遼寧省中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁全壽命周期成本分析

石雪飛，許 琪

(同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 橋梁工程系 上海市 200092)

0 引言

近年來，鋼橋、鋼-混凝土組合橋、鋼管混凝土橋有了日益廣泛的應(yīng)用，取得了令人矚目的成就，500m以上大跨度懸索橋、斜拉橋的加勁梁多采用鋼箱梁，大跨度拱橋中鋼拱橋、鋼管混凝土拱橋占主導(dǎo)地位。但相比發(fā)達國家，我國鋼橋技術(shù)發(fā)展極不平衡，一方面是特大橋的高水準應(yīng)用，另一方面是中小型鋼橋的低水平應(yīng)用且總量很少。我國橋梁總數(shù)超過百萬座，而鋼橋總數(shù)量不足萬座，還不到橋梁總量的1%[1]。而在法國，鋼橋、鋼混組合梁橋占橋梁總量的85%，日本的比例約為50%，美國為30%，相對而言我國明顯落后，鋼橋應(yīng)用的落后與當(dāng)前綜合國力不相應(yīng)、與經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展方針不相應(yīng)。

對于中小跨徑橋梁(跨徑不大于40m)，國內(nèi)習(xí)慣上采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)如裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、空心板等。已建成的近80萬座橋梁中(截至2015年底)，鋼結(jié)構(gòu)及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁總數(shù)量不足萬座，還不到橋梁總量的1%[2]。隨著鋼鐵產(chǎn)能的提高和鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)技術(shù)的進步，目前中國已經(jīng)具備推廣鋼及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的材料和技術(shù)條件。當(dāng)前，鋼鐵產(chǎn)能過剩、鋼材價格下降，是推進鋼及鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好契機，而且從全壽命周期看，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的造價、低碳環(huán)保性能和耐久性優(yōu)勢更為突出。

現(xiàn)階段，推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的最大障礙，是建造成本和慣性思維，也有一些研究對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的經(jīng)濟性進行了分析。吳平平對濟祁高速合肥段淮河特大橋引橋的鋼板組合梁方案和混凝土T梁、小箱梁方案進行了經(jīng)濟性比較分析，由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁下部結(jié)構(gòu)造價優(yōu)勢大，鋼板組合梁結(jié)構(gòu)比小箱梁結(jié)構(gòu)造價低10%左右[3]。劉永健等基于材料用量和殘余價值，對比了中小跨徑鋼-混組合梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁、T梁、小箱梁的經(jīng)濟性[4]。

調(diào)研了國內(nèi)外的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)形式、適用范圍、施工工藝、管理養(yǎng)護措施，結(jié)合國內(nèi)目前已經(jīng)推廣的鋼板組合梁橋建設(shè)經(jīng)驗，得到各種條件下的鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的使用現(xiàn)狀和維護成本數(shù)據(jù)，并結(jié)合遼寧省高速公路橋梁的建設(shè)條件，對鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁進行全壽命周期成本分析，旨在從全壽命周期成本的角度比較中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁和混凝土橋梁的經(jīng)濟性。

1 中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用狀況

中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式有鋼板組合梁橋和槽形鋼箱組合梁橋。

鋼板組合梁橋有著良好的結(jié)構(gòu)性能和耐久性，施工難度小、進度快，多樣化的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)不同建設(shè)條件的需求，簡化的結(jié)構(gòu)減少了橋梁施工和維修管理工作量。隨著工業(yè)化建造技術(shù)的推廣，少主梁及簡化加勁肋的形式能降低鋼板組合梁橋的綜合造價，是組合梁橋發(fā)展的趨勢[5]。

國外對于少主梁鋼板組合梁橋有較多的實踐，法國從80年代后期開始集中進行組合梁橋的研究與設(shè)計，對傳統(tǒng)的鋼板梁橋進行了最大程度的簡化，采用2根鋼主梁形式的鋼板梁橋成為中小跨徑橋梁應(yīng)用的主流方案，這類結(jié)構(gòu)體系的鋼板組合梁橋在法國得到了廣泛建設(shè)。新西蘭和日本經(jīng)過多年的工程實踐也發(fā)布了工字梁組合梁橋設(shè)計指南[6-7]，建議采用雙工字或多工字鋼梁組合梁。

