郭 香，黃凌波

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

公路工程的養(yǎng)護是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，受到養(yǎng)護技術(shù)水平、工程養(yǎng)護成本等多方面的因素影響[1-2]。在以往的橋梁建設(shè)中，由于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、建造水平以及設(shè)計規(guī)范的局限性，導(dǎo)致橋梁在服役過程中受到車輛的反復(fù)振動荷載以及自然風(fēng)化作用的影響，不可避免地出現(xiàn)老化、裂縫和破碎，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全性問題，在重車超載的公路橋梁路段，這種現(xiàn)象更為突出，在考慮工程經(jīng)濟因素，對著這些橋梁進行拆除后新建顯得尤為不經(jīng)濟，也不顯示，因此需要對其進行施工監(jiān)測、監(jiān)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(fā)揮資金的優(yōu)勢，客觀地將資金投入到公路橋梁工程的維修加固中，科學(xué)合理地做出養(yǎng)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(jié)構(gòu)安全方面都受到影響，因此需結(jié)合公路橋梁的現(xiàn)實條件有針對性地采取加固方案，但既符合橋梁加固技術(shù)要求又符合造價經(jīng)濟性的加固方案需要一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕?jīng)濟評判方法[5]。這是因為在以往的橋梁工程建設(shè)與養(yǎng)護中，決策者更多地關(guān)注質(zhì)量和技術(shù)，對于經(jīng)濟賬的重視重讀較為粗放，然而隨著橋梁加固規(guī)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(xué)合理的造價控制方案，將會導(dǎo)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(guān)于公路橋梁工程的加固方案眾多，比如改變橋梁結(jié)構(gòu)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(shù)的可行性以及經(jīng)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(shù)方案的合理性。在針對具體的橋梁加固項目時，應(yīng)根據(jù)橋梁所處的環(huán)境、病害原因等具體問題具體分析，在采用技術(shù)成熟的方案基礎(chǔ)上，進一步尋求更為先進的加固方法，同時也應(yīng)避免由于加固不當(dāng)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的受損。

(2) 加固方案的可靠性。由于橋梁的養(yǎng)護加固與新建橋梁不同，它的受力結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，在選擇加固方案的時候應(yīng)與原有結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，保證既有橋梁的功能實現(xiàn)，通過對其強度、剛度和穩(wěn)定性的改善達到橋梁的養(yǎng)護效果。加固的方案能夠在安全的基礎(chǔ)上展開，不僅需要保證加固人員設(shè)備的安全，也應(yīng)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(huán)境多樣，或者跨越城區(qū)密集環(huán)境，或者跨越河流，或者跨越山區(qū)地形復(fù)雜環(huán)境，受到場區(qū)工作空間的影響，選擇加固方案時應(yīng)考慮設(shè)備的工作性能、施工的技術(shù)水平等，應(yīng)能夠保障設(shè)備運移方便，材料易于購買等。

(4) 橋梁加固方案的經(jīng)濟性。工程經(jīng)濟是決定橋梁養(yǎng)護方案最為重要的因素之一，在到達到養(yǎng)護效果的前提下，應(yīng)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(fā)揮經(jīng)濟效益。

(5) 加固方案應(yīng)考慮橋梁的結(jié)構(gòu)形式。我國的橋梁建筑技術(shù)先進，按照結(jié)構(gòu)的受力形式可以分為簡支梁、連續(xù)梁、斜拉橋和懸索橋等，不同的結(jié)構(gòu)形式加固方法也不同，在養(yǎng)護加固實施時應(yīng)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)的剛度、抗彎性能和穩(wěn)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(jié)構(gòu)的受力截面大小是決定其承載力的重要參數(shù)。通過對主梁或者次梁的受彎區(qū)進行外包混凝土現(xiàn)澆使得其受壓區(qū)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(jié)構(gòu)的變形和改變自振頻率的目的。在橋梁結(jié)構(gòu)的上部受拉區(qū)也可以采用鋼筋網(wǎng)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(fù)上部結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)，前者主要抗彎，后者主要抗壓。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的鋼筋出嚴(yán)重銹蝕，受力鋼筋的數(shù)量不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力下降時，通過對銹蝕部位的薄弱環(huán)節(jié)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(nèi)部鋼筋的銹蝕速度，加固具有快速經(jīng)濟的效果。最常用的粘貼方法為表面涂抹環(huán)氧樹脂、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面粘接高性能碳纖維布達到結(jié)構(gòu)增強的目的，粘貼的手段為高性能的黏結(jié)劑。碳纖維增強材料作為一種輕質(zhì)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(yōu)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(yǎng)護效果優(yōu)異等特點。如圖1所示。

圖1 碳纖維加固橋梁結(jié)構(gòu)

