谈述成本基于成本和维护不确定性因素桥梁上部结构替代性补强材料寿命周期成本
本站原创 摘 要：本文对使用碳纤维增强复合材料（CFRP）筋索的预应力混凝土桥梁的上部结构进行了寿命周期成本分析（LCCA），同时对传统补强材料阴极保护裸钢和环氧涂层钢进行了比较。首先运用一系列确定性LCCA来确定不同桥梁跨度和交通量的预期成本，然后对包含活动时间和成本随机变量的选定结构进行概率寿命周期成本分析。结果发现，尽管起初碳纤维增强复合材料更加昂贵，但使用碳纤维增强复合材料能使寿命周期成本显著下降。在桥梁初建后的第23-77年中，有95%的桥梁使用最便宜的替代材料。就寿命周期成本而言，发现能最有效地利用碳纤维增强复合材料的是在大交通量区域中的AASHTO梁式桥。工业部：10.1061/（美国土木工程师协会）制造技术.1943 - 553
引言
据估计，美国大约有30%的桥梁由于钢筋腐蚀需要立即修复，费用估计超过80亿美元[Won等.2007；美国联邦公路管理局2001]。腐蚀的主要原因是外曝于氯化物中，这种氯化物常常存在于除冰化学品和海水中。腐蚀使得产品钢的体积增加3-6倍，而锈蚀钢膨胀使得周围的混凝土遭到破坏。这一直是混凝土桥梁构件维修中的一个重大而且费用高的问题。尽管也尝试了各种减少损坏的方法，其中包括使用掺合料和改变混凝土配合比设计来防止氯离子侵蚀或作用、增加钢筋上面的混凝土保护层、阴极保护以及使用环氧涂层钢筋等，但总体来说，这些方法成功性有限。（美国联邦公路管理局，2001；史密斯和维尔马尼，1996）。
针对这个问题，过去二十年产生了兴起了无腐蚀性替代材料（如纤维增强复合材料）（FRP），这种材料在少数桥梁中取代了传统钢筋。尽管该材料没有编纂在AASHTO桥梁设计规范（2007）和ACI-318[美国混凝土协会（ACI） 2008]结构混凝土建筑规范要求中，但美国混凝土学会（ACI）发行的出版物ACI-440.1-R（ACI 2006）：纤维增强结构混凝土型材设计与操作和ACI 440.4 R（ACI 2004）：FRP筋预应力混凝土结构为使用纤维增强复合材料（FRP）代替钢筋提供了设计指导。最近AASHTO制定了一个类似的文件（AASHTO 2009），专门用于使用玻璃纤维增强聚合物筋的桥面。
目前，全世界桥梁中有各种FPR补强的实例。在美国桥梁（后跟建造年度）中有：俄亥俄州利马皮尔斯街桥梁（1999）、俄亥俄州代顿市萨勒姆大道桥梁（1999）、新罕布什尔州罗林斯福德罗林斯桥梁（2000）、德克萨斯州波特县西雅里塔德拉克鲁兹克里克大桥 （2000）、爱俄华州贝顿多夫53号大道桥梁（2001）、密歇根州萨斯菲尔德布里奇街桥梁（2001）、威斯康辛州渥潘151号公路上的桥梁（2005）和密苏里州布恩县Y路桥梁（2007）等等。
由于FRP补强桥梁的初期建造成本通常比钢结构桥梁高很多， 而且FRP潜在的经济优势只有在考虑延长期费用才能实现。也就是说，使用无腐蚀性的FRP材料和钢结构相比，降低的维修费用最终可能高于初期建造成本。因此，必须用寿命周期费用分析（LCCA）来确定是否能最终节约成本、什么时候可以实现成本节约。这种方法可协助运输机构量化经济效应，是时间和桥梁用筋替代材料的函数。由于施工成本、时间和众多维护事件中的相关费用很难确定，因此LCCA是考虑这些不确定性因素的重要组成部分。
通过把LCCA临界参数作为随机变量，包含的不确定性因素使得结果可以用概率意义来表示。例如，一种补强替代性材料比另一种材料费用更低的概率是时间的函数。
近二十年来，大量著作论述了土木工程结构和设施的寿命周期成本分析（LCCA），而且很多研究把LCCA应用到道路 （布拉帝等，1995； 韦德，2001； 普拉提科等， 2011）和桥梁结构中，还有许多作品集中在桥梁构件替代性选择成本效率的评估 （费根和法雷斯，2000）或特定恶化桥梁构件的处理方法，这些方法可能涉及混凝土结构（穆哈马迪等，1995；巴斯卡伦恩等，2006）或钢桁桥（扎耶德等，2002；韦耶斯和古德温，1999） 的钢筋锈蚀。作者纷纷利用LCCA来开发桥梁管理工具，这样通过优化维护活动可以获得桥面和其它构件的最低寿命成本（拉费格等，2005；赫嘎滋等，2004；凯托等，2001；黄等，2004）；国家合作项目研究（NCHRP）第483号报告 [美国运输研究委员会（TRB）2003]概括了桥梁结构LCCA的通用方法。最近，研究者试图采用LCCA中的环境成本对桥梁结构的可持续性进行研究（格里亚西欧和达·希尔瓦，2008；肯德尔等，2008）。LCCA也一直运用于预制复合桥面（哈斯塔克等，2003；艾伦和马歇尔，1996；艾伦，1999；梅亚拉斯等，2002；尼斯特若姆等，2003；钱德勒，2004）。其它有关LCCA的著作主要强调成本、恶化以及负载的不确定性（弗拉恩果珀尔等，2001；2009；索弗特·克里斯腾森，2009；戴格尔和劳尼斯，2006；弗鲁塔等，2007）。然而，除众多作者的初始著述外（延森等，2009），还没有人对使用CFRP加强筋索来代替钢筋的预应力混凝土桥梁进行寿命周期成本分析，特别是要考虑调度和成本不确定性的情况下。目前的研究非常重要，因为它考虑了在混凝土桥梁结构中选择性使用CFRP来代替钢筋，而早期的研究都集中在用复合材料代替整个桥梁组件（即钢铁和混凝土），而且本研究考虑的方法要比之前的研究具有更大的经济可行性（尼斯特若姆等，2003；艾伦，1999）。
