公路橋梁設(shè)計參數(shù)對工程造價的影響研究

徐新帥

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507）

0 引言

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目中，特別是橋梁建設(shè)，面臨著材料選擇和設(shè)計方案的挑戰(zhàn)。在此背景下，以一座基礎(chǔ)設(shè)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(dāng)前橋梁建設(shè)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(jīng)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(chǔ)設(shè)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(shè)項目中，其采用了FRP 材料作為結(jié)構(gòu)鋼筋的RC 和預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）。該項目為現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)更換項目的一部分，原結(jié)構(gòu)由于功能缺陷和老化已經(jīng)超過了設(shè)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(jīng)常受到海水污染的影響，尤其是在暴風(fēng)雨季節(jié)。

已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)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(shè)計采用了Hillman 組合梁（HCB），該梁由一個由復(fù)合GFRP 殼體包裹的鋼筋混凝土淺系桿拱和輕質(zhì)填充泡沫構(gòu)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(chuàng)新的鋼筋解決方案外，F(xiàn)RP-RC/PC設(shè)計的獨特之處在于在下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中采用了可持續(xù)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(biāo)在于探討采用不同的設(shè)計方案在經(jīng)濟上的可行性。

2 設(shè)計和材料

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用的四種加固材料進行了綜合比較，涵蓋了碳鋼、環(huán)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(guān)注它們的耐腐蝕性能。

碳鋼棒材被分為40、60 和80 級，這些規(guī)格是基于ASTM A615/A615M 標(biāo)準(zhǔn)制定的。其中，鋼筋60 級具有最廣泛的應(yīng)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(zhǔn)。低松弛高強度碳鋼棒材分為250 級和270 級，這些規(guī)格是基于ASTM A416/A416M 制定的。在中，選擇了270 級作為基準(zhǔn)，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(huán)氧保護涂層的鋼筋，以提供額外的耐腐蝕性。涂層厚度應(yīng)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(yīng)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(guī)格由ASTM A276/A276M 提供。這些選擇基于不銹鋼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中性能的廣泛研究。SS-316 通常被認為是最適合船舶等應(yīng)用的奧氏體不銹鋼級別，而近年來雙相2205 則在預(yù)應(yīng)力絞線領(lǐng)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(chǔ)，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，F(xiàn)RP 被證明是一種無腐蝕性的可行替代品。商業(yè)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(fù)合材料，在失效之前會表現(xiàn)出彈性特性。

3 生命周期模型

3.1 LCC 的改進方法

傳統(tǒng)的壽命周期成本（LCC）框架通常被構(gòu)建為確定性分析，其中設(shè)計者為每個輸入?yún)?shù)（如維護活動的成本和頻率）分配固定值。在概率分析中，輸入?yún)?shù)則被視為隨機變量，基于假設(shè)、平均值（μ）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）和分布函數(shù)（F(x)）來描述。通常，這些分析中涉及的變量的概率分布函數(shù)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?yún)?shù)的概率分布函數(shù)。

這種隨機抽樣模型通常需要進行數(shù)千次迭代，以生成維護成本的概率分布。通過對多次抽樣結(jié)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(shù)分布的影響。此外，對于一般的耐久性增強材料，近期已經(jīng)開發(fā)出了生命周期優(yōu)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(tài)，而非最先進的創(chuàng)新，然而該文的目的在于提供一個傳統(tǒng)的確定性框架，作為比較四種不同橋梁設(shè)計方案在成本和環(huán)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(shù)的影響。

3.2 使用壽命和模型邊界

生命周期分析的主要標(biāo)準(zhǔn)是EN 15804 和ASTM E917/E2453。該文提出的模型采用了與上述標(biāo)準(zhǔn)相同的命名法和程序。使用壽命的概念與設(shè)計壽命的概念存在區(qū)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(chuàng)新的耐久性材料的采用，該領(lǐng)域的目標(biāo)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(huán)氧涂層鋼加固方案（ECS-RC/PC）的壽命延長至100 年，以便實現(xiàn)對四種設(shè)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(shè)橋梁使用與原橋梁相同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、使用壽命預(yù)期和施工方法，重建活動（以及相關(guān)的成本和環(huán)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(chǎn)品階段指的是鋼筋的制造過程。不同設(shè)計備選方案的產(chǎn)品階段成本數(shù)據(jù)來源于政府機構(gòu)、私營企業(yè)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(tǒng)混凝土配合比中添加硅灰（HRP）以滿足預(yù)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(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的成本增加125.89 元/m3，而現(xiàn)澆構(gòu)件的成本則會增加334.93 元/m3[3]。

