钢筋混凝土结构内含环境影响负荷及经济性分析.pdf
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1、第 2 7卷第 1 期 2 0 1 0年 3月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HU S T ( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) Vo l _ 2 7 No 1 Ma r 2 0 1 O 钢筋 混凝土结构 内含环境 影响负荷及经济性分析 尹秀琴, 李惠强, 薄海涛, 柯华虎 ( 华中科技大学a土木工程与力学学院; b控制结构湖北省重点实验室, 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要: 全球变暖是目前全世界最为关注的环境问题, 本文以某工业厂房为实例, 从结构设计的角度, 通过对不 同方案钢筋混凝土结构内含环境影响负荷的研究比较 ,
2、 表明在建设工程中采用高强混凝土、 高强钢筋比采用普 通混凝土及钢筋可以减少温室气体排放; 降低结构内含环境负荷影响; 节约混凝土、 钢材用量和具有更好的经 济性。本文的研究结果可以为建筑工程领域的节碳减排提供参考。 关键词 : 全球变暖; C O 减排; 钢筋混凝土; 结构设计; 内含环境负荷 中图分类号: T U 0 2 3 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 1 3 - 0 4 我国正处于经济快速发展阶段 , 作为大量消 耗资源、 对环境产生重大影响的建筑业 , 应全面实 施绿色施工, 承担起可持续发展的社会责任,
3、 在保 证工程质量、 安全等基本要求的前提下, 通过科学 管理和技术进步, 最大 限度地节约资源和减少对 环境的负面影 响, 建设 “ 资源节 约, 环境友好 ” 两 型社会。 从全球环境来看 , 当前最为关注 的环境问题 是全球变 暖 问题 。大气 层 中的 C O : 、 C H 、 N 0、 C F C 、 0 、 C O等温室效应气体具有吸收太 阳辐射 热 , 同时又阻止地球 向外层辐射散热, 使得大气低 层具有 自然 温室效应 。当 C O : 等 温室气体在 大 气 中浓度升高 , 便会造成吸收太 阳辐射热增加 , 而 地球向外辐射散热减少 , 导致全球变 暖。全球 变 暖会使 冰
4、川融化 , 海平 面上升 , 陆地面积减少 , 海 岸后退 , 引起港 口、 航道的回淤 、 湿地和河 口冲击 平原被淹 没, 将给沿海经济发展带来 巨大影响。 此外全球变暖还会引起温度带 向高纬度移动 , 使 一 些地带生态发生变化 , 以及一些传染性疾病增 加和大气臭氧层耗损增加。 根据 联 合 国 政府 间气 候 变 化 专 门委 员 会 ( I P C C) 的研究 , 自 1 8 5 0至 2 0 0 5年 间, 地球 表面 的平均温度升高了0 6 9 ( 0 2 C) 。中国政府 2 0 0 8年 l 0月 2 9日发布的 中国应对气候变化 的 政策与行动白皮书指 出, 中国近百年
5、来地 表平 均气温升高了 1 1 o C。近 3 O年来 , 中国沿海海平 面总体上升了9 0 m m。 随着经济的快速发展 , 未来气候变 暖趋势将 进一步加剧 , 特别是工业发达地区。如 2 0 0 7年 8 月 2 8日 广东省气象局首次发布的 广东气候变 化评估报告 指出: 近5 0年广东气温升高与全国 平均水平相 当, 0 2 1 C 1 0年 , 明显高于全球或北 半球 同期平均增温速率 。其 中工业区密布, 经济 发达的珠 三 角是 主要增 温 区域 , 平 均 0 3 2 1 0 年 , 而工业区较少 的粤北大部分县市的增温速率 不到 0 1 5 1 0年。预计广东在 2 0
