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长寿命耐候钢桥全寿命周期经济性评估模型
王春生，张静雯，谭晨欣，段 兰，王一伟
（长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）
为实现资源的合理、高效配置，践行可持续发展战略，免涂装耐候钢桥已成为绿色低碳基础建设的重要发展方向。长寿命耐候钢桥是长寿命设计理念、耐候材料、创新构件和新结构形式的有机结合，实现了合理延长安全服役年限从100 到 150 、200 年的设计新理论，更符合节能、环保的绿色交通发展理念。长寿命免涂装耐候钢桥在进行方案比选时应考虑建设及运营阶段方案的适用性、经济性，以桥梁在整个设计使用年限内的性能和成本作为评价指标，在确保桥梁全寿命周期内结构性能可靠的同时实现成本的合理控制。全寿命周期成本分析是对桥梁在各个环节产生的总费用进行分析研究，在满足项目使用年限内安全可靠的前提下，实现长寿命耐候钢桥全寿命周期内总体性能最优的目标。基于全寿命周期成本分析方法的长寿命免涂装耐候钢桥设计，可实现基于全寿命周期投资资本优化的目的，使建设、投资、维护管理相互配合，通过严格的建设质量把关和成熟的定期养护维修及加固手段，在经济性最优的前提下保证桥梁在全寿命周期内的耐久性及结构功能。
中国免涂装耐候钢桥的建设起步较晚，可供全寿命经济计算分析的工程案例较少。目前尚无长寿命免涂装耐候钢桥全寿命周期经济性分析模型，对于长寿命免涂装耐候钢桥全寿命经济性的分析计算大多仅考虑钢材成本、涂装节省的材料及施工直接成本，忽略了耐候钢锈层维护成本及所节省涂装施工带来的环境及交通影响等间接成本。本文基于桥梁全寿命周期成本分析理论研究，通过免涂装耐候钢桥与涂装钢桥成本组成特点、计算参数差异等分析，考虑资金时间价值，建立长寿命免涂装耐候钢桥全寿命周期成本计算模型。对3座中国首批长寿命免涂装耐候钢桥工程实例进行计算，对比分析长寿命免涂装耐候钢桥与涂装钢桥的全寿命周期成本经济性，并基于锈层等级差异下的不同维护策略对长寿命免涂装耐候钢桥进行全寿命周期成本分析，为维护措施的经济性比选提供依据。
1.1 桥梁全寿命成本分析流程
全寿命成本分析是针对目标任务进行数据处理的过程，建立模型可以分为4个步骤：（1）确定分析目标，确定研究桥梁的基本特征及分析范围与内容；（2）建立分析假定，设定特定的需求条件；（3）分析成本构成及对应模型，确定成本组成分类并建立各成本相关模型；（4）建立总成本分析模型，考虑资金时间价值建立全寿命周期成本模型。
1.2 桥梁全寿命周期成本组成与计算模型
桥梁全寿命周期成本可按照成本性质、承担成本主体、成本产生时间分类。其中，根据成本产生时间所处阶段可分为建设期成本、运营期成本、拆除期成本。全寿命周期成本分析时，应将资金时间价值引入桥梁全寿命周期成本中，并在整个寿命期内的各类成本及各种投资维护方案比选中考虑资金的时间价值影响。
2.1 长寿命耐候钢桥全寿命周期成本组成
桥梁建设阶段成本主要包括规划、设计、管理及施工等相关程序所产生成本。长寿命耐候钢桥全寿命周期成本组成如图1所示。
2.2 成本分析基本假定
本文进行全寿命周期成本分析时采用的基本假定主要包括：
（1）完全市场经济，即经济在寿命期间内保持健康、稳定，利率和膨胀率不变；
（2）除初始投资发生在年初外，其他成本均为年末产生；
（3）对环境成本进行折现时采用的折现率为环境成本折现率，未来环境成本受影响因素众多、不确定性大，难以对其进行准确的估算。本文假定对环境成本的折算只考虑时间效应，采用折现率对其进行估计；
（4）回收残值应根据折旧率、固定资产、建设费用的百分比确定。
图1 耐候钢桥全寿命周期成本构成
根据免涂装耐候钢桥与涂装钢桥在长寿命设计使用年限内不同阶段、不同成本组成的特点，主要成本差异体现在建设阶段、运营阶段。建设阶段主要成本差异包括钢材、焊接材料成本，初始涂装及锈层稳定化处理直接成本，初始涂装环境成本。
3.1 全寿命周期成本差模型
桥梁建设施工成本需按照实物工程量法进行成本估算，即以单位实物工程量的投资乘以实物的总工程量计算总成本。
3.2 钢材、焊接材料成本
耐候钢材在涂装钢材的化学成分中加入铜、磷、铬、镍等合金元素以保证其耐候性，材料价格略高于涂装钢材。同时为保证钢桥焊缝位置与母材耐候性相匹配，还应选用具有相应耐候钢性的焊接材料。
3.3 初始涂装与锈层稳定化处理直接成本
3.3.1 初始涂装直接成本
