遼寧省中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁全壽命周期成本分析

石雪飛，許 琪

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 橋梁工程系 上海市 200092)

0 引言

近年來(lái)，鋼橋、鋼-混凝土組合橋、鋼管混凝土橋有了日益廣泛的應(yīng)用，取得了令人矚目的成就，500m以上大跨度懸索橋、斜拉橋的加勁梁多采用鋼箱梁，大跨度拱橋中鋼拱橋、鋼管混凝土拱橋占主導(dǎo)地位。但相比發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)鋼橋技術(shù)發(fā)展極不平衡，一方面是特大橋的高水準(zhǔn)應(yīng)用，另一方面是中小型鋼橋的低水平應(yīng)用且總量很少。我國(guó)橋梁總數(shù)超過(guò)百萬(wàn)座，而鋼橋總數(shù)量不足萬(wàn)座，還不到橋梁總量的1%[1]。而在法國(guó)，鋼橋、鋼混組合梁橋占橋梁總量的85%，日本的比例約為50%，美國(guó)為30%，相對(duì)而言我國(guó)明顯落后，鋼橋應(yīng)用的落后與當(dāng)前綜合國(guó)力不相應(yīng)、與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展方針不相應(yīng)。

對(duì)于中小跨徑橋梁(跨徑不大于40m)，國(guó)內(nèi)習(xí)慣上采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)如裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、空心板等。已建成的近80萬(wàn)座橋梁中(截至2015年底)，鋼結(jié)構(gòu)及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁總數(shù)量不足萬(wàn)座，還不到橋梁總量的1%[2]。隨著鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，目前中國(guó)已經(jīng)具備推廣鋼及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的材料和技術(shù)條件。當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩、鋼材價(jià)格下降，是推進(jìn)鋼及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好契機(jī)，而且從全壽命周期看，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的造價(jià)、低碳環(huán)保性能和耐久性?xún)?yōu)勢(shì)更為突出。

現(xiàn)階段，推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的最大障礙，是建造成本和慣性思維，也有一些研究對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。吳平平對(duì)濟(jì)祁高速合肥段淮河特大橋引橋的鋼板組合梁方案和混凝土T梁、小箱梁方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較分析，由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁下部結(jié)構(gòu)造價(jià)優(yōu)勢(shì)大，鋼板組合梁結(jié)構(gòu)比小箱梁結(jié)構(gòu)造價(jià)低10%左右[3]。劉永健等基于材料用量和殘余價(jià)值，對(duì)比了中小跨徑鋼-混組合梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁、T梁、小箱梁的經(jīng)濟(jì)性[4]。

調(diào)研了國(guó)內(nèi)外的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式、適用范圍、施工工藝、管理養(yǎng)護(hù)措施，結(jié)合國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)推廣的鋼板組合梁橋建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，得到各種條件下的鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的使用現(xiàn)狀和維護(hù)成本數(shù)據(jù)，并結(jié)合遼寧省高速公路橋梁的建設(shè)條件，對(duì)鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行全壽命周期成本分析，旨在從全壽命周期成本的角度比較中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁和混凝土橋梁的經(jīng)濟(jì)性。

1 中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用狀況

中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式有鋼板組合梁橋和槽形鋼箱組合梁橋。

鋼板組合梁橋有著良好的結(jié)構(gòu)性能和耐久性，施工難度小、進(jìn)度快，多樣化的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同建設(shè)條件的需求，簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)減少了橋梁施工和維修管理工作量。隨著工業(yè)化建造技術(shù)的推廣，少主梁及簡(jiǎn)化加勁肋的形式能降低鋼板組合梁橋的綜合造價(jià)，是組合梁橋發(fā)展的趨勢(shì)[5]。

