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CHANGSHAUNIVERSITY OF SCIENCE Dan M Frangopol Dist M ASCE 2 Fred B Fletcher3 and AlexD Wilson M ASCE 4 摘要 介绍一个新的免维护钢制作的钢桥和传统的钢桥材料建造的钢桥的寿命周 期 LCC 和成本比较 LCC分析方法确定是由不同的场景 概率 在输入变量的 不确定性 并且经过适当的考虑 根据合理的成本假设 它表明新型钢材虽然最 初更昂贵 但是确实划算 经过约15年之后的新型钢材lcc使用寿命超过使用传统 钢材的桥材料 CE 数据库主题词 生命周期 钢桥梁 维护 腐蚀 涂层 关键词 使用周期成本 钢材 维护 腐蚀 喷涂 桥 简介 由安赛乐米塔尔在 20 世纪 90 年代开发的一种新的桥梁钢 其指定编号为 ASTM A1010 具有很强的耐大气腐蚀性能 此特征在一定环境下特别明显 在沿 海环境的微环境中含有高浓度的氯化物如高价除水无机盐沉积的位置 常规风化 钢 其具有低氯乙烯的微环境中的免费维护特征 但是是不适合于在严重氯化环 境中的桥梁 在这种情况下 传统钢桥桁架伴随的频繁维护成本是必不可少的 A1010 钢已用于建造新型的桥梁 在未来几年中采用这种设计的传统简支梁桥将 在加利福尼亚州和俄勒冈州建设 由于它的化学成分 A1010的制造成本远高于涂碳或风化钢 然而 其耐蚀性 使得它能够持续在长时间 100 125年 具体时间在研究中 不需要维护 因 此 A1010钢的可行性取决于与传统钢相比其较低的寿命周期成本 LCC 两种钢 的LCC计算需要考虑未来的预测中固有的不确定性 这些都是最好的处理概率的 办法 另外 不同的钢桥材料由传统碳钢和A1010钢制成的组件的情况下 可以 比较确定性环境情况 本技术说明的目的是比对由A1010钢 免维护 制做的钢桥模型的LCC和传统 钢制成的相同的桥梁的LCC 以及后续维护整修 输入变量 分析是根据在2008年美元汇率基础上的成本模型的钢桥主梁 将会在下面给 出模型梁的尺寸 用于制造桥梁的钢材 收购价格被假定为 975每吨 这大约是1957年至2007 年美国钢材平均价格 A1010的收购价格被假定为 2 265每公吨 这些初始成本 投入都被认为是确定的 一个典型的碳素钢箱梁的制造成本是由罗尼 梅德洛克 个人通信 2009 来确定 从 1 50到 1 55每磅 3 000 3 100每公吨 这个总成本包括制造 初始设计 检查 以及运输 因此 传统的钢梁总成本的确定性假设为每磅1 525 美元 3 050每公吨 使用未上漆的耐候钢 而比涂炭碳钢来制作一个典型的桥梁 降低总成本5 左右 罗尼 梅德洛克 个人通信 2009 这个数字可能被用来估计桥梁的 检查 制造 和运输成本 其他初始成本考虑传统的钢 包括ING制造 最初的 设计 检查 运输总成本减去材料成本 使用A1010钢产品的初始成本 其结果 也是减少了5 这里 假设在耐候钢的总成本降低5 可以应用于A1010钢 因为它也是不涂炭钢 其他两个钢种的初始成本也假定为平等和确定 设计桥梁的典型成本是由埃里克 克莱恩 个人通信 2009 12 平方英 尺 这种成本的考虑在本研究中作为一个随机变量建模与一个三角分布与 6 平 方英尺 一个最可能的值 12平方英尺一个下限 和 18每平方英尺的上限 i e Tri 6 12 18 重新喷漆的时间间隔被认为是 Tri 10 15 20 与三角分布建模为一个随机 变量 这个时间间隔反映了一个微环境下的沿海桥梁 是非常严重的 在不太严 