辽宁省中小跨径钢混组合结构桥梁全寿命周期成本分析

石雪飞，许 琪

(同济大学土木工程学院 桥梁工程系 上海市 200092)

0 引言

近年来，钢桥、钢-混凝土组合桥、钢管混凝土桥有了日益广泛的应用，取得了令人瞩目的成就，500m以上大跨度悬索桥、斜拉桥的加劲梁多采用钢箱梁，大跨度拱桥中钢拱桥、钢管混凝土拱桥占主导地位。但相比发达国家，我国钢桥技术发展极不平衡，一方面是特大桥的高水准应用，另一方面是中小型钢桥的低水平应用且总量很少。我国桥梁总数超过百万座，而钢桥总数量不足万座，还不到桥梁总量的1%[1]。而在法国，钢桥、钢混组合梁桥占桥梁总量的85%，日本的比例约为50%，美国为30%，相对而言我国明显落后，钢桥应用的落后与当前综合国力不相应、与经济发展状况及发展方针不相应。

对于中小跨径桥梁(跨径不大于40m)，国内习惯上采用预应力混凝土结构如装配式预应力混凝土小箱梁、装配式预应力混凝土T梁、空心板等。已建成的近80万座桥梁中(截至2015年底)，钢结构及钢混组合结构桥梁总数量不足万座，还不到桥梁总量的1%[2]。随着钢铁产能的提高和钢结构桥梁建设技术的进步，目前中国已经具备推广钢及钢混组合结构桥梁的材料和技术条件。当前，钢铁产能过剩、钢材价格下降，是推进钢及钢混组合结构桥梁建设、提升公路桥梁建设品质的良好契机，而且从全寿命周期看，钢结构桥梁的造价、低碳环保性能和耐久性优势更为突出。

现阶段，推广钢结构桥梁的最大障碍，是建造成本和惯性思维，也有一些研究对钢结构桥梁的经济性进行了分析。吴平平对济祁高速合肥段淮河特大桥引桥的钢板组合梁方案和混凝土T梁、小箱梁方案进行了经济性比较分析，由于钢结构桥梁下部结构造价优势大，钢板组合梁结构比小箱梁结构造价低10%左右[3]。刘永健等基于材料用量和残余价值，对比了中小跨径钢-混组合梁桥和预应力混凝土空心板梁、T梁、小箱梁的经济性[4]。

调研了国内外的钢结构桥梁的结构形式、适用范围、施工工艺、管理养护措施，结合国内目前已经推广的钢板组合梁桥建设经验，得到各种条件下的钢混组合结构桥梁的使用现状和维护成本数据，并结合辽宁省高速公路桥梁的建设条件，对钢混组合结构桥梁进行全寿命周期成本分析，旨在从全寿命周期成本的角度比较中小跨径钢混组合结构桥梁和混凝土桥梁的经济性。

1 中小跨径钢混组合结构桥梁应用状况

中小跨径钢结构桥梁的主要结构形式有钢板组合梁桥和槽形钢箱组合梁桥。

钢板组合梁桥有着良好的结构性能和耐久性，施工难度小、进度快，多样化的结构能适应不同建设条件的需求，简化的结构减少了桥梁施工和维修管理工作量。随着工业化建造技术的推广，少主梁及简化加劲肋的形式能降低钢板组合梁桥的综合造价，是组合梁桥发展的趋势[5]。

国外对于少主梁钢板组合梁桥有较多的实践，法国从80年代后期开始集中进行组合梁桥的研究与设计，对传统的钢板梁桥进行了最大程度的简化，采用2根钢主梁形式的钢板梁桥成为中小跨径桥梁应用的主流方案，这类结构体系的钢板组合梁桥在法国得到了广泛建设。新西兰和日本经过多年的工程实践也发布了工字梁组合梁桥设计指南[6-7]，建议采用双工字或多工字钢梁组合梁。

钢板组合梁桥在我国的应用实践尚处于起步阶段，在我国公路桥的应用较少，主要是在中小跨度桥梁中，多见于匝道桥、引桥和跨线桥结构，相对于欧美日等发达国家，国内尚缺乏完备的设计指导体系，对合理的设计参数难以把握，这大大限制了该类型桥梁在我国的推广与应用。随着《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁的指导意见》的发布，各省市积极展开了钢板组合梁桥的研究和应用，在安徽、浙江、广东、湖南、陕西、辽宁等地都已有应用。

钢箱组合梁因整体性好、抗扭能力强、适合曲线线路以及更能适应大跨与特殊要求等特点，获得了较大的发展。采用槽形钢梁的组合钢箱梁，结构简洁、受力明确，是中小跨径组合钢箱梁桥最常用的形式。这种断面仅在腹板外的上翼缘板与桥面板结合，桥面板两侧悬臂无钢加劲肋与斜撑，桥面板为横向承重板。这种断面形式采用横向预应力时，能够适应的桥面宽度可达20m左右，也是辽宁省高速公路跨线桥及匝道桥常用的结构形式。

