全壽命周期成本分析在不同材料橋梁方案比選中的應用

胡鐵山， 王勇， 夏俊波

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司， 湖北 武漢 430051)

預應力砼和鋼結構是現當代橋梁兩大主要建造材料，預應力砼能就地取材、施工方便、建設成本相對較低，被廣泛應用于中國公路橋梁建設中；鋼結構的自重輕、各向性能均勻、易于工廠化制造和吊裝施工、質量好控制且方便加固改造和回收利用，在國外橋梁中應用較多，美、日、法等國家的鋼結構橋梁占比分別為35%、41%和85%。由于鋼結構橋梁前期建造成本較高，在中國主要用于特大跨徑橋梁及跨線橋。對于不同結構材料的橋梁方案，通常從技術先進性和經濟合理性兩方面進行比選論證，其中技術先進性側重于施工工藝、結構安全及材料性能，經濟合理性主要從工程費用的角度進行比較。傳統的橋梁設計理念偏重橋梁建設期成本的經濟性，而忽視了橋梁結構在運營過程中的成本支出。全壽命周期成本分析從設計階段就開始考慮橋梁的設計、施工、運營管理到壽命終結拆除等全過程的成本即橋梁全壽命周期成本，具有重要的社會意義。該文以某高速公路通航橋梁為依托，對預應力砼、鋼結構兩種材料的橋梁方案進行經濟比選，通過預測設計、施工、營運到拆除階段兩橋梁方案的全壽命周期成本，確定滿足橋梁正常使用功能需求與經濟費用最低的最佳方案。

1 橋梁全壽命周期成本分析理論

從本質上說，單純地只考慮橋梁建設期成本而忽視后期運營管理費用是片面的。為全面考慮橋梁全過程經濟成本，在設計階段便全面考慮橋梁建設期成本及運營期的管理、養護、維修和拆除回收等費用，綜合預測橋梁建造成本、用戶成本和社會成本。從全壽命性能設計的角度，綜合考慮橋梁設計、施工、維護和管理，可有效控制橋梁全壽命期的服務水平和長期投資。

1.1 橋梁全壽命周期成本分析方法

橋梁全壽命周期成本分析(LCCA)是指在設計階段綜合考慮未來橋梁設計、施工、運營階段全過程的總成本。考慮時間價值的經濟費用分析方法有現值法、年費用法、收益率法、效益-費用比法等，該橋采用凈現值分析法，將未來成本費用折現為凈現值NPV，用于設計方案評估。橋梁全壽命周期成本計算模型為：

pc(k,j,t)

(1)

式中：NVP為全壽命周期成本總和的凈現值；t為成本發生時間；T為分析周期；k為成本種類；j為成本種類項目；rt為該年的基準折現率；pc(k,j,t)為各項成本發生的概率。

1.2 橋梁全壽命周期成本構成

中國橋梁全壽命設計與管理理念起步較晚，對橋梁運營期的統計資料很少，各項成本計算參數值取定少有可參考的資料。為此，采用專家問卷調查法對國內橋梁設計、管理養護、檢測維修等進行調查，得出具有代表性的全壽命周期成本分析的基本參數值。橋梁全壽命周期成本構成見圖1。

1.3 橋梁結構的全壽命周期

橋梁在全壽命周期內，隨著使用時間的增長，其材料性能逐漸下降，常出現疲勞、病害及損傷，導致其性能狀態逐漸退化，且退化速率越來越快(見圖2)。因此，一般橋梁的正常使用年限很難滿足設計基準期。

圖1 橋梁全壽命周期成本構成

Cf為橋梁正常使用的最低性能狀態；T0為橋梁建成

為盡可能地延長橋梁的正常使用年限，滿足設計基準期要求，通常橋梁使用過程中會進行構件維修、替換甚至整體加固改造，提高橋梁性能狀態，其中預防性養護維修(一般維護)可在較低程度上提高橋梁的性能，重大維修(重大維護)可較大程度提高甚至恢復橋梁的整體性能(見圖3)。

Ts為橋梁全壽命終止時刻。

2 橋梁方案擬定

2.1 設計標準

公路等級：高速公路；路基全寬26 m；設計速度100 km/h。

橋面凈寬：2×凈-11.75 m。

設計荷載：公路Ⅰ級。

設計洪水頻率：1/300。

通航標準：通航等級為Ⅳ級；通航凈空為梯形，其中B=90 m，H=8 m，b=81 m，h=5 m；最高通航水位為29.18 m。

2.2 設計構思

(1) 預應力砼橋梁主要應用分類及適應范圍。預應力砼橋梁前期建設成本低，可就地取材、適應性強、整體性好，結合砼的高抗壓強度及預應力鋼筋的抗拉性能，使預應力砼橋梁的結構性能、使用壽命大幅提高。由于預應力砼材料靈活的適應性，其在梁橋、拱橋、斜拉橋及懸索橋上都有很好的應用。但由于其自重大、易開裂等缺陷，在高墩大跨度橋梁等領域的應用受到一定限制。

(2) 鋼結構橋梁主要應用分類及適應范圍。鋼結構橋梁包括鋼箱梁、鋼桁架梁及鋼砼結合梁，以鋼箱梁為代表進行分析。鋼箱梁又叫鋼板箱形梁，主要適用于有下限凈空要求的市政橋梁、有保通要求的跨線(公路、鐵路、通航河流)橋梁、大跨度斜拉橋、懸索橋及拱橋加勁梁等。其外形設計可多樣化，適合于景觀橋梁。采用預制吊裝施工，可縮短工期，減小對現有交通或通航的壓力，且因其自重小、安裝方便、抗扭剛度好，可避免砼梁開裂，抗震性能高，在大跨徑橋梁中應用較廣泛。但其前期建設成本較高，在中小跨徑橋梁中應用較少。

