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钢筋混凝土框架结构抗震加固方案生命周期评价
作者：Rafael A. Salgado *, Defne Apul, Serhan Guner
单位：美国俄亥俄州托莱多市托莱多大学土木与环境工程系，邮编43607
摘要：今天仍在使用在现代建筑规范之前设计的钢筋混凝土结构。众所周知，这些结构设计不当，地震时性能差。在过去的几十年里，已经为这些建筑提出了几种抗震加固方案。由于建筑业有很大的环境负担，在可能的抗震加固干预的决策过程中，还应考虑加固方案对环境的影响。在本研究中，我们对钢筋混凝土结构的三种抗震加固方案进行了生命周期评估(LCA)分析，即钢筋混凝土柱套、梁弱化和剪力墙。在生命周期评价分析中，我们采用了文献中的8层钢筋混凝土案例研究建筑。从开始到结束，我们对所选方案的环境影响进行了量化，并在敏感性分析中研究了两个处理阶段方案:填埋和回收。我们进行了详细的计算和假设，以便为三个加固方案的影响评估获得清单数据。计算的生命周期评价结果在分析的加固方案中进行了比较和解释。剪力墙对环境的影响是所有研究方案中最高的。每个加固方案所需材料的预安装(即生产)和处理是环境影响度最大的阶段，而运输影响相对较小。建筑和拆除废物的回收利用使处理阶段的环境影响度降低了29%-53%，使所有的加固方案的总体环境影响度降低了12%-42%。
关键词：生命周期评估；钢筋混凝土；抗震加固；框架结构；回收利用
1.介绍
20世纪70年代及更早建造的钢筋混凝土建筑，至今仍在世界上的发展中地区和发达地区使用。这些建筑存在在地震中表现不佳的风险，因为它们是在1976年《统一建筑规范》之前设计的，该规范第一次包括了地震条件下延性性能的设计准则[1–3]。人们非常担心这些钢筋混凝土建筑的抗震能力不足。在过去的几十年里，不同强度的地震(例如:1989年洛马·普列塔，1994年北岭，印度尼西亚和意大利，2009年；海地，2010年；尼泊尔2015年)已经证明了建筑在的地震中的脆弱性，并造成了大量的人员和经济损失。因此，相当多的努力都用在了抗震加固中，以减少现有旧钢筋混凝土建筑造成的地震危害。例如，在美国，1984年，联邦应急管理局(FEMA)开始了其地震灾害减少计划，制定了FEMA 356[4]等全面的灾后恢复设计指南。此外，加利福尼亚州颁布了1978年前钢筋混凝土建筑的强制性加固计划，以减少结构缺陷并提高这些建筑在地震中的性能。
钢筋混凝土结构的抗震加固要求生产新材料(如混凝土、钢筋、砖块等)以及在现有建筑上进行施工(例如，浇注混凝土、将材料运输到建筑工地等）。建筑业以不可再生资源枯竭、废物产生、能源消耗和二氧化碳排放的形式对全球造成了巨大的环境影响[5–7]。我们考虑到大量抗震缺陷的建筑需要进行加固，并预计这些加固操作造成的环境影响将对美国和全世界的环境产生不利影响。因此，有必要评估现有的钢筋混凝土结构抗震加固方案对环境造成的影响。
生命周期评估(LCA)框架是评估产品、系统或过程的环境影响，同时考虑其整个生命周期的一个有价值的工具。我们已经用生命周期评价框架对民用基础设施的许多不同方面进行了研究，许多文献侧重于新建筑上。一些实例研究包括钢筋混凝土建筑与钢结构建筑的比较[8–11]，钢筋混凝土建筑与木结构建筑的比较[12，13]，预制混凝土替代品的使用[14]，标准屋顶或绿色屋顶建筑的能耗[15，16]，低能耗建筑的影响[17]，以及高效隔热技术的影响[18]。也有一些关于生命周期方面的文献，但大多数文献都侧重于生命周期成本特征上[19–25]，很少有研究涉及环境影响。Sibanda和Kaewunruen[26]研究了三种加固方案的生命周期环境性能，以增强火车站钢筋混凝土基础设施在两种独特的极端事件(洪水和恐怖袭击)下的恢复能力。Napolano等人[27]评估了砌体建筑的四种不同加固方案的生命周期影响：受损砌体的局部替换、砂浆注入、钢链安装和加筋砂浆的应用。据作者所知，Vitiello等人的研究[28]是唯一提出了钢筋混凝土建筑的不同抗震加固方案的生命周期环境评估。他们的生命周期评价包括对四种抗震加固方案的分析：基于纤维增强塑料的加固、纤维增强塑料-钢筋混凝土套管、插入钢筋混凝土剪力墙和基础隔震。他们研究的一个局限是，在他们的分析中没有考虑到结束或处理阶段。因此，需要对钢筋混凝土建筑的抗震改造方案进行额外的生命周期评价研究，以拓展现有知识，并促进该领域总趋势的出现。此外，还缺乏与这些加固方案处理阶段的环境影响相关的知识。
