公路桥梁设计参数对工程造价的影响研究

徐新帅

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东 广州 510507）

0 引言

基础设施建设项目中，特别是桥梁建设，面临着材料选择和设计方案的挑战。在此背景下，以一座基础设施项目中的桥梁为例，探讨了耐腐蚀加固方案对工程造价的影响。在当前桥梁建设中，使用耐腐蚀替代材料成为趋势，然而这些材料的长期性能和经济效益尚未充分研究。因此，该文旨在填补这一研究空白，为基础设施决策者提供重要的参考信息。

1 工程概况

在研究某特定的桥梁建设项目中，其采用了FRP 材料作为结构钢筋的RC 和预应力混凝土（PC）。该项目为现有桥梁结构更换项目的一部分，原结构由于功能缺陷和老化已经超过了设计寿命，因此需要进行更换。这座桥梁由五个跨度组成，总长度达到56.7 m，宽度为17.6 m。鉴于其地理位置，水道经常受到海水污染的影响，尤其是在暴风雨季节。

已经完成的结构包括以下方面：36 根CFRP-PC 承载桩、235 根CFRP-PC/GFRP-RC 板桩、6 个GFRP-RC盖梁和舱壁盖梁、998 m2的GFRP-RC 桥面、长150 m的GFRP-RC 交通栏杆、两块161 m2的GFRP-RC 引桥板以及长20 m 的GFRP-RC 重力墙。最初的设计采用了Hillman 组合梁（HCB），该梁由一个由复合GFRP 壳体包裹的钢筋混凝土浅系杆拱和轻质填充泡沫构成。而则考虑了一种替代的GFRP-RC 方案，旨在提供等效的强度和性能。除了创新的钢筋解决方案外，FRP-RC/PC设计的独特之处在于在下部结构的构件中采用了可持续的混凝土混合物。舱壁盖梁使用含有海水的混凝土，而GFRP-RC 重力墙则采用了掺有再生混凝土骨料（RCA）和再生沥青路面骨料（RAP）的混凝土。此外，白水泥混凝土和含有高比例矿渣和粉煤灰的混合物被用于GFRP-RC 栏杆的制作[1]。然而，这项工程中耐腐蚀替代材料并没有得到充分研究。因此，主要目标在于探讨采用不同的设计方案在经济上的可行性。

2 设计和材料

对于钢筋混凝土结构使用的四种加固材料进行了综合比较，涵盖了碳钢、环氧涂层钢（ECS）、不锈钢（SS）和纤维增强聚合物（FRP）。在这些材料中，后三种材料的特性进行了深入研究，重点关注它们的耐腐蚀性能。

碳钢棒材被分为40、60 和80 级，这些规格是基于ASTM A615/A615M 标准制定的。其中，钢筋60 级具有最广泛的应用，其屈服强度为414 MPa，极限强度为621 MPa，弹性模量约为200 GPa。在中，将60 级碳钢作为基准。低松弛高强度碳钢棒材分为250 级和270 级，这些规格是基于ASTM A416/A416M 制定的。在中，选择了270 级作为基准，其屈服强度为1676 MPa，极限强度为1 860 MPa，弹性模量约为195 GPa[2]。

对于ECS 钢筋和绞线，需要符合ASTM A775/A775M的全部要求，并且具有与普通碳钢钢筋类似的机械性能。ASTM A775/A775M 对ECS 定义为通过静电喷涂法施加环氧保护涂层的钢筋，以提供额外的耐腐蚀性。涂层厚度应在175~300 μm 之间，适用于尺寸为10~16 mm 和175~400 mm 的钢筋，适用于19~57 号棒材。ECS 绞线应符合ASTM A882/A882M 的要求。

在不锈钢方面，奥氏体不锈钢SS-316 和双相2205被选择作为SS-RC 和SS-PC 的代表，其规格由ASTM A276/A276M 提供。这些选择基于不锈钢在钢筋混凝土结构中性能的广泛研究。SS-316 通常被认为是最适合船舶等应用的奥氏体不锈钢级别，而近年来双相2205 则在预应力绞线领域中成为新型替代品。海水混凝土中使用的奥氏体SS-304 钢筋的使用寿命估计显示，以10%失效概率为基础，可保证使用寿命超过140 年。尽管SS-316和2205 级别的合金含量较低（镍和钼），仍保守地认为它们能够确保100 年的使用寿命。

在新建筑中，FRP 被证明是一种无腐蚀性的可行替代品。商业解决方案包括用于钢筋混凝土的玻璃纤维增强塑料（GFRP）钢筋和用于预应力混凝土的碳纤维增强塑料（CFRP）绞线。无论混凝土配方如何，部署FRP 钢筋混凝土（FRP-RC）和FRP 预应力混凝土（FRP-PC）都能够消除钢筋腐蚀问题。尽管FRP 是一种脆性复合材料，在失效之前会表现出弹性特性。