國(guó)外對(duì)于少主梁鋼板組合梁橋有較多的實(shí)踐，法國(guó)從80年代后期開(kāi)始集中進(jìn)行組合梁橋的研究與設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)的鋼板梁橋進(jìn)行了最大程度的簡(jiǎn)化，采用2根鋼主梁形式的鋼板梁橋成為中小跨徑橋梁應(yīng)用的主流方案，這類(lèi)結(jié)構(gòu)體系的鋼板組合梁橋在法國(guó)得到了廣泛建設(shè)。新西蘭和日本經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐也發(fā)布了工字梁組合梁橋設(shè)計(jì)指南[6-7]，建議采用雙工字或多工字鋼梁組合梁。

鋼板組合梁橋在我國(guó)的應(yīng)用實(shí)踐尚處于起步階段，在我國(guó)公路橋的應(yīng)用較少，主要是在中小跨度橋梁中，多見(jiàn)于匝道橋、引橋和跨線(xiàn)橋結(jié)構(gòu)，相對(duì)于歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)尚缺乏完備的設(shè)計(jì)指導(dǎo)體系，對(duì)合理的設(shè)計(jì)參數(shù)難以把握，這大大限制了該類(lèi)型橋梁在我國(guó)的推廣與應(yīng)用。隨著《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的指導(dǎo)意見(jiàn)》的發(fā)布，各省市積極展開(kāi)了鋼板組合梁橋的研究和應(yīng)用，在安徽、浙江、廣東、湖南、陜西、遼寧等地都已有應(yīng)用。

鋼箱組合梁因整體性好、抗扭能力強(qiáng)、適合曲線(xiàn)線(xiàn)路以及更能適應(yīng)大跨與特殊要求等特點(diǎn)，獲得了較大的發(fā)展。采用槽形鋼梁的組合鋼箱梁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、受力明確，是中小跨徑組合鋼箱梁橋最常用的形式。這種斷面僅在腹板外的上翼緣板與橋面板結(jié)合，橋面板兩側(cè)懸臂無(wú)鋼加勁肋與斜撐，橋面板為橫向承重板。這種斷面形式采用橫向預(yù)應(yīng)力時(shí)，能夠適應(yīng)的橋面寬度可達(dá)20m左右，也是遼寧省高速公路跨線(xiàn)橋及匝道橋常用的結(jié)構(gòu)形式。

2 中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁建造費(fèi)用分析

以沈康高速公路鴨綠江街至新城子段項(xiàng)目為樣本，計(jì)算了20～40m跨徑的鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋的施工建造成本組成和單價(jià)，并將其與安徽、陜西等省份的鋼混組合梁橋造價(jià)進(jìn)行了比較，見(jiàn)表1。

安徽省鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是雙主梁、少主梁、少橫撐、少加勁、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，達(dá)到了節(jié)省材料、降低造價(jià)的效果。安徽省應(yīng)用的鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)形式包括：Ⅰ型鋼板組合梁(支撐橫梁、分塊預(yù)制橋面板)、II型鋼板組合梁(非支撐橫梁、全寬預(yù)制橋面板)和III型鋼板組合梁(三主梁、非支撐橫梁、疊合現(xiàn)澆橋面板)。

表1 遼寧省內(nèi)鋼混組合梁橋平均建造費(fèi)用

通過(guò)精細(xì)化分析，合理化設(shè)計(jì)，35m跨徑的I型鋼板組合梁橋和30m小箱梁橋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)基本相當(dāng)。35m II型(圖1中第一列)鋼板組合梁橋的材料指標(biāo)比I型(圖1中第二列)更加優(yōu)化，上部結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為1790元/m2，與同跨徑的小箱梁橋相比，上部結(jié)構(gòu)自重減輕40%，總體造價(jià)降低8.6%。

陜西省也編制了35m和45m的中小跨徑鋼板-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)通用圖，四車(chē)道35m、45m鋼板-混凝土組合梁橋的初期投資較預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋分別高28.3%和26.7%。

圖1 安徽、陜西、遼寧三省鋼板組合梁橋經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比較

比較安徽、陜西、遼寧三省鋼板組合梁橋的用鋼量和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，如圖1。安徽省的用鋼量最低，35m跨徑的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)好于40m跨徑，非支撐橫梁體系比支撐橫梁體系更優(yōu)。陜西省的用鋼量比安徽稍高，遼寧省的用鋼量最高。

