徐新帥

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507）

0 引言

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目中，特別是橋梁建設(shè)，面臨著材料選擇和設(shè)計(jì)方案的挑戰(zhàn)。在此背景下，以一座基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中的橋梁為例，探討了耐腐蝕加固方案對(duì)工程造價(jià)的影響。在當(dāng)前橋梁建設(shè)中，使用耐腐蝕替代材料成為趨勢(shì)，然而這些材料的長(zhǎng)期性能和經(jīng)濟(jì)效益尚未充分研究。因此，該文旨在填補(bǔ)這一研究空白，為基礎(chǔ)設(shè)施決策者提供重要的參考信息。

1 工程概況

在研究某特定的橋梁建設(shè)項(xiàng)目中，其采用了FRP 材料作為結(jié)構(gòu)鋼筋的RC 和預(yù)應(yīng)力混凝土（PC）。該項(xiàng)目為現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)更換項(xiàng)目的一部分，原結(jié)構(gòu)由于功能缺陷和老化已經(jīng)超過(guò)了設(shè)計(jì)壽命，因此需要進(jìn)行更換。這座橋梁由五個(gè)跨度組成，總長(zhǎng)度達(dá)到56.7 m，寬度為17.6 m。鑒于其地理位置，水道經(jīng)常受到海水污染的影響，尤其是在暴風(fēng)雨季節(jié)。

已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)包括以下方面：36 根CFRP-PC 承載樁、235 根CFRP-PC/GFRP-RC 板樁、6 個(gè)GFRP-RC蓋梁和艙壁蓋梁、998 m2的GFRP-RC 橋面、長(zhǎng)150 m的GFRP-RC 交通欄桿、兩塊161 m2的GFRP-RC 引橋板以及長(zhǎng)20 m 的GFRP-RC 重力墻。最初的設(shè)計(jì)采用了Hillman 組合梁（HCB），該梁由一個(gè)由復(fù)合GFRP 殼體包裹的鋼筋混凝土淺系桿拱和輕質(zhì)填充泡沫構(gòu)成。而則考慮了一種替代的GFRP-RC 方案，旨在提供等效的強(qiáng)度和性能。除了創(chuàng)新的鋼筋解決方案外，F(xiàn)RP-RC/PC設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于在下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件中采用了可持續(xù)的混凝土混合物。艙壁蓋梁使用含有海水的混凝土，而GFRP-RC 重力墻則采用了摻有再生混凝土骨料（RCA）和再生瀝青路面骨料（RAP）的混凝土。此外，白水泥混凝土和含有高比例礦渣和粉煤灰的混合物被用于GFRP-RC 欄桿的制作[1]。然而，這項(xiàng)工程中耐腐蝕替代材料并沒(méi)有得到充分研究。因此，主要目標(biāo)在于探討采用不同的設(shè)計(jì)方案在經(jīng)濟(jì)上的可行性。

2 設(shè)計(jì)和材料

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用的四種加固材料進(jìn)行了綜合比較，涵蓋了碳鋼、環(huán)氧涂層鋼（ECS）、不銹鋼（SS）和纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）。在這些材料中，后三種材料的特性進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)關(guān)注它們的耐腐蝕性能。

碳鋼棒材被分為40、60 和80 級(jí)，這些規(guī)格是基于A(yíng)STM A615/A615M 標(biāo)準(zhǔn)制定的。其中，鋼筋60 級(jí)具有最廣泛的應(yīng)用，其屈服強(qiáng)度為414 MPa，極限強(qiáng)度為621 MPa，彈性模量約為200 GPa。在中，將60 級(jí)碳鋼作為基準(zhǔn)。低松弛高強(qiáng)度碳鋼棒材分為250 級(jí)和270 級(jí)，這些規(guī)格是基于A(yíng)STM A416/A416M 制定的。在中，選擇了270 級(jí)作為基準(zhǔn)，其屈服強(qiáng)度為1676 MPa，極限強(qiáng)度為1 860 MPa，彈性模量約為195 GPa[2]。

對(duì)于ECS 鋼筋和絞線(xiàn)，需要符合ASTM A775/A775M的全部要求，并且具有與普通碳鋼鋼筋類(lèi)似的機(jī)械性能。ASTM A775/A775M 對(duì)ECS 定義為通過(guò)靜電噴涂法施加環(huán)氧保護(hù)涂層的鋼筋，以提供額外的耐腐蝕性。涂層厚度應(yīng)在175~300 μm 之間，適用于尺寸為10~16 mm 和175~400 mm 的鋼筋，適用于19~57 號(hào)棒材。ECS 絞線(xiàn)應(yīng)符合ASTM A882/A882M 的要求。

