公路桥梁工程养护决策与造价控制优化选型研究

郭 香，黄凌波

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

公路工程的养护是一项复杂的系统性工程，受到养护技术水平、工程养护成本等多方面的因素影响[1-2]。在以往的桥梁建设中，由于建设标准、建造水平以及设计规范的局限性，导致桥梁在服役过程中受到车辆的反复振动荷载以及自然风化作用的影响，不可避免地出现老化、裂缝和破碎，甚至出现结构的安全性问题，在重车超载的公路桥梁路段，这种现象更为突出，在考虑工程经济因素，对着这些桥梁进行拆除后新建显得尤为不经济，也不显示，因此需要对其进行施工监测、监测和维修加固[3]。在桥梁维护资金有限的情况下，为了充分发挥资金的优势，客观地将资金投入到公路桥梁工程的维修加固中，科学合理地做出养护决策，对于增加桥梁的使用年限具有十分重要的作用[4]。

1 公路桥梁工程加固方案的影响因素及常用加固方案

由于公路桥梁工程的长期服役，在车辆的荷载作用下使得桥梁在通行能力和结构安全方面都受到影响，因此需结合公路桥梁的现实条件有针对性地采取加固方案，但既符合桥梁加固技术要求又符合造价经济性的加固方案需要一套科学严谨的经济评判方法[5]。这是因为在以往的桥梁工程建设与养护中，决策者更多地关注质量和技术，对于经济账的重视重读较为粗放，然而随着桥梁加固规模的不断扩大，工程造价控制的管理思维深入人心，因此在越来越巨额的加固费用投入到项目中时，如果不采取一套行之有效和科学合理的造价控制方案，将会导致投入的维修资金不能够得到有效的使用，影响工程的进度和决策。以下针对目前常用的几种桥梁工程加固方案和确定加固方案的影响因素进行分析。

1.1 公路桥梁工程加固方案的影响因素

目前关于公路桥梁工程的加固方案众多，比如改变桥梁结构的截面提高刚度、粘贴钢板辅助补强、粘贴碳纤维改善刚度等。但任何一种加固方案都具有其适用性及局限性，在选择公路桥梁工程加固方案时需考虑其技术的可行性以及经济合理性[6-7]。以下针对公路桥梁工程方案的影响因素展开分析，主要集中在以下5个方面：

(1) 加固技术方案的合理性。在针对具体的桥梁加固项目时，应根据桥梁所处的环境、病害原因等具体问题具体分析，在采用技术成熟的方案基础上，进一步寻求更为先进的加固方法，同时也应避免由于加固不当导致桥梁结构的受损。

(2) 加固方案的可靠性。由于桥梁的养护加固与新建桥梁不同，它的受力结构已经形成，在选择加固方案的时候应与原有结构相互协调，保证既有桥梁的功能实现，通过对其强度、刚度和稳定性的改善达到桥梁的养护效果。加固的方案能够在安全的基础上展开，不仅需要保证加固人员设备的安全，也应该保持既有桥梁在不中断交通的情况下行人和车辆的安全。

(3) 桥梁加固方案实施的便捷性。在施工时，由于公路桥梁跨越的环境多样，或者跨越城区密集环境，或者跨越河流，或者跨越山区地形复杂环境，受到场区工作空间的影响，选择加固方案时应考虑设备的工作性能、施工的技术水平等，应能够保障设备运移方便，材料易于购买等。

(4) 桥梁加固方案的经济性。工程经济是决定桥梁养护方案最为重要的因素之一，在到达到养护效果的前提下，应对工程造价和工期进行测算研究，以达到在有限的资金投入下发挥经济效益。

(5) 加固方案应考虑桥梁的结构形式。我国的桥梁建筑技术先进，按照结构的受力形式可以分为简支梁、连续梁、斜拉桥和悬索桥等，不同的结构形式加固方法也不同，在养护加固实施时应有所针对性地提出方案，以达到加固效果。

