辽宁省高速公路混凝土桥梁全寿命周期成本分析

刘 建

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

桥梁结构具有寿命周期长、重要性程度高、投资巨大等特点。我国的公路桥梁建设在经历了20多年的快速发展后，已建成的桥梁总数量居世界第一，已成为世界范围内的桥梁第一大国[1]。对于中小跨径桥梁，国内习惯上采用预应力混凝土结构如装配式小箱梁、T梁、空心板等，在已建成的近80万座桥梁中(截至2015年底)，95%以上都是混凝土桥梁。

近年来，随着道路车流量的不断增长，不仅桥梁需求和压力增加，许多通车时间较早的桥梁已经开始老化，逐渐出现裂缝、蜂窝等问题[2]。越来越多的桥梁出现了使用性能差、耐久性低、服务寿命短、全寿命经济性指标差等问题，已经严重影响了桥梁正常服务功能的发挥[3]。桥梁管养维修的耗费越来越大，为了帮助投资者做出更加科学准确的决策，必须采用全寿命周期成本理念对全寿命维修成本进行预测。

生命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)及全寿命经济性概念的提出已经有100多年的历史，最早由美国军方于20世纪60年代提出，应用于军用器材采办领域，并迅速推广到民用企业[4]。20世纪80年代开始，生命周期成本方法逐渐应用到交通领域，很多研究者提出了桥梁设计、养护和更新的生命周期成本分析(LCCA)和生命周期成本评估的方法。Leemis阐述了生命周期成本计算在桥梁中的应用[5]；Frangopol发表了多篇关于桥梁全寿命周期成本分析的论文，全面介绍了桥梁寿命周期成本的框架[6]。NCHRP对全寿命周期成本的构成做出了详细研究[7]。以Asko Sarja为代表的日本学者对工程全寿命设计、成本优化、性能评价等进行了一系列研究[8]。

对辽宁省在役高速公路混凝土桥梁的结构形式、退化程度、维修措施和成本进行了调研，对可能的拆除方案和成本进行了估算。在调查数据的基础上，计算了五种常用中小跨径混凝土桥梁的全寿命周期成本，通过对比分析得出了不同桥梁类型的适用性，提出了中小型混凝土桥梁今后的设计和维护建议。

1 气候条件与桥梁常见病害

辽宁省冬季平均气温低于-8℃，属于季冻地区，多冰雪天气，需撒除冰盐清除道路积雪。根据规范中对环境类别的规定，辽宁省常见环境类别包括近海或海洋环境和除冰盐等其他氯盐环境。影响混凝土桥梁耐久性的因素主要有：氯离子侵蚀作用、混凝土碳化作用、冻融循环作用等。根据桥梁的基本组成研究混凝土桥梁各部件的病害情况，见表1。

2 桥梁全寿命管养和维修策略

桥梁在使用过程中，性能会发生退化，结构的退化规律与材料、结构体系、外界环境、交通量变化等诸多因素有关，假定结构可靠度β随时间t的变化规律为线性的。参考《民用建筑可靠性鉴定标准》的相关规定，将桥梁结构的可靠度指标同桥梁结构评定标准相结合，得到按承载能力评定的混凝土桥梁安全等级如表2：

表1 中小跨径混凝土梁桥基本组成和常见病害

表2 按承载能力评定的混凝土桥梁安全等级

为保障结构在寿命周期内的性能满足安全和使用要求，需要在合适的时间进行管养和维修。提出管养策略如下：当桥梁状态处于三类以上，进行日常养护和预防性养护工作，酌情进行交通管制；当桥梁状态低于三类，即需进行恢复性养护工作，包括加固、改建、重建等，应及时进行交通管制或关闭交通。

表3 混凝土桥梁状态评定标准及管养策略

日常养护和预防性养护工作依据《公路桥涵养护规范》和辽宁省养护工作惯例按照计划进行，包括经常检查与日常养护(每月一次)、定期检查与耐久性养护(每三年一次)两部分工作。当桥梁状态低于三类(或可靠度指标β<0.85β0)时，即需针对病害进行相关的加固、改建或重建措施，重新恢复桥梁性能。根据混凝土桥梁可靠度指标的变化规律及辽宁省内中小桥养护工作报告，第一次恢复性养护工作一般发生于桥梁建成后15～20年。假设每次恢复性养护后桥梁性能恢复到最佳状态的95%，即βt=0.95β0，将第一次恢复性养护的时间定为建成后16年，随着退化的进行和损伤的积累，假定每次进行恢复性养护时桥梁的状态相同，但养护周期逐渐变短，从16年缩短到9年，如图1所示，在100年寿命周期内，桥梁需要进行7次恢复性养护。