因此，本研究的目的是确定采用CFRP加强筋索预应力混凝土桥梁是否是对传统的钢筋预应力混凝土桥梁有经济效益的替代。本研究的具体目标有：（1）基于费用和维护的不确定性确定典型的裸钢、环氧涂层钢和CFRP预应力混凝土桥梁的寿命周期费用（LCC）；（2）确定费用更低的CFRP补强材料的概率是时间的函数。结构考虑
我们希望所代表的各种实际桥梁配置对补强替代性材料LCC的考虑可分为有利的、不利的和典型的几种。因此，在应用计算费用更高的LCCA概率之前，已完成各种桥梁和交通配置的一系列确定性LCCA，以确定可合理提供宽范围结果概率的情况。根据跨度并结合两种桥主梁形式、三种跨度长度和两至三个交通量来确定26个LCCA临界量。
梁的类型为并列预应力混凝土箱梁和AASHTO预应力标准梁。该箱梁桥是以使用MDOT现存的典型双车道设计为基础。这是一座预制、预应力桥，横向后张，有原施工图纸。该桥位于密歇根东南部的奥克兰县，连接96号州际公路上方的希尔南路。
此处，希尔南路（桥上）有两个并排车道；而I-96（桥下）在两个方向上有三个车道。该桥总长为74.4米（244英尺），由两个37.2米（122英尺）长的简支跨构成。桥面宽13.7米（45英尺），厚15.2厘米（6英寸），铺有单层钢筋。桥由11个并排预制预应力的箱梁组成，各个箱梁的截面积见图1。除了考查分析37.2米（122英尺）跨度的桥梁外，同时也考查分析了短跨度13.7米（45英尺）和中等跨度18.3米（60英尺）的桥梁结构。对于这两种其它情况，原来大跨度的结构构件为这些新的长度进行了重新设计。现有桥梁和两个短跨度假设性结构是以AASHTO LRFD桥梁设计规范（ASSHTO 1998）为基础的密歇根桥设计手册（MDOT 2001，2003）而设计。同样，假设的大跨度、中等跨度和短跨度预应力混凝土AASHTO梁式桥是以MDOT实例为基础。 除22.9厘米（9英寸）厚的面板之外这些MDOT实例拥有箱梁桥相同的整体几何图形。中等跨度的AASHTO梁式桥横截面如图2所示。
每座桥考虑了两种交通量：低交通量-初始年平均日交通量（AADT）为1000；大交通量，初始AADT为10000。年增长率取2%，最大平均日交通量为26000，这是根据公路容量手册（TRB，2000）畅通车道容量计算出来的。桥的交通量见表1，年增长率为1%。短跨度、中跨度和大跨度桥梁的交通车道分别假定为
a.低跨、中跨和大跨的最大年平均日交通量（Max. AADT）分别为120，000、200，000、250，000。会计论文大纲范文
本研究的重点：（1）碳钢（即没有环氧涂层）阴极保护钢筋（2）环氧涂层钢筋（3）CFRP筋。CFRP桥梁是根据ACI 440.1（ACI 2006）和ACI 440.4（ACI 2004）设计指南设计，并使用典型的CFRP补强筋性能（强度965-1030MPa（140-150ksi）。这样设计的CFRP具有和钢筋桥梁相同的抗弯和抗剪设计能力。
根据下面（即把维修时间和成本随机变量作为等同于其意义的确定性值）详细介绍的活动时间安排和费用的确定性，发现碳钢和环氧涂层钢筋的LCC彼此相差很少，但是他们与CFPR有很大不同。交通量是最有影响的参数，因为由于维修而导致交通延误，从而可能导致重大用户成本。案例发现对CFRP对不利的是桥上和桥下的低交通量（LL案例）。而对CFRP最有利的情况是桥上和桥下的大交通量（HH案例）。CFRP典型的结果是桥下的中等交通量和桥上的低交通量（ML案例）。中等跨度桥梁代表了这些情况。因此，考虑到交通量LL、ML和HH，选择概率LCCA、中等跨度桥梁（两中梁类型）作为总体6种
情形。
寿命周期成本模型
LCCA包括初期建设的费用和活动定时，检验、修理和维护、拆除、更换以及相关的用户成本。
活动时间
美国联邦公路管理局建议（FHWA，2002），分析周期必须足够长，包括各种补强替代性材料的恢复活动。为了满足该要求，实行LCCA多达100年。然而，这项研究的结果是逐年累计的，共100年，因此LCC可指任何更短的实际周期。
为了一致比较各种情况的LCC，重要的是要从维护活动按计划进行，这样，任何一年预期的桥梁状况在三种补强替代性材料下都相同。为了保持相同的性能水平，要确定不同的经营、维护保养（OM&R）策略，以考虑各种类型桥梁的补强替代材料。
桥梁恶化是由于材料退化、疲劳和过载导致的。在钢筋混凝土桥梁中，使用CFRP来减轻的主要损坏是腐蚀损坏。目前已经开发了基于腐蚀混凝土恶化的模型（例如，吴和斯图尔特，2005；瓦尔， 2007）。然而，尽管恶化的模型有用，但不能解释影响某一点对恶化反应情况的众多因素。会计毕业实习论文
这些模型可能不能很好地预测实际维修活动时间。因此，对于碳钢（有阴极保护）和环氧涂层钢桥梁，本研究中的维护保养（OM&R）策略是根据MDOT实际情况，用于时间间隔内检查、桥面和有关梁的维护工作、上部结构拆除和更换。目前，MDOT使得阴极保护碳钢桥梁和环氧涂层钢筋桥梁的维修计划没有差别。对于AASHTO梁式桥，活动时间安排与箱形梁桥梁相同，除了桥面更换工作是换成桥面深覆层。根据MDOT，钢筋高速公路桥梁的上部结构预计的使用寿命大约为65年，而且在整个寿命期间要实施各种预期的维护活动。
