国外桥梁设计理念和典型示例介绍（二）

三、进行全寿命周期经济性分析的桥梁示例
3.1实桥示例之一——丹麦CFRP人行斜拉桥
大跨桥梁在主体结构中经常使用缆索体系来跨越江河，包括各种系杆拱桥、斜拉桥和悬索桥。缆索（拉索或吊杆）一般布置在梁体外部，且处于高应力状态，对锈蚀等外界侵害比较敏感。因此，拉索状态直接关系到桥梁的使用寿命和使用性能，是缆索承重桥梁的生命线。国内近年来先后有多座桥梁的拉索（或吊杆）因为耐久性不足而更换，经济损失巨大。为保证拉索的耐久性，除了加强防护措施外，如能采用耐久性和疲劳性都很优秀的CFRP筋可望从根本上解决这一问题。尽管CFRP桥梁在技术、安全和适用性上是可行的，并且较现有钢材具有一些独特的优势，但是CFRP桥梁要得到进一步发展还必须在经济上具有可行性。需要注意的是科学的经济性评估应是基于桥梁全寿命周期的经济性（包括建设投资、后期运营维护投资等），而不仅限于初始建设费用。

图9 Herning 人行桥

1999年9月丹麦建成总长80米的Herning人行斜拉桥(见图9)，该桥宽3.5m，跨越铁路。该桥使用了16根CFRP斜拉索，每根拉索由37根CFRP线组成，公称直径为40mm；一半的混凝土桥面板使用了直径7.5mm到12.5mm的CFRP筋，另一半采用不锈钢筋和普通钢筋。表1是工程承建方?对采用常规方法和应用CFRP筋的经济性比较结果。计算时采用了净现值（NPV－Net Present Value）计算理论，公式如下：

（1）式中：NPV为净现值费用；OMCi为第i年的维护费用；TDCi为第i年的交通阻隔等引起的费用；CC为初始建设费用；CL为评估期结束时的资金损失；N1，N2，…为进行维护时的年份；γ为分析时的贴现率。计算中考虑了以下因素：1）普通钢梁的沥青铺装层每25年更换一次，在预期75-100年使用期内更换3次；2）考虑了年贴现率的影响，假定为5％；3）初始建设费用中材料价格等按建设时的实际价格计算。


从上述比较可见，CFRP斜拉桥的初始建设费用较常规斜拉桥高约25％，即使考虑了全寿命周期的经济性，也要较常规斜拉桥高出约10％（这主要是由于当时CFRP材料过于昂贵）；表中第三栏是假定随着CFRP应用的日益广泛及材料制造工艺的进步，CFRP原材料的价格降低50％，这时CFRP桥梁就具有经济性。但如果该桥桥面板不采用CFRP筋，而只将其用于仅承受拉力的斜拉索，那么总体经济性将会有不小的改善。
该桥的经济性分析只是一个例子，鉴于不同国家、不同地域桥梁造价的组成差别非常大，因此该结论不具有普遍性，但它从一个侧面揭示了目前制约CFRP桥梁推广应用的主要障碍之一，就是它的造价太高，经济指标较差，特别是只比较初始建设费用时，差别就更加明显。这也是目前CFRP材料在主要用于旧桥加固的一个主要原因。
3.2实桥示例之二——美国某桥梁立柱
图10是一则对位于海水中受到氯离子侵蚀的边长为60cm的方形柱实施全寿命经济性分析的结果。可以看出，在氯盐环境中的常规混凝土(未采取防护措施)，虽然初建费稍低，但约15年后便开始第一次修复工程，40年内要修复4次，修复费约为初建费的4倍；而采用加钢筋阻锈剂同时掺硅灰的方法，40年内不用修复，虽初建费略有增加，但每年的总费用比未采取防护措施者至少节约7倍，这也正是近年来美国大力推行加钢筋阻锈剂同时掺硅灰的原因所在。
图10 不同耐久性防护措施对应的成本分析
3.3 实桥示例之三——美国某桥梁桥面