在不銹鋼方面，奧氏體不銹鋼SS-316 和雙相2205被選擇作為SS-RC 和SS-PC 的代表，其規(guī)格由ASTM A276/A276M 提供。這些選擇基于不銹鋼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中性能的廣泛研究。SS-316 通常被認(rèn)為是最適合船舶等應(yīng)用的奧氏體不銹鋼級(jí)別，而近年來(lái)雙相2205 則在預(yù)應(yīng)力絞線(xiàn)領(lǐng)域中成為新型替代品。海水混凝土中使用的奧氏體SS-304 鋼筋的使用壽命估計(jì)顯示，以10%失效概率為基礎(chǔ)，可保證使用壽命超過(guò)140 年。盡管SS-316和2205 級(jí)別的合金含量較低（鎳和鉬），仍保守地認(rèn)為它們能夠確保100 年的使用壽命。

在新建筑中，F(xiàn)RP 被證明是一種無(wú)腐蝕性的可行替代品。商業(yè)解決方案包括用于鋼筋混凝土的玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）鋼筋和用于預(yù)應(yīng)力混凝土的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）絞線(xiàn)。無(wú)論混凝土配方如何，部署FRP 鋼筋混凝土（FRP-RC）和FRP 預(yù)應(yīng)力混凝土（FRP-PC）都能夠消除鋼筋腐蝕問(wèn)題。盡管FRP 是一種脆性復(fù)合材料，在失效之前會(huì)表現(xiàn)出彈性特性。

3 生命周期模型

3.1 LCC 的改進(jìn)方法

傳統(tǒng)的壽命周期成本（LCC）框架通常被構(gòu)建為確定性分析，其中設(shè)計(jì)者為每個(gè)輸入?yún)?shù)（如維護(hù)活動(dòng)的成本和頻率）分配固定值。在概率分析中，輸入?yún)?shù)則被視為隨機(jī)變量，基于假設(shè)、平均值（μ）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）和分布函數(shù)（F(x)）來(lái)描述。通常，這些分析中涉及的變量的概率分布函數(shù)通過(guò)蒙特卡洛模擬方法進(jìn)行處理，其中隨機(jī)抽樣模型可表示為：

式中，Xi——隨機(jī)變量；Fi(x)——第i個(gè)輸入?yún)?shù)的概率分布函數(shù)。

這種隨機(jī)抽樣模型通常需要進(jìn)行數(shù)千次迭代，以生成維護(hù)成本的概率分布。通過(guò)對(duì)多次抽樣結(jié)果的分析，可以獲得維護(hù)成本的概率分布，從而更好地理解不確定性對(duì)成本估算的影響。

通過(guò)比較確定性和概率性方法，可以更好地量化不確定變量對(duì)敏感參數(shù)分布的影響。此外，對(duì)于一般的耐久性增強(qiáng)材料，近期已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了生命周期優(yōu)化框架，旨在最大程度提升整個(gè)生命周期的性能，并將維護(hù)成本降至最低。

盡管LCC 分析中所使用的模型可能被視為實(shí)踐狀態(tài)，而非最先進(jìn)的創(chuàng)新，然而該文的目的在于提供一個(gè)傳統(tǒng)的確定性框架，作為比較四種不同橋梁設(shè)計(jì)方案在成本和環(huán)境影響方面的工具。通過(guò)靈敏度分析，這一確定性框架考慮了不確定性參數(shù)的影響。

3.2 使用壽命和模型邊界

生命周期分析的主要標(biāo)準(zhǔn)是EN 15804 和ASTM E917/E2453。該文提出的模型采用了與上述標(biāo)準(zhǔn)相同的命名法和程序。使用壽命的概念與設(shè)計(jì)壽命的概念存在區(qū)別。已有多項(xiàng)研究確定，以碳鋼（CS）為加固材料的橋梁項(xiàng)目的使用壽命為75 年。然而，隨著創(chuàng)新的耐久性材料的采用，該領(lǐng)域的目標(biāo)是延長(zhǎng)使用壽命。

在第二個(gè)生命周期階段，即使用壽命的后25 年，為了將碳鋼加固方案（CS-RC/PC）與環(huán)氧涂層鋼加固方案（ECS-RC/PC）的壽命延長(zhǎng)至100 年，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)四種設(shè)計(jì)方案的一致比較，第二階段的年限也被納入分析中。此外，假設(shè)橋梁使用與原橋梁相同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、使用壽命預(yù)期和施工方法，重建活動(dòng)（以及相關(guān)的成本和環(huán)境影響）將占初始施工成本的三分之一。

4 LCC 分析

4.1 材料費(fèi)