钢筋桥梁LCCA中代表维护活动时间的随机变量（RVs）如表2所示。注意，调度RVs不是独立的，它是一个活动的调度，该活动取决于完成另一项活动的时间，这总结在表2的“初始”列中。RVs呈正态分布，其活动时间的平均值为是以当前MDOT维修计划实际情况为基础，而变异系数（COV）是根据MDOT目录中32个预应力混凝土公路桥梁样本计算的，MDOT目录的历史性调度信息可供使用。其结构相似，体现在年龄（都建于20世纪60年代）、地理位置（密歇根州东南部）和交通量（都位于主要州际公路上）方面，本研究考虑了结构的结构形式（AASHTO梁）。100年LCCA期间维护活动时间RVs的平均价值如图3（a）所示。由于MDOT在其目录中没有CFRP补强桥，我们参考了日本[高级复合电缆协会（ACC）2002，Itaru等，2006]和加拿大（Fam等，1997） 现存补强桥梁的OM&R策略，为平均定时活动来建立一个预期的维护计划。基于这些计划，CFRP筋桥梁桥在其使用寿命期间只需桥面铺上一层浅浅的覆盖物和一次桥面更换，见图3（b）。这些RVs的平均值分别取其为50和80年，变异系数 COVs取自表2对应相应的钢筋桥。这大大减少了预期的维修活动，因为使用CFRP的目的是消除腐蚀的混凝土构件。在MDOT实际情况的基础上，检查计划表一般不会改变，而且它是每隔一年进行日常检查的一个确定性活动，每隔5年对钢结构桥详细检查，每隔10年对CFRP补强桥进行详细检查（但不在上部结构更换期间检查）。
成本
（即DOT）成本包括材料费用、人员费用以及初始建设、日常检查、详细检查、碳钢阴极保护、桥面铺设、桥面更换、梁端修理、梁更换，上部结构拆除和上部结构更换相关的设备费用。注意，对于桥梁拆除，MDOT没有明确地考虑残值。然而，如果包括重要残值， LCCA结果可能改变。
碳钢（BS）、环氧涂层钢（ES）和CFRP补强材料情形的成本随机变量如表3所示，它们都是正态分布。许多平均变量成本以子成本组合为基础。材料的平均成本如混凝土、钢筋和CFRP是根据2009年MDOT和CFRP生产商估计的。剩下的平均成本是根据MDOT估计和其它来源（ACC 2002； MDOT 2006， 2008）。为了计算与成本有关的COVs，从各个相关源集中了资料。建造成本COVs是以桥梁分析和建造工程成本变量为基础（塞托等，1998；斯基特莫尔和恩格，2002），而维修和维护成本COVs取自DOT桥维修成本记录（索巴聂奥和汤姆普森，2001）。
用户成本
在建造和维护过程中，交通延误，事故率增加。施工导致的延误成本包括时间价值都因为出行时间增加、额外的车辆运营成本和应急成本增加而失去了。因此，平均用户成本为出行时间成本、机动车辆运营成本和应急成本的总和。公式（1）-（3）用来计算这些成本的，如下所示：大学生会计论文
出行时间成本=
机动车运营作成本=
应急成本=会计类毕业论文格式
L为车辆行驶路段受影响的道路长度；Sa为道路维修期间是交通速度；Sn为正常交通速度；N为道路维修天数；W=司机每小时的价值；r为每小时机车运营成本；Ca为每件事故的成本；Aa和An分别为施工期间事故率和每一百万英里正常事故率。
这些参数的数值如表4所示。分析期间每年的AADT值是根据起始AADT和交通增加率（前面已给出）计算，交通增加率受最大AADT值的限制。其它参数值是根据现成的文献（艾伦和马歇尔， 1996；艾伦， 1999；黄等，2004；MDOT， 2010； AAA 2008； U.S. DOT 2002）取值。出行时间成本COV（0.12）是根据美国DOT编撰的数据分析结果（U.S. DOT 1997），而机动车辆运营成本COV（0.18）是从不同类型机车运营成本计算出来的（AAA 2008； U.S. DOT FHWA 2007）。机车应急成本COV（0.13）是根据FHWA编撰的与桥梁工地相关的应急几何数据资料取值的（FHWA 2005）。产生的用户成本RVs见表5， 并视作正态分布。本文不包括与疏忽、环境破坏、噪音污染和地方业务影响有关的外部因素。考虑这些成本可能会影响LCCA的结果。
a由于初期的阴极保护成本，起初BS要比 EC费用更高。财务分析毕业论文
b箱梁桥的成本。对于AASHTO梁式桥，BS、EC和 CFRP的 AC1平均值分别为6，84，000， 5，87，500和7，40，700。
寿命周期成本
总寿命周期成本是所有年度部分成本的总和。因为美元在不同的时间花费有不同的现值（PV），所以在时间t的未来成本Ct要通过使用实际贴现率r调整未来成本的方法将其转换为一致的美元现值，然后对结果T年求和如下（艾伦，1999）：
aL和N值根据活动情况从低 （常规检查）到高（上部结构更换）变化。
aCOV值在分析中不断变化，它是COVs以出行时间成本（0.12）、营运成本（0.18）和应急费用（0.13）的函数。
实际贴现率反映时间的机会价值，用于计算通货膨胀和贴现的影响。实际折现率取值为3%（美国联邦公路管理局，2002）。
本研究的初期建造成本发生在第0年，桥梁建造后的第一年定义为年1，任何后续活动相关的成本在实际贴现率的基础上以现值表示。
LCCA程序
对于概率分析所考虑的每种桥梁配置（HH、ML和LL交通量的箱式和AASHTO梁中等跨度桥梁），采用蒙特卡洛模拟（MCS）首先生成模拟工作时间。然后，生成模拟费用。对于所考虑的每种桥梁和补强形式，每年实施100，000次模拟。具体的LCCA方法如下（基于每个MCS模拟i）：
