地震荷载作用下斜拉桥不同工况主桥桥墩CO_(2)排放量分析.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 932023/09总第571期地震荷载作用下斜拉桥不同工况 主桥桥墩CO2排放量分析胡芯国1，张 培2，赵 科2（1.华润置地有限公司，陕西 西安 710043；2.石家庄学院，河北 石家庄 050035）摘要世界各地地震频发，出于结构抗震性能及CO2排放量的考虑，需对大跨度斜拉桥进行量化分析。选取一典型大跨度斜拉桥作为研究对象，依据不同主引桥周期比、主引桥质量比及主引桥间距设计了49种工况，一致激励作用下，分析主桥桥墩的内力，并进行配筋计算。通过钢筋用量计算其在原料开采与生产、成品加工、运输、施工及回收5个阶段的CO2排放量。结果表明：地震荷载作用的不同工况设计可以较大幅度影响主桥桥墩钢筋的CO2排放量；主引桥周期比越大会造成CO2的排放量增加；主引桥周期比较小且间距较小时，CO2的排放量相对较少。关键词大跨度斜拉桥；地震荷载；钢材；CO2排放量中图分类号U445 文献标识码A 文章编号1001-554X（2023）09-0093-05Analysis of CO2 emissions from main bridge piers under different working conditions of cable-stayed bridges with seismic loadsHU Xin-guo，ZHANG Pei，ZHAO Ke2020年9月，国家主席习近平在第75届联合国大会上宣布，中国力争2030年前CO2排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标1，2。2022年8月，科技部、国家发展改革委、工业和信息化部等9部门印发科技支撑碳达峰碳中和实施方案（20222030年），统筹提出支撑2030年前实现碳达峰目标的科技创新行动和保障举措，并为2060年前实现碳中和目标做好技术研发储备3。作为能耗大户的建筑业，其碳排量分析已经引起学界的重视。但是，目前国内外的分析对象主要针对工业及房屋建筑，关于桥梁结构的综合评价相对较少4，5。刘沐宇为量化评价桥梁工程的碳排放，提出了桥梁工程生命周期碳排放计算方法，以燃料为基点分析了桥梁设计、原料生产加工、现场施工、运营和维护及废弃5个阶段的碳排放6。张振浩应用元素分解理论和碳排放系数法，建立桥梁建设期的碳排放模型，对桥梁建设期碳排放进行了定量分析7。徐双则建立了桥梁生命周期各个阶段的碳排放数据清单，对建材生产阶段不同等级的混凝土和钢材的碳排放作了归纳和整合8。上述研究基于全生命周期概念的框架是一致的，只是方向不同，主要集中在施工方法和计算方法上，但对于在地震荷载作用下桥梁不同设计工况对钢材CO2排放量影响的研究较少。在确保桥梁抗震安全的前提下，如何保障建材的低碳化是本文重点分析的内容。因此，本文基于前期文献9研究的基础上，对一地震荷载作用下的大跨度斜拉桥主桥桥墩钢材用量做物化能耗分析。1 模型建立选取研究对象为一预应力混凝土双面三塔漂浮体系斜拉桥，全长768m，桥面宽32.8m，中塔高 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.013收稿日期2023-06-05基金项目省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室开放课题：大跨度斜拉桥精细化模型震后残余位移研究（KF2021-06）；国家重点研发计划项目：陆路交通基础设施韧性提升共性关键技术（2021YFB2600 600，2021YFB2600605）通讯地址张培，河北省石家庄市高新技术开发区珠峰大街288号94 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION120m，边塔高75m，两侧引桥为等截面单跨径42m连续箱梁。采用OpenSees建立非线性分析模型。无约束混凝土材料采用Kent-Scott-Park Concrete01混凝土单轴本构关系模型，峰值应变0.002，峰值应力取混凝土轴心抗压强度标准值；约束混凝土采用Mander（1988）各项参数，峰值应力和应变分别为Kfc和0.002K，系数K按照式（1）计算1syhc fKf 02isSyhN eaAfhx ipiE m fiiE m tjkikkpjkEm E c L ci iE q 12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L （1）式中 fc 相应无约束混凝土的轴心抗压强度标准值；s 箍筋配筋率；fyh 箍筋的屈服强度标准值。