公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)決策與造價(jià)控制優(yōu)化選型研究

郭 香，黃凌波

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

公路工程的養(yǎng)護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，受到養(yǎng)護(hù)技術(shù)水平、工程養(yǎng)護(hù)成本等多方面的因素影響[1-2]。在以往的橋梁建設(shè)中，由于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、建造水平以及設(shè)計(jì)規(guī)范的局限性，導(dǎo)致橋梁在服役過程中受到車輛的反復(fù)振動(dòng)荷載以及自然風(fēng)化作用的影響，不可避免地出現(xiàn)老化、裂縫和破碎，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全性問題，在重車超載的公路橋梁路段，這種現(xiàn)象更為突出，在考慮工程經(jīng)濟(jì)因素，對著這些橋梁進(jìn)行拆除后新建顯得尤為不經(jīng)濟(jì)，也不顯示，因此需要對其進(jìn)行施工監(jiān)測、監(jiān)測和維修加固[3]。在橋梁維護(hù)資金有限的情況下，為了充分發(fā)揮資金的優(yōu)勢，客觀地將資金投入到公路橋梁工程的維修加固中，科學(xué)合理地做出養(yǎng)護(hù)決策，對于增加橋梁的使用年限具有十分重要的作用[4]。

1 公路橋梁工程加固方案的影響因素及常用加固方案

由于公路橋梁工程的長期服役，在車輛的荷載作用下使得橋梁在通行能力和結(jié)構(gòu)安全方面都受到影響，因此需結(jié)合公路橋梁的現(xiàn)實(shí)條件有針對性地采取加固方案，但既符合橋梁加固技術(shù)要求又符合造價(jià)經(jīng)濟(jì)性的加固方案需要一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕?jīng)濟(jì)評判方法[5]。這是因?yàn)樵谝酝臉蛄汗こ探ㄔO(shè)與養(yǎng)護(hù)中，決策者更多地關(guān)注質(zhì)量和技術(shù)，對于經(jīng)濟(jì)賬的重視重讀較為粗放，然而隨著橋梁加固規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工程造價(jià)控制的管理思維深入人心，因此在越來越巨額的加固費(fèi)用投入到項(xiàng)目中時(shí)，如果不采取一套行之有效和科學(xué)合理的造價(jià)控制方案，將會(huì)導(dǎo)致投入的維修資金不能夠得到有效的使用，影響工程的進(jìn)度和決策。以下針對目前常用的幾種橋梁工程加固方案和確定加固方案的影響因素進(jìn)行分析。

1.1 公路橋梁工程加固方案的影響因素

目前關(guān)于公路橋梁工程的加固方案眾多，比如改變橋梁結(jié)構(gòu)的截面提高剛度、粘貼鋼板輔助補(bǔ)強(qiáng)、粘貼碳纖維改善剛度等。但任何一種加固方案都具有其適用性及局限性，在選擇公路橋梁工程加固方案時(shí)需考慮其技術(shù)的可行性以及經(jīng)濟(jì)合理性[6-7]。以下針對公路橋梁工程方案的影響因素展開分析，主要集中在以下5個(gè)方面：

(1) 加固技術(shù)方案的合理性。在針對具體的橋梁加固項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)根據(jù)橋梁所處的環(huán)境、病害原因等具體問題具體分析，在采用技術(shù)成熟的方案基礎(chǔ)上，進(jìn)一步尋求更為先進(jìn)的加固方法，同時(shí)也應(yīng)避免由于加固不當(dāng)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的受損。

(2) 加固方案的可靠性。由于橋梁的養(yǎng)護(hù)加固與新建橋梁不同，它的受力結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，在選擇加固方案的時(shí)候應(yīng)與原有結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，保證既有橋梁的功能實(shí)現(xiàn)，通過對其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的改善達(dá)到橋梁的養(yǎng)護(hù)效果。加固的方案能夠在安全的基礎(chǔ)上展開，不僅需要保證加固人員設(shè)備的安全，也應(yīng)該保持既有橋梁在不中斷交通的情況下行人和車輛的安全。