重的微环境 重新喷漆时间间隔可能是更长的时间 尤其是新开发的涂料系统 年贴现率的资金也将被视为一个可能值范围从0 00到0 03 即U 0 00 0 03 的均匀分布的随机变量为蓝本 确定寿命周期的分析 在本节中 整体生命周期分析的方法进行确定性 随机变量的不同实现在上 一节被视为不同的场景 在每一个场景限值将被视为对每个随机变量 因此 计 算方法是使用LCC限制值的所有组合的随机变量的浓度考虑它们随机变量是重新 喷漆时间间隔Tri 10 15 20 年 重新喷漆成本Tri 6 12 18 平方英尺 而折现率 0 00 0 03 一种情况是 例如 重新喷漆时间间隔为10年 成本6元 平方英 尺 折现率0 03 LCC的计算进行的模型桥梁 这个模型梁的尺寸在威斯康星州的账面US 51 和I 39 威斯康星河的桥梁 主梁组成的三个板 尺寸12的顶部的凸缘板 宽1 2 厚 底部法兰盘 测量15 宽3 4 厚和Web板尺寸52 身高3 8 厚 该模型 梁的跨度为80英尺 寿命周期的计算如下进行 首先 主梁的重量计算 由于梁的体积计算为 0 5781立方米 钢的密度为7 85吨 立方米 主梁的重量为4 5384吨或5 0027吨 短 因此 对于传统的钢和钢A1010计算模型梁的材料成本 分别为 传统的钢材料成本 4 5384 975 4 424 梁的材料成本 A1010钢 2265 4 5384 10279 总的初始成本计算模型传统碳钢梁 1 525 10007 1 15261 A1010钢箱梁的其他费用是 其他的初始成本 A1010钢 15261 0 95 4424 9 10073 因此 总成本的型号 A1010钢梁总的初始成本 A1010钢 10 279 10 073 20352 A1010钢梁这个总成本是不变的 整个桥梁的使用寿命也不变 然而 传统 碳钢梁的总成本却不是 只有等到第一重新喷漆 粉刷 每次重新喷漆成本必须 被添加到确定的总成本 重新喷漆成本是一个功能模型梁的表面面积计算为985 平方英尺 每个应用程序的折现率在时间 t 的成本重新喷漆 本梁在时间 t 的第 k 个重新喷漆成本 Cpv k C 1 v t 在这里 Cpv k 梁的第 k 个重新喷漆的成本的现值 C 重新喷漆申请时的成 本 折现率的钱 和 t 第 k 个重新喷漆的时间 考虑的情况下 重新粉刷的时间间隔为20年 贴现率为0 00 图图1 a 所 示的 LCC 由两种钢重新喷漆成本 Tri 6 12 18 平方英尺梁 有了这个折扣率和 重新喷漆时间表 LCC 传统的钢梁变得高于第一重新喷漆后的 A1010钢 即使在 最低值 考虑成本再油漆 在125年 不同的是考虑最好大 考虑的情况下重新喷漆时间间隔为15年 贴现率为0 00 图图1 b 所示 LCC 重新喷漆成本 Tri 6 12 18 平方英尺两种钢箱梁 在125年 也有相当大的 差异 事实上 这种差异随着再油漆操作的数量增加 考虑的情况下 重新粉刷 的时间间隔为10年 贴现率为0 00 图图1 c 所示 LCC 重新喷漆成本 Tri 6 12 18 平方英尺两种钢箱梁 这认为是最频繁的重新喷漆时间表 曲线代表怨恨 重新喷漆平方英尺18元 成本是最高的 LCC 之间考虑的情况 有了这种极端的情 况下 在125年的传统的钢梁的 LCC A1010钢高出许多倍 接下来 考虑的情况下 重新粉刷的时间间隔为20年 但贴现率为0 03 图图1 d 所示 LCC 重新喷漆成本 Tri 6 12 18 平方英尺两种钢箱梁 这 是最频繁的重新喷漆时间表考虑那些折价率最高 很显然 这折现率及重新喷漆 时间表 LCC 的常规钢梁变得高于第一重新喷漆后 