钢筋采用Steel01双线性钢材本构模型，弹性模量200GPa，屈服强度取钢筋的抗拉屈服强度标准值，屈服后强度比为0.01。斜拉桥桥塔、主梁、桥面板、横隔梁均采用截面类型为纤维截面的非线性梁柱单元模拟。斜拉索采用仅受拉力的ElasticPP材料，弹性模量与钢筋相同，初始应变按设计原始资料取值。斜拉索由Truss单元模拟。土-结构相互作用采用零长度单元，通过设置6个自由度方向的弹簧刚度来模拟。输入Elcentro地震波，峰值加速度200gal，输入方向为纵桥向（z方向），一致激励形式，采用时程分析方法。模型如图1所示。ABCD内侧外侧xzy图1 三维模型2 工况设计针对不同主引桥周期比、主引桥质量比及主引桥间距进行组合，形成49种工况，具体设计参数如表1所示。表中m比表示引桥与主桥的质量比；t比表示引桥与主桥的周期比；s表示引桥与主桥 间距。表1 地震碰撞效应分析工况m比t比s/cm-1111 15 35 754 8 12 161211 15 35 754 8 12 161311 15 35 754 8 12 16注：第一行数据表示为无引桥状态。3 计算结果计算结果如表2所示，包含主桥上部的主梁梁端残余位移（Z轴方向），下部的主桥桥墩墩底弯矩（绕X轴方向）。综合3种参数因素对抗震计算结果进行相关性分析，结果如表3所示。表2 不同工况下的计算结果m比t比s/cmuAB/muCD/mM107/（Nm）-0.188-0.233 7.0410.240.026-0.014 6.2710.28-0.032-0.073 6.2710.212-0.034-0.077 6.4910.2160.071 0.033 6.9810.64-0.049-0.088 7.3110.68-0.068-0.111 7.2510.612-0.050-0.090 7.2310.6160.006-0.026 7.061140.008-0.030 7.43118-0.027-0.072 7.361112-0.057-0.100 7.421116-0.018-0.051 7.2411.440.012-0.030 7.7211.48-0.171-0.199 7.9511.412-0.185-0.228 7.8611.416-0.130-0.175 7.720.50.240.033-0.005 6.270.50.280.082 0.044 6.27CONSTRUCTION MACHINERY 952023/09总第571期m比t比s/cmuAB/muCD/mM107/（Nm）0.50.2120.119 0.077 6.280.50.2160.122 0.081 6.510.50.640.004-0.036 7.070.50.680.024-0.016 7.020.50.6120.004-0.035 7.050.50.616-0.059-0.101 6.90.5140.057 0.015 7.180.5180.063 0.023 7.140.51120.044 0.004 7.170.51160.013-0.026 7.040.51.44-0.030-0.067 7.560.51.48-0.109-0.152 7.670.51.412-0.123-0.173 7.570.51.416-0.106-0.149 7.550.330.240.074 0.034 6.270.330.280.077 0.035 6.270.330.2120.091 0.047 6.390.330.2160.070 0.028 6.460.330.640.004-0.036 6.970.330.680.007-0.034 6.920.330.612-0.022-0.062 6.950.330.616-0.068-0.109 6.820.3314-0.018-0.060 7.050.33180.018-0.023 7.040.331120.016-0.026 7.030.33116-0.011-0.050 6.940.331.44-0.076-0.116 7.280.331.48-0.123-0.167 7.480.331.412-0.113-0.158 7.370.331.416-0.142-0.182 7.39注：uAB为主梁AB端残余位移；uCD为主梁CD端残余位移；M为主桥桥墩墩底弯矩。