公路橋梁工程養護決策與造價控制優化選型研究

郭 香，黃凌波

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

公路工程的養護是一項復雜的系統性工程，受到養護技術水平、工程養護成本等多方面的因素影響[1-2]。在以往的橋梁建設中，由于建設標準、建造水平以及設計規范的局限性，導致橋梁在服役過程中受到車輛的反復振動荷載以及自然風化作用的影響，不可避免地出現老化、裂縫和破碎，甚至出現結構的安全性問題，在重車超載的公路橋梁路段，這種現象更為突出，在考慮工程經濟因素，對著這些橋梁進行拆除后新建顯得尤為不經濟，也不顯示，因此需要對其進行施工監測、監測和維修加固[3]。在橋梁維護資金有限的情況下，為了充分發揮資金的優勢，客觀地將資金投入到公路橋梁工程的維修加固中，科學合理地做出養護決策，對于增加橋梁的使用年限具有十分重要的作用[4]。

1 公路橋梁工程加固方案的影響因素及常用加固方案

由于公路橋梁工程的長期服役，在車輛的荷載作用下使得橋梁在通行能力和結構安全方面都受到影響，因此需結合公路橋梁的現實條件有針對性地采取加固方案，但既符合橋梁加固技術要求又符合造價經濟性的加固方案需要一套科學嚴謹的經濟評判方法[5]。這是因為在以往的橋梁工程建設與養護中，決策者更多地關注質量和技術，對于經濟賬的重視重讀較為粗放，然而隨著橋梁加固規模的不斷擴大，工程造價控制的管理思維深入人心，因此在越來越巨額的加固費用投入到項目中時，如果不采取一套行之有效和科學合理的造價控制方案，將會導致投入的維修資金不能夠得到有效的使用，影響工程的進度和決策。以下針對目前常用的幾種橋梁工程加固方案和確定加固方案的影響因素進行分析。

1.1 公路橋梁工程加固方案的影響因素

目前關于公路橋梁工程的加固方案眾多，比如改變橋梁結構的截面提高剛度、粘貼鋼板輔助補強、粘貼碳纖維改善剛度等。但任何一種加固方案都具有其適用性及局限性，在選擇公路橋梁工程加固方案時需考慮其技術的可行性以及經濟合理性[6-7]。以下針對公路橋梁工程方案的影響因素展開分析，主要集中在以下5個方面：

(1) 加固技術方案的合理性。在針對具體的橋梁加固項目時，應根據橋梁所處的環境、病害原因等具體問題具體分析，在采用技術成熟的方案基礎上，進一步尋求更為先進的加固方法，同時也應避免由于加固不當導致橋梁結構的受損。

(2) 加固方案的可靠性。由于橋梁的養護加固與新建橋梁不同，它的受力結構已經形成，在選擇加固方案的時候應與原有結構相互協調，保證既有橋梁的功能實現，通過對其強度、剛度和穩定性的改善達到橋梁的養護效果。加固的方案能夠在安全的基礎上展開，不僅需要保證加固人員設備的安全，也應該保持既有橋梁在不中斷交通的情況下行人和車輛的安全。

(3) 橋梁加固方案實施的便捷性。在施工時，由于公路橋梁跨越的環境多樣，或者跨越城區密集環境，或者跨越河流，或者跨越山區地形復雜環境，受到場區工作空間的影響，選擇加固方案時應考慮設備的工作性能、施工的技術水平等，應能夠保障設備運移方便，材料易于購買等。

(4) 橋梁加固方案的經濟性。工程經濟是決定橋梁養護方案最為重要的因素之一，在到達到養護效果的前提下，應對工程造價和工期進行測算研究，以達到在有限的資金投入下發揮經濟效益。

(5) 加固方案應考慮橋梁的結構形式。我國的橋梁建筑技術先進，按照結構的受力形式可以分為簡支梁、連續梁、斜拉橋和懸索橋等，不同的結構形式加固方法也不同，在養護加固實施時應有所針對性地提出方案，以達到加固效果。