图1 此管养策略下不同桥龄桥梁可靠度指标变化

3 桥梁全寿命周期成本分析

3.1 全寿命周期成本构成

全寿命周期成本是在桥梁从规划、设计、施工、使用到最终拆除和更换的寿命期间发生的总成本，包括规划、设计、施工、维修、养护和加固、交通管制等投入[9]。按照成本发生的阶段，将全寿命周期成本分为设计建造成本、管养维修成本、拆除成本和残余价值，将来的成本通常折现到现在的价值进行有意义的比较。按照成本的类型，分为机构成本和用户成本，其中机构成本是最直接的成本，用户成本和社会成本由于影响因素极为复杂，很难进行定量的分析，故关注的是机构成本。

图2 桥梁全寿命周期成本构成

桥梁全寿命周期成本是桥梁从规划、设计、施工、使用到最终拆除和更换的寿命期间发生的总成本，包括机构成本和用户成本，其中机构成本为规划设计成本、施工建造成本、管养维修成本及拆除成本的总和，减去桥梁拆除回收后的残余价值。

AC=DC+CC+MC+RC-SV

式中：DC—规划设计成本；

CC—施工建造成本；

MC—管养维修成本；

RC—拆除成本；

SV—残余价值。

规划设计成本按照一般设计费率，取为桥梁工程建安费的3%。施工建造成本即为桥梁工程的建安费用。

管养维修成本分为日常养护成本、预防性养护成本和恢复性维修成本，对于计划性的日常养护和预防性养护，假定在桥梁投入使用时即确定了工作计划，同相关管理单位签订了合同，此部分成本即按当前费用支付，不考虑折现率和通货膨胀率的影响；对于恢复性维修，发生时间受桥梁退化状态的影响，不可计划，故此部分成本要考虑货币的时间价值和价值变化，在计算时引入贴现率和通货膨胀率。本报告中，贴现率取为8%，通货膨胀率取为5%。

通常可以对桥梁拆除成本进行简化估计，对于钢筋混凝土桥梁而言，拆除成本取为初始建设成本的10%。考虑桥梁拆除后回收的材料价值，钢筋混凝土桥梁的残余价值取为初始建设成本的0.5%[10]。

3.2 不同桥型的全寿命周期成本

以相同的模式计算辽宁省五种常用中小跨径混凝土桥梁的全寿命周期成本，见表4。对于20m跨径的小桥，分析了混凝土空心板梁桥，全寿命周期成本约为4200元/m2；对于30m跨径的中桥，分析了装配式预应力混凝土箱梁桥、现浇预应力混凝土箱梁桥和装配式预应力混凝土T梁桥，其中，装配式小箱梁桥全寿命周期成本约5000元/m2，现浇箱梁桥全寿命周期成本约5400元/m2，T梁桥全寿命周期成本约5200元/m2；对于40m跨径的中桥，分析了预应力混凝土T梁桥，全寿命周期成本约5500元/m2。

表4 中小跨径混凝土桥梁全寿命周期成本

根据辽宁省目前的管养工作投入和桥梁状态，在中小跨径混凝土桥梁全寿命周期成本中，设计建造期成本约占75%～83%，运营期成本约占16%～25%，拆除成本占0.5%左右。

表5 中小跨径混凝土桥梁不同阶段成本占比情况

4 结论

分别比较几种中小跨径混凝土梁桥的全寿命周期成本，得到不同桥型的适用情况。当跨径为20m时，装配式预应力空心板桥较实用，建设成本也较低，但空心板桥在使用过程中铰缝处易出现病害，管养维修费用较高。当跨径为30m时，装配式预应力混凝土小箱梁桥的全寿命周期成本最低，装配式预应力混凝土T梁桥次之，现浇箱梁桥的全寿命周期成本最高，装配式预应力混凝土小箱梁是最经济的选择。而当跨径增加到40m时，装配式预应力混凝土T形梁桥更适用。

图3 不同桥型全寿命周期成本对比图