表3 相关性R2值内容uABuCDMR2值0.3340.3300.880由表3可知，m比、t比及s与M的R2值最大，为0.880，即3种因素与M相关性为88%，说明3种因素能够在很大程度上综合影响M值。而与uAB、uCD的R2值分别为0.334、0.330，说明3种因素的综合变化对uAB、uCD没有太大影响。因此，此处仅对主桥桥墩弯矩用钢量做碳排量分析。4 CO2排放量分析4.1 桥墩配筋计算提取表2中弯矩最大与最小的工况数值，对其桥墩分别进行配筋设计计算，可从中看出用钢量的区别。具体设计参数如表4所示。表4 配筋计算设计参数内容参数桥墩墩底截面bh=7500mm7500mmas=as40mm混凝土C40fc=19.1N/mm2钢筋HRB400fy=fy=360N/mm2墩高l0123.25mMmax7.95107NmNmax1.32107NMmin6.27107NmNmin1.37107N假定构件为非变截面受压构件，按照计算判定为大偏心受压构件，并实行对称配筋。钢筋面积计算公式依据式（2）02isSyhN eaAfhx ipiE m fiiE m tjkikkpjkEm E c L ci iE q 12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L （2）在最大弯矩作用下，计算所得受拉及受压钢筋面积为AS=AS=13423.77mm2，则将共采用14根直续表96 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION径为50mm的螺纹钢筋，共计26610kg；最小弯矩作用下，AS=AS=4927.35mm2，则将共采用6根直径为50mm的螺纹钢筋，共计11410kg。4.2 钢筋CO2排放量计算钢筋CO2排放量计算主要是依据前期基础研究文献9，在狭义物化能耗基础下分为5个阶段：原料开采与生产阶段、加工阶段、运输阶段、施工阶段和回收阶段，具体计算公式如式（3）-式（8）所示ipiE m fiiE m tjkikkpjkEm E c L ci iE q 12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L （3）式中 1syhc fKf 02isSyhN eaAfhx ipiE m fiiE m tjkikkpjkEm E c L ci iE q 12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L 为原料开采与生产过程的CO2排放量；i为第i类建材碳排放系数；mi为第i类建材重量。fiiE m tjkikkpjkEm E c L ci iE q 12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L （4）式中 Ef为成品加工过程的CO2排放量；i为第i类建材成型加工碳排放系数。tjkikkpjkEm E c L ci iE q 12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L （5）式中 Et为材料运输过程的CO2排放量；m为某种建材质量；jk为某种建材第j种运输方式第k种运输能源结构所占分数；Ejk为某种建材第j种运输方式第k种运输能源消耗量；ck为第k种运输能源碳排放系数；Lp为某种建材平均运输距离。ci iE q 12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L （6）式中 Ec为建材施工过程的CO2排放量；i为第i类建材施工艺碳排放系数；qi为第i类建材建造施 工量。12rrriiii iiEEE m m ijijjpij E c L （7）式中 Er1为回收过程的CO2排放量；Er2为回收节省的CO2排放量；i为第i类建材回收率；i为第i类建材回收加工碳排放系数。E=Ep+Ef+Et+Ec+Er （8）式中 E为上述5个过程CO2排放量的总和。由于近几年我国钢铁行业工艺技术有所提高，以占比90%的高炉转炉工艺为主，生产1t高炉钢则排放2t CO210，因此文献9中公式的碳排放因子i有所改变。各能耗阶段的CO2排放量计算系数如表5所示。表5 计算钢筋CO2排放量系数/（kg/kg）类型i10i11ijijjpij E c L 12i13i13钢筋20.2370.015860.50.8注：i系数无单位。