1.2 常用的公路橋梁工程加固方案

目前常用的加固方案主要有增大截面尺寸、鋼板補強、碳纖維補強、體外預應力加固以及綜合加固方法。其加固原理均為通過一定的加固措施對結構的剛度、抗彎性能和穩定性進行改善[8]。具體分析如下：

(1) 增大截面尺寸方案。橋梁結構的受力截面大小是決定其承載力的重要參數。通過對主梁或者次梁的受彎區進行外包混凝土現澆使得其受壓區增大，同時在新增截面上增加鋼筋，提高橋梁的承載能力和抗彎剛度，達到加固補強、減小橋梁結構的變形和改變自振頻率的目的。在橋梁結構的上部受拉區也可以采用鋼筋網砂漿對截面尺寸的加大，達到提高混凝土保護層厚度，提高混凝土的抗剪切面積，修復上部結構破損和提高混凝土的耐久性。

(2) 鋼板補強方案。鋼材量和混凝土材料具有明顯不同的力學性質，前者主要抗彎，后者主要抗壓。當橋梁結構的鋼筋出嚴重銹蝕，受力鋼筋的數量不足導致結構的承載力下降時，通過對銹蝕部位的薄弱環節進行粘貼鋼板，可以達到兩種材料共同受力的目的，同時可以有效延緩裂縫的開展以及內部鋼筋的銹蝕速度，加固具有快速經濟的效果。最常用的粘貼方法為表面涂抹環氧樹脂、結構膠，或者采用錨栓錨固，粘貼鋼板的厚度較薄，一般采用4～6 mm。

(3) 碳纖維補強。通過在橋梁結構表面粘接高性能碳纖維布達到結構增強的目的，粘貼的手段為高性能的黏結劑。碳纖維增強材料作為一種輕質量、高強度、高彈性模量、耐腐蝕、耐酸堿、耐疲勞的材料，物理性能優越，與混凝土材料相比，其具有良好的韌性，與其他加固方法相比具有快速施工，養護效果優異等特點。如圖1所示。

圖1 碳纖維加固橋梁結構

(4) 體外預應力加固方法。體外預應力的加固基本原理仍然是應用預應力鋼筋或者鋼索對混凝土結構施加預應力，使其產生一定的預拱度，以預留上部荷載產生的撓度變形空間，起到控制變形和卸載的作用。體外預應力加固方法能夠很好地保持原有結構的基本受力形態，同時又能夠快速提高承載力，施工時的工期也可以大大壓縮。但值得注意的是，利用體外預應力加固法時需要對橋梁的原有配筋進行計算，判斷其是否為適筋梁，以滿足預應力加固空間。體外預應力加固方法的實施效果如圖2所示。

圖2 體外預應力加固橋梁結構

(5) 頂升法加固。橋梁結構在施工用過程中，存在偏位、支座脫空、支座變形和支座開裂等現象，因此為了更好地提供足夠的維修加固空隙間，需要在不改變原有橋梁形態的前提下，采用頂升設備勻速協調地對橋梁主梁進行垂直提升或者平移一定的位移。頂升法最大的優點就是操作簡單、安全可靠、環境友好，可以充分利用行車間隔時間對公路橋梁工程進行加固維修，以達到節約資金的目的，因此日益受到行業內加固設計人員的重視。

(6) 綜合加固方法。由于前述中各種加固方法具有各自的優點，也存在各自的缺點，在實際公路橋梁工程養護過程中，為了達到更好的整治和加固的目的，需要對橋梁的加固方法進行優化組合，在有限的加固經費條件下實現橋梁加固方法的最優決策。具體綜合加固方法的確定可以借助層次分析法或者模糊理論等進行評定，達到加固方法的組合優化和加固效果的實現。

2 工程背景

如圖3所示，羅南特大橋(紫洞大橋)位于佛山市“一環”樂從至獅山公路主干線上，主橋結構為83+150+83 m連續剛構橋，通航孔跨徑為150 m，橋梁全長為1401.5 m。本次預算為佛山一環高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固施工圖預算。

圖3 佛山一環高速羅南特大橋(紫洞大橋)

佛山一環高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固施工圖預算總金額為1 572.069 2萬元，其中建安費為1 027.057 7萬元。主要費用及費率如下：