1. 桥梁的维护计划是依据表2所示统计参数和关系对时间RV取样来生成。该维护计划与图3所示类似，但是模拟i的具体时间由随机取样确定；
2.如果维修计划是在步骤1中生成的，对每个年j，采用MCS模拟年j的RV成本，方法是使用该年度表3和表5的RV统计参数。对于大于0的年份，年j的累计成本是由前一年的成本转换为现值，并使用方程（4）将直至j年的值求和来确定。所有年度（从j=0到j=100）的累计成本也用这种方式确定。
3. 步骤1和步骤2重复三次，三种补强替代材料（BS、EC、CFRP）每种一次，用来比较；
4. 为进行概率分析，需要极限状态函数（g）。在本研究中，利润是成本的极限状态函数，这可以用不同的等效方法来表达，最直接的是：gj=CCFRP -Calternative，CCFRP是CFRP补强桥梁的累计费用，Calternative是碳钢或环氧涂层钢桥的累计成本，以任何一个都可以用在年j作比较的为准。如果gj0 或gj< 0）是每年j的记录；
5. 步骤1-4重复i=1-100，000次模拟。每个年j的成本概率 （P）就可通过传统MCS过程，使用公式（5）确定如下：
结果表6总结了补强替代材料的平均初始成本（第0年）和寿命周期成本（第100年）。如图所示，使用碳钢（BS）或环氧涂层钢（EC）在初始成本和寿命周期成本方面不会有大的差异，只是BS在桥的整个寿命中的费用稍高（即使初期首次阴极保护的成本包含在桥梁初期建造成本中），差异随着时间不断增加，在第100年范围约为5-11%。然而，与CFRP相比，差别相对较大。CFRP在初期的费用更高 （最差情况下，要比钢筋高60%），但在第100年费用显著降低，钢桥的寿命周期成本LCC要比CFRP桥高53 - 205%。在该范围内，CFRP最好情形是大交通量的AASHTO梁式桥，而最差的情况是小交通量的箱梁桥。表7详细提供了在第100年LCC的衰弱。对于钢桥，费用最高的是桥面的覆盖层，桥面和上部结构更换。注意，对于钢筋桥梁，用户成本在桥的寿命期远远超过成本，这就是为什么在大交通量下减少对CFRP桥的维修计划可以比钢桥降低寿命周期成本的主要原因。专业论文网
图4和图5提供了每年累计寿命周期成本的概率结果。所有情况下，在桥的寿命期内环氧涂层钢EC比碳钢BS成本稍低。
CFRP起初的概率很低，是费用最低的选择 （各种情况下概率大约为4-40%），但最终成为成本最低的选项，而且所有情况下的概率都很高。累计概率图说明在低交通量使用箱形梁的桥是CFRP最不好的情形（图4、LL情形），尽管在这种情况下CFRP也最便宜。注意，在这些情况下， CFRP成本效率的峰值概率发生在接近第75年的地方，然后逐渐降低。很可能在相当长的时期内，传统的钢筋桥可能在小交通量情况下再次成为成本效率最高的。表8提供了该年CFRP补强桥成本低于碳钢或环氧涂层材料的概率≥0.5 （预期的“平衡”年），以及该年最低CFRP成本的概率≥0.95。如表所示，平衡年的范围为6-40，CFRP最佳情形发生大交通量的AASHTO梁式桥，而最糟糕的情况发生在低交通量的箱梁桥。类似的趋势表明，当考虑CFRP很可能是最便宜的替代材料（即，≥0.95）的年份是在初建后的第23-77年。
aCFRP成本概率在稳步下降到第100年的0.91。
bCFRP成本的最大概率在第76年是0.86，并稳步下降到第100年的0.82。
结论
基于箱梁和AASHTO梁有三种不同的交通量，本文对预应力混凝土桥进行了寿命周期成本分析（LCCA），目的是为了确定无保护钢与阴极保护、环氧涂层钢和CFRP筋的累计寿命周期成本和相对成本效率为时间的函数。通过运用统计资料，在分析中以维护实际情况和密西根 DOT成本为基础，结果发现，尽管CFRP筋桥比钢筋桥在期初可能代价更高，但CFRP补强材料在结构的寿命期间已成为最便宜的选择。具体发现如下：
1. 交通量对LCC和CFRP筋桥对钢筋桥的成本效率有显著影响。使用CFRP筋表明在大交通量区域可使钢筋桥最大化减少寿命周期成本（LCC）。会计毕业答辩
2. 在AASHTO梁式桥中，使用CFRP补强材料与箱梁桥相比，寿命周期成本（LCC）更低。因此，最有效利用CFRP筋是在大交通量区域的AASHTO梁式桥。
3. 虽然使用CFRP筋起初更加更昂贵，但其可能大大降低寿命周期成本，100年中钢筋桥的寿命周期成本要比CFRP桥的寿命周期成本多53-205%。收支平衡年限范围为6-40年，而CFRP在初建后的23-77年中可能是费用最低的替代性材料（≥0.95），但要依据桥的情况而
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作者简介会计系毕业论文范文
1密西根州底特律韦恩州立大学土木与环境工程副教授，48202（作者通讯地址）。电子邮件：eamon@eng.wayne.edu
2密西根州萨斯菲尔德劳伦斯科技大学研究生院副长，48075。
3密西根州萨斯菲尔德劳伦斯科技大学工程学院院长和特聘教授，48075。
4密西根州萨斯菲尔德劳伦斯科技大学土木工程系研究生，48075。
说明：本稿于2010年11月1日提交，2011年9月25日批准，2012年3月15日在线发布。公开讨论时间至2012年9月1日。个人论文必须提交单独讨论。本文选自《土木工程材料杂志》，第4期，第24卷，2012年4月1日。
?美国土木工程师协会，ISSN 0899-1561/2012/4-373-380/$25.00.