根据表5及文献9计算公式，计算主桥桥墩钢筋CO2排放量，具体如表6所示。表6 主桥桥墩钢筋CO2排放量/kg类型EpEfEtErE弯矩最大532206306.57422.03-1596643982.60弯矩最小228202704.17180.96-684618859.13如表6所示，2种工况下的CO2排放量差值为25123.47kg，最大弯矩情况下的排放量是最小弯矩情况下的2.3倍。可见，在文中3种因素影响下，地震荷载作用的不同工况设计可以较大幅度影响主桥桥墩钢筋的CO2排放量情况。那么观察表6，以7.5107Nm，7.95 107Nm为标准划定弯矩大区域工况会发现，多发生在t比=1.4的情况下，说明主引桥周期比越大会造成CO2的排放量增加。另外，同时在 t比=1.4情况下绘制不同m比情况下的弯矩值曲线，如图2所示。8.27.86.81234567工况m比=0.33m比=0.5m比=1弯矩（107Nm）891011127.67.47.278图2 t比=1.4不同工况弯矩分布从图2中可以看出，随着m比的增大弯矩值呈阶梯形式增加。因此，若从经济和CO2排放量的角CONSTRUCTION MACHINERY 972023/09总第571期度出发，地震荷载作用下的斜拉桥设计时，应避免采用主引桥周期比较大和主引桥质量比较大的 情况。表2中还传达了一个信息，即弯矩值最小为6.27107Nm的情况是t比=0.2同时s=4cm和s=8cm的情况，说明当主引桥周期比较小且间距较小时，CO2的排放量比较乐观。5 结论桥梁工程建设过程中材料生产阶段的碳排量占比最多，可见减少建材用量是降低桥梁工程CO2排放量的关键。如果在设计期选择合理的方案对材料用量加以控制将取得建筑工程的低碳效果。通过本文对大跨度斜拉桥的抗震分析，得到的碳排量分析结果如下：（1）在主引桥周期比、主引桥质量比、主引桥间隙3种因素影响下，地震荷载作用的不同工况设计可以较大幅度影响主桥桥墩钢筋的CO2排放量情况。本案例中最大弯矩情况下的排放量是最小弯矩情况下的2.3倍。（2）主引桥周期比越大会造成CO2的排放量增加。本案例中CO2排放量较大的情况多发生在 t比=1.4的情况下。（3）主引桥周期比较小且间距较小时，CO2的排放量相对较少。本案例中CO2排放量较小的情况多发生在s=4cm或者s=8cm的情况下。参考文献1高规格！这个中央领导小组首度亮相双碳工作迈出“重要一步”，百家号第一财经.https：/ 903149211955&wfr=baike，2022.3科技部等九部门印发科技支撑碳达峰碳中和实施方案（20222030年）.中国青年网.https：/baiji- T，Gianfranco R，Matthias F.Environmental performance of building materials：life cycle assessment of a typical Sicilian marbleJ.LCA of Buildings and Building Materials，2010，15：104-114.6刘沐宇，欧阳丹.桥梁工程生命周期碳排放计算方法J.土木建筑与环境工程，2011，33（S1）：125-129.7张振浩，谭荣平，曾意，等.不同桥梁施工方案的碳排放差异分析J.交通科学与工程，2019，35（01）：38-43.8徐双.不同结构材料的桥梁生命周期碳排放研究D.武汉：武汉理工大学，2012.9张培，朱涵，刘春生.狭义物化能概念下建材CO2的排放量分析J.安全与环境学报，2013，13（02）：76-78.10 我国钢铁行业吨钢CO2排放量几何？碳道小编.www.ideacarbon.org/news_free/55330/，2021.11 李兆坚.可再生材料生命周期能耗算法研究J.应用基础与工程科学学报，2006，14（01）：50-58.12 Liu Meng，Zhan Xiang，Qian Fa，Calculation model for energy carbon emission of building material transpor-tationC.2010 International Conference on E-Prod-uct E-Service and Entertainment（ICEEE 2010），Henan China，2010.13 赵平，同继锋，马眷荣.建筑材料环境负荷指标及评价体系的研究J.中国建材科技，2004（06）：1-7.