《Buildings》：An Integrated Approach to Assessing Carbon Efficiency in the Selection of Strengthening Schemes for Existing RC Beams Based on Load-Capacity Increments
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既有研究通常采用不同试件和结构指标评价钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）梁加固方案，而材料隐含碳排放（embodied-carbon emissions）则被单独评估。因此，针对单位抗弯承载力增益所对应环境代价的一致性量化指标，以及可复
既有研究通常采用不同试件和结构指标评价钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）梁加固方案，而材料隐含碳排放（embodied-carbon emissions）则被单独评估。因此，针对单位抗弯承载力增益所对应环境代价的一致性量化指标，以及可复现的方案选择程序，仍然缺乏。本研究构建了一个构件层级（member-level）分析框架，以一根具有代表性的承载力不足RC梁作为统一功能单元（functional unit），并集成非线性有限元分析（nonlinear finite-element analysis）、基于过程的A1–A5阶段隐含碳核算（process-based A1–A5 embodied-carbon accounting）以及层次分析法-熵权法（Analytic Hierarchy Process–entropy，AHP–entropy）多准则评价。研究人员在相同几何尺寸、荷载条件、加固长度及核算边界下，对超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）薄层加固、外粘Q235钢板加固和外粘碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）布加固进行了比较。计算得到的峰值荷载增幅分别为64.4%、75.1%和54.7%，峰值荷载割线刚度（secant stiffness）增幅分别为82.6%、52.4%和29.6%。A1–A5阶段总排放分别为21.97、18.83和7.59 kg CO2e，而单位承载力增量碳强度分别为0.89、0.66和0.36 kg CO2e/kN。CFRP方案同时获得了最佳归一化单位成本与施工工期评分，分别为0.920和0.950，并取得最高条件综合得分0.890。黏结效率校核（bond-efficiency check）将其碳效率指数提高至0.48 kg CO2e/kN，但未改变排序结果。该框架提供了一种透明的方案筛选工具；然而，面向具体工程的黏结、锚固、防火、耐久性及基于规范的验算仍然是必要条件。
该文发表于《Buildings》，围绕既有钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）梁局部加固方案的低碳优选问题，提出了一个将结构受力性能提升与施工干预阶段隐含碳排放相耦合的构件层级评价框架。研究背景在于，全球气候治理已从新建建筑减排逐渐转向既有建筑存量更新与全寿命期碳管理，而建筑与建造行业约占全球CO
2排放的三分之一，水泥和钢材仍是隐含碳的重要来源。中国大量建于20世纪末的现浇RC框架-剪力墙建筑，在功能升级、使用荷载变化以及耐久性劣化等因素作用下，部分梁构件存在承载力储备不足问题。传统加固研究多从力学性能、破坏机理或构造做法出发，分别研究UHPC、外粘钢板和CFRP等技术；环境评价研究则更多停留于建筑或项目尺度；多准则决策研究虽兼顾技术、经济与环境因素，但较少在构件层级将“单位承载力提升所付出的边际碳代价”作为统一比较基础。正因如此，不同文献由于试件尺寸、配筋率、加载方式、加固长度、界面处理及判定指标不同，其承载力增益与碳清单结果难以直接对接，也难以形成具有可重复性的方案遴选依据。研究人员因此开展本研究，旨在建立一种可复现、可量化、可条件筛选的既有RC梁加固方案比较方法。
本文以北京市东城区法华南里1号楼与10号楼为工程背景，选取一根具有代表性的承载力不足受弯RC梁作为统一功能单元，重点比较UHPC薄层加固、外粘Q235钢板加固和外粘CFRP布加固三种方案在相同构件条件下的承载力增益、A1–A5阶段隐含碳排放及综合适用性。研究结论表明，在相同几何、荷载、加固长度和核算边界下，钢板方案获得最高峰值荷载增幅，UHPC方案表现出最显著的刚度提升，而CFRP方案在单位承载力增量碳强度、施工可行性及综合评分方面最优。即使在引入保守的CFRP黏结效率折减后，其碳效率排序仍保持领先。该研究的重要意义在于，不再将结构性能和环境性能割裂考察，而是以统一构件为基础，将力学增益与边际干预碳排放直接耦合，为既有建筑绿色加固提供透明、可操作的构件层级筛选工具。