2 中小跨径钢混组合结构桥梁建造费用分析

以沈康高速公路鸭绿江街至新城子段项目为样本，计算了20～40m跨径的钢板组合梁桥、钢箱组合梁桥的施工建造成本组成和单价，并将其与安徽、陕西等省份的钢混组合梁桥造价进行了比较，见表1。

安徽省钢板组合梁桥的结构特点是双主梁、少主梁、少横撑、少加劲、简化结构，达到了节省材料、降低造价的效果。安徽省应用的钢板组合梁桥结构形式包括：Ⅰ型钢板组合梁(支撑横梁、分块预制桥面板)、II型钢板组合梁(非支撑横梁、全宽预制桥面板)和III型钢板组合梁(三主梁、非支撑横梁、叠合现浇桥面板)。

表1 辽宁省内钢混组合梁桥平均建造费用

通过精细化分析，合理化设计，35m跨径的I型钢板组合梁桥和30m小箱梁桥经济指标基本相当。35m II型(图1中第一列)钢板组合梁桥的材料指标比I型(图1中第二列)更加优化，上部结构经济指标为1790元/m2，与同跨径的小箱梁桥相比，上部结构自重减轻40%，总体造价降低8.6%。

陕西省也编制了35m和45m的中小跨径钢板-混凝土组合梁桥设计通用图，四车道35m、45m钢板-混凝土组合梁桥的初期投资较预应力混凝土箱梁桥分别高28.3%和26.7%。

图1 安徽、陕西、辽宁三省钢板组合梁桥经济性指标比较

比较安徽、陕西、辽宁三省钢板组合梁桥的用钢量和经济性指标，如图1。安徽省的用钢量最低，35m跨径的经济性指标好于40m跨径，非支撑横梁体系比支撑横梁体系更优。陕西省的用钢量比安徽稍高，辽宁省的用钢量最高。

辽宁省钢混组合梁用钢量偏高主要原因有以下三个方面：

(1)防撞护栏采用的混凝土防撞墙而非钢护栏，沥青铺装与混凝土桥面板之间设置了8cm厚混凝土现浇层，二期恒载相对过重；

一日清理橱柜，翻出了十四年前女儿出生时珍藏的一小布包胎发，郑重其事地交与女儿保管，希望当她有朝一日青丝变白雪之时，能手握这胎发想起已经消失的父母，想起艰难走过的岁月。

(2)辽宁省处于严寒地区，温度荷载相对偏高；

(3)钢梁采用耐候钢材料，设计中考虑了一定的钢板腐蚀厚度。

通过对钢板组合梁桥的结构优化，考虑结构受力特点，充分理解结构的受力机理，做到“把好钢用在刀刃上”，降低用钢量从而降低造价；另一方面，也要认识到它的工业化建造需求，减少节段类型、简化钢梁构造，提高钢梁工厂化制造的便利性，降低制造费用。另外，钢板组合梁桥的上部结构比混凝土梁桥轻很多，从下部结构的优化来挖掘钢板组合梁桥的经济性优势也是一个很好的思路。

总结其他省份的经验，并结合辽宁省的特点，为提高辽宁省钢板组合梁桥的经济性，提出以下几点优化建议：

(1)考虑辽宁省的气候特点，采用耐候钢更合理，能降低桥梁运营期维护工作量，降低全寿命周期成本。

(2)可考虑发展装配式下部结构，配合钢结构桥梁应用，能大大降低钢桥的总造价，同时也能推进高速公路桥梁的工业化建造。

3 中小跨径钢结构桥梁全寿命周期成本分析

3.1 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。

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，在计算时引入贴现率和通货膨胀率。本研究中，贴现率取为8%，通货膨胀率取为5%。

对桥梁拆除成本进行简化估计，对于钢混组合结构桥梁而言，拆除成本取为初始建设成本的5%。考虑桥梁拆除后回收的材料价值，钢混组合结构桥梁的残余价值取为初始建设成本的4%[8]。

3.2 不同桥型的全寿命周期成本

计算了辽宁省五种常用中小跨径钢混组合结构桥梁的全寿命周期成本，如表2、表3所示。全寿命周期成本中，设计建造期成本占90%以上，运营期成本约占7%～9%，拆除成本占比不超过0.1%。

表2 辽宁省中小跨径钢混组合结构桥梁全寿命周期成本

表3 辽宁省中小跨径混凝土桥梁全寿命周期成本

图2 辽宁省中小跨径钢混组合梁桥不同阶段成本占比

4 结论

比较几种组合梁桥的全寿命周期成本，30m钢板组合梁桥的全寿命周期成本最低，其次为40m的钢板组合梁桥。与混凝土桥梁相比，钢结构桥梁在全寿命周期内需要的维修次数较少，每平方米桥面的维修费用低300～500元。30m跨径钢板组合梁桥的全寿命周期成本仅比同等跨径的装配式预应力混凝土T形梁桥高1500元/m2左右，比装配式预应力混凝土小箱梁桥高1800元/m2左右。从全寿命周期成本的角度来考虑，两者的经济性差距并不像单纯考虑建设成本那么巨大。若对钢结构桥梁的跨径、分段、截面等做进一步的优化设计，可进一步降低钢结构桥梁的建造费用，提升钢结构桥梁在经济上的竞争力。