產(chǎn)品階段指的是鋼筋的制造過(guò)程。不同設(shè)計(jì)備選方案的產(chǎn)品階段成本數(shù)據(jù)來(lái)源于政府機(jī)構(gòu)、私營(yíng)企業(yè)以及軟件提供的報(bào)告。

4.1.1 碳鋼替代品

CS 鋼筋和絞線(xiàn)通常是按照單位重量進(jìn)行定價(jià)。CS鋼筋的單位成本為8.45 元/kg 而CS 絞線(xiàn)的單位成本被視為21.12 元/kg。對(duì)于CS-RC/PC 替代方案的混凝土混合料成本，是通過(guò)在傳統(tǒng)混凝土配合比中添加硅灰（HRP）以滿(mǎn)足預(yù)期使用壽命所需的成本來(lái)進(jìn)行估算。將硅灰添加到混凝土混合物中會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的成本增加125.89 元/m3，而現(xiàn)澆構(gòu)件的成本則會(huì)增加334.93 元/m3[3]。

4.1.2 環(huán)氧涂層鋼替代品

與CS 鋼筋和絞線(xiàn)類(lèi)似，ECS 鋼筋按照單位重量進(jìn)行定價(jià)。ECS 鋼筋和絞線(xiàn)的單位成本被假設(shè)比CS 鋼筋和絞線(xiàn)高出33%。這種價(jià)格差異來(lái)源于軟件Life-365的數(shù)據(jù)。Life-365 中列出的ECS 棒的成本是8.58 元/kg，而CS 棒的成本為6.44 元/kg。顯示的單位成本與當(dāng)前可用的估計(jì)值以及FDOT 公開(kāi)的歷史投標(biāo)價(jià)格報(bào)告一致。與CS-RC/PC 替代方案類(lèi)似，ECS-RC/PC 解決方案在混凝土配合比的設(shè)計(jì)中，考慮了加入硅灰的情況。

4.1.3 不銹鋼替代品

奧氏體不銹鋼（SS）合金316 被選作主要鋼筋，而雙相2205 被選擇為SS 設(shè)計(jì)備選方案中的預(yù)應(yīng)力絞線(xiàn)，以提高在腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕性和使用壽命，至少可達(dá)100 年。SS-316 鋼筋的單位成本為56.29 元/公斤。因此，CS 鋼筋和SS 鋼筋之間的成本比約為6.68。相反，SS 絞線(xiàn)的成本是基于CS 絞線(xiàn)的單位成本，然后乘以CS 鋼筋和SS 鋼筋之間的成本比。在具有腐蝕性環(huán)境的情況下，使用SS 作為主要鋼筋，并將構(gòu)成橋梁下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土保護(hù)層從76.2 mm 減少至50.8 mm[4]。

4.1.4 FRP 替代方案

GFRP 鋼筋和CFRP 絞線(xiàn)按單位長(zhǎng)度進(jìn)行定價(jià)。FRP鋼筋的單位成本采用HRB 項(xiàng)目的單位成本作為基準(zhǔn)。與SS-RC/PC 替代方案和施工計(jì)劃類(lèi)似，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案在下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件中減少了混凝土保護(hù)層的厚度，并采用傳統(tǒng)混凝土配合比設(shè)計(jì)。

4.2 施工階段

施工階段產(chǎn)生的成本包括從制造廠(chǎng)到現(xiàn)場(chǎng)的材料運(yùn)輸活動(dòng)，以及材料安裝所需的勞動(dòng)力和設(shè)備，比如混凝土模板、混凝土澆筑工具和鋼筋籠的安裝。所有與施工活動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)均源自橋梁項(xiàng)目施工階段所獲得的信息。

與安裝額外鋼筋相關(guān)的成本大致相當(dāng)于采用FRPRC/PC 元件更快、更經(jīng)濟(jì)的安裝方法所節(jié)省下來(lái)的成本。FRP-RC/PC 解決方案的設(shè)計(jì)考慮了更多的鋼筋，這是因?yàn)镕RP 的某些特性以及當(dāng)前的設(shè)計(jì)限制，例如其較低的彈性模量可能對(duì)撓度和裂縫寬度產(chǎn)生負(fù)面影響，此外，其有限的抗蠕變斷裂性能也可能影響結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能[5]。