就主要技术方法而言，研究人员采用了三类关键方法。首先，以同一根2.0 m跨、1.6 m加固长度的既有RC简支梁为代表对象，利用ABAQUS 2024建立原梁、UHPC加固梁、钢板加固梁和CFRP加固梁四种有限元（Finite Element，FE）模型，在统一边界、统一四点弯单调加载和统一完全黏结假定下进行比较分析。其次，基于GB/T 51366-2019、ISO 14040和EN 15978的模块化逻辑，对A1–A5阶段材料生产、运输及现场安装能耗进行基于过程的生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）核算，并提出单位承载力增量碳强度指标。最后，采用层次分析法（AHP）与熵权法（entropy weighting method）组合赋权，对力学性能、减碳效益及技术经济可行性进行多准则综合评价；工程样本来源于北京法华南里既有RC框架-剪力墙建筑中的局部承载力不足主梁。
在研究结果方面，论文首先在“2.1. Technical Approach and Project Overview”中明确了总体技术路线与工程对象。研究人员提出了一个力学-碳排放耦合评价流程，将有限元力学分析、过程型LCA碳核算与AHP-熵权综合评价相结合。工程背景显示，建筑基础及大多数竖向承重构件安全性基本满足要求，但部分主梁因使用功能变化和荷载效应增大而出现承载力储备不足，因此需开展局部加固。为保证可比性，研究选择一根受弯控制明显、施工空间受限的梁作为代表构件，限定研究范围为构件层级，不涉及整体建筑改造、抗震循环响应、疲劳、火灾、徐变与收缩等问题。
在“2.2. Numerical Model Assumptions and Material Parameters”中，研究人员阐明了有限元建模假设与材料参数来源。普通混凝土采用混凝土损伤塑性模型（Concrete-Damaged Plasticity，CDP），钢筋与Q235钢板采用双线性弹塑性模型，UHPC薄层简化为线弹性材料，CFRP布简化为正交各向异性线弹性壳单元材料。所有加固层与原混凝土基底之间均采用tie约束，代表理想完全黏结基线条件。作者同时强调，这一假定有利于隔离材料本身刚度与受拉贡献差异，但可能高估实际刚度与承载力，因此工程设计仍需进一步进行界面本构、锚固及耐久性校核。
在“2.3. Development of the Finite Element Model”与“2.4. Three-Level Model Checking and Literature-Benchmark-Informed Interpretation”中，研究人员说明了模型建立与检核方法。混凝土采用C3D8R实体单元，钢筋采用T3D2桁架单元，钢板和CFRP采用S4R壳单元，加载点、支座区和加固端部进行了局部网格加密，并通过30、20、15 mm三种网格尺寸开展敏感性分析，最终选定20 mm网格。模型检核分为三级：其一，对未加固原梁用矩形应力图法进行抗弯承载力解析校核，解析峰值荷载36.0 kN与有限元结果38.2 kN相差5.8%，说明原始基线模型合理；其二，将加固梁的模拟响应趋势与文献代表性试验结果进行定性对照，用于判断趋势一致性而非直接验证；其三，结合网格敏感性和完全黏结假定的局限性，明确模型仅适用于构件层级初步筛选，不可替代项目专属试验验证和规范设计验算。
在“2.5. Analysis of Finite Element Results”中，论文给出了核心力学结果。原梁峰值荷载为38.2 kN；经UHPC、Q235钢板和CFRP加固后，峰值荷载分别提高到62.8、66.9和59.1 kN，增幅依次为64.4%、75.1%和54.7%。研究据此认为，钢板方案之所以具有最高承载力提升，是因为其在梁底受拉区提供了直接且显著的抗拉贡献；UHPC方案对初始刚度提升最明显，主要源于其提高了有效截面刚度并改善了受拉面附近的应力扩散；CFRP方案虽然峰值承载力增幅低于钢板，但其单位附加质量和单位碳代价更有优势。进一步地，峰值荷载割线刚度相较原梁分别提高82.6%、52.4%和29.6%，说明UHPC更适用于刚度与挠度控制主导情形。论文还通过代表性应力提取方法，对不同方案的应力传递路径进行了说明：UHPC主要体现为应力重分布与截面刚度增强，钢板和CFRP则主要体现为梁底直接受拉传力。作者特别指出，CFRP在数值模型中表现出的变形指标不能被解读为物理延性提高，因为模型未模拟界面剥离、混凝土保护层剥离、胶层破坏和纤维断裂等脆性控制机制。