1.2 常用的公路桥梁工程加固方案

目前常用的加固方案主要有增大截面尺寸、钢板补强、碳纤维补强、体外预应力加固以及综合加固方法。其加固原理均为通过一定的加固措施对结构的刚度、抗弯性能和稳定性进行改善[8]。具体分析如下：

(1) 增大截面尺寸方案。桥梁结构的受力截面大小是决定其承载力的重要参数。通过对主梁或者次梁的受弯区进行外包混凝土现浇使得其受压区增大，同时在新增截面上增加钢筋，提高桥梁的承载能力和抗弯刚度，达到加固补强、减小桥梁结构的变形和改变自振频率的目的。在桥梁结构的上部受拉区也可以采用钢筋网砂浆对截面尺寸的加大，达到提高混凝土保护层厚度，提高混凝土的抗剪切面积，修复上部结构破损和提高混凝土的耐久性。

(2) 钢板补强方案。钢材量和混凝土材料具有明显不同的力学性质，前者主要抗弯，后者主要抗压。当桥梁结构的钢筋出严重锈蚀，受力钢筋的数量不足导致结构的承载力下降时，通过对锈蚀部位的薄弱环节进行粘贴钢板，可以达到两种材料共同受力的目的，同时可以有效延缓裂缝的开展以及内部钢筋的锈蚀速度，加固具有快速经济的效果。最常用的粘贴方法为表面涂抹环氧树脂、结构胶，或者采用锚栓锚固，粘贴钢板的厚度较薄，一般采用4～6 mm。

(3) 碳纤维补强。通过在桥梁结构表面粘接高性能碳纤维布达到结构增强的目的，粘贴的手段为高性能的黏结剂。碳纤维增强材料作为一种轻质量、高强度、高弹性模量、耐腐蚀、耐酸碱、耐疲劳的材料，物理性能优越，与混凝土材料相比，其具有良好的韧性，与其他加固方法相比具有快速施工，养护效果优异等特点。如图1所示。

图1 碳纤维加固桥梁结构

(4) 体外预应力加固方法。体外预应力的加固基本原理仍然是应用预应力钢筋或者钢索对混凝土结构施加预应力，使其产生一定的预拱度，以预留上部荷载产生的挠度变形空间，起到控制变形和卸载的作用。体外预应力加固方法能够很好地保持原有结构的基本受力形态，同时又能够快速提高承载力，施工时的工期也可以大大压缩。但值得注意的是，利用体外预应力加固法时需要对桥梁的原有配筋进行计算，判断其是否为适筋梁，以满足预应力加固空间。体外预应力加固方法的实施效果如图2所示。

图2 体外预应力加固桥梁结构

(5) 顶升法加固。桥梁结构在施工用过程中，存在偏位、支座脱空、支座变形和支座开裂等现象，因此为了更好地提供足够的维修加固空隙间，需要在不改变原有桥梁形态的前提下，采用顶升设备匀速协调地对桥梁主梁进行垂直提升或者平移一定的位移。顶升法最大的优点就是操作简单、安全可靠、环境友好，可以充分利用行车间隔时间对公路桥梁工程进行加固维修，以达到节约资金的目的，因此日益受到行业内加固设计人员的重视。

(6) 综合加固方法。由于前述中各种加固方法具有各自的优点，也存在各自的缺点，在实际公路桥梁工程养护过程中，为了达到更好的整治和加固的目的，需要对桥梁的加固方法进行优化组合，在有限的加固经费条件下实现桥梁加固方法的最优决策。具体综合加固方法的确定可以借助层次分析法或者模糊理论等进行评定，达到加固方法的组合优化和加固效果的实现。

2 工程背景

如图3所示，罗南特大桥(紫洞大桥)位于佛山市“一环”乐从至狮山公路主干线上，主桥结构为83+150+83 m连续刚构桥，通航孔跨径为150 m，桥梁全长为1401.5 m。本次预算为佛山一环高速罗南特大桥(紫洞大桥)主桥加固施工图预算。

图3 佛山一环高速罗南特大桥(紫洞大桥)