2014年，钢筋混凝土和砖占美国建筑和拆除(Camp;D)废物总量的73.2%，其中22.6%(即8400万吨)来自钢筋混凝土建筑[29]。尽管没有官方数据表明这些拆建废料大部分被处理在哪里，但欧洲机构报告称，2011年，75%的拆建废料被填埋[30]。然而，填埋正在迅速成为一个麻烦，因为据估计，以目前的处理速度，美国将在未来17年内用完填埋空间[31]。因此，越来越多的国家努力防止拆建废料被填埋，并提供更环保的替代办法，如回收利用，这有可能减少拆建废料的填埋，并保护自然资源。因此，在对钢筋混凝土加固方法进行环境评估时，纳入和评估不同处理(即寿命终止)阶段的替代方案(如填埋和回收)至关重要。鉴于加固工作在过去几十年中有所增加，此类数据的可用性对于充分了解环境影响至关重要，同时为实现减少环境退化的加固方案的有效决策过程提供基础。
在本研究中，我们比较了三种不同加固技术的生命周期环境影响：钢筋混凝土柱套、梁弱化和增加钢筋混凝土剪力墙。我们的分析基于加利福尼亚州洛杉矶现有的一栋抗震能力不足的8层建筑，该建筑最初是由Shoraka等人针对这三种加固方案[32]进行分析的。我们还调查了每种替代方法产生的拆建废料的回收利用对环境的影响，而不是填埋处理。我们开发了详细的从建造到拆除的生命周期评价模型，目的是帮助实践者选择有效的加固方案，并做出更明智的决策。
2.方法
生命周期评估(LCA)方法用于量化三种加固方案的工艺和产品在其生命周期内的环境影响。该方法基于国际标准化组织14040 [33]和国际标准化组织14044 [34]的指导方针，包括四个步骤:1)目标和范围，2)生命周期清单，3)生命周期影响分析，4)结果解释。
2.1 .目标和范围定义
本研究的目标包括:1)对钢筋混凝土建筑三种不同抗震加固方案的环境影响进行比较生命周期评价研究，2)得出结论和建议，以协助所研究的每种加固方案的决策过程，以及3)进行敏感性分析，以评估循环利用改造方案的拆建废料的环境影响效益。
值得注意的是，在实际决策过程中，有几个额外的方面起着重要的作用，这些方面与本研究中分析的抗震改造方案的实施有关。包括但不限于每个可选方案的建造速度、与每个可选方案相关联的成本、建筑物住户的搬迁、在建筑物上运行的商业设施的临时关闭等。然而，本研究的主要重点是以环境影响的形式提供有价值的数据，以协助与本文研究的每种加固方案相关的决策过程。
2.1.1考虑加固方案
联邦应急管理局547-现有建筑抗震修复技术[1]建议钢筋混凝土建筑采用不同的抗震改造方案。本研究分析了钢筋混凝土建筑的三种方案:1)钢筋混凝土柱套；2)增加钢筋混凝土剪力墙；3)削弱梁。这些可选方案被选为地震荷载下钢筋混凝土建筑最常见破坏机制的可能解决方案[35，36]:1)由于弯曲或剪切强度不足导致的柱破坏，2)剪力墙破坏，以及3)结构响应机制不足，如弱柱强梁(即柱先于梁破坏，导致脆性和不希望的破坏模式)。
钢筋混凝土柱套方案是最常用的加固方案之一，旨在提高柱的强度和变形能力，以避免剪切、轴向或弯曲破坏[32]。它可以归类为“添加构件”技术，包括在现有柱子的横截面外部添加混凝土和钢筋(见图1)。这种方法的几个优点是结构刚度的增加是均匀分布的，并且不需要建造新的基础(即，护套上增加的钢筋可以锚定到原始基础上)。必须特别注意确保新结构元件与原始结构的适当结合，因为该过程的成功取决于复合元件的整体性能。此外，如果需要穿过多个楼层，需要在楼板上打孔，以允许纵向钢筋穿过[37]。
剪力墙加固方案包括通过拆除建筑物的现有隔墙建立一个全新的抗侧力系统，并代之以建造一个高强度钢筋混凝土剪力墙(见图2)。剪力墙能有效抵抗侧向荷载，如地震产生的荷载，也能有效抵抗由施加在墙顶部的水平荷载产生的上托力。剪力墙的整体结构通常是从上到下的，允许有效的荷载传递到下一个剪力墙，并向下传递到基础[38]。在加固应用中，剪力墙可以抵抗大部分地震荷载，限制建筑物的位移，而钢筋混凝土框架系统可以抵抗非常低的地震荷载[39]。根据建筑的高度，这种方法需要大量的材料；因此，它也被归类为“添加构件”技术。剪力墙可以建在建筑物的周边或内部。不管剪力墙的位置如何，这种选择通常需要新的基础结构。