表3给出了一则利用LACC法对美国华盛顿郡46号公路的一座混凝土桥梁的桥面进行75年寿命期总花费(Net Present Value)评定结果的相对比较值。其中混凝土未采取防护措施者(空白)为100。可以看出，采用防护措施后虽然初始成本会增加一些，但在寿命期内的后期花费(修复费等)可大大降低。其中最好的防护措施是硅粉加钢筋阻锈剂。采用该措施，在满足寿命期要求的前提下，与未采取防护措施者相比，总花费节约达67％。
从寿命的角度来看，如果该桥面以当时的普遍做法建造，13年后将发生钢筋锈蚀；如果使用环氧涂层钢筋，腐蚀则被推迟到25年时；如果采用高性能混凝土，腐蚀开始的时间则被延后到50年；如果这两种措施同时被采用，那么进行第一次较大维修的时间将延长至75年时，桥梁的寿命也得到明显的延长。

3.4、实桥示例之四——不同设计策略下全寿命经济性分析示例
该例是针对大西洋北部海岸的某座桥梁的钢筋混凝土柱式桥墩，设计要求为50年内受氯离子侵蚀而锈蚀的概率不超过5%。
图11示意了钢筋混凝土结构耐久性退化的过程，其中点1和点2代表了结构的正常使用状态，点3是正常使用状态与承载能力极限状态的分界线，点4则代表着结构的毁坏。点1是钢筋开始脱钝化，点2是混凝土保护层开裂，点3代表混凝土保护层剥落，点4则是结构毁坏。保证结构耐久性的4种设计策略：

策略1：采用普通的混凝土、普通的设计及一般的施工方法。容许结构发生腐蚀，当发现严重腐蚀的迹象超过混凝土表面积的5％时，则进行维修。维修时替换遭到腐蚀的保护层，表面重新处理的费用是800USD/m2，涉及的面积是3400 m2。这种策略依赖于视觉检查，在温暖湿润及炎热湿润的环境下其检查周期分别为5年和3年，每次的检查费用为3000 USD。
策略2：与策略1相比，保护层厚度增加、混凝土质量提高，于是在结构寿命期钢筋发生锈蚀的机率小，不需要进行大的维修。与高性能混凝土相关的设计、保护层增加、高标准养护以及增加的质量控制措施引起的相关费用分别为11500 USD（温湿的环境下）和12000 USD（热湿的环境下），对应的结构检查周期也分别为5年和3年，每次的检查费用为6000 USD。为了减少施工期可能缺陷的不利影响，每5年要进行一次小的维修，费用假定为方案1中大修费用的2.5％。
策略3：在水下为每个立柱安装一个牺牲阳极，水上的立柱及梁底面准备实施阴极保护。当5％的混凝土表面表现出轻微腐蚀时，该防护系统启用。每个牺牲阳极的费用是100 USD，在上述两种环境下分别每10年和5年更换一次。阴极保护的准备工作的费用是10 USD/m2，总面积为3400 m2。阴极保护的费用是150USD/m2，电器设备的费用是10000 USD/m2，在两种环境下分别每20年和10年更换一次。在温暖湿润及炎热湿润的环境下其检查周期分别为5年和3年，每次的检查费用为3000 USD。
策略4：50％的钢筋选用不锈钢筋（假定使用在结构最暴露的部分），这样可以避免在使用期内钢筋出现锈蚀。结构每立方米的含筋量为100kg，设桥面板平均厚度为40cm，于是结构混凝土的体积为1400 m3，钢筋用量为140吨。设每公斤不锈钢筋较普通钢筋贵2 USD。在温暖湿润及炎热湿润的环境下其检查周期分别为5年和3年，每次的检查费用为3000 USD。
图12是依照上述4个不同的设计策略，考虑不同贴现率的情况下的全寿命经济性比较。由图可以看出不同设计策略的两个主要结果：
1）最常用的方法（即策略1）与较少采用的阴极防护方法（策略3）在利率较低的情况下，全寿命周期累计成本非常高。但是在利率很高的情况下，随着利率的增加将越来越有优势。
2）当采用特殊的设计、混凝土质量及施工措施后（策略2）或采用不锈钢筋解决了关键的锈蚀问题（策略4），在正常的低利率情况下，全寿命周期的成本将很小。在策略2的实施中，合格材料及工艺的取得具有一定的不确定性，而从耐久性的观点来看，策略4的方法从工艺和材料质量的标准方面较易实施。

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