2.3 方案擬定

根據通航要求，該梁主跨應大于通航凈寬90 m。根據工程經驗，對于百米級的公路橋梁，無論是從結構安全、施工工藝，還是工程造價等因素考慮，應首選變截面連續梁橋。結合橋墩結構自身安全，橋梁跨徑采用60 m +100 m +60 m(見圖4)。

圖4 橋型立面示意圖(單位：m)

采用不同結構材料擬定以下兩種方案：

方案一為鋼結構變截面連續箱梁。橋梁分為左右兩幅，上部構造采用全鋼結構變截面連續箱梁、單箱單室箱形截面，墩頂梁高5.0 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板全寬2×12.75 m；下部構造采用空心薄壁墩、樁基礎(見圖5)。

圖5 鋼橋標準橫斷面示意圖(單位：cm)

方案二為預應力砼變截面連續箱梁。橋梁分為左右兩幅，上部構造采用預應力砼變截面連續箱梁、單箱單室箱形截面，墩頂梁高6.0 m，跨中梁高3.0 m，箱梁頂板全寬2×12.75 m；下部構造采用空心薄壁墩、樁基礎(見圖6)。

圖6 預應力砼橋梁標準橫斷面示意圖(單位：cm)

3 全壽命周期成本分析

3.1 計算基本參數

(1) 計算基年。計算基年即全壽命周期成本折算成現值的基準時間、貨幣時間價值折算基點。該橋以其所在高速公路項目竣工年為計算基年。

(2) 折現率。折現率是橋梁全壽命周期成本計算的重要參數，考慮時間價值折現，其取值對計算未來成本現值具有直接影響。其值不應低于資金的機會成本或最低回收率，一般采用國家公布的行業基準收益率。該橋折現率取6%。

(3) 分析期。根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》，公路橋涵結構的設計基準期為100年。該橋結構的分析期按100年計算。

3.2 橋梁建設期成本

橋梁建設期成本包括橋梁規劃、設計、施工等發生的費用。根據該橋設計總說明、施工圖預算等文件計算，其建設期成本為竣工年成本即基年成本,不進行折現(見表1)。

表1 不同橋梁方案的建設期成本

3.3 橋梁營運期成本

(1) 管養成本。橋梁的管理、養護、維修一方面跟結構材料及施工質量有關，另一方面與橋型結構、管理模式、環境條件有關。該橋屬于高速公路的一部分，其日常管理及養護依托高速公路整體日常管理養護體系，不同材料橋梁的日常管養費用區別不大。為簡化計算，不考慮橋梁的日常性管理養護費用，根據國內類似工程經驗，將兩種橋梁方案上部結構的預防性養護與維修費用進行簡化分析。鋼橋預防性養護維修費用包括鋼箱梁涂裝、橋面鋪裝、伸縮裝置、支座、防撞護欄維修或更換成本，按照每15年一次計算；預應力砼橋梁預防性養護維修費用包括砼構件病害處理、橋面鋪裝、伸縮裝置、支座、防撞護欄維修和更換成本，按照每10年一次小修、30年一次大修計算。根據《橋梁全壽命設計指南》、該橋分項工程預算表、調查及評估結果,結合國內其他橋梁維修情況,計算確定該橋維修成本現值見表2。

表2 不同橋梁方案的管養成本

(2) 用戶成本。由于橋面鋪裝等維修中均進行合理的保通方案設計，且兩種橋梁方案的保通模式和費用均相當，不影響比選結論，為簡化計算，不考慮用戶成本。

(3) 環境影響成本。橋梁環境影響成本主要包括橋梁營運、維修、養護和拆除中的噪音、土地臨時占用、水土流失、空氣污染等生態破壞而發生的成本。通過調查分析、專家商討,環境影響成本按照建設及管養成本的30%來估算。

3.4 橋梁回收期成本

橋梁回收期成本包括拆除成本和剩余價值兩部分，其中拆除成本主要包括拆除時的人、機、料成本和廢棄物處理成本，剩余價值為回收利用負成本。拆除方法不同,拆除成本及回收再利用成本可能相差較大，鑒于橋梁拆除成本與橋梁建設期成本密切相關,采用拆除成本占建設期成本的百分比來估算拆除成本。根據《橋梁全壽命設計指南》、調查及評估結果,結合國內其他橋梁的拆除經驗,計算確定該橋維修成本現值，鋼結構橋梁按建設期成本的20%、預應力砼橋梁按建設期成本的30%計算；剩余價值，預應力砼橋梁計為零，鋼結構按照同類型鋼材市場價計算。

3.5 橋梁全壽命周期成本計算

綜上，橋梁方案一全壽命周期成本為16 204.96萬元，其中：建設期成本為11 189.8萬元，占69.1%；營運期成本為4 972.84萬元，占30.7%；回收期成本為42.32萬元，占0.3%。橋梁方案二全壽命周期成本為17 654.22萬元，其中：建設期成本為7 992.7萬元，占45.3%；營運期成本為7 263.71萬元，占41.1%；回收期成本為2 397.81萬元，占13.6%(見表3)。

表3 不同橋梁方案的全壽命周期成本現值

4 結論

(1) 考慮100年設計基準期，鋼結構橋梁方案的全壽命周期成本比預應力砼橋梁方案的低，鋼結構方案更合理。

(2) 在不同橋梁方案比選中，可根據工程實際情況適當簡化全壽命周期成本構成，弱化類似的影響較小的構成項，強化有區別的影響較大的構成項，合理分析計算其全壽命周期成本。