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赵彦革：基于结构强度等级分析的梁构件低碳设计

发布于：2022-08-08 09:30:08 来自：建筑结构/结构资料库 [复制转发]

一

概述

接上期（ 建筑结构·低碳专题二丨赵彦革：基于结构强度等级分析的结构板低碳设计 ），本文主要研究结构强度等级对梁构件在生产阶段碳排放量的影响。

二

梁碳排放分析

钢结构梁，属于单一材质材料，可以根据碳强比来进行低碳设计，这里不再分析。

混凝土梁，其生产阶段的碳排放量为：

C _SC = M _砼 F _砼 + M _钢筋 F _钢筋

式中： M _砼、 M _钢筋分别为混凝土、钢筋的用量； F _砼、 F _钢筋分别为混凝土、钢筋的碳排放因子。

2.1 参数分析

根据混凝土梁的常用受力形式，本文按照构造配筋和计算配筋两种情况进行计算分析：

1）构造配筋规律与混凝土楼板相似，不再重复分析。

2）计算配筋即按照混凝土梁实际荷载和跨度进行计算配筋，其参数如下：

①线荷载取恒载为10、15、20kN/m（不含梁自重）三种情况；

②梁纵筋分为HRB400、HRB500两种情况；

③梁箍筋分为HPB300、HRB400两种情况；

④每种情况，梁截面分别取300×500、300×550、300×600三种情况。

⑤梁计算跨度为8.4m，两端为铰接。

注：碳排放因子按照《建筑碳排放计算标准》中取值。

2.2 碳排放计算

根据上述参数，计算不同工况下的混凝土梁碳排放。混凝土梁计算配筋情况下的计算结果如表1~9所示。

表1：线荷载为10kN/m，梁截面为300×500情况下的梁碳排放计算结果表

表2：线荷载为10kN/m，梁截面为300×550情况下的梁碳排放计算结果表

表3：线荷载为10kN/m，梁截面为300×600情况下的梁碳排放计算结果表

表4：线荷载为15kN/m，梁截面为300×500情况下的梁碳排放计算结果表

表5：线荷载为15kN/m，梁截面为300×550情况下的梁碳排放计算结果表

表6：线荷载为15kN/m，梁截面为300×600情况下的梁碳排放计算结果表

表7：线荷载为20kN/m，梁截面为300×500情况下的梁碳排放计算结果表

表8：线荷载为20kN/m，梁截面为300×550情况下的梁碳排放计算结果表

表9：线荷载为20kN/m，梁截面为300×600情况下的梁碳排放计算结果表

三

碳排放分析

根据以上计算结果，对梁在计算配筋情况下的碳排放进行分析。

3.1 线荷载为10kN/m时，梁碳排放分析

以混凝土强度等级为横坐标，梁碳排放为纵坐标，线荷载为10kN/m时，三种梁截面对应的碳排放分析如图1所示。通过分析可知：

（1）随着梁截面尺寸的减小、混凝土强度等级的降低或钢筋强度等级的提高，梁的碳排放量降低；

（2）梁截面尺寸对梁碳排放的影响大于钢筋强度等级。

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表纵筋强度等级，第三个变量代表箍筋强度等级。

图1：线荷载为10kN/m时，梁碳排放分析图

以纵筋的强度等级为横坐标，碳排放为纵坐标，线荷载为10kN/m时，三种梁截面对应的碳排放分析如图2、3所示。

通过分析可知：梁截面尺寸对梁碳排放的影响大于混凝土强度等级，而混凝土强度等级的影响又大于钢筋强度等级。

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表混凝土强度等级。

图2：线荷载为10kN/m，箍筋强度为HPB300时，梁碳排放分析图

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表混凝土强度等级。

图3：线荷载为10kN/m，箍筋强度为HRB400时，梁碳排放分析图

3.2 线荷载为15、20kN/m时，梁碳排放分析

线荷载为15、20kN/m时，以混凝土强度等级为横坐标，梁碳排放为纵坐标，三种梁截面对应的碳排放分析如图4和图5所示；以纵筋的强度等级为横坐标，碳排放为纵坐标，三种梁截面对应的碳排放分析如图6~9所示。