3 生命周期模型

3.1 LCC 的改进方法

传统的寿命周期成本（LCC）框架通常被构建为确定性分析，其中设计者为每个输入参数（如维护活动的成本和频率）分配固定值。在概率分析中，输入参数则被视为随机变量，基于假设、平均值（μ）、标准偏差（σ）和分布函数（F(x)）来描述。通常，这些分析中涉及的变量的概率分布函数通过蒙特卡洛模拟方法进行处理，其中随机抽样模型可表示为：

式中，Xi——随机变量；Fi(x)——第i个输入参数的概率分布函数。

这种随机抽样模型通常需要进行数千次迭代，以生成维护成本的概率分布。通过对多次抽样结果的分析，可以获得维护成本的概率分布，从而更好地理解不确定性对成本估算的影响。

通过比较确定性和概率性方法，可以更好地量化不确定变量对敏感参数分布的影响。此外，对于一般的耐久性增强材料，近期已经开发出了生命周期优化框架，旨在最大程度提升整个生命周期的性能，并将维护成本降至最低。

尽管LCC 分析中所使用的模型可能被视为实践状态，而非最先进的创新，然而该文的目的在于提供一个传统的确定性框架，作为比较四种不同桥梁设计方案在成本和环境影响方面的工具。通过灵敏度分析，这一确定性框架考虑了不确定性参数的影响。

3.2 使用寿命和模型边界

生命周期分析的主要标准是EN 15804 和ASTM E917/E2453。该文提出的模型采用了与上述标准相同的命名法和程序。使用寿命的概念与设计寿命的概念存在区别。已有多项研究确定，以碳钢（CS）为加固材料的桥梁项目的使用寿命为75 年。然而，随着创新的耐久性材料的采用，该领域的目标是延长使用寿命。

在第二个生命周期阶段，即使用寿命的后25 年，为了将碳钢加固方案（CS-RC/PC）与环氧涂层钢加固方案（ECS-RC/PC）的寿命延长至100 年，以便实现对四种设计方案的一致比较，第二阶段的年限也被纳入分析中。此外，假设桥梁使用与原桥梁相同的设计标准、使用寿命预期和施工方法，重建活动（以及相关的成本和环境影响）将占初始施工成本的三分之一。

4 LCC 分析

4.1 材料费

产品阶段指的是钢筋的制造过程。不同设计备选方案的产品阶段成本数据来源于政府机构、私营企业以及软件提供的报告。

4.1.1 碳钢替代品

CS 钢筋和绞线通常是按照单位重量进行定价。CS钢筋的单位成本为8.45 元/kg 而CS 绞线的单位成本被视为21.12 元/kg。对于CS-RC/PC 替代方案的混凝土混合料成本，是通过在传统混凝土配合比中添加硅灰（HRP）以满足预期使用寿命所需的成本来进行估算。将硅灰添加到混凝土混合物中会导致预应力混凝土构件的成本增加125.89 元/m3，而现浇构件的成本则会增加334.93 元/m3[3]。

4.1.2 环氧涂层钢替代品

与CS 钢筋和绞线类似，ECS 钢筋按照单位重量进行定价。ECS 钢筋和绞线的单位成本被假设比CS 钢筋和绞线高出33%。这种价格差异来源于软件Life-365的数据。Life-365 中列出的ECS 棒的成本是8.58 元/kg，而CS 棒的成本为6.44 元/kg。显示的单位成本与当前可用的估计值以及FDOT 公开的历史投标价格报告一致。与CS-RC/PC 替代方案类似，ECS-RC/PC 解决方案在混凝土配合比的设计中，考虑了加入硅灰的情况。

4.1.3 不锈钢替代品

奥氏体不锈钢（SS）合金316 被选作主要钢筋，而双相2205 被选择为SS 设计备选方案中的预应力绞线，以提高在腐蚀环境中的耐腐蚀性和使用寿命，至少可达100 年。SS-316 钢筋的单位成本为56.29 元/公斤。因此，CS 钢筋和SS 钢筋之间的成本比约为6.68。相反，SS 绞线的成本是基于CS 绞线的单位成本，然后乘以CS 钢筋和SS 钢筋之间的成本比。在具有腐蚀性环境的情况下，使用SS 作为主要钢筋，并将构成桥梁下部结构构件的混凝土保护层从76.2 mm 减少至50.8 mm[4]。

4.1.4 FRP 替代方案

GFRP 钢筋和CFRP 绞线按单位长度进行定价。FRP钢筋的单位成本采用HRB 项目的单位成本作为基准。与SS-RC/PC 替代方案和施工计划类似，FRP-RC/PC 解决方案在下部结构构件中减少了混凝土保护层的厚度，并采用传统混凝土配合比设计。