(1) 人工費：人工及機械工工資單價為69.12元/工日。

(2) 材料費：按外購材料及地方材料信息價、市場調查價及同類工程的相關材料預算價綜合擬定。

(3) 機械臺班費：按《公路工程機械臺班費用定額》執行。

(4) 其他費用：雨季施工增加費的費率按第Ⅱ雨量區、雨季期為6個月計，施工期間，按照平均每晝夜雙向行車次數5 000次以上計算行車干擾工程施工增加費。

(5) 間接費、規費：按費率32.01%計，主副食運輸綜合里程按9.5 km計，根據《編辦》計入職工探親路費及財務費用，不計職工取暖費和輔助生產間接費。

(6) 利潤按《編辦》計；⑦稅金按粵建造發〔2011〕004 號文規定稅率3.477%計。

工程建設其他費用中，建設單位管理費、設計文件審查費、竣(交)工驗收試驗檢測費均按《編辦》計取；工程監理費按“發改價格〔2007〕670號”計取；根據項目合同，施工監控費按40萬計列，科研試驗費按100萬計列，初步設計費按19.8萬元計列；施工圖設計費按47.8萬計列；磁通量檢測費按24.208萬元計列；通航保暢及海事局管理費按80萬元計列；招標文件及標底編制費用按10.547 5萬元計列；造價文件咨詢審查費按12.781 7萬元計列；交通管制經費按20萬元計列。基本預備費按《編辦》規定費率按3%計，未計價差預備費。

3 基于造價控制優化的公路橋梁工程養護方案決策

為了綜合分析不同加固方法各個影響指標對公路橋梁工程養護方案決策的影響，基于造價控制優化的價值理論公式進行分析，在實現橋梁功能加固效果的基礎上，降低工程費用投入，達到綜合效益的提升，如式(1)所示。

V=F/C

(1)

式中：V為價值；F為功能；C為費用。

在橋梁養護決策是一個復雜的系統工程，加固方案的功能指標F上，需要考慮多個方面的因素，建立具有遞階層次的結構評價體系，并對每個層級的指標進行權重評定，考慮養護的技術可行性、加固功能的可實現性，具體的功能指標F的評價分析可采用消除量綱的模糊數進行分析，如式(2)所示：

(2)

以橋梁撓度功能指標的計算為例，可以按照表1的分級表對加固效果進行評價。

表1 撓度功能指標的效果可靠性影響因素評價

對于費用指標C的評價，可以采取一種多層次的變權綜合評價模型對橋梁加固方案中涉及的各種因素和指標，采取指標評價和指標權重得到費用C的綜合評價值。在評價的時，指標權重一般是根據專家的經驗確定，具有恒定的數值，但是為了均衡各個因素不至于導致決策無偏差，可以對權重值進行動態的調整，即按式(3)、式(4)進行計算。

(3)

(4)

基于造價控制優化方法建立的權重綜合模型，結合工程實例，對佛山一環高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固的各項加固建安費用進行計算，計算結果見表2。

表2 羅南特大橋(紫洞大橋)主橋的加固建安費用

4 結束語

公路橋梁工程養護在受到長期的車輛荷載以及自然營力的作用，不可避免地產生各種病害，比如裂縫、老化以及破碎等。我國建設了數量龐大的公路橋梁工程，一方面，早期修筑的橋梁已經服役超過30年，面臨著主動的養護、加固維修任務，另一方面，目前在橋梁建設階段的資金投入大，而在運維階段受到養護部門維修資金的限制，往往不能對所有的橋梁都無差別地進行維修處置，因此需要建立一個科學合理的造價控制方法，對各個公路橋梁工程的服役狀態和加固方法做一個客觀的評判，以滿足公路橋梁工程養護部門做出符合經濟效益的決策。本文結合實際的工程案例，分析目前現有的公路橋梁工程加固方案以及其相關影響因素，基于造價控制優化方法建立權重綜合模型對公路橋梁工程養護決策進行分析。研究成果表明，本文提出的造價控制優化方法簡單可行、操作方便，能夠為橋梁養護維修部門提供相關的決策支持。