn)營過程中有增設(shè)聲屏障需求時(shí)，簡支箱梁比簡支T梁更便于設(shè)置，且成本較低。