(4) 體外預(yù)應(yīng)力加固方法。體外預(yù)應(yīng)力的加固基本原理仍然是應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼筋或者鋼索對混凝土結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，使其產(chǎn)生一定的預(yù)拱度，以預(yù)留上部荷載產(chǎn)生的撓度變形空間，起到控制變形和卸載的作用。體外預(yù)應(yīng)力加固方法能夠很好地保持原有結(jié)構(gòu)的基本受力形態(tài)，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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力加固空間。體外預(yù)應(yīng)力加固方法的實施效果如圖2所示。

圖2 體外預(yù)應(yīng)力加固橋梁結(jié)構(gòu)

(5) 頂升法加固。橋梁結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(tài)的前提下，采用頂升設(shè)備勻速協(xié)調(diào)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(yōu)點就是操作簡單、安全可靠、環(huán)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(jié)約資金的目的，因此日益受到行業(yè)內(nèi)加固設(shè)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(yōu)點，也存在各自的缺點，在實際公路橋梁工程養(yǎng)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(yōu)化組合，在有限的加固經(jīng)費條件下實現(xiàn)橋梁加固方法的最優(yōu)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(yōu)化和加固效果的實現(xiàn)。

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(huán)”樂從至獅山公路主干線上，主橋結(jié)構(gòu)為83+150+83 m連續(xù)剛構(gòu)橋，通航孔跨徑為150 m，橋梁全長為1401.5 m。本次預(yù)算為佛山一環(huán)高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固施工圖預(yù)算。

圖3 佛山一環(huán)高速羅南特大橋(紫洞大橋)

佛山一環(huán)高速羅南特大橋(紫洞大橋)主橋加固施工圖預(yù)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(diào)查價及同類工程的相關(guān)材料預(yù)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(zhí)行。

(4) 其他費用：雨季施工增加費的費率按第Ⅱ雨量區(qū)、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(shù)5 000次以上計算行車干擾工程施工增加費。

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

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

工程建設(shè)其他費用中，建設(shè)單位管理費、設(shè)計文件審查費、竣(交)工驗收試驗檢測費均按《編辦》計??；工程監(jiān)理費按“發(fā)改價格〔2007〕670號”計取；根據(jù)項目合同，施工監(jiān)控費按40萬計列，科研試驗費按100萬計列，初步設(shè)計費按19.8萬元計列；施工圖設(shè)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(biāo)文件及標(biāo)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(jīng)費按20萬元計列?；绢A(yù)備費按《編辦》規(guī)定費率按3%計，未計價差預(yù)備費。

3 基于造價控制優(yōu)化的公路橋梁工程養(yǎng)護方案決策

為了綜合分析不同加固方法各個影響指標(biāo)對公路橋梁工程養(yǎng)護方案決策的影響，基于造價控制優(yōu)化的價值理論公式進行分析，在實現(xiàn)橋梁功能加固效果的基礎(chǔ)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(yǎng)護決策是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，加固方案的功能指標(biāo)F上，需要考慮多個方面的因素，建立具有遞階層次的結(jié)構(gòu)評價體系，并對每個層級的指標(biāo)進行權(quán)重評定，考慮養(yǎng)護的技術(shù)可行性、加固功能的可實現(xiàn)性，具體的功能指標(biāo)F的評價分析可采用消除量綱的模糊數(shù)進行分析，如式(2)所示：

(2)

以橋梁撓度功能指標(biāo)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(biāo)的效果可靠性影響因素評價

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

(3)

(4)

基于造價控制優(yōu)化方法建立的權(quán)重綜合模型，結(jié)合工程實例，對佛山一環(huán)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(jié)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(jié)束語

公路橋梁工程養(yǎng)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(chǎn)生各種病害，比如裂縫、老化以及破碎等。我國建設(shè)了數(shù)量龐大的公路橋梁工程，一方面，早期修筑的橋梁已經(jīng)服役超過30年，面臨著主動的養(yǎng)護、加固維修任務(wù)，另一方面，目前在橋梁建設(shè)階段的資金投入大，而在運維階段受到養(yǎng)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(xué)合理的造價控制方法，對各個公路橋梁工程的服役狀態(tài)和加固方法做一個客觀的評判，以滿足公路橋梁工程養(yǎng)護部門做出符合經(jīng)濟效益的決策。本文結(jié)合實際的工程案例，分析目前現(xiàn)有的公路橋梁工程加固方案以及其相關(guān)影響因素，基于造價控制優(yōu)化方法建立權(quán)重綜合模型對公路橋梁工程養(yǎng)護決策進行分析。研究成果表明，本文提出的造價控制優(yōu)化方法簡單可行、操作方便，能夠為橋梁養(yǎng)護維修部門提供相關(guān)的決策支持。