钢桥涂装可分为初始涂装、维修涂装、重新涂装3个阶段。对于初始涂装阶段，免涂装耐候钢桥不采用任何表面处理方式，该阶段成本值为0；涂装钢桥初始涂装直接费用主要包括材料、设备机器、人工3种成本。
3.3.2 锈层稳定化处理成本
现有的加速锈层稳定剂处理方法主要有氧化物涂层处理、涂装氧化铁-磷酸盐系漆、新型表面稳定化处理技术及环保型无铬锈层促生处理技术。
3.4 初始涂装环境成本
涂装产生的间接环境成本计算中主要考虑因素包括VOC排放、重金属处理及运输产生的尾气排放3类。
3.5 检查成本
《公路桥涵养护规范》（JTG 5120—2021）将桥梁检查划分为经常、定期和特殊检查3类。免涂装耐候钢桥与涂装钢桥检查的成本差异主要体现在定期检查中的涂装检查与锈层稳定性检查。
3.6 涂装与锈层维护成本
3.6.1钢桥涂装维护直接成本
涂装维护根据维护的程度可分为一般性维护及大修维护，维护的方式及维护周期与涂装体系类型相关，涂装维护施工包括喷砂处理、涂料运输及新涂层施工，维护期间的直接成本主要包括材料、设备机器、人工3种成本。
3.6.2 长寿命耐候钢桥锈层维护成本
长寿命耐候钢桥维护可分为日常维护和锈层的特殊维护工作。日常维护主要采用周期性低压水冲洗、漏水构件或结构维修更换，锈层维护措施主要包括涂装、低压水冲洗等。针对不稳定锈层采用的涂装维护措施时，其工序主要包括对原有锈层进行打磨、喷砂处理、涂装等。
3.7 涂装维护用户成本
用户费用主要是指运营期间由于维修、检测等施工造成用户绕行或减速，产生的燃料费用、时间延误及交通事故费用等。
3.8 涂装维护环境成本
环境成本主要是指桥梁在运营期间由于施工及运营维护直接产生的大气污染、水污染及固体废物污染等处置成本，以及间接导致车辆减速、绕行产生的汽车尾气污染。
4.1 桥梁概况
4.1.1 眉县常兴二号桥
眉县常兴二号桥位于陕西省眉县常兴镇，跨越魏家堡水利枢纽进水渠，是国内第一座采用管翼缘组合梁的长寿命免涂装耐候钢板梁桥。主梁下翼缘采用Q500qDNH耐候钢，其余均采用Q345qDNH耐候钢材。耐候钢均采用免涂装方式使用，仅在梁两端1.5m区域内涂装，焊接材料采用与母材耐候性相适应的耐候性焊材。
图2 眉县常兴二号桥
图3 主梁横断面
4.1.2 黄延高速K16+322.607跨线桥
黄延高K16+322.607 跨线桥为长寿命免涂装耐候钢板连续组合梁桥，桥跨布置为 2×28 m 。主梁为3片钢板组合梁组合而成，主梁下翼缘采用Q500qENH耐候钢，其余采用Q345qENH耐候钢，均以免涂装方式使用。
图4 黄延高速K16+322.607跨线桥
图5 主梁横断面
4.1.3 黄延高速K18+496.141跨线桥
黄延高速K18+496.141 跨线桥为长寿命免涂装耐候管翼缘组合梁桥，桥跨布置为 2 × 28 m 。主梁下翼缘采用Q500qENH耐候钢，其余采用Q345qENH，均以免涂装方式使用。
图6 黄延高速K18+496.141跨线桥
图7主梁横断面
4.2 全寿命周期成本对比分析
根据《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》（JT/T 722—2008）选用4种涂装体系与免涂装耐候钢桥全寿命周期成本对比分析。方案2~5的桥梁结构形式、尺寸、设计标准、钢材用量等均与方案1免涂装耐候钢桥相同，但钢材均采用涂装钢材Q500qD、Q345qD，并对表面进行涂装防腐处理。眉县常兴二号桥、黄延高速K16+322.607跨线桥、黄延高速K18+496.141跨线桥全桥涂装面积分别为3581、 597、 597 m2。运营阶段中免涂装耐候钢桥采用每5年一次的低压水洗维护方式。其中，采用初始建设年（2014年）作为计算现值基期，设计使用年限分别按100、150、200年进行计算，折现率采用3%。
3座桥建设及运营阶段的成本计算结果表明免涂装耐候钢桥在建设阶段成本接近或略大于涂装钢桥，但运营阶段免涂装耐候钢桥由检查、锈层维护、涂层维护产生的直接及间接成本相对涂装钢桥可减少90 %以上；免涂装耐候钢桥与4种涂装体系钢桥相比全寿命周期成本减少9 % ~30 %。3座桥在设计使用年限分别为100、150、200年下的成本差比结果表明，随着设计使用年限的增大，长寿命免涂装耐候钢桥减少成本差值增大，说明免涂装耐候钢桥随使用年限的增加，经济性越显著。2座黄延高速跨线桥全寿命周期成本相近，眉县二号桥及黄延高速跨线桥采用免涂装耐候钢桥相比涂装钢桥全寿命周期成本分别减少11 % ~ 21 %与8 % ~ 17 %，规模及用钢量越大的桥梁，采用免涂装耐候钢桥设计方案可有效降低全寿命周期成本。采用免涂装耐候钢桥的方案1相比采用水性绿色环保油漆涂装钢桥的方案5，全寿命周期成本减少约21 % ~ 29 %，对于对环保要求较高的地区，采用长寿命免涂装耐候钢桥设计方案可在满足环保要求的同时有效降低全寿命周期成本，更好地体现了工程经济性。图8所示为以眉县常兴二号桥与黄延高速K16+322.607跨线桥为例的全寿命周期成本的总体变化趋势图。