在“3.1. Carbon-Emission Calculation Model”中，研究人员构建了A1–A5阶段构件层级碳排放核算框架。系统边界覆盖材料生产、运输到场以及现场安装能耗，不包括使用阶段维护、更换、拆除、回收及延寿效益。碳排放因子主要来自GB/T 51366-2019、供应商环境产品声明及LCA数据库，并以北京地区为基准情景。UHPC与钢构件运输距离取50 km，CFRP因供应链较长取200 km，施工机械使用量则按单梁小工程折算为等效台班。作者明确说明，这些结果仅代表构件加固干预的边际A1–A5隐含碳，不可视为全建筑全寿命期碳足迹。
在“3.2. Carbon Emission Results and Incremental Carbon Efficiency of Carrying Capacity”中，论文给出了三种方案的碳核算结果。UHPC、钢板和CFRP方案的A1–A5总排放分别为21.97、18.83和7.59 kg CO2e，总体排序为UHPC > 钢板 > CFRP。为实现与承载力提升效果的耦合比较，作者定义了“单位承载力增量碳效率指数”，单位为kg CO2e/kN，数值越小表示每增加1 kN承载力所需付出的碳代价越低。计算结果表明，UHPC、钢板和CFRP对应值分别为0.89、0.66和0.36 kg CO2e/kN，因此在所采用构件层级A1–A5边界内，CFRP表现出最低的单位承载力增量碳强度。论文还设置了30年参考期的边界敏感性情景，用于讨论钢板防腐维护、UHPC表面修补、CFRP保护层维护和报废处理的可能影响，但作者反复强调该情景只是方向性分析，不构成完整“从摇篮到坟墓”（cradle-to-grave）评价。
在“3.3. Prerequisite Screening, Pareto Comparison, and Conditional Scheme Ranking”中，研究人员通过多准则决策方法对方案进行条件排序。评价体系包括力学性能、减排效益和技术经济可行性三项一级指标，并在此基础上通过AHP确定主观权重、熵权法修正客观离散度，形成最终组合权重。研究特别指出，多准则评价仅适用于满足结构安全、正常使用、界面可靠、锚固、防火、耐久性、可检查性和施工质量控制等前提条件后的候选方案排序，不允许低碳、低成本或短工期弥补安全性不足。综合评价结果显示，CFRP、钢板和UHPC的条件综合得分分别为0.890、0.753和0.674。CFRP在归一化单位成本、施工工期和施工扰动方面得分最高，分别为0.920、0.950和0.980，因此在适度承载力提升需求下，呈现出最佳综合适用性。权重敏感性分析进一步表明，在机械主导、碳主导、施工可行性主导及一级指标等权等不同情景下，CFRP始终保持第一，但当力学性能权重提高时，其与钢板的分差缩小，说明在更大承载力缺口或更高稳健性要求下，排序可能发生变化。
讨论部分系统归纳了统一功能单元比较的科学价值及适用边界。研究认为，本文最主要的贡献并非给出三种材料普适的加固增效系数，而是建立了在相同构件、相同荷载、相同加固长度、相同输出定义和相同碳核算边界下的标准化比较基础，从而使结构性能增量与对应干预碳排放能够在同一功能尺度上直接对接。讨论同时指出，材料生产阶段在三种方案A1–A5总排放中占主导，说明构件层级隐含碳主要受材料用量和材料碳强度控制；但不同方案的长期环境表现对防火、防腐、维护频率、报废处理和回收信用较为敏感，因此本文提出的碳效率指标应被视为透明的初筛工具，而非通用于所有情形的终极环境排序。作者还强调，本文未获取现场施工工时、缺陷率、返工率和绝对成本等实测数据，因此技术经济指标本质上是归一化比较值，而非实测收益。
研究结论部分可译述如下：研究人员建立了一个可复现的构件层级评估框架，通过对UHPC、外粘钢板与CFRP加固采用同一承载力不足RC梁、同一加固长度、同一加载方式、同一数值输出定义和同一A1–A5碳核算边界，实现了结构性能增益与干预阶段边际碳排放的统一评价。在单调加载和完全黏结假定下，UHPC、钢板和CFRP方案的峰值荷载增幅分别为64.4%、75.1%和54.7%，峰值荷载割线刚度增幅分别为82.6%、52.4%和29.6%；其中钢板承载力提升最大，UHPC刚度增强最明显，而CFRP相关变形指标不应被解释为物理延性改善。研究进一步提出单位承载力增量隐含碳强度指标，三种方案A1–A5排放分别为21.97、18.83和7.59 kg CO2e，对应碳效率指数分别为0.89、0.66和0.36 kg CO2e/kN；对于所研究构件，CFRP相较UHPC和钢板分别降低了59.6%和45.5%的单位承载力增量碳强度。AHP-熵权耦合评价得到CFRP、钢板和UHPC的条件综合分值分别为0.890、0.753和0.674；当CFRP黏结效率因子降至0.75时，其碳效率指数提高至0.48 kg CO2e/kN，但仍低于钢板和UHPC，对应排序未发生变化，表明在既定假设、指标范围和权重情景内，该排序具有条件稳健性。