鋼板組合梁橋在我國的應(yīng)用實踐尚處于起步階段，在我國公路橋的應(yīng)用較少，主要是在中小跨度橋梁中，多見于匝道橋、引橋和跨線橋結(jié)構(gòu)，相對于歐美日等發(fā)達國家，國內(nèi)尚缺乏完備的設(shè)計指導(dǎo)體系，對合理的設(shè)計參數(shù)難以把握，這大大限制了該類型橋梁在我國的推廣與應(yīng)用。隨著《交通運輸部關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的指導(dǎo)意見》的發(fā)布，各省市積極展開了鋼板組合梁橋的研究和應(yīng)用，在安徽、浙江、廣東、湖南、陜西、遼寧等地都已有應(yīng)用。

鋼箱組合梁因整體性好、抗扭能力強、適合曲線線路以及更能適應(yīng)大跨與特殊要求等特點，獲得了較大的發(fā)展。采用槽形鋼梁的組合鋼箱梁，結(jié)構(gòu)簡潔、受力明確，是中小跨徑組合鋼箱梁橋最常用的形式。這種斷面僅在腹板外的上翼緣板與橋面板結(jié)合，橋面板兩側(cè)懸臂無鋼加勁肋與斜撐，橋面板為橫向承重板。這種斷面形式采用橫向預(yù)應(yīng)力時，能夠適應(yīng)的橋面寬度可達20m左右，也是遼寧省高速公路跨線橋及匝道橋常用的結(jié)構(gòu)形式。

2 中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁建造費用分析

以沈康高速公路鴨綠江街至新城子段項目為樣本，計算了20～40m跨徑的鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋的施工建造成本組成和單價，并將其與安徽、陜西等省份的鋼混組合梁橋造價進行了比較，見表1。

安徽省鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)特點是雙主梁、少主梁、少橫撐、少加勁、簡化結(jié)構(gòu)，達到了節(jié)省材料、降低造價的效果。安徽省應(yīng)用的鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)形式包括：Ⅰ型鋼板組合梁(支撐橫梁、分塊預(yù)制橋面板)、II型鋼板組合梁(非支撐橫梁、全寬預(yù)制橋面板)和III型鋼板組合梁(三主梁、非支撐橫梁、疊合現(xiàn)澆橋面板)。

表1 遼寧省內(nèi)鋼混組合梁橋平均建造費用

通過精細化分析，合理化設(shè)計，35m跨徑的I型鋼板組合梁橋和30m小箱梁橋經(jīng)濟指標基本相當(dāng)。35m II型(圖1中第一列)鋼板組合梁橋的材料指標比I型(圖1中第二列)更加優(yōu)化，上部結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標為1790元/m2，與同跨徑的小箱梁橋相比，上部結(jié)構(gòu)自重減輕40%，總體造價降低8.6%。

陜西省也編制了35m和45m的中小跨徑鋼板-混凝土組合梁橋設(shè)計通用圖，四車道35m、45m鋼板-混凝土組合梁橋的初期投資較預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋分別高28.3%和26.7%。

圖1 安徽、陜西、遼寧三省鋼板組合梁橋經(jīng)濟性指標比較

比較安徽、陜西、遼寧三省鋼板組合梁橋的用鋼量和經(jīng)濟性指標，如圖1。安徽省的用鋼量最低，35m跨徑的經(jīng)濟性指標好于40m跨徑，非支撐橫梁體系比支撐橫梁體系更優(yōu)。陜西省的用鋼量比安徽稍高，遼寧省的用鋼量最高。

遼寧省鋼混組合梁用鋼量偏高主要原因有以下三個方面：

(1)防撞護欄采用的混凝土防撞墻而非鋼護欄，瀝青鋪裝與混凝土橋面板之間設(shè)置了8cm厚混凝土現(xiàn)澆層，二期恒載相對過重；

一日清理櫥柜，翻出了十四年前女兒出生時珍藏的一小布包胎發(fā)，鄭重其事地交與女兒保管，希望當(dāng)她有朝一日青絲變白雪之時，能手握這胎發(fā)想起已經(jīng)消失的父母，想起艱難走過的歲月。