(3) 橋梁加固方案實(shí)施的便捷性。在施工時(shí)，由于公路橋梁跨越的環(huán)境多樣，或者跨越城區(qū)密集環(huán)境，或者跨越河流，或者跨越山區(qū)地形復(fù)雜環(huán)境，受到場區(qū)工作空間的影響，選擇加固方案時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備的工作性能、施工的技術(shù)水平等，應(yīng)能夠保障設(shè)備運(yùn)移方便，材料易于購買等。

(4) 橋梁加固方案的經(jīng)濟(jì)性。工程經(jīng)濟(jì)是決定橋梁養(yǎng)護(hù)方案最為重要的因素之一，在到達(dá)到養(yǎng)護(hù)效果的前提下，應(yīng)對工程造價(jià)和工期進(jìn)行測算研究，以達(dá)到在有限的資金投入下發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。

(5) 加固方案應(yīng)考慮橋梁的結(jié)構(gòu)形式。我國的橋梁建筑技術(shù)先進(jìn)，按照結(jié)構(gòu)的受力形式可以分為簡支梁、連續(xù)梁、斜拉橋和懸索橋等，不同的結(jié)構(gòu)形式加固方法也不同，在養(yǎng)護(hù)加固實(shí)施時(shí)應(yīng)有所針對性地提出方案，以達(dá)到加固效果。

1.2 常用的公路橋梁工程加固方案

目前常用的加固方案主要有增大截面尺寸、鋼板補(bǔ)強(qiáng)、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)、體外預(yù)應(yīng)力加固以及綜合加固方法。其加固原理均為通過一定的加固措施對結(jié)構(gòu)的剛度、抗彎性能和穩(wěn)定性進(jìn)行改善[8]。具體分析如下：

(1) 增大截面尺寸方案。橋梁結(jié)構(gòu)的受力截面大小是決定其承載力的重要參數(shù)。通過對主梁或者次梁的受彎區(qū)進(jìn)行外包混凝土現(xiàn)澆使得其受壓區(qū)增大，同時(shí)在新增截面上增加鋼筋，提高橋梁的承載能力和抗彎剛度，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)、減小橋梁結(jié)構(gòu)的變形和改變自振頻率的目的。在橋梁結(jié)構(gòu)的上部受拉區(qū)也可以采用鋼筋網(wǎng)砂漿對截面尺寸的加大，達(dá)到提高混凝土保護(hù)層厚度，提高混凝土的抗剪切面積，修復(fù)上部結(jié)構(gòu)破損和提高混凝土的耐久性。

(2) 鋼板補(bǔ)強(qiáng)方案。鋼材量和混凝土材料具有明顯不同的力學(xué)性質(zhì)，前者主要抗彎，后者主要抗壓。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋出嚴(yán)重銹蝕，受力鋼筋的數(shù)量不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力下降時(shí)，通過對銹蝕部位的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行粘貼鋼板，可以達(dá)到兩種材料共同受力的目的，同時(shí)可以有效延緩裂縫的開展以及內(nèi)部鋼筋的銹蝕速度，加固具有快速經(jīng)濟(jì)的效果。最常用的粘貼方法為表面涂抹環(huán)氧樹脂、結(jié)構(gòu)膠，或者采用錨栓錨固，粘貼鋼板的厚度較薄，一般采用4～6 mm。

(3) 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)。通過在橋梁結(jié)構(gòu)表面粘接高性能碳纖維布達(dá)到結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的目的，粘貼的手段為高性能的黏結(jié)劑。碳纖維增強(qiáng)材料作為一種輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐腐蝕、耐酸堿、耐疲勞的材料，物理性能優(yōu)越，與混凝土材料相比，其具有良好的韌性，與其他加固方法相比具有快速施工，養(yǎng)護(hù)效果優(yōu)異等特點(diǎn)。如圖1所示。

圖1 碳纖維加固橋梁結(jié)構(gòu)

(4) 體外預(yù)應(yīng)力加固方法。體外預(yù)應(yīng)力的加固基本原理仍然是應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼筋或者鋼索對混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，使其產(chǎn)生一定的預(yù)拱度，以預(yù)留上部荷載產(chǎn)生的撓度變形空間，起到控制變形和卸載的作用。體外預(yù)應(yīng)力加固方法能夠很好地保持原有結(jié)構(gòu)的基本受力形態(tài)，同時(shí)又能夠快速提高承載力，施工時(shí)的工期也可以大大壓縮。但值得注意的是，利用體外預(yù)應(yīng)力加固法時(shí)需要對橋梁的原有配筋進(jìn)行計(jì)算，判斷其是否為適筋梁，以滿足預(yù)應(yīng)力加固空間。體外預(yù)應(yīng)力加固方法的實(shí)施效果如圖2所示。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)

