全寿命周期成本分析在不同材料桥梁方案比选中的应用

2020-02-07胡铁山王勇夏俊波

公路与汽运 2020年1期

胡铁山，王勇，夏俊波

(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉 430051)

预应力砼和钢结构是现当代桥梁两大主要建造材料，预应力砼能就地取材、施工方便、建设成本相对较低，被广泛应用于中国公路桥梁建设中；钢结构的自重轻、各向性能均匀、易于工厂化制造和吊装施工、质量好控制且方便加固改造和回收利用，在国外桥梁中应用较多，美、日、法等国家的钢结构桥梁占比分别为35%、41%和85%。由于钢结构桥梁前期建造成本较高，在中国主要用于特大跨径桥梁及跨线桥。对于不同结构材料的桥梁方案，通常从技术先进性和经济合理性两方面进行比选论证，其中技术先进性侧重于施工工艺、结构安全及材料性能，经济合理性主要从工程费用的角度进行比较。传统的桥梁设计理念偏重桥梁建设期成本的经济性，而忽视了桥梁结构在运营过程中的成本支出。全寿命周期成本分析从设计阶段就开始考虑桥梁的设计、施工、运营管理到寿命终结拆除等全过程的成本即桥梁全寿命周期成本，具有重要的社会意义。该文以某高速公路通航桥梁为依托，对预应力砼、钢结构两种材料的桥梁方案进行经济比选，通过预测设计、施工、营运到拆除阶段两桥梁方案的全寿命周期成本，确定满足桥梁正常使用功能需求与经济费用最低的最佳方案。

1 桥梁全寿命周期成本分析理论

从本质上说，单纯地只考虑桥梁建设期成本而忽视后期运营管理费用是片面的。为全面考虑桥梁全过程经济成本，在设计阶段便全面考虑桥梁建设期成本及运营期的管理、养护、维修和拆除回收等费用，综合预测桥梁建造成本、用户成本和社会成本。从全寿命性能设计的角度，综合考虑桥梁设计、施工、维护和管理，可有效控制桥梁全寿命期的服务水平和长期投资。

1.1 桥梁全寿命周期成本分析方法

桥梁全寿命周期成本分析(LCCA)是指在设计阶段综合考虑未来桥梁设计、施工、运营阶段全过程的总成本。考虑时间价值的经济费用分析方法有现值法、年费用法、收益率法、效益-费用比法等，该桥采用净现值分析法，将未来成本费用折现为净现值NPV，用于设计方案评估。桥梁全寿命周期成本计算模型为：

pc(k,j,t)

(1)

式中：NVP为全寿命周期成本总和的净现值；t为成本发生时间；T为分析周期；k为成本种类；j为成本种类项目；rt为该年的基准折现率；pc(k,j,t)为各项成本发生的概率。

1.2 桥梁全寿命周期成本构成

中国桥梁全寿命设计与管理理念起步较晚，对桥梁运营期的统计资料很少，各项成本计算参数值取定少有可参考的资料。为此，采用专家问卷调查法对国内桥梁设计、管理养护、检测维修等进行调查，得出具有代表性的全寿命周期成本分析的基本参数值。桥梁全寿命周期成本构成见图1。

1.3 桥梁结构的全寿命周期

桥梁在全寿命周期内，随着使用时间的增长，其材料性能逐渐下降，常出现疲劳、病害及损伤，导致其性能状态逐渐退化，且退化速率越来越快(见图2)。因此，一般桥梁的正常使用年限很难满足设计基准期。

图1 桥梁全寿命周期成本构成

Cf为桥梁正常使用的最低性能状态；T0为桥梁建成

为尽可能地延长桥梁的正常使用年限，满足设计基准期要求，通常桥梁使用过程中会进行构件维修、替换甚至整体加固改造，提高桥梁性能状态，其中预防性养护维修(一般维护)可在较低程度上提高桥梁的性能，重大维修(重大维护)可较大程度提高甚至恢复桥梁的整体性能(见图3)。

Ts为桥梁全寿命终止时刻。

2 桥梁方案拟定

2.1 设计标准

公路等级：高速公路；路基全宽26 m；设计速度100 km/h。

桥面净宽：2×净-11.75 m。

设计荷载：公路Ⅰ级。

设计洪水频率：1/300。

通航标准：通航等级为Ⅳ级；通航净空为梯形，其中B=90 m，H=8 m，b=81 m，h=5 m；最高通航水位为29.18 m。

2.2 设计构思

(1) 预应力砼桥梁主要应用分类及适应范围。预应力砼桥梁前期建设成本低，可就地取材、适应性强、整体性好，结合砼的高抗压强度及预应力钢筋的抗拉性能，使预应力砼桥梁的结构性能、使用寿命大幅提高。由于预应力砼材料灵活的适应性，其在梁桥、拱桥、斜拉桥及悬索桥上都有很好的应用。但由于其自重大、易开裂等缺陷，在高墩大跨度桥梁等领域的应用受到一定限制。