5 結(jié)果

5.1 LCC

圖1 呈現(xiàn)了4 種耐腐蝕加固材料設(shè)計(jì)方案的累積LCC 分析結(jié)果。從圖中可以看出，ECSRC/PC 方案的凈現(xiàn)值（NPV）僅比CS-RC/PC備選方案略低0.75%，這意味著前者的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益有限。同樣的，SS-RC/PC 解決方案的NPV 相比CS-RC/PC 備選方案下降了10.37%，而與ECS-RC/PC 方案相比降低了9.60%。就成本效益而言，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案表現(xiàn)最佳，其N(xiāo)PV 比CS-RC/PC 備選方案低約20%。此外，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案的NPV 分別比ECS-RC/PC 和SS-RC/PC 方案低了19.30%和14.92%。盡管CS-RC/PC 和ECS-RC/PC 的初始成本較低，但在整個(gè)分析期內(nèi)，兩種最具效益的耐腐蝕設(shè)計(jì)（即FRP-RC/PC 和SS-RC/PC 替代方案）展示出長(zhǎng)遠(yuǎn)的成本節(jié)約效應(yīng)，這是因?yàn)樗鼈冄娱L(zhǎng)了使用壽命并降低了維護(hù)成本。

圖1 LCC 結(jié)果考慮了貼現(xiàn)率為1%的基線(xiàn)情景

FRP-RC/PC 方案已被驗(yàn)證為最佳解決方案。與SSRC/PC 方案相比，它具有更低的初始投資，并且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，其凈現(xiàn)值（NPV）更低。然而，隨著市場(chǎng)對(duì)于SS鋼筋的擴(kuò)大，材料變得更具經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。這可能使得SS-RC/PC 方案成為一種優(yōu)選的備選方案，允許傳統(tǒng)RC 構(gòu)件的設(shè)計(jì)，并綜合了CS-RC/PC 構(gòu)件的所有積極和獨(dú)特特點(diǎn)（從機(jī)械性能到內(nèi)在可回收性）。

建筑成本可分為兩類(lèi)：與鋼筋選擇相關(guān)的施工成本以及與所選鋼筋材料無(wú)關(guān)的施工成本。盡管CS-RC/PC和ECS-RC/PC 設(shè)計(jì)方案在材料相關(guān)的施工成本方面較為經(jīng)濟(jì)，但這四種方案在與材料無(wú)關(guān)的施工成本方面是相同的。后者包括與鋼筋材料選擇無(wú)關(guān)的所有成本，例如運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、設(shè)備和材料的引入、交通設(shè)備的維護(hù)、臨時(shí)障礙物、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制、調(diào)查活動(dòng)、橋梁臨時(shí)工程等，這些都是完成大橋所必需的。

5.2 LCA

在五個(gè)評(píng)估類(lèi)別中，F(xiàn)RP-RC/PC 替代方案在四個(gè)類(lèi)別中優(yōu)于CS-RC/PC 和ECS-RC/PC 解決方案。FRP-RC/PC 方案唯一在環(huán)境方面稍顯不足的是臭氧消耗。然而，從數(shù)量級(jí)來(lái)看，這種影響非常?。ㄒ孕?shù)為單位的絕對(duì)值），這與所用碳纖維過(guò)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)輸入密切相關(guān)。

類(lèi)似地，SS-RC/PC 替代方案在五個(gè)類(lèi)別中的三個(gè)類(lèi)別中表現(xiàn)出色，成為FRP-RC/PC 解決方案的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。然而，考慮到生產(chǎn)不銹鋼鋼筋和絞線(xiàn)所需的大量熱能，這種設(shè)計(jì)方案對(duì)碳排放產(chǎn)生顯著影響。其凈影響達(dá)到35 508 kg CO2當(dāng)量，使得相比于SS-RC/PC 替代方案，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案更具吸引力。

最后，ECS-RC/PC 方案在環(huán)境友好性方面表現(xiàn)最不佳，在各類(lèi)別中均未達(dá)到理想水平。這是因?yàn)樗璧沫h(huán)氧涂層用于保護(hù)鋼筋和絞線(xiàn)，其貢獻(xiàn)較大。估計(jì)需要用于保護(hù)所有橋梁鋼筋的涂層相當(dāng)于約2 910 L。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)不同耐腐蝕加固材料設(shè)計(jì)方案的綜合比較，得出以下結(jié)論：在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能方面，F(xiàn)RP-RC/PC 解決方案表現(xiàn)最為出色。它不僅具有較低的生命周期成本，還對(duì)環(huán)境影響較小。盡管不銹鋼解決方案在耐腐蝕性方面表現(xiàn)出色，但在碳排放方面產(chǎn)生了顯著影響。與之相比，環(huán)氧涂層鋼解決方案在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的表現(xiàn)相對(duì)較差，主要?dú)w因于涂層制造和施工的高成本。這些研究結(jié)果對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的規(guī)劃者和設(shè)計(jì)者在選擇合適的加固材料和方案時(shí)具有重要的指導(dǎo)意義。它們有助于推動(dòng)更加可持續(xù)和環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，這些結(jié)論也為將生命周期成本分析和生命周期評(píng)價(jià)等方法融入評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目影響的過(guò)程提供了基礎(chǔ)，使決策更加全面和明智。