研究的最后一个方案是梁削弱技术，包括降低现有梁的强度和刚度，以便将建筑物的结构性能从脆性的强梁弱柱转变为更具延性的强柱弱梁行为(即梁累积损伤并提供额外的延性)。这种可选方法被归类为“增强现有构件的性能”或“移除选定组件”技术。通过切除混凝土横截面的一部分和加固钢筋来削弱横梁(见图3)。通过削弱梁，结构依靠其能力将载荷重新分配给相邻的梁和柱。因此，这种技术要求相邻的结构元件具有足够的额外能力来承受额外的载荷。因此，梁削弱方案可能不适合达到严格的性能水平，因为梁需要被削弱到比建筑物能够安全承受[28，32]更大的程度。
2.1.2加固结构
我们选择了一种非延性抗震缺陷钢筋混凝土结构，来作为三种加固方案的案例研究，并总结在表1 [32]中。钢筋混凝土建筑是一个8层的框架结构，有3个平面内(见图4)和4个平面外的间隔(图4中未显示)。每个楼层和每个间隔(即平面内间隔和平面外间隔)分别为4.6 m和7.6 m。该建筑位于加利福尼亚州洛杉矶市中心，位于D级土壤之上，采用1967年统一建筑规范(UBC)进行设计。为选定的性能目标定义的地震危险等级在50年内超过的概率为2%。
根据美国土木工程师协会 41–13[40]指南，考虑到建筑物的地震条件和防倒塌的目标极限状态，Shoraka等人[32]进行了三种加固方案的设计。表2总结了每个加固方案的设计特点，图4显示了原始结构的哪些结构元件需要修改。对于钢筋混凝土柱套方案，计算得出的的加固设计需要修改所有平面外开间的一、二层柱，而对于削弱梁方案，所有平面外开间的前四层的梁需要弱化。最后，尽管Shoraka等人[32]设计了剪力墙改造，将其放置在建筑物的原始结构之外，并使用钢桁架元件与之连接，但在本研究中，剪力墙被认为放置在建筑物的中间开间，如图2和4所示，用于所有平面外开间。这一考虑旨在避免外墙式剪力墙方法的缺点，如与施工相关的噪音、灰尘和振动，出入口的潜在干扰，以及为安装新剪力墙而要求建筑物两侧不受阻碍[1，41]，这在市区是不可能的。此外，在原建筑框架外建造的剪力墙需要仔细的连接设计，因为它们负责将荷载从新的抗侧力系统转移到主建筑框架上。在最近的地震中，这些连接在循环荷载下的性能较差，例如2011年新西兰地震中的CTV建筑，整个建筑的框架在地震中倒塌，而外部剪力墙保持屹立[42，43]。
2.1.3系统界限
建筑物生命周期评价研究中经常采用的功能单元是单一内部可用建筑面积(如1平方米净建筑面积)或单一质量(如1立方米材料)，用于材料的生命周期评价研究。这些功能单元为不同建筑面积或材料数量的比较和可扩展性提供了标准化。然而，在这项研究中，比较了三种不同的加固方案，它们需要不同的材料量，并影响不同数量的建筑构件。因此，所讨论的功能单元不能准确地比较不同加固方案之间的影响。为了能够进行直接比较，功能单元作为其共同设计目标的一个功能：使建筑物满足防倒塌极限状态(见第2.1.2节)。因此，在本研究中，选择功能单元作为改造设计规范(即三个可选方案中的每一个所需的尺寸和材料)，以使原始结构符合防止倒塌的目标极限状态。
为了评估对环境的影响，每个加固方案被分为三个不同的阶段:预安装、安装和处理(见图5)。先前的研究已经将安装阶段细分为两组过程，即为了准备原始结构以接收加固而需要执行的过程(即准备过程)和在结构本身上构造加固所需的过程(即构造过程)[28]。表3显示了本研究中确定的三个加固方案的所有安装阶段的流程，这些方案分为准备和施工流程组。
加固方案的使用阶段未包括在分析中，因为预计加固行动不会对建筑物正常使用期间的能耗产生任何重大影响。此外，由于在建筑物寿命期内发生低于设计震级的地震时，很难估计加固方案可能需要的潜在维护过程，因此每个加固方案都被认为在预期寿命结束前表现最佳。
加固方案的使用期限(即时间边界)，由加固在建筑物上开始至建筑物被拆卸(加装系统亦是如此)为止，或加固系统因地震所造成的损毁而需要拆卸为止。这种寿命考虑是可能的，因为所有的改造设计都是为了满足相同的极限状态，这种极限状态强制执行类似的结构性能(例如，如果地震导致一个加固系统必须被拆除，所有其他的装置也需要被拆除)。因此，这种寿命考虑排除了一种加固方案比其他方案寿命更长的可能性。
在使用寿命结束阶段，以及安装阶段的过程需要拆除部分原始结构时，加固方案的建造和建筑拆除废物将被运输到填埋场。通过加入加固方案的处理或寿命终止阶段，所进行的生命周期评估的边界条件可归类为从建筑物的建造到毁坏。
2.2 生命周期清单
为了收集和计算三种加固方案的生命周期清单，我们考虑了全局(即适用于所有加固方案)和适用于特定加固方案的假设。总体假设是:
该建筑位于洛杉矶市中心。根据建筑的位置和现有
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