4.1.2 環(huán)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(shè)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(shù)據(jù)。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(dāng)前可用的估計值以及FDOT 公開的歷史投標(biāo)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(shè)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(shè)計備選方案中的預(yù)應(yīng)力絞線，以提高在腐蝕環(huán)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(huán)境的情況下，使用SS 作為主要鋼筋，并將構(gòu)成橋梁下部結(jié)構(gòu)構(gòu)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(zhǔn)。與SS-RC/PC 替代方案和施工計劃類似，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案在下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件中減少了混凝土保護層的厚度，并采用傳統(tǒng)混凝土配合比設(shè)計。

4.2 施工階段

施工階段產(chǎn)生的成本包括從制造廠到現(xiàn)場的材料運輸活動，以及材料安裝所需的勞動力和設(shè)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(guān)的數(shù)據(jù)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(guān)的成本大致相當(dāng)于采用FRPRC/PC 元件更快、更經(jīng)濟的安裝方法所節(jié)省下來的成本。FRP-RC/PC 解決方案的設(shè)計考慮了更多的鋼筋，這是因為FRP 的某些特性以及當(dāng)前的設(shè)計限制，例如其較低的彈性模量可能對撓度和裂縫寬度產(chǎn)生負面影響，此外，其有限的抗蠕變斷裂性能也可能影響結(jié)構(gòu)的長期性能[5]。

5 結(jié)果

5.1 LCC

圖1 呈現(xiàn)了4 種耐腐蝕加固材料設(shè)計方案的累積LCC 分析結(jié)果。從圖中可以看出，ECSRC/PC 方案的凈現(xiàn)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(jīng)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，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案表現(xiàn)最佳，其NPV 比CS-RC/PC 備選方案低約20%。此外，F(xiàn)RP-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(nèi)，兩種最具效益的耐腐蝕設(shè)計（即FRP-RC/PC 和SS-RC/PC 替代方案）展示出長遠的成本節(jié)約效應(yīng)，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(jié)果考慮了貼現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)濟性和競爭力。這可能使得SS-RC/PC 方案成為一種優(yōu)選的備選方案，允許傳統(tǒng)RC 構(gòu)件的設(shè)計，并綜合了CS-RC/PC 構(gòu)件的所有積極和獨特特點（從機械性能到內(nèi)在可回收性）。

建筑成本可分為兩類：與鋼筋選擇相關(guān)的施工成本以及與所選鋼筋材料無關(guān)的施工成本。盡管CS-RC/PC和ECS-RC/PC 設(shè)計方案在材料相關(guān)的施工成本方面較為經(jīng)濟，但這四種方案在與材料無關(guān)的施工成本方面是相同的。后者包括與鋼筋材料選擇無關(guān)的所有成本，例如運營費用、設(shè)備和材料的引入、交通設(shè)備的維護、臨時障礙物、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制、調(diào)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，F(xiàn)RP-RC/PC 替代方案在四個類別中優(yōu)于CS-RC/PC 和ECS-RC/PC 解決方案。FRP-RC/PC 方案唯一在環(huán)境方面稍顯不足的是臭氧消耗。然而，從數(shù)量級來看，這種影響非常小（以小數(shù)為單位的絕對值），這與所用碳纖維過時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)輸入密切相關(guān)。

類似地，SS-RC/PC 替代方案在五個類別中的三個類別中表現(xiàn)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(chǎn)不銹鋼鋼筋和絞線所需的大量熱能，這種設(shè)計方案對碳排放產(chǎn)生顯著影響。其凈影響達到35 508 kg CO2當(dāng)量，使得相比于SS-RC/PC 替代方案，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案更具吸引力。

最后，ECS-RC/PC 方案在環(huán)境友好性方面表現(xiàn)最不佳，在各類別中均未達到理想水平。這是因為所需的環(huán)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(dāng)于約2 910 L。

6 結(jié)語

經(jīng)過對不同耐腐蝕加固材料設(shè)計方案的綜合比較，得出以下結(jié)論：在經(jīng)濟和環(huán)境性能方面，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案表現(xiàn)最為出色。它不僅具有較低的生命周期成本，還對環(huán)境影響較小。盡管不銹鋼解決方案在耐腐蝕性方面表現(xiàn)出色，但在碳排放方面產(chǎn)生了顯著影響。與之相比，環(huán)氧涂層鋼解決方案在經(jīng)濟和環(huán)境方面的表現(xiàn)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(jié)果對基礎(chǔ)設(shè)施項目的規(guī)劃者和設(shè)計者在選擇合適的加固材料和方案時具有重要的指導(dǎo)意義。它們有助于推動更加可持續(xù)和環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，從而實現(xiàn)長期的社會、環(huán)境和經(jīng)濟效益。同時，這些結(jié)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(chǔ)設(shè)施項目影響的過程提供了基礎(chǔ)，使決策更加全面和明智。