(5) 頂升法加固。橋梁結(jié)構(gòu)在施工用過程中，存在偏位、支座脫空、支座變形和支座開裂等現(xiàn)象，因此為了更好地提供足夠的維修加固空隙間，需要在不改變原有橋梁形態(tài)的前提下，采用頂升設(shè)備勻速協(xié)調(diào)地對橋梁主梁進(jìn)行垂直提升或者平移一定的位移。頂升法最大的優(yōu)點(diǎn)就是操作簡單、安全可靠、環(huán)境友好，可以充分利用行車間隔時(shí)間對公路橋梁工程進(jìn)行加固維修，以達(dá)到節(jié)約資金的目的，因此日益受到行業(yè)內(nèi)加固設(shè)計(jì)人員的重視。

(6) 綜合加固方法。由于前述中各種加固方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)，也存在各自的缺點(diǎn)，在實(shí)際公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)過程中，為了達(dá)到更好的整治和加固的目的，需要對橋梁的加固方法進(jìn)行優(yōu)化組合，在有限的加固經(jīng)費(fèi)條件下實(shí)現(xiàn)橋梁加固方法的最優(yōu)決策。具體綜合加固方法的確定可以借助層次分析法或者模糊理論等進(jìn)行評定，達(dá)到加固方法的組合優(yōu)化和加固效果的實(shí)現(xiàn)。

2 工程背景

如圖3所示，羅南特大橋(紫洞大橋)位于佛山市“一環(huán)”樂從至獅山公路主干線上，主橋結(jié)構(gòu)為83+150+83 m連續(xù)剛構(gòu)橋，通航孔跨徑為150 m，橋梁全長為1401.5 m。本次預(yù)算為佛山一環(huán)高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固施工圖預(yù)算。

圖3 佛山一環(huán)高速羅南特大橋(紫洞大橋)

佛山一環(huán)高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固施工圖預(yù)算總金額為1 572.069 2萬元，其中建安費(fèi)為1 027.057 7萬元。主要費(fèi)用及費(fèi)率如下：

(1) 人工費(fèi)：人工及機(jī)械工工資單價(jià)為69.12元/工日。

(2) 材料費(fèi)：按外購材料及地方材料信息價(jià)、市場調(diào)查價(jià)及同類工程的相關(guān)材料預(yù)算價(jià)綜合擬定。

(3) 機(jī)械臺(tái)班費(fèi)：按《公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》執(zhí)行。

(4) 其他費(fèi)用：雨季施工增加費(fèi)的費(fèi)率按第Ⅱ雨量區(qū)、雨季期為6個(gè)月計(jì)，施工期間，按照平均每晝夜雙向行車次數(shù)5 000次以上計(jì)算行車干擾工程施工增加費(fèi)。

(5) 間接費(fèi)、規(guī)費(fèi)：按費(fèi)率32.01%計(jì)，主副食運(yùn)輸綜合里程按9.5 km計(jì)，根據(jù)《編辦》計(jì)入職工探親路費(fèi)及財(cái)務(wù)費(fèi)用，不計(jì)職工取暖費(fèi)和輔助生產(chǎn)間接費(fèi)。

(6) 利潤按《編辦》計(jì)；⑦稅金按粵建造發(fā)〔2011〕004 號(hào)文規(guī)定稅率3.477%計(jì)。

工程建設(shè)其他費(fèi)用中，建設(shè)單位管理費(fèi)、設(shè)計(jì)文件審查費(fèi)、竣(交)工驗(yàn)收試驗(yàn)檢測費(fèi)均按《編辦》計(jì)??；工程監(jiān)理費(fèi)按“發(fā)改價(jià)格〔2007〕670號(hào)”計(jì)??；根據(jù)項(xiàng)目合同，施工監(jiān)控費(fèi)按40萬計(jì)列，科研試驗(yàn)費(fèi)按100萬計(jì)列，初步設(shè)計(jì)費(fèi)按19.8萬元計(jì)列；施工圖設(shè)計(jì)費(fèi)按47.8萬計(jì)列；磁通量檢測費(fèi)按24.208萬元計(jì)列；通航保暢及海事局管理費(fèi)按80萬元計(jì)列；招標(biāo)文件及標(biāo)底編制費(fèi)用按10.547 5萬元計(jì)列；造價(jià)文件咨詢審查費(fèi)按12.781 7萬元計(jì)列；交通管制經(jīng)費(fèi)按20萬元計(jì)列。基本預(yù)備費(fèi)按《編辦》規(guī)定費(fèi)率按3%計(jì)，未計(jì)價(jià)差預(yù)備費(fèi)。