(2) 钢结构桥梁主要应用分类及适应范围。钢结构桥梁包括钢箱梁、钢桁架梁及钢砼结合梁，以钢箱梁为代表进行分析。钢箱梁又叫钢板箱形梁，主要适用于有下限净空要求的市政桥梁、有保通要求的跨线(公路、铁路、通航河流)桥梁、大跨度斜拉桥、悬索桥及拱桥加劲梁等。其外形设计可多样化，适合于景观桥梁。采用预制吊装施工，可缩短工期，减小对现有交通或通航的压力，且因其自重小、安装方便、抗扭刚度好，可避免砼梁开裂，抗震性能高，在大跨径桥梁中应用较广泛。但其前期建设成本较高，在中小跨径桥梁中应用较少。

2.3 方案拟定

根据通航要求，该梁主跨应大于通航净宽90 m。根据工程经验，对于百米级的公路桥梁，无论是从结构安全、施工工艺，还是工程造价等因素考虑，应首选变截面连续梁桥。结合桥墩结构自身安全，桥梁跨径采用60 m +100 m +60 m(见图4)。

图4 桥型立面示意图(单位：m)

采用不同结构材料拟定以下两种方案：

方案一为钢结构变截面连续箱梁。桥梁分为左右两幅，上部构造采用全钢结构变截面连续箱梁、单箱单室箱形截面，墩顶梁高5.0 m，跨中梁高2.5 m，箱梁顶板全宽2×12.75 m；下部构造采用空心薄壁墩、桩基础(见图5)。

图5 钢桥标准横断面示意图(单位：cm)

方案二为预应力砼变截面连续箱梁。桥梁分为左右两幅，上部构造采用预应力砼变截面连续箱梁、单箱单室箱形截面，墩顶梁高6.0 m，跨中梁高3.0 m，箱梁顶板全宽2×12.75 m；下部构造采用空心薄壁墩、桩基础(见图6)。

图6 预应力砼桥梁标准横断面示意图(单位：cm)

3 全寿命周期成本分析

3.1 计算基本参数

(1) 计算基年。计算基年即全寿命周期成本折算成现值的基准时间、货币时间价值折算基点。该桥以其所在高速公路项目竣工年为计算基年。

(2) 折现率。折现率是桥梁全寿命周期成本计算的重要参数，考虑时间价值折现，其取值对计算未来成本现值具有直接影响。其值不应低于资金的机会成本或最低回收率，一般采用国家公布的行业基准收益率。该桥折现率取6%。

(3) 分析期。根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》，公路桥涵结构的设计基准期为100年。该桥结构的分析期按100年计算。

3.2 桥梁建设期成本

桥梁建设期成本包括桥梁规划、设计、施工等发生的费用。根据该桥设计总说明、施工图预算等文件计算，其建设期成本为竣工年成本即基年成本,不进行折现(见表1)。

表1 不同桥梁方案的建设期成本

3.3 桥梁营运期成本

(1) 管养成本。桥梁的管理、养护、维修一方面跟结构材料及施工质量有关，另一方面与桥型结构、管理模式、环境条件有关。该桥属于高速公路的一部分，其日常管理及养护依托高速公路整体日常管理养护体系，不同材料桥梁的日常管养费用区别不大。为简化计算，不考虑桥梁的日常性管理养护费用，根据国内类似工程经验，将两种桥梁方案上部结构的预防性养护与维修费用进行简化分析。钢桥预防性养护维修费用包括钢箱梁涂装、桥面铺装、伸缩装置、支座、防撞护栏维修或更换成本，按照每15年一次计算；预应力砼桥梁预防性养护维修费用包括砼构件病害处理、桥面铺装、伸缩装置、支座、防撞护栏维修和更换成本，按照每10年一次小修、30年一次大修计算。根据《桥梁全寿命设计指南》、该桥分项工程预算表、调查及评估结果,结合国内其他桥梁维修情况,计算确定该桥维修成本现值见表2。

表2 不同桥梁方案的管养成本

(2) 用户成本。由于桥面铺装等维修中均进行合理的保通方案设计，且两种桥梁方案的保通模式和费用均相当，不影响比选结论，为简化计算，不考虑用户成本。

(3) 环境影响成本。桥梁环境影响成本主要包括桥梁营运、维修、养护和拆除中的噪音、土地临时占用、水土流失、空气污染等生态破坏而发生的成本。通过调查分析、专家商讨,环境影响成本按照建设及管养成本的30%来估算。

3.4 桥梁回收期成本

桥梁回收期成本包括拆除成本和剩余价值两部分，其中拆除成本主要包括拆除时的人、机、料成本和废弃物处理成本，剩余价值为回收利用负成本。拆除方法不同,拆除成本及回收再利用成本可能相差较大，鉴于桥梁拆除成本与桥梁建设期成本密切相关,采用拆除成本占建设期成本的百分比来估算拆除成本。根据《桥梁全寿命设计指南》、调查及评估结果,结合国内其他桥梁的拆除经验,计算确定该桥维修成本现值，钢结构桥梁按建设期成本的20%、预应力砼桥梁按建设期成本的30%计算；剩余价值，预应力砼桥梁计为零，钢结构按照同类型钢材市场价计算。

3.5 桥梁全寿命周期成本计算

综上，桥梁方案一全寿命周期成本为16 204.96万元，其中：建设期成本为11 189.8万元，占69.1%；营运期成本为4 972.84万元，占30.7%；回收期成本为42.32万元，占0.3%。桥梁方案二全寿命周期成本为17 654.22万元，其中：建设期成本为7 992.7万元，占45.3%；营运期成本为7 263.71万元，占41.1%；回收期成本为2 397.81万元，占13.6%(见表3)。