(2)遼寧省處于嚴寒地區(qū)，溫度荷載相對偏高；

(3)鋼梁采用耐候鋼材料，設(shè)計中考慮了一定的鋼板腐蝕厚度。

通過對鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，考慮結(jié)構(gòu)受力特點，充分理解結(jié)構(gòu)的受力機理，做到“把好鋼用在刀刃上”，降低用鋼量從而降低造價；另一方面，也要認識到它的工業(yè)化建造需求，減少節(jié)段類型、簡化鋼梁構(gòu)造，提高鋼梁工廠化制造的便利性，降低制造費用。另外，鋼板組合梁橋的上部結(jié)構(gòu)比混凝土梁橋輕很多，從下部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來挖掘鋼板組合梁橋的經(jīng)濟性優(yōu)勢也是一個很好的思路。

總結(jié)其他省份的經(jīng)驗，并結(jié)合遼寧省的特點，為提高遼寧省鋼板組合梁橋的經(jīng)濟性，提出以下幾點優(yōu)化建議：

(1)考慮遼寧省的氣候特點，采用耐候鋼更合理，能降低橋梁運營期維護工作量，降低全壽命周期成本。

(2)可考慮發(fā)展裝配式下部結(jié)構(gòu)，配合鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用，能大大降低鋼橋的總造價，同時也能推進高速公路橋梁的工業(yè)化建造。

3 中小跨徑鋼結(jié)構(gòu)橋梁全壽命周期成本分析

3.1 全壽命周期成本構(gòu)成

橋梁全壽命周期成本是橋梁從規(guī)劃、設(shè)計、施工、使用到最終拆除和更換的壽命期間發(fā)生的總成本，包括機構(gòu)成本和用戶成本，其中機構(gòu)成本為規(guī)劃設(shè)計成本、施工建造成本、管養(yǎng)維修成本及拆除成本的總和，減去橋梁拆除回收后的殘余價值。

式中：DC—規(guī)劃設(shè)計成本；

CC—施工建造成本；

MC—管養(yǎng)維修成本；

RC—拆除成本；

SV—殘余價值。

規(guī)劃設(shè)計成本按照一般設(shè)計費率，取為橋梁工程建安費的3%。施工建造成本即為橋梁工程的建安費用。

管養(yǎng)維修成本分為日常養(yǎng)護成本、預(yù)防性養(yǎng)護成本和恢復(fù)性維修成本，在計算時引入貼現(xiàn)率和通貨膨脹率。本研究中，貼現(xiàn)率取為8%，通貨膨脹率取為5%。

對橋梁拆除成本進行簡化估計，對于鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁而言，拆除成本取為初始建設(shè)成本的5%。考慮橋梁拆除后回收的材料價值，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的殘余價值取為初始建設(shè)成本的4%[8]。

3.2 不同橋型的全壽命周期成本

計算了遼寧省五種常用中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁的全壽命周期成本，如表2、表3所示。全壽命周期成本中，設(shè)計建造期成本占90%以上，運營期成本約占7%～9%，拆除成本占比不超過0.1%。

表2 遼寧省中小跨徑鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁全壽命周期成本

表3 遼寧省中小跨徑混凝土橋梁全壽命周期成本

圖2 遼寧省中小跨徑鋼混組合梁橋不同階段成本占比

4 結(jié)論

比較幾種組合梁橋的全壽命周期成本，30m鋼板組合梁橋的全壽命周期成本最低，其次為40m的鋼板組合梁橋。與混凝土橋梁相比，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在全壽命周期內(nèi)需要的維修次數(shù)較少，每平方米橋面的維修費用低300～500元。30m跨徑鋼板組合梁橋的全壽命周期成本僅比同等跨徑的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁橋高1500元/m2左右，比裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋高1800元/m2左右。從全壽命周期成本的角度來考慮，兩者的經(jīng)濟性差距并不像單純考慮建設(shè)成本那么巨大。若對鋼結(jié)構(gòu)橋梁的跨徑、分段、截面等做進一步的優(yōu)化設(shè)計，可進一步降低鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建造費用，提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁在經(jīng)濟上的競爭力。