胡鐵山, 王勇, 夏俊波
(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司, 湖北 武漢 430051)
預(yù)應(yīng)力砼和鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)當(dāng)代橋梁兩大主要建造材料,預(yù)應(yīng)力砼能就地取材、施工方便、建設(shè)成本相對較低,被廣泛應(yīng)用于中國公路橋梁建設(shè)中;鋼結(jié)構(gòu)的自重輕、各向性能均勻、易于工廠化制造和吊裝施工、質(zhì)量好控制且方便加固改造和回收利用,在國外橋梁中應(yīng)用較多,美、日、法等國家的鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比分別為35%、41%和85%。由于鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料的橋梁方案,通常從技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性兩方面進(jìn)行比選論證,其中技術(shù)先進(jìn)性側(cè)重于施工工藝、結(jié)構(gòu)安全及材料性能,經(jīng)濟(jì)合理性主要從工程費用的角度進(jìn)行比較。傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計理念偏重橋梁建設(shè)期成本的經(jīng)濟(jì)性,而忽視了橋梁結(jié)構(gòu)在運營過程中的成本支出。全壽命周期成本分析從設(shè)計階段就開始考慮橋梁的設(shè)計、施工、運營管理到壽命終結(jié)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(yù)應(yīng)力砼、鋼結(jié)構(gòu)兩種材料的橋梁方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選,通過預(yù)測設(shè)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(jīng)濟(jì)費用最低的最佳方案。
從本質(zhì)上說,單純地只考慮橋梁建設(shè)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(jīng)濟(jì)成本,在設(shè)計階段便全面考慮橋梁建設(shè)期成本及運營期的管理、養(yǎng)護(hù)、維修和拆除回收等費用,綜合預(yù)測橋梁建造成本、用戶成本和社會成本。從全壽命性能設(shè)計的角度,綜合考慮橋梁設(shè)計、施工、維護(hù)和管理,可有效控制橋梁全壽命期的服務(wù)水平和長期投資。
橋梁全壽命周期成本分析(LCCA)是指在設(shè)計階段綜合考慮未來橋梁設(shè)計、施工、運營階段全過程的總成本??紤]時間價值的經(jīng)濟(jì)費用分析方法有現(xiàn)值法、年費用法、收益率法、效益-費用比法等,該橋采用凈現(xiàn)值分析法,將未來成本費用折現(xiàn)為凈現(xiàn)值NPV,用于設(shè)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(xiàn)值;t為成本發(fā)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(zhǔn)折現(xiàn)率;pc(k,j,t)為各項成本發(fā)生的概率。
中國橋梁全壽命設(shè)計與管理理念起步較晚,對橋梁運營期的統(tǒng)計資料很少,各項成本計算參數(shù)值取定少有可參考的資料。為此,采用專家問卷調(diào)查法對國內(nèi)橋梁設(shè)計、管理養(yǎng)護(hù)、檢測維修等進(jìn)行調(diào)查,得出具有代表性的全壽命周期成本分析的基本參數(shù)值。橋梁全壽命周期成本構(gòu)成見圖1。
橋梁在全壽命周期內(nèi),隨著使用時間的增長,其材料性能逐漸下降,常出現(xiàn)疲勞、病害及損傷,導(dǎo)致其性能狀態(tài)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(shè)計基準(zhǔn)期。
圖1 橋梁全壽命周期成本構(gòu)成
Cf為橋梁正常使用的最低性能狀態(tài);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(shè)計基準(zhǔn)期要求,通常橋梁使用過程中會進(jìn)行構(gòu)件維修、替換甚至整體加固改造,提高橋梁性能狀態(tài),其中預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修(一般維護(hù))可在較低程度上提高橋梁的性能,重大維修(重大維護(hù))可較大程度提高甚至恢復(fù)橋梁的整體性能(見圖3)。
Ts為橋梁全壽命終止時刻。
公路等級:高速公路;路基全寬26 m;設(shè)計速度100 km/h。
橋面凈寬:2×凈-11.75 m。
設(shè)計荷載:公路Ⅰ級。
設(shè)計洪水頻率:1/300。
通航標(biāo)準(zhǔn):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。
(1) 預(yù)應(yīng)力砼橋梁主要應(yīng)用分類及適應(yīng)范圍。預(yù)應(yīng)力砼橋梁前期建設(shè)成本低,可就地取材、適應(yīng)性強(qiáng)、整體性好,結(jié)合砼的高抗壓強(qiáng)度及預(yù)應(yīng)力鋼筋的抗拉性能,使預(yù)應(yīng)力砼橋梁的結(jié)構(gòu)性能、使用壽命大幅提高。由于預(yù)應(yīng)力砼材料靈活的適應(yīng)性,其在梁橋、拱橋、斜拉橋及懸索橋上都有很好的應(yīng)用。但由于其自重大、易開裂等缺陷,在高墩大跨度橋梁等領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。
(2) 鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要應(yīng)用分類及適應(yīng)范圍。鋼結(jié)構(gòu)橋梁包括鋼箱梁、鋼桁架梁及鋼砼結(jié)合梁,以鋼箱梁為代表進(jìn)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(shè)計可多樣化,適合于景觀橋梁。采用預(yù)制吊裝施工,可縮短工期,減小對現(xiàn)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(yīng)用較廣泛。但其前期建設(shè)成本較高,在中小跨徑橋梁中應(yīng)用較少。