遼寧省鋼混組合梁用鋼量偏高主要原因有以下三個(gè)方面：

(1)防撞護(hù)欄采用的混凝土防撞墻而非鋼護(hù)欄，瀝青鋪裝與混凝土橋面板之間設(shè)置了8cm厚混凝土現(xiàn)澆層，二期恒載相對(duì)過(guò)重；

一日清理櫥柜，翻出了十四年前女兒出生時(shí)珍藏的一小布包胎發(fā)，鄭重其事地交與女兒保管，希望當(dāng)她有朝一日青絲變白雪之時(shí)，能手握這胎發(fā)想起已經(jīng)消失的父母，想起艱難走過(guò)的歲月。

(2)遼寧省處于嚴(yán)寒地區(qū)，溫度荷載相對(duì)偏高；

(3)鋼梁采用耐候鋼材料，設(shè)計(jì)中考慮了一定的鋼板腐蝕厚度。

通過(guò)對(duì)鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，充分理解結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理，做到“把好鋼用在刀刃上”，降低用鋼量從而降低造價(jià)；另一方面，也要認(rèn)識(shí)到它的工業(yè)化建造需求，減少節(jié)段類(lèi)型、簡(jiǎn)化鋼梁構(gòu)造，提高鋼梁工廠化制造的便利性，降低制造費(fèi)用。另外，鋼板組合梁橋的上部結(jié)構(gòu)比混凝土梁橋輕很多，從下部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)挖掘鋼板組合梁橋的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)也是一個(gè)很好的思路。

總結(jié)其他省份的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合遼寧省的特點(diǎn)，為提高遼寧省鋼板組合梁橋的經(jīng)濟(jì)性，提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化建議：

(1)考慮遼寧省的氣候特點(diǎn)，采用耐候鋼更合理，能降低橋梁運(yùn)營(yíng)期維護(hù)工作量，降低全壽命周期成本。

(2)可考慮發(fā)展裝配式下部結(jié)構(gòu)，配合鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用，能大大降低鋼橋的總造價(jià)，同時(shí)也能推進(jìn)高速公路橋梁的工業(yè)化建造。

3 中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁全壽命周期成本分析

3.1 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(hù)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。

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，在計(jì)算時(shí)引入貼現(xiàn)率和通貨膨脹率。本研究中，貼現(xiàn)率取為8%，通貨膨脹率取為5%。

對(duì)橋梁拆除成本進(jìn)行簡(jiǎn)化估計(jì)，對(duì)于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁而言，拆除成本取為初始建設(shè)成本的5%?？紤]橋梁拆除后回收的材料價(jià)值，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的殘余價(jià)值取為初始建設(shè)成本的4%[8]。

3.2 不同橋型的全壽命周期成本

計(jì)算了遼寧省五種常用中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的全壽命周期成本，如表2、表3所示。全壽命周期成本中，設(shè)計(jì)建造期成本占90%以上，運(yùn)營(yíng)期成本約占7%～9%，拆除成本占比不超過(guò)0.1%。

表2 遼寧省中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁全壽命周期成本

表3 遼寧省中小跨徑混凝土橋梁全壽命周期成本

圖2 遼寧省中小跨徑鋼混組合梁橋不同階段成本占比

4 結(jié)論

比較幾種組合梁橋的全壽命周期成本，30m鋼板組合梁橋的全壽命周期成本最低，其次為40m的鋼板組合梁橋。與混凝土橋梁相比，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在全壽命周期內(nèi)需要的維修次數(shù)較少，每平方米橋面的維修費(fèi)用低300～500元。30m跨徑鋼板組合梁橋的全壽命周期成本僅比同等跨徑的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁橋高1500元/m2左右，比裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋高1800元/m2左右。從全壽命周期成本的角度來(lái)考慮，兩者的經(jīng)濟(jì)性差距并不像單純考慮建設(shè)成本那么巨大。若對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的跨徑、分段、截面等做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步降低鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建造費(fèi)用，提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁在經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力。