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赵彦革:基于结构强度等级分析的结构板低碳设计

发布于:2022-08-02 09:36:02 来自:建筑结构/结构资料库 0 8

来源:建筑结构

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作者:赵彦革

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概述

根据中国建筑节能协会2021年底发布的《中国建筑能耗与碳排放研究报告(2021)》显示,2019建材生产碳排放占建筑碳排放的50%以上。且一般来说,结构材料占建筑总材料的重量比例高达50~80%,造价高达50~70%。同时通过研究发现结构材料占隐含碳的比重大于60%,占建筑总碳排放的比重大于12%。因此,结构材料低碳设计是减少建筑碳排放的重要方面。
结构材料低碳设计主要为结构强度等级低碳设计与结构材料形式低碳设计,其中结构材料的强度等级包括混凝土、钢筋、钢材、木材和竹材等材料强度,是决定结构材料用量的重要因素之一,并对结构材料隐含碳(包括结构材料的生产阶段、运输、建造和拆除阶段)碳排放有较大影响。而结构材料的生产阶段、运输、建造和拆除阶段碳排放量与结构材料用量成正向关系,且生产阶段的碳排放量达到70%,故结构强度等级低碳设计重点开展结构强度等级对生产阶段的碳排放量的研究,并基于结构材料的应用范围和使用程度,研究以混凝土、钢筋和钢材为主。
根据上期 分析可知,结构材料在生产阶段的碳排放量为:
C SC = M F + M 钢筋 F 钢筋 + M 钢材 F 钢材
式中: M M 钢筋 M 钢材 为混凝土、钢筋和钢材的用量,可通过相应概预算给出;
F F 钢筋 F 钢材 为混凝土、钢筋和钢材的碳排放因子,可以查阅标准《建筑碳排放计算标准》。
结构构件主要由梁、板、柱和墙等构件组成,结构材料在生产阶段的碳排放主要由梁、板、柱和墙等构件的碳排放组成。选取常用的四种混凝土结构体系,即框架结构、框剪结构、剪力墙结构和框筒结构,按照梁、板、柱和墙构件进行分析,各结构构件碳排放占比大致如表1所示。
表1:结构构件碳排放占比


注:1)以上数据为近似数据,不同地域、不同建筑类型,会有所不同;2)水平构件的碳排放占比数据,基本可用于后续研究。

由表1可知,各个结构构件的碳排放占比均很高,故需研究结构强度等级对结构构件在生产阶段碳排放量的影响。本文主要研究结构强度等级对板构件在生产阶段碳排放量的影响。

碳强比

为方便研究,本文引入新的概念“碳强比”,即结构材料每单位强度产生的碳排放量。碳强比越小,对应材料的碳排放相对越低。
M = C ÷ f
式中: M 为碳强比; C 为碳排放因子; f 为材料强度。

混凝土、钢筋和钢材的碳强比如表2~4所示。由表可知,混凝土、钢筋和钢材的碳强比随着材料强度升高而降低,即强度越高,低碳性能越好。

表2:混凝土的碳强比


表3:钢筋的碳强比


表4:钢材的碳强比


注:碳强比用于不同材料间比较时,需要统一碳排放因子单位。

碳排放分析


楼板常用的形式为钢筋混凝土楼板,其生产阶段的碳排放量为:

C SC = M F + M 钢筋 F 钢筋
式中: M M 钢筋 为混凝土、钢筋的用量;   F       F   钢筋   为混凝土、钢筋的碳排放因子。
3.1 参数分析

本文主要按照两种情况研究结构强度等级对板碳排放的影响,分别为计算配筋情况和构造配筋情况:

3.1.1 计算配筋

荷载取恒载3.0kN/㎡(不含楼板自重)、活载3.0kN/㎡;其他荷载情况,规律类似。主要计算以下工况:

①4.2×8.4m板跨,四边简支,板厚分别为110mm、120mm;

②4.5×8.4m板跨,四边简支,板厚分别为120mm、130mm;

③4.8×8.4m板跨,四边简支,板厚分别为130mm、140mm;

④5.4×8.4m板跨,四边简支,板厚分别为140mm、150mm;