佛山一环高速罗南特大桥(紫洞大桥)主桥加固施工图预算总金额为1 572.069 2万元，其中建安费为1 027.057 7万元。主要费用及费率如下：

(1) 人工费：人工及机械工工资单价为69.12元/工日。

(2) 材料费：按外购材料及地方材料信息价、市场调查价及同类工程的相关材料预算价综合拟定。

(3) 机械台班费：按《公路工程机械台班费用定额》执行。

(4) 其他费用：雨季施工增加费的费率按第Ⅱ雨量区、雨季期为6个月计，施工期间，按照平均每昼夜双向行车次数5 000次以上计算行车干扰工程施工增加费。

(5) 间接费、规费：按费率32.01%计，主副食运输综合里程按9.5 km计，根据《编办》计入职工探亲路费及财务费用，不计职工取暖费和辅助生产间接费。

(6) 利润按《编办》计；⑦税金按粤建造发〔2011〕004 号文规定税率3.477%计。

工程建设其他费用中，建设单位管理费、设计文件审查费、竣(交)工验收试验检测费均按《编办》计取；工程监理费按“发改价格〔2007〕670号”计取；根据项目合同，施工监控费按40万计列，科研试验费按100万计列，初步设计费按19.8万元计列；施工图设计费按47.8万计列；磁通量检测费按24.208万元计列；通航保畅及海事局管理费按80万元计列；招标文件及标底编制费用按10.547 5万元计列；造价文件咨询审查费按12.781 7万元计列；交通管制经费按20万元计列。基本预备费按《编办》规定费率按3%计，未计价差预备费。

3 基于造价控制优化的公路桥梁工程养护方案决策

为了综合分析不同加固方法各个影响指标对公路桥梁工程养护方案决策的影响，基于造价控制优化的价值理论公式进行分析，在实现桥梁功能加固效果的基础上，降低工程费用投入，达到综合效益的提升，如式(1)所示。

V=F/C

(1)

式中：V为价值；F为功能；C为费用。

在桥梁养护决策是一个复杂的系统工程，加固方案的功能指标F上，需要考虑多个方面的因素，建立具有递阶层次的结构评价体系，并对每个层级的指标进行权重评定，考虑养护的技术可行性、加固功能的可实现性，具体的功能指标F的评价分析可采用消除量纲的模糊数进行分析，如式(2)所示：

(2)

以桥梁挠度功能指标的计算为例，可以按照表1的分级表对加固效果进行评价。

表1 挠度功能指标的效果可靠性影响因素评价

对于费用指标C的评价，可以采取一种多层次的变权综合评价模型对桥梁加固方案中涉及的各种因素和指标，采取指标评价和指标权重得到费用C的综合评价值。在评价的时，指标权重一般是根据专家的经验确定，具有恒定的数值，但是为了均衡各个因素不至于导致决策无偏差，可以对权重值进行动态的调整，即按式(3)、式(4)进行计算。

(3)

(4)

基于造价控制优化方法建立的权重综合模型，结合工程实例，对佛山一环高速罗南特大桥(紫洞大桥)主桥加固的各项加固建安费用进行计算，计算结果见表2。

表2 罗南特大桥(紫洞大桥)主桥的加固建安费用

4 结束语

公路桥梁工程养护在受到长期的车辆荷载以及自然营力的作用，不可避免地产生各种病害，比如裂缝、老化以及破碎等。我国建设了数量庞大的公路桥梁工程，一方面，早期修筑的桥梁已经服役超过30年，面临着主动的养护、加固维修任务，另一方面，目前在桥梁建设阶段的资金投入大，而在运维阶段受到养护部门维修资金的限制，往往不能对所有的桥梁都无差别地进行维修处置，因此需要建立一个科学合理的造价控制方法，对各个公路桥梁工程的服役状态和加固方法做一个客观的评判，以满足公路桥梁工程养护部门做出符合经济效益的决策。本文结合实际的工程案例，分析目前现有的公路桥梁工程加固方案以及其相关影响因素，基于造价控制优化方法建立权重综合模型对公路桥梁工程养护决策进行分析。研究成果表明，本文提出的造价控制优化方法简单可行、操作方便，能够为桥梁养护维修部门提供相关的决策支持。