只有与两个价格较高 考虑 12和18 平方英尺 进行重新绘制 A1010钢 随着考虑的下限价格再油漆 LCC 的常规钢的成本高于 A1010钢60年后 才第三重新喷漆 这种情况下的曲线 代表传统碳钢箱梁之间的情况下 认为是最低的 LCC 即使在这种情况下 传统 碳钢梁的 LCC 高于 A1010钢梁125年 考虑的情况下重新喷漆时间间隔为15年 贴现率为0 03 图第1 e 所示 LCC 重新喷漆成本 Tri 6 12 18 平方英尺两种钢箱梁 有了这个折扣率和重新喷漆时间表 LCC 传统碳钢梁也高于 A1010钢后的第 一次重新喷漆考虑两个价格较高12和30年的重新喷漆 这是因为重新喷漆时间会 减小 LCC 增加 公式 1 最后 考虑重新喷漆时间间隔为10年的情况下 贴现率为0 03 图第1 f 所示 LCC 重新喷漆成本 Tri 6 12 18 平方英尺两种钢箱梁 同样 这个折扣率 和重新喷漆时间表 LCC 传统碳钢梁也高于两个考虑价格较高 12和18 平方英尺 重新喷漆后的第 一次重新喷漆 A1010钢 随着重新粉刷 传统碳钢 LCC 成本价格下限变得高于20 年后经过再次粉刷维护的 A1010钢 建筑物建成时间建筑物建成时间 建筑物施工时间建筑物施工时间 建筑物施工时间建筑物施工时间 寿命周期的概率分析 在本节中 与随机变量相关的不确定性引入中的生命周期分析 考虑到所有 可能的实现这些随机变量 蒙特卡罗模拟50万个样本进行 相应地 500000的随 机值产生每个随机变量 其概率密度函数 将样品包括从每个随机变量产生的值 对于每个样品 进行生命周期分析以类似的方式 在上一节 因此 50万LCC配 置文件生成的统计和概率分析 值得注意的是 该模拟只进行常规的传统碳钢梁 LCC A1010钢梁被认为确定和持续延长整个桥梁的使用寿命 可以使用一些描述来表示的模拟结果 如均值或分位数 在此技术说明中 被认为是平均的 在每个时间点上 从所有500 000生成的平均值 LCC 在该时 间点 来计算 结果是一个传统的钢梁平均 LCC 配置文件 此配置文件中提出 图2 a 此外 图中是 LCC A1010钢箱梁的成本随着时间的推移 总的初始成 本保持不变 由于本技术说明的最终目标是由两种钢梁之间的 LCC 的概率比较 它被认为是最合适的方法进行比较研究的可能性 传统的传统碳钢箱梁的成本是 高于 A1010钢梁成本 此概率的计算方法为 结果示于图中 图2 b 根据此概率分析 常规的传统碳钢梁具有较低的 LCC 从10年开始有一些概率 A1010钢梁具有较低的 LCC 15年中 它是平均概 率 能够 A1010钢具有较低的 LCC 在20年 它是90 可能有较低的 LCC 来自 使用 A1010钢 40年后 它变得几乎可以肯定 A1010钢是最符合成本效益 此 后 LCC A1010钢的有效性增加超过桥的使用寿命 结论 此技术说明中的计算 结果和结论的分析调查 比较的模型钢桥梁免维护钢 指定的 ASTM A1010相同型号的梁和传统和 LCC LCC 碳钢需要维护 重新喷漆 的成本 传统的钢相比 在其下的 LCC A1010钢的可行性判断 进行确定性分析显示 其中几个案例被认为是计算在这两种钢材的钢桥梁的 LCC 确定性的分析显示 结合 LCC 极端情况下的频率最高的重新喷漆的 间隔 10年 在最低折扣率 0 和的最高重新喷漆成本 18 平方尺 LCC 在125 年的常规碳钢梁 A1010钢高出许多倍 此外 具有的较低的结合的极端情况下具 有最低的频率的再油漆 20年的时间间隔 在最高折扣率 3 和的最低再 油漆的费用 六 B 平方英尺 LCC 常规钢的成本变得更高的