3.000039 2012美国土木工程师协会。关于会计的毕业论文 范文
关键词：寿命周期；成本；碳纤维增强复合材料；混凝土桥梁。引言
据估计，美国大约有30%的桥梁由于钢筋腐蚀需要立即修复，费用估计超过80亿美元[Won等.2007；美国联邦公路管理局2001]。腐蚀的主要原因是外曝于氯化物中，这种氯化物常常存在于除冰化学品和海水中。腐蚀使得产品钢的体积增加3-6倍，而锈蚀钢膨胀使得周围的混凝土遭到破坏。这一直是混凝土桥梁构件维修中的一个重大而且费用高的问题。尽管也尝试了各种减少损坏的方法，其中包括使用掺合料和改变混凝土配合比设计来防止氯离子侵蚀或作用、增加钢筋上面的混凝土保护层、阴极保护以及使用环氧涂层钢筋等，但总体来说，这些方法成功性有限。（美国联邦公路管理局，2001；史密斯和维尔马尼，1996）。
针对这个问题，过去二十年产生了兴起了无腐蚀性替代材料（如纤维增强复合材料）（FRP），这种材料在少数桥梁中取代了传统钢筋。尽管该材料没有编纂在AASHTO桥梁设计规范（2007）和ACI-318[美国混凝土协会（ACI） 2008]结构混凝土建筑规范要求中，但美国混凝土学会（ACI）发行的出版物ACI-440.1-R（ACI 2006）：纤维增强结构混凝土型材设计与操作和ACI 440.4 R（ACI 2004）：FRP筋预应力混凝土结构为使用纤维增强复合材料（FRP）代替钢筋提供了设计指导。最近AASHTO制定了一个类似的文件（AASHTO 2009），专门用于使用玻璃纤维增强聚合物筋的桥面。
目前，全世界桥梁中有各种FPR补强的实例。在美国桥梁（后跟建造年度）中有：俄亥俄州利马皮尔斯街桥梁（1999）、俄亥俄州代顿市萨勒姆大道桥梁（1999）、新罕布什尔州罗林斯福德罗林斯桥梁（2000）、德克萨斯州波特县西雅里塔德拉克鲁兹克里克大桥 （2000）、爱俄华州贝顿多夫53号大道桥梁（2001）、密歇根州萨斯菲尔德布里奇街桥梁（2001）、威斯康辛州渥潘151号公路上的桥梁（2005）和密苏里州布恩县Y路桥梁（2007）等等。
由于FRP补强桥梁的初期建造成本通常比钢结构桥梁高很多， 而且FRP潜在的经济优势只有在考虑延长期费用才能实现。也就是说，使用无腐蚀性的FRP材料和钢结构相比，降低的维修费用最终可能高于初期建造成本。因此，必须用寿命周期费用分析（LCCA）来确定是否能最终节约成本、什么时候可以实现成本节约。这种方法可协助运输机构量化经济效应，是时间和桥梁用筋替代材料的函数。由于施工成本、时间和众多维护事件中的相关费用很难确定，因此LCCA是考虑这些不确定性因素的重要组成部分。
通过把LCCA临界参数作为随机变量，包含的不确定性因素使得结果可以用概率意义来表示。例如，一种补强替代性材料比另一种材料费用更低的概率是时间的函数。
近二十年来，大量著作论述了土木工程结构和设施的寿命周期成本分析（LCCA），而且很多研究把LCCA应用到道路 （布拉帝等，1995； 韦德，2001； 普拉提科等， 2011）和桥梁结构中，还有许多作品集中在桥梁构件替代性选择成本效率的评估 （费根和法雷斯，2000）或特定恶化桥梁构件的处理方法，这些方法可能涉及混凝土结构（穆哈马迪等，1995；巴斯卡伦恩等，2006）或钢桁桥（扎耶德等，2002；韦耶斯和古德温，1999） 的钢筋锈蚀。作者纷纷利用LCCA来开发桥梁管理工具，这样通过优化维护活动可以获得桥面和其它构件的最低寿命成本（拉费格等，2005；赫嘎滋等，2004；凯托等，2001；黄等，2004）；国家合作项目研究（NCHRP）第483号报告 [美国运输研究委员会（TRB）2003]概括了桥梁结构LCCA的通用方法。最近，研究者试图采用LCCA中的环境成本对桥梁结构的可持续性进行研究（格里亚西欧和达·希尔瓦，2008；肯德尔等，2008）。LCCA也一直运用于预制复合桥面（哈斯塔克等，2003；艾伦和马歇尔，1996；艾伦，1999；梅亚拉斯等，2002；尼斯特若姆等，2003；钱德勒，2004）。其它有关LCCA的著作主要强调成本、恶化以及负载的不确定性（弗拉恩果珀尔等，2001；2009；索弗特·克里斯腾森，2009；戴格尔和劳尼斯，2006；弗鲁塔等，2007）。然而，除众多作者的初始著述外（延森等，2009），还没有人对使用CFRP加强筋索来代替钢筋的预应力混凝土桥梁进行寿命周期成本分析，特别是要考虑调度和成本不确定性的情况下。目前的研究非常重要，因为它考虑了在混凝土桥梁结构中选择性使用CFRP来代替钢筋，而早期的研究都集中在用复合材料代替整个桥梁组件（即钢铁和混凝土），而且本研究考虑的方法要比之前的研究具有更大的经济可行性（尼斯特若姆等，2003；艾伦，1999）。
因此，本研究的目的是确定采用CFRP加强筋索预应力混凝土桥梁是否是对传统的钢筋预应力混凝土桥梁有经济效益的替代。本研究的具体目标有：（1）基于费用和维护的不确定性确定典型的裸钢、环氧涂层钢和CFRP预应力混凝土桥梁的寿命周期费用（LCC）；（2）确定费用更低的CFRP补强材料的概率是时间的函数。结构考虑