4.2 施工阶段

施工阶段产生的成本包括从制造厂到现场的材料运输活动，以及材料安装所需的劳动力和设备，比如混凝土模板、混凝土浇筑工具和钢筋笼的安装。所有与施工活动相关的数据均源自桥梁项目施工阶段所获得的信息。

与安装额外钢筋相关的成本大致相当于采用FRPRC/PC 元件更快、更经济的安装方法所节省下来的成本。FRP-RC/PC 解决方案的设计考虑了更多的钢筋，这是因为FRP 的某些特性以及当前的设计限制，例如其较低的弹性模量可能对挠度和裂缝宽度产生负面影响，此外，其有限的抗蠕变断裂性能也可能影响结构的长期性能[5]。

5 结果

5.1 LCC

图1 呈现了4 种耐腐蚀加固材料设计方案的累积LCC 分析结果。从图中可以看出，ECSRC/PC 方案的净现值（NPV）仅比CS-RC/PC备选方案略低0.75%，这意味着前者的长期经济效益有限。同样的，SS-RC/PC 解决方案的NPV 相比CS-RC/PC 备选方案下降了10.37%，而与ECS-RC/PC 方案相比降低了9.60%。就成本效益而言，FRP-RC/PC 解决方案表现最佳，其NPV 比CS-RC/PC 备选方案低约20%。此外，FRP-RC/PC 解决方案的NPV 分别比ECS-RC/PC 和SS-RC/PC 方案低了19.30%和14.92%。尽管CS-RC/PC 和ECS-RC/PC 的初始成本较低，但在整个分析期内，两种最具效益的耐腐蚀设计（即FRP-RC/PC 和SS-RC/PC 替代方案）展示出长远的成本节约效应，这是因为它们延长了使用寿命并降低了维护成本。

图1 LCC 结果考虑了贴现率为1%的基线情景

FRP-RC/PC 方案已被验证为最佳解决方案。与SSRC/PC 方案相比，它具有更低的初始投资，并且从长远来看，其净现值（NPV）更低。然而，随着市场对于SS钢筋的扩大，材料变得更具经济性和竞争力。这可能使得SS-RC/PC 方案成为一种优选的备选方案，允许传统RC 构件的设计，并综合了CS-RC/PC 构件的所有积极和独特特点（从机械性能到内在可回收性）。

建筑成本可分为两类：与钢筋选择相关的施工成本以及与所选钢筋材料无关的施工成本。尽管CS-RC/PC和ECS-RC/PC 设计方案在材料相关的施工成本方面较为经济，但这四种方案在与材料无关的施工成本方面是相同的。后者包括与钢筋材料选择无关的所有成本，例如运营费用、设备和材料的引入、交通设备的维护、临时障碍物、质量保证和质量控制、调查活动、桥梁临时工程等，这些都是完成大桥所必需的。

5.2 LCA

在五个评估类别中，FRP-RC/PC 替代方案在四个类别中优于CS-RC/PC 和ECS-RC/PC 解决方案。FRP-RC/PC 方案唯一在环境方面稍显不足的是臭氧消耗。然而，从数量级来看，这种影响非常小（以小数为单位的绝对值），这与所用碳纤维过时数据库的数据输入密切相关。

类似地，SS-RC/PC 替代方案在五个类别中的三个类别中表现出色，成为FRP-RC/PC 解决方案的主要竞争对手。然而，考虑到生产不锈钢钢筋和绞线所需的大量热能，这种设计方案对碳排放产生显著影响。其净影响达到35 508 kg CO2当量，使得相比于SS-RC/PC 替代方案，FRP-RC/PC 解决方案更具吸引力。

最后，ECS-RC/PC 方案在环境友好性方面表现最不佳，在各类别中均未达到理想水平。这是因为所需的环氧涂层用于保护钢筋和绞线，其贡献较大。估计需要用于保护所有桥梁钢筋的涂层相当于约2 910 L。

6 结语

经过对不同耐腐蚀加固材料设计方案的综合比较，得出以下结论：在经济和环境性能方面，FRP-RC/PC 解决方案表现最为出色。它不仅具有较低的生命周期成本，还对环境影响较小。尽管不锈钢解决方案在耐腐蚀性方面表现出色，但在碳排放方面产生了显著影响。与之相比，环氧涂层钢解决方案在经济和环境方面的表现相对较差，主要归因于涂层制造和施工的高成本。这些研究结果对基础设施项目的规划者和设计者在选择合适的加固材料和方案时具有重要的指导意义。它们有助于推动更加可持续和环保的基础设施建设，从而实现长期的社会、环境和经济效益。同时，这些结论也为将生命周期成本分析和生命周期评价等方法融入评估基础设施项目影响的过程提供了基础，使决策更加全面和明智。