通过分析可知：线荷载为15、20kN/m时，梁碳排放规律与线荷载为10kN/m时相似。

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表纵筋强度等级，第三个变量代表箍筋强度等级。

图4：线荷载为15kN/m时，梁碳排放分析图

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表纵筋强度等级，第三个变量代表箍筋强度等级。

图5：线荷载为20kN/m时，梁碳排放分析图

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表混凝土强度等级。

图6：线荷载为15kN/m，箍筋强度为HPB300时，梁碳排放分析图

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表混凝土强度等级。

图7：线荷载为15kN/m，箍筋强度为HRB400时，梁碳排放分析图

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表混凝土强度等级。

图8：线荷载为20kN/m，箍筋强度为HPB300时，梁碳排放分析图

注：图例中第一个变量代表梁高，第二个变量代表混凝土强度等级。

图9：线荷载为20kN/m，箍筋强度为HRB400时，梁碳排放分析图

经过分析，在常规荷载作用时，其他参数下的梁碳排放规律与上述分析相似。

四

总结与建议

经过上述分析，混凝土梁的碳排放量呈现以下规律：

①计算配筋时：碳排放量受3个因素影响，并随着梁截面减少、钢筋强度等级提高或混凝土强度等级降低而减少；3个因素按照对碳排放量的影响从大到小的顺序依次为：梁截面尺寸、混凝土强度等级、钢筋强度等级。

②构造配筋时：按照固定配筋率控制的梁，其碳排放随混凝土、钢筋的强度降低而减少；按照《混凝土结构设计规范》中要求配筋率控制的梁，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：混凝土占比60~75%之间。

基于以上分析，建议在进行梁低碳设计时，宜采用以下方法：

①混凝土梁计算配筋时，在满足正常使用和舒适度的前提下，优先选用小截面、低混凝土强度等级和高强度钢筋；

②混凝土梁构造配筋时，按照固定配筋率控制的，应优先选用低混凝土强度等级和低钢筋强度等级；按照《混凝土结构设计规范》中要求控制的，应优先选用低混凝土强度等级和高钢筋强度等级。

③钢结构梁，可以根据碳强比来进行低碳设计，即强度控制时，采用高强钢；刚度控制时，采用低强钢。

致谢建研院专家李翠楦协助整理稿件和计算分析工作。

个人介绍

赵彦革， 男，出生于1977年10月，毕业于中国建筑科学研究院，硕士研究生，清华大学土木工程系博士生，结构工程专业，现工作单位中国建筑科学研究院有限公司建筑设计院设计一院副院长、副总工程师，建筑检测与评估研究中心主任、建筑工业化中心副主任、绿色建筑中心副主任，教授级高级工程师。为首届建筑结构行业杰出青年、中国建筑学会工程诊治与运维分会理事、中国建筑学会结构分会青年理事、中国岩石力学与工程学会岩土地基工程分会理事、中国工程建设标准化协会绿色建筑与生态城区分会理事、中国绿色建筑与节能委员会委员、中国亚洲经济发展协会绿色建筑建材委员会委员、北京市装配式建筑专家委员会委员、中国工程建设标准专家库特邀专家。

擅长领域为复杂结构设计和研究、装配式建筑设计和研究、绿色建筑设计和研究等。参加中国国家博物馆、成都来福士广场等结构设计类项目30多项，北京贵宾楼饭店、厦门英蓝国际金融中心等咨询类项目50多项；负责了天津周大福金融中心、卧龙大熊猫基地等100多项绿色建筑和装配式建筑相关的设计、咨询项目；在核心期刊发表论文20篇；参加各类课题及标准研究20多项；获得华夏建设科学技术奖二等奖1项，省部级以上奖励30多项。

构件结构强度