我们希望所代表的各种实际桥梁配置对补强替代性材料LCC的考虑可分为有利的、不利的和典型的几种。因此，在应用计算费用更高的LCCA概率之前，已完成各种桥梁和交通配置的一系列确定性LCCA，以确定可合理提供宽范围结果概率的情况。根据跨度并结合两种桥主梁形式、三种跨度长度和两至三个交通量来确定26个LCCA临界量。
梁的类型为并列预应力混凝土箱梁和AASHTO预应力标准梁。该箱梁桥是以使用MDOT现存的典型双车道设计为基础。这是一座预制、预应力桥，横向后张，有原施工图纸。该桥位于密歇根东南部的奥克兰县，连接96号州际公路上方的希尔南路。
此处，希尔南路（桥上）有两个并排车道；而I-96（桥下）在两个方向上有三个车道。该桥总长为74.4米（244英尺），由两个37.2米（122英尺）长的简支跨构成。桥面宽13.7米（45英尺），厚15.2厘米（6英寸），铺有单层钢筋。桥由11个并排预制预应力的箱梁组成，各个箱梁的截面积见图1。除了考查分析37.2米（122英尺）跨度的桥梁外，同时也考查分析了短跨度13.7米（45英尺）和中等跨度18.3米（60英尺）的桥梁结构。对于这两种其它情况，原来大跨度的结构构件为这些新的长度进行了重新设计。现有桥梁和两个短跨度假设性结构是以AASHTO LRFD桥梁设计规范（ASSHTO 1998）为基础的密歇根桥设计手册（MDOT 2001，2003）而设计。同样，假设的大跨度、中等跨度和短跨度预应力混凝土AASHTO梁式桥是以MDOT实例为基础。 除22.9厘米（9英寸）厚的面板之外这些MDOT实例拥有箱梁桥相同的整体几何图形。中等跨度的AASHTO梁式桥横截面如图2所示。
每座桥考虑了两种交通量：低交通量-初始年平均日交通量（AADT）为1000；大交通量，初始AADT为10000。年增长率取2%，最大平均日交通量为26000，这是根据公路容量手册（TRB，2000）畅通车道容量计算出来的。桥的交通量见表1，年增长率为1%。短跨度、中跨度和大跨度桥梁的交通车道分别假定为
4、6、8。
结合桥的主梁类型、跨度和交通量得出了26种确定性LCCA。每种情况考虑三种补强替代材料。a.低跨、中跨和大跨的最大年平均日交通量（Max. AADT）分别为120，000、200，000、250，000。会计论文大纲范文
本研究的重点：（1）碳钢（即没有环氧涂层）阴极保护钢筋（2）环氧涂层钢筋（3）CFRP筋。CFRP桥梁是根据ACI 440.1（ACI 2006）和ACI 440.4（ACI 2004）设计指南设计，并使用典型的CFRP补强筋性能（强度965-1030MPa（140-150ksi）。这样设计的CFRP具有和钢筋桥梁相同的抗弯和抗剪设计能力。
根据下面（即把维修时间和成本随机变量作为等同于其意义的确定性值）详细介绍的活动时间安排和费用的确定性，发现碳钢和环氧涂层钢筋的LCC彼此相差很少，但是他们与CFPR有很大不同。交通量是最有影响的参数，因为由于维修而导致交通延误，从而可能导致重大用户成本。案例发现对CFRP对不利的是桥上和桥下的低交通量（LL案例）。而对CFRP最有利的情况是桥上和桥下的大交通量（HH案例）。CFRP典型的结果是桥下的中等交通量和桥上的低交通量（ML案例）。中等跨度桥梁代表了这些情况。因此，考虑到交通量LL、ML和HH，选择概率LCCA、中等跨度桥梁（两中梁类型）作为总体6种
情形。
寿命周期成本模型
LCCA包括初期建设的费用和活动定时，检验、修理和维护、拆除、更换以及相关的用户成本。
活动时间
美国联邦公路管理局建议（FHWA，2002），分析周期必须足够长，包括各种补强替代性材料的恢复活动。为了满足该要求，实行LCCA多达100年。然而，这项研究的结果是逐年累计的，共100年，因此LCC可指任何更短的实际周期。
为了一致比较各种情况的LCC，重要的是要从维护活动按计划进行，这样，任何一年预期的桥梁状况在三种补强替代性材料下都相同。为了保持相同的性能水平，要确定不同的经营、维护保养（OM&R）策略，以考虑各种类型桥梁的补强替代材料。
桥梁恶化是由于材料退化、疲劳和过载导致的。在钢筋混凝土桥梁中，使用CFRP来减轻的主要损坏是腐蚀损坏。目前已经开发了基于腐蚀混凝土恶化的模型（例如，吴和斯图尔特，2005；瓦尔， 2007）。然而，尽管恶化的模型有用，但不能解释影响某一点对恶化反应情况的众多因素。会计毕业实习论文
这些模型可能不能很好地预测实际维修活动时间。因此，对于碳钢（有阴极保护）和环氧涂层钢桥梁，本研究中的维护保养（OM&R）策略是根据MDOT实际情况，用于时间间隔内检查、桥面和有关梁的维护工作、上部结构拆除和更换。目前，MDOT使得阴极保护碳钢桥梁和环氧涂层钢筋桥梁的维修计划没有差别。对于AASHTO梁式桥，活动时间安排与箱形梁桥梁相同，除了桥面更换工作是换成桥面深覆层。根据MDOT，钢筋高速公路桥梁的上部结构预计的使用寿命大约为65年，而且在整个寿命期间要实施各种预期的维护活动。