根據(jù)通航要求,該梁主跨應(yīng)大于通航凈寬90 m。根據(jù)工程經(jīng)驗,對于百米級的公路橋梁,無論是從結(jié)構(gòu)安全、施工工藝,還是工程造價等因素考慮,應(yīng)首選變截面連續(xù)梁橋。結(jié)合橋墩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料擬定以下兩種方案:
方案一為鋼結(jié)構(gòu)變截面連續(xù)箱梁。橋梁分為左右兩幅,上部構(gòu)造采用全鋼結(jié)構(gòu)變截面連續(xù)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(gòu)造采用空心薄壁墩、樁基礎(chǔ)(見圖5)。
圖5 鋼橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位:cm)
方案二為預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)箱梁。橋梁分為左右兩幅,上部構(gòu)造采用預(yù)應(yīng)力砼變截面連續(xù)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(gòu)造采用空心薄壁墩、樁基礎(chǔ)(見圖6)。
圖6 預(yù)應(yīng)力砼橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖(單位:cm)
(1) 計算基年。計算基年即全壽命周期成本折算成現(xiàn)值的基準(zhǔn)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(xiàn)率。折現(xiàn)率是橋梁全壽命周期成本計算的重要參數(shù),考慮時間價值折現(xiàn),其取值對計算未來成本現(xiàn)值具有直接影響。其值不應(yīng)低于資金的機(jī)會成本或最低回收率,一般采用國家公布的行業(yè)基準(zhǔn)收益率。該橋折現(xiàn)率取6%。
(3) 分析期。根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》,公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期為100年。該橋結(jié)構(gòu)的分析期按100年計算。
橋梁建設(shè)期成本包括橋梁規(guī)劃、設(shè)計、施工等發(fā)生的費用。根據(jù)該橋設(shè)計總說明、施工圖預(yù)算等文件計算,其建設(shè)期成本為竣工年成本即基年成本,不進(jìn)行折現(xiàn)(見表1)。
表1 不同橋梁方案的建設(shè)期成本
(1) 管養(yǎng)成本。橋梁的管理、養(yǎng)護(hù)、維修一方面跟結(jié)構(gòu)材料及施工質(zhì)量有關(guān),另一方面與橋型結(jié)構(gòu)、管理模式、環(huán)境條件有關(guān)。該橋?qū)儆诟咚俟返囊徊糠?,其日常管理及養(yǎng)護(hù)依托高速公路整體日常管理養(yǎng)護(hù)體系,不同材料橋梁的日常管養(yǎng)費用區(qū)別不大。為簡化計算,不考慮橋梁的日常性管理養(yǎng)護(hù)費用,根據(jù)國內(nèi)類似工程經(jīng)驗,將兩種橋梁方案上部結(jié)構(gòu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)與維修費用進(jìn)行簡化分析。鋼橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修費用包括鋼箱梁涂裝、橋面鋪裝、伸縮裝置、支座、防撞護(hù)欄維修或更換成本,按照每15年一次計算;預(yù)應(yīng)力砼橋梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)維修費用包括砼構(gòu)件病害處理、橋面鋪裝、伸縮裝置、支座、防撞護(hù)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(jù)《橋梁全壽命設(shè)計指南》、該橋分項工程預(yù)算表、調(diào)查及評估結(jié)果,結(jié)合國內(nèi)其他橋梁維修情況,計算確定該橋維修成本現(xiàn)值見表2。
表2 不同橋梁方案的管養(yǎng)成本
(2) 用戶成本。由于橋面鋪裝等維修中均進(jìn)行合理的保通方案設(shè)計,且兩種橋梁方案的保通模式和費用均相當(dāng),不影響比選結(jié)論,為簡化計算,不考慮用戶成本。
(3) 環(huán)境影響成本。橋梁環(huán)境影響成本主要包括橋梁營運、維修、養(yǎng)護(hù)和拆除中的噪音、土地臨時占用、水土流失、空氣污染等生態(tài)破壞而發(fā)生的成本。通過調(diào)查分析、專家商討,環(huán)境影響成本按照建設(shè)及管養(yǎng)成本的30%來估算。
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(jī)、料成本和廢棄物處理成本,剩余價值為回收利用負(fù)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(shè)期成本密切相關(guān),采用拆除成本占建設(shè)期成本的百分比來估算拆除成本。根據(jù)《橋梁全壽命設(shè)計指南》、調(diào)查及評估結(jié)果,結(jié)合國內(nèi)其他橋梁的拆除經(jīng)驗,計算確定該橋維修成本現(xiàn)值,鋼結(jié)構(gòu)橋梁按建設(shè)期成本的20%、預(yù)應(yīng)力砼橋梁按建設(shè)期成本的30%計算;剩余價值,預(yù)應(yīng)力砼橋梁計為零,鋼結(jié)構(gòu)按照同類型鋼材市場價計算。
綜上,橋梁方案一全壽命周期成本為16 204.96萬元,其中:建設(shè)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(shè)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(xiàn)值
(1) 考慮100年設(shè)計基準(zhǔn)期,鋼結(jié)構(gòu)橋梁方案的全壽命周期成本比預(yù)應(yīng)力砼橋梁方案的低,鋼結(jié)構(gòu)方案更合理。
(2) 在不同橋梁方案比選中,可根據(jù)工程實際情況適當(dāng)簡化全壽命周期成本構(gòu)成,弱化類似的影響較小的構(gòu)成項,強(qiáng)化有區(qū)別的影響較大的構(gòu)成項,合理分析計算其全壽命周期成本。