3.1.2 构造配筋

板厚分别取180mm按照嵌固层要求,以及120mm且配筋率满足《混凝土结构设计规范》中的要求。主要计算以下工况:

①6.3×8.4m板跨,四边简支,板厚为180mm,按照0.25%配筋率控制;

②4.2×8.4m板跨,四边简支,板厚为120mm,配筋按《混凝土结构设计规范》8.5.1条要求配置。

楼板的碳排放因子,按照《建筑碳排放计算标准》中取值。

3.2 碳排放计算

根据上述参数,计算不同工况下的板碳排放,板计算配筋情况下的计算结果如表5~8所示,板构造配筋情况下的计算结果如表9所示。

表5:4.2×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放计算结果


表6:4.5×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放计算结果


表7:4.8×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放计算结果


表8:5.4×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放计算结果


表9:构造配筋情况下的板碳排放计算结果


根据以上板碳排放计算结果,分析钢筋、混凝土碳排放占比如表10~14所示。由表可知:混凝土碳排放占比约为60~70%。

表10:4.2×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放占比分析


表11:4.5×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放占比分析


表12:4.8×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放占比分析


表13:5.4×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放占比分析


表14:构造配筋情况下的板碳排放占比分析


3.3 碳排放分析

根据以上计算结果,分别对板在计算配筋和构造配筋情况的碳排放进行分析。

3.3.1 板计算配筋碳排放分析

以混凝土强度等级为横坐标,板碳排放为纵坐标,不同板跨对应两种板厚的碳排放分析如图1~4所示。通过分析可知:1)板碳排放量随截面减少、钢筋强度等级提高、混凝土强度等级降低而减少。2)钢筋强度为HRB400或HRB500时,截面减少比钢筋强度增加更利于减少板碳排放量。

注:图例中第一个变量为板厚,第二个变量为钢筋强度等级,图2~4同。
图1:4.2×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析

图2:4.5×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析

图3:4.8×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析


图4:5.4×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析

以钢筋强度等级为横坐标,碳排放为纵坐标,不同板跨对应两种板厚的碳排放分析如图5~8所示。通过分析可知:混凝土强度等级降低比截面减少更利于减少板碳排放量。

注:图例中第一个变量为板厚,第二个变量为混凝土强度,图6~8同。
图5:4.2×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析

图6:4.5×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析


图7:4.8×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析


图8:5.4×8.4m板跨,四边简支情况下的板碳排放分析
3.3.2  板构造配筋碳排放分析

配筋按照0.25%配筋率控制,180mm厚板碳排放分析如图9所示。通过分析可知:板碳排放量随混凝土和钢筋强度等级的降低而减少。

图9:180mm厚板构造配筋情况下的碳排放分析

按照《混凝土结构设计规范》中8.5.1条要求配置钢筋时,120mm厚板碳排放分析如图10所示。通过分析可知:随混凝土强度降低或钢筋强度提高,板碳排放量减少。

图10:120mm厚板构造配筋情况下的碳排放分析  

总结与建议

经过上述分析,在常规荷载工况下,板的碳排放量呈现以下规律:
(1)计算配筋时:板碳排放量受板厚、混凝土强度等级、钢筋强度等级三个因素的影响,并随板厚减小、钢筋强度等级提高或混凝土强度等级降低而减少;同时这三个因素按照影响从大到小的顺序为:混凝土强度等级、板厚、钢筋强度等级。

(2) 构造配筋时:按照固定配筋率控制的板,其碳排放量随混凝土或钢筋强度等级的降低而减少;按照《混凝土结构设计规范》中要求配筋率控制的板,随混凝土强度降低或钢筋强度提高,其碳排放量减少;

(3) 碳排放占比:混凝土碳排放占比约为60~70%。

基于以上分析,建议在进行楼板低碳设计时,宜采用以下方法: ①计算配筋时,在满足正常使用和舒适度的前提下,宜优先选用低混凝土强度等级、小板厚和高强度钢筋;②构造配筋时,按照固定配筋率控制的楼板,宜优先选用低强度等级的混凝土和钢筋;按照《混凝土结构设计规范》中要求配筋率控制的板,宜优先选用低强度混凝土和高强度钢筋。

致谢建研院专家李翠楦协助整理稿件和计算分析工作。

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