钢筋桥梁LCCA中代表维护活动时间的随机变量（RVs）如表2所示。注意，调度RVs不是独立的，它是一个活动的调度，该活动取决于完成另一项活动的时间，这总结在表2的“初始”列中。RVs呈正态分布，其活动时间的平均值为是以当前MDOT维修计划实际情况为基础，而变异系数（COV）是根据MDOT目录中32个预应力混凝土公路桥梁样本计算的，MDOT目录的历史性调度信息可供使用。其结构相似，体现在年龄（都建于20世纪60年代）、地理位置（密歇根州东南部）和交通量（都位于主要州际公路上）方面，本研究考虑了结构的结构形式（AASHTO梁）。100年LCCA期间维护活动时间RVs的平均价值如图3（a）所示。由于MDOT在其目录中没有CFRP补强桥，我们参考了日本[高级复合电缆协会（ACC）2002，Itaru等，2006]和加拿大（Fam等，1997） 现存补强桥梁的OM&R策略，为平均定时活动来建立一个预期的维护计划。基于这些计划，CFRP筋桥梁桥在其使用寿命期间只需桥面铺上一层浅浅的覆盖物和一次桥面更换，见图3（b）。这些RVs的平均值分别取其为50和80年，变异系数 COVs取自表2对应相应的钢筋桥。这大大减少了预期的维修活动，因为使用CFRP的目的是消除腐蚀的混凝土构件。在MDOT实际情况的基础上，检查计划表一般不会改变，而且它是每隔一年进行日常检查的一个确定性活动，每隔5年对钢结构桥详细检查，每隔10年对CFRP补强桥进行详细检查（但不在上部结构更换期间检查）。
成本
（即DOT）成本包括材料费用、人员费用以及初始建设、日常检查、详细检查、碳钢阴极保护、桥面铺设、桥面更换、梁端修理、梁更换，上部结构拆除和上部结构更换相关的设备费用。注意，对于桥梁拆除，MDOT没有明确地考虑残值。然而，如果包括重要残值， LCCA结果可能改变。
碳钢（BS）、环氧涂层钢（ES）和CFRP补强材料情形的成本随机变量如表3所示，它们都是正态分布。许多平均变量成本以子成本组合为基础。材料的平均成本如混凝土、钢筋和CFRP是根据2009年MDOT和CFRP生产商估计的。剩下的平均成本是根据MDOT估计和其它来源（ACC 2002； MDOT 2006， 2008）。为了计算与成本有关的COVs，从各个相关源集中了资料。建造成本COVs是以桥梁分析和建造工程成本变量为基础（塞托等，1998；斯基特莫尔和恩格，2002），而维修和维护成本COVs取自DOT桥维修成本记录（索巴聂奥和汤姆普森，2001）。
用户成本
在建造和维护过程中，交通延误，事故率增加。施工导致的延误成本包括时间价值都因为出行时间增加、额外的车辆运营成本和应急成本增加而失去了。因此，平均用户成本为出行时间成本、机动车辆运营成本和应急成本的总和。公式（1）-（3）用来计算这些成本的，如下所示：大学生会计论文
出行时间成本=
机动车运营作成本=
应急成本=会计类毕业论文格式
L为车辆行驶路段受影响的道路长度；Sa为道路维修期间是交通速度；Sn为正常交通速度；N为道路维修天数；W=司机每小时的价值；r为每小时机车运营成本；Ca为每件事故的成本；Aa和An分别为施工期间事故率和每一百万英里正常事故率。
这些参数的数值如表4所示。分析期间每年的AADT值是根据起始AADT和交通增加率（前面已给出）计算，交通增加率受最大AADT值的限制。其它参数值是根据现成的文献（艾伦和马歇尔， 1996；艾伦， 1999；黄等，2004；MDOT， 2010； AAA 2008； U.S. DOT 2002）取值。出行时间成本COV（0.12）是根据美国DOT编撰的数据分析结果（U.S. DOT 1997），而机动车辆运营成本COV（0.18）是从不同类型机车运营成本计算出来的（AAA 2008； U.S. DOT FHWA 2007）。机车应急成本COV（0.13）是根据FHWA编撰的与桥梁工地相关的应急几何数据资料取值的（FHWA 2005）。产生的用户成本RVs见表5， 并视作正态分布。本文不包括与疏忽、环境破坏、噪音污染和地方业务影响有关的外部因素。考虑这些成本可能会影响LCCA的结果。
a由于初期的阴极保护成本，起初BS要比 EC费用更高。财务分析毕业论文
b箱梁桥的成本。对于AASHTO梁式桥，BS、EC和 CFRP的 AC1平均值分别为6，84，000， 5，87，500和7，40，700。
寿命周期成本
总寿命周期成本是所有年度部分成本的总和。因为美元在不同的时间花费有不同的现值（PV），所以在时间t的未来成本Ct要通过使用实际贴现率r调整未来成本的方法将其转换为一致的美元现值，然后对结果T年求和如下（艾伦，1999）：
aL和N值根据活动情况从低 （常规检查）到高（上部结构更换）变化。
aCOV值在分析中不断变化，它是COVs以出行时间成本（0.12）、营运成本（0.18）和应急费用（0.13）的函数。
实际贴现率反映时间的机会价值，用于计算通货膨胀和贴现的影响。实际折现率取值为3%（美国联邦公路管理局，2002）。
本研究的初期建造成本发生在第0年，桥梁建造后的第一年定义为年1，任何后续活动相关的成本在实际贴现率的基础上以现值表示。
LCCA程序
对于概率分析所考虑的每种桥梁配置（HH、ML和LL交通量的箱式和AASHTO梁中等跨度桥梁），采用蒙特卡洛模拟（MCS）首先生成模拟工作时间。然后，生成模拟费用。对于所考虑的每种桥梁和补强形式，每年实施100，000次模拟。具体的LCCA方法如下（基于每个MCS模拟i）：
1. 桥梁的维护计划是依据表2所示统计参数和关系对时间RV取样来生成。该维护计划与图3所示类似，但是模拟i的具体时间由随机取样确定；