3 基于造價(jià)控制優(yōu)化的公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)方案決策

為了綜合分析不同加固方法各個(gè)影響指標(biāo)對公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)方案決策的影響，基于造價(jià)控制優(yōu)化的價(jià)值理論公式進(jìn)行分析，在實(shí)現(xiàn)橋梁功能加固效果的基礎(chǔ)上，降低工程費(fèi)用投入，達(dá)到綜合效益的提升，如式(1)所示。

V=F/C

(1)

式中：V為價(jià)值；F為功能；C為費(fèi)用。

在橋梁養(yǎng)護(hù)決策是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，加固方案的功能指標(biāo)F上，需要考慮多個(gè)方面的因素，建立具有遞階層次的結(jié)構(gòu)評價(jià)體系，并對每個(gè)層級(jí)的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重評定，考慮養(yǎng)護(hù)的技術(shù)可行性、加固功能的可實(shí)現(xiàn)性，具體的功能指標(biāo)F的評價(jià)分析可采用消除量綱的模糊數(shù)進(jìn)行分析，如式(2)所示：

(2)

以橋梁撓度功能指標(biāo)的計(jì)算為例，可以按照表1的分級(jí)表對加固效果進(jìn)行評價(jià)。

表1 撓度功能指標(biāo)的效果可靠性影響因素評價(jià)

對于費(fèi)用指標(biāo)C的評價(jià)，可以采取一種多層次的變權(quán)綜合評價(jià)模型對橋梁加固方案中涉及的各種因素和指標(biāo)，采取指標(biāo)評價(jià)和指標(biāo)權(quán)重得到費(fèi)用C的綜合評價(jià)值。在評價(jià)的時(shí)，指標(biāo)權(quán)重一般是根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)確定，具有恒定的數(shù)值，但是為了均衡各個(gè)因素不至于導(dǎo)致決策無偏差，可以對權(quán)重值進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，即按式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

(4)

基于造價(jià)控制優(yōu)化方法建立的權(quán)重綜合模型，結(jié)合工程實(shí)例，對佛山一環(huán)高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固的各項(xiàng)加固建安費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 羅南特大橋(紫洞大橋)主橋的加固建安費(fèi)用

4 結(jié)束語

公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)在受到長期的車輛荷載以及自然營力的作用，不可避免地產(chǎn)生各種病害，比如裂縫、老化以及破碎等。我國建設(shè)了數(shù)量龐大的公路橋梁工程，一方面，早期修筑的橋梁已經(jīng)服役超過30年，面臨著主動(dòng)的養(yǎng)護(hù)、加固維修任務(wù)，另一方面，目前在橋梁建設(shè)階段的資金投入大，而在運(yùn)維階段受到養(yǎng)護(hù)部門維修資金的限制，往往不能對所有的橋梁都無差別地進(jìn)行維修處置，因此需要建立一個(gè)科學(xué)合理的造價(jià)控制方法，對各個(gè)公路橋梁工程的服役狀態(tài)和加固方法做一個(gè)客觀的評判，以滿足公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)部門做出符合經(jīng)濟(jì)效益的決策。本文結(jié)合實(shí)際的工程案例，分析目前現(xiàn)有的公路橋梁工程加固方案以及其相關(guān)影響因素，基于造價(jià)控制優(yōu)化方法建立權(quán)重綜合模型對公路橋梁工程養(yǎng)護(hù)決策進(jìn)行分析。研究成果表明，本文提出的造價(jià)控制優(yōu)化方法簡單可行、操作方便，能夠?yàn)闃蛄吼B(yǎng)護(hù)維修部門提供相關(guān)的決策支持。