6、1 1年至 2 0 4 0 年、 2 0 4 1年至 2 0 7 0年和 2 0 7 1年至 2 l 0 o年的三个 3 O年 时段 , 平 均气 温可 能 分别 升高 约 1 0 、 1 9 c I =和 2 8 C。未来海平面可能上升 3 0 c m( 从 历史最高潮位起算) , 届时珠江三角洲的可能淹 没面积将达 1 1 5 3平方公里 , 受威胁最大的有广州 市区、 珠海市和佛山市。受影响地区的直接经济 损失预计将达到 5 6 0 亿元左右。 根据美 国世界 观察研 究所 ( wwI ) 的报告 , 2 0 0 6 年世界各国温室气体排放所占份额中, 中国 在能源领域 的 C O 排放
7、量 为 5 9亿吨 , 已经 十分 接近美国的6 1 亿吨, 居世界第二位( 图 1 ) 。 目前建筑能耗约 占全国总能耗的 3 0 左右 , 建筑业是 C O : 等温室气体的排放大户, 建筑节能 减排是减缓全球变暖的重要领域之一 。建筑节能 减排工作涉及到建筑规划、 建筑设计、 围护结构、 采 暖系统 、 空调系统设计 、 照明系统等多个专业领 域 。当前工程上 已开展多种 途径 的建筑节 能工 作 , 包括围护结构保温隔热节能技术 、 太阳能及风 收稿 日期 : 2 0 0 9 - 0 9 - 2 8 作者简介 :尹秀琴( 1 9 7 9 一 ) , 女 , 河南唐河人 , 博士研究 生
8、, 研究 方向为工程管理 、 绿 色建筑技术 , y x q l y x q y a h o o 12 1q 。 基金项 目:高等学校博 士学科点专项科研基金 ( 2 0 0 5 0 4 8 7 0 1 7 ) 。 1 4 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 1 0年 图 1 2 0 0 6年世界各国温室气体排放所 占份额 ( ) 能利用、 供热供冷节约用能 、 加强节能科学管理等 等 , 在节能减排方面取得了较好成效。但笔者感 到当前在结构设计和施工领域还有待深入, 如当 前建筑节能减排十分重视的是围护结构保温隔热 技术 , 考虑 的是建筑在使用期 间降低空调制冷和 供热采 暖的能耗
9、, 而对结构 选型、 结构材料 的选 用 、 结构废弃物 的可 回收利用等 的重视程度 远不 如对节能减排的重视。建筑实体的建造需要消耗 大量的建筑材料 , 建筑材料 的采集 、 加工及运输对 能源的消耗将排放大量 的 C O 等温室气体 , 而这 些与结构选型、 结 构材料 的选用等有着十分密切 的关系。限于篇幅 , 本 文主要探讨结构设计 中 昆 凝土强度和钢筋等级选用与环境影响负荷之间的 内在联系, 并通过工程实际进行定量分析 。 1 建筑 材料 内含环境 影响负荷分析 1 1 内含环境影响负荷含义 建筑工程结构实体建造要消耗大量建筑材 料, 而建筑原材料的开采、 运输、 生产到制成建筑
10、 材料产品 , 整个过程都会排放 C O 、 S O : 、 N O 等废 气、 固体废弃物和废水等 , 对环境带来一定 的负面 影响, 称之为 内含环境影响负荷 。 如混凝土的内含环境负荷影响, 包括石灰石、 砂岩、 铁粉、 石膏等原材料 的获取及运输 、 水泥生 产及运输、 天然骨料的生产及运输、 混凝土的制备 过程中产生的环境负荷影响 。又如钢材的内含环 境负荷影 响包括 主要原料和辅助原料从采掘 、 运 输到钢材产品等过程所产生的环境负荷影响。 1 2 环境负荷影响的计算 以混凝土的内含环境负荷影响为例 , 说 明环 境负荷影响的计算。 ( I ) 根据不 同强度等级 的混凝 土配合