2.如果维修计划是在步骤1中生成的，对每个年j，采用MCS模拟年j的RV成本，方法是使用该年度表3和表5的RV统计参数。对于大于0的年份，年j的累计成本是由前一年的成本转换为现值，并使用方程（4）将直至j年的值求和来确定。所有年度（从j=0到j=100）的累计成本也用这种方式确定。
3. 步骤1和步骤2重复三次，三种补强替代材料（BS、EC、CFRP）每种一次，用来比较；
4. 为进行概率分析，需要极限状态函数（g）。在本研究中，利润是成本的极限状态函数，这可以用不同的等效方法来表达，最直接的是：gj=CCFRP -Calternative，CCFRP是CFRP补强桥梁的累计费用，Calternative是碳钢或环氧涂层钢桥的累计成本，以任何一个都可以用在年j作比较的为准。如果gj0 或gj< 0）是每年j的记录；
5. 步骤1-4重复i=1-100，000次模拟。每个年j的成本概率 （P）就可通过传统MCS过程，使用公式（5）确定如下：
结果表6总结了补强替代材料的平均初始成本（第0年）和寿命周期成本（第100年）。如图所示，使用碳钢（BS）或环氧涂层钢（EC）在初始成本和寿命周期成本方面不会有大的差异，只是BS在桥的整个寿命中的费用稍高（即使初期首次阴极保护的成本包含在桥梁初期建造成本中），差异随着时间不断增加，在第100年范围约为5-11%。然而，与CFRP相比，差别相对较大。CFRP在初期的费用更高 （最差情况下，要比钢筋高60%），但在第100年费用显著降低，钢桥的寿命周期成本LCC要比CFRP桥高53 - 205%。在该范围内，CFRP最好情形是大交通量的AASHTO梁式桥，而最差的情况是小交通量的箱梁桥。表7详细提供了在第100年LCC的衰弱。对于钢桥，费用最高的是桥面的覆盖层，桥面和上部结构更换。注意，对于钢筋桥梁，用户成本在桥的寿命期远远超过成本，这就是为什么在大交通量下减少对CFRP桥的维修计划可以比钢桥降低寿命周期成本的主要原因。专业论文网
图4和图5提供了每年累计寿命周期成本的概率结果。所有情况下，在桥的寿命期内环氧涂层钢EC比碳钢BS成本稍低。
CFRP起初的概率很低，是费用最低的选择 （各种情况下概率大约为4-40%），但最终成为成本最低的选项，而且所有情况下的概率都很高。累计概率图说明在低交通量使用箱形梁的桥是CFRP最不好的情形（图4、LL情形），尽管在这种情况下CFRP也最便宜。注意，在这些情况下， CFRP成本效率的峰值概率发生在接近第75年的地方，然后逐渐降低。很可能在相当长的时期内，传统的钢筋桥可能在小交通量情况下再次成为成本效率最高的。表8提供了该年CFRP补强桥成本低于碳钢或环氧涂层材料的概率≥0.5 （预期的“平衡”年），以及该年最低CFRP成本的概率≥0.95。如表所示，平衡年的范围为6-40，CFRP最佳情形发生大交通量的AASHTO梁式桥，而最糟糕的情况发生在低交通量的箱梁桥。类似的趋势表明，当考虑CFRP很可能是最便宜的替代材料（即，≥0.95）的年份是在初建后的第23-77年。
aCFRP成本概率在稳步下降到第100年的0.91。
bCFRP成本的最大概率在第76年是0.86，并稳步下降到第100年的0.82。
结论
基于箱梁和AASHTO梁有三种不同的交通量，本文对预应力混凝土桥进行了寿命周期成本分析（LCCA），目的是为了确定无保护钢与阴极保护、环氧涂层钢和CFRP筋的累计寿命周期成本和相对成本效率为时间的函数。通过运用统计资料，在分析中以维护实际情况和密西根 DOT成本为基础，结果发现，尽管CFRP筋桥比钢筋桥在期初可能代价更高，但CFRP补强材料在结构的寿命期间已成为最便宜的选择。具体发现如下：
1. 交通量对LCC和CFRP筋桥对钢筋桥的成本效率有显著影响。使用CFRP筋表明在大交通量区域可使钢筋桥最大化减少寿命周期成本（LCC）。会计毕业答辩
2. 在AASHTO梁式桥中，使用CFRP补强材料与箱梁桥相比，寿命周期成本（LCC）更低。因此，最有效利用CFRP筋是在大交通量区域的AASHTO梁式桥。
3. 虽然使用CFRP筋起初更加更昂贵，但其可能大大降低寿命周期成本，100年中钢筋桥的寿命周期成本要比CFRP桥的寿命周期成本多53-205%。收支平衡年限范围为6-40年，而CFRP在初建后的23-77年中可能是费用最低的替代性材料（≥0.95），但要依据桥的情况而
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作者简介会计系毕业论文范文
1密西根州底特律韦恩州立大学土木与环境工程副教授，48202（作者通讯地址）。电子邮件：eamon@eng.wayne.edu
2密西根州萨斯菲尔德劳伦斯科技大学研究生院副长，48075。
3密西根州萨斯菲尔德劳伦斯科技大学工程学院院长和特聘教授，48075。
4密西根州萨斯菲尔德劳伦斯科技大学土木工程系研究生，48075。
说明：本稿于2010年11月1日提交，2011年9月25日批准，2012年3月15日在线发布。公开讨论时间至2012年9月1日。个人论文必须提交单独讨论。本文选自《土木工程材料杂志》，第4期，第24卷，2012年4月1日。
?美国土木工程师协会，ISSN 0899-1561/2012/4-373-380/$25.00.