建筑结构·低碳专题十六丨赵彦革：混凝土板最低碳排放计算公式研究及应用

百科 2024-11-21 15:21 北京

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混凝土板最低碳排放计算公式研究及应用

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摘要

众所周知，结构构件的碳排放量与其材料用量成正比例关系，因此要降低结构构件碳排放量就需要减少其材料用量；而为保证结构安全可靠，又需要结构构件具有足够的截面尺寸。如何找到既安全又低碳的结构构件截面尺寸理论临界点，是目前结构低碳研究的难点。在“混凝土梁受弯工况下最低碳排放计算公式研究”、“混凝土梁受剪工况下最低碳排放计算公式研究”、“混凝土柱在大偏压工况下最低碳排放计算公式研究”中，已给出了混凝土梁和柱的最低碳排放计算公式，本期将对混凝土板的最低碳排放计算公式进行研究，并给出其设计指引。

一

混凝土板碳排放计算

根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）可知，建筑碳排放阶段分为建材生产阶段、运输阶段、建造阶段、运行阶段和拆除阶段。结构构件的碳排放则主要集中在建材生产阶段，占比70%左右，且其他阶段的结构碳排放与生产阶段有正相关性。因此，对生产阶段的碳排放研究，基本可以反映建筑全寿命期结构构件的碳排放情况。同时，根据该标准可知，混凝土板在生产阶段的碳排放量为：

C=M_砼C_砼+M_钢筋C_钢筋+M_钢材C_钢材

式中：M_砼、M_钢筋、M_钢材为混凝土、钢筋和钢材的用量；C_砼、C_钢筋、C_钢材为混凝土、钢筋和钢材的碳排放因子。

二

混凝土板碳排放量计算公式研究

混凝土板的配筋计算，通常在给定边界条件和荷载作用下，先计算出弯矩极值，然后按照弹性或塑性类型计算出其配筋值。因此，研究混凝土板的最低碳排放可以在给定的弯矩设计值的条件下，计算其碳排放最低时的板截面尺寸及配筋的定量关系。

根据《混凝土结构设计标准》（GB 50010-2024）中6.2.10可知：

以简支板为研究对象，可得：

对于单位平面面积的板，其碳排放计算公式如下：

由式（1）、（2）可得：

代入可得：

由上式可知，M一定，C_板取最小值时，C_板´=0，可得

此时：

同理，可以推导出其他支座形式的板最小碳排放计算公式，这里不再赘述。

三

混凝土板碳排放计算公式验证及设计应用

采用软件对混凝土板碳排放进行计算，并验证上述计算公式，见图1。

▲ 图1 混凝土板最低碳排放计算公式曲线图

此外，取3种板块、3种荷载工况的简支板，进行计算公式验证见表1。

表1 混凝土板最低碳排放计算截面

四

结论

由上分析可知：

1）在确定边界条件下，可以给出混凝土板最低碳排放计算公式，即在满足安全度的前提下给出最低碳排放的板截面尺寸；

2）混凝土板的合理跨度均在递增区间内（图2），即板厚越小，碳排放越低（即使配筋量有所增加，但总体下降）。

因此，在实际工程中，尽可能选择薄板方案，这样会利于降低碳排放。

▲ 图2 合理板厚与最低碳排放板厚的对照图

感谢中国建研院王子燕、孙倩提供数据和整理工作。

作者介绍

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。

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责任编辑：高洪涛/时娇娇

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