11、比, 获 取制备每立方米混凝土需要消耗的水泥、 粉煤灰 、 沙石 、 水等材料数量的数据 ; ( 2 ) 搜集 、 计 算 、 分析水泥 、 粉煤灰 、 沙 、 石等 原开采、 生产、 运输过程中各种废气、 废渣、 废水等 环境影响因子的排放量 ; ( 3 ) 根据国际标准化组织( I S O) 、 国际环境毒 理学和化学学会 ( S E T A C) 建立 的环境 负荷影响 评价体系, 对影响全球变暖、 酸雨、 水体富营养化 等各种环境负荷影响进行分类; 分别计算影响全 球变暖、 酸雨、 水体富营养化等环境影响排放物的 数量; 并根据效应当量因子把影响全球变暖、 酸 雨、 水体富营养化等的各
12、种气体折算为 C O 、 S O : 、 N O 的排放量 , 最后 汇总计算 出不同混凝 土的内 含环境影响负荷, 详情可参见我们课题组已发表 的文献 卜引。 2 工程实际案例 定量分析 在钢筋混凝土结构中采用高强钢筋和高强混 凝土可以节约钢筋和混凝土材料用量, 这已为行 业 内所共识 , 但与发达国家相 比, 我国建设行业所 用钢筋和混 凝 土强度 普遍低 12个 等级 J 。 据统计 , 每年 H R B 4 0 0钢筋用量不到钢筋总用量 的 1 0 , 高强混凝土 累计使用 量还不到 1 5 0 0万 m , 不足混凝土年消耗总量 的 1 4 3 。此外 , 采用 高强钢筋和高强混凝土
13、对环境负荷影响如何, 研 究甚少 , 本文选取某化工厂厂房框架结构底层柱 实例通过计算进行定量对比分析。 2 1 工程概况 某化工厂厂房 为五层框架结构 , 底层建筑面 积为 6 6 8 1 6 1 T I , 层高 5 6 m, 底层柱设计截 面分 别为 3 0 0 mm 3 0 0 m m、 4 0 0 m m 4 0 0 m m、 4 5 0 mm 4 5 0 mm 、 50 0 mm x 5 00 mm 、 5 5 0 mm 5 5 0 mm、 6 0 0 m m 6 0 0 m m, 各种设计截面对应的柱子 数分别为3根、 4根、 4根、 6根、 4根、 3根, 共 2 4 根。 以
14、底层柱中数量较多的截面为 5 0 0 m m 5 0 0 m m的柱子 为代表 , 进行 比较研究。原设计 采用 C 4 0混凝土、 H R B 3 3 5钢筋 , 设计柱截面及柱配筋 情况见 图 2 。 图 2 原设计柱截 面 2 2 对比方案 对 比方案将底层柱混凝土 、 钢筋级别提高 , 采 第 1 期 尹秀琴等: 钢筋混凝土结构内含环境影响负荷及经济性分析 1 5 用 C 5 0混凝土、 HR B 4 0 0钢筋 , 重新修改后 的设计 柱截面及配筋情况见 图 3 。 I l I l l 图 3 对 比方案 柱截面 研究原设计方案与对比方案的环境负荷影响 差异 , 环境负荷仅考虑 C
15、O : 温室气体以及对我国 环境影响较 大的酸雨致 因 S O 、 水体富营养化致 因 N O 的排放量 。此外 , 在混凝 土施工配 比设计 中考虑掺粉煤灰和不掺粉煤灰二种情况环境负荷 影响的对 比。 2 3 底层柱设计采用 C 4 0与 C 5 0混凝土对比 在满足原抗震等级要求 、 同样的结构荷载、 满 足原设计使用功能的情况下, 底层柱混凝土等级 由 C 4 0 提高到 C 5 0 、 钢筋等级由 H R B 3 3 5提高到 HR B 4 0 0 , 用 P K P M软件计算表明, 大部分 柱子截 面边长尺寸可减少 5 0 mm, 主筋直径减小一个等 级( 图 2 、 图 3 )
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