( a) 眉县常兴二号桥
( b) 黄延高速K16+322.607跨线桥
图8 耐候钢桥与涂装钢桥全寿命周期成本变化
4.3 长寿命免涂装耐候钢桥维护成本分析
免涂装耐候钢桥的日常维护和锈层针对性维护方法主要包括水洗、涂装及构件维修更换等方式，当环境腐蚀等级或锈层稳定性变化时，水洗周期、涂装面积等均发生变化。本节以设计使用年限为100年的眉县二号桥为例，考虑资金时间价值，对采用多种水洗周期、局部涂装体系维护方案（涂装面积占总面积10 %）的免涂装耐候钢桥进行成本对比分析，并根据桥梁运营6年锈层检测结果，对不同面积非稳定锈层采用多种涂装体系的维修方案进行成本经济性评价分析。
图9 涂装面积参数化成本分析
对采用不同涂装面积的4种涂装维修方案进行成本分析，如图9所示，图中水平虚线分别表示100年设计使用年限的不同涂装体系钢桥全寿命周期减少成本差。采用第7套水性及第5套涂装体系的成本增长最多；当采用方案2~5时，涂装面积分别大于约95 %、76 %、68 %、90%时，免涂装耐候钢桥的全寿命周期成本将超过涂装钢桥，因此，采用对锈层涂装的维修方法会严重影响长寿命免涂装耐候钢桥在全寿命周期内较好的经济性特点，在制定维修对策时应慎重考虑。同时在设计阶段，应对环境腐蚀性进行评估，选用与环境腐蚀类别相适应的耐候钢种类。
（1）依据免涂装耐候钢桥与涂装钢桥成本差异，在桥梁全寿命经济性评价模型的基础上建立了本文提出的长寿命免涂装耐候钢桥经济性评价模型。
（2）长寿命免涂装耐候钢桥与涂装钢桥成本差异主要体现在使用钢材、焊接材料价格，初始涂装、涂装维护成本、由涂装引起的环境及用户成本，锈层检测及维护成本。
（3）3座长寿命免涂装耐候钢桥经济性分析结果表明，免涂装耐候钢桥与4种涂装体系钢桥相比全寿命周期成本减少11 %~21 %；免涂装耐候钢桥经济性能主要体现在运营阶段节省由检查、锈层维护、涂层维护产生的直接及间接成本，节省成本值约占涂装体系钢桥运营阶段成本90%以上。
（4）长寿命免涂装耐候钢桥维护成本分析结果表明，水洗周期对成本具有显著影响，水洗周期从每6年1次增加到每年1次，增加成本占全寿命周期成本差比从1 %~2 %增加到5 %~11 %；采用方案2~5的4种涂装体系对局部锈层维修时，涂装面积大于70 %~80 %时免涂装耐候钢桥全寿命周期成本将大于对应涂装体系钢桥。
（5）长寿命免涂装耐候钢桥全寿命经济性评价结果表明，随着设计使用年限的增长，免涂装耐候钢桥相对涂装钢桥节省的成本值增大，经济性越加显著，基于绿色低碳发展理念，应大力推进长寿命免涂装耐候钢桥的应用。
作者简介
王春生
长安大学公路学院二级教授
国家级人才
全国百篇优秀博士论文奖、茅以升科学技术奖—桥梁青年奖获得者
交通运输部与陕西省科技创新团队带头人
主要从事钢桥与组合结构桥梁、桥梁耐损性设计方法与安全维护技术、长寿命强韧性与数智桥梁结构理论研究。主持国家自然基金项目6项、973项目子题2项、省部级和重大工程科研项目20余项，发表高水平学术论文100余篇，出版专著2部，授权发明专利20余件。曾获国家科技进步二等奖1项、陕西省科技进步一等奖1项（主持）、中国公路学会科学技术特等奖2项（主持）。主持编制交通运输部行业技术标准《公路钢桥疲劳监测、评估与维护技术规程》，参与编制《公路钢结构桥梁设计规范》《公路工程可靠性设计统一标准》《公路钢结构桥梁养护技术规范》等3部交通行业技术标准，主持编写地方与协会标准近10部。
本文主要内容源自《交通运输工程学报》2024年第3期，点击查看文章全文：
王春生, 张静雯, 谭晨欣, 段兰, 王一伟. 长寿命耐候钢桥全寿命周期经济性评估模型[J]. 交通运输工程学报, 2024, 24(3): 69-81.
制作/排版：程 静 苏书杰
编辑：荣依依
校对：戴 杰
审核：韩跃杰
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