一種兼顧墻體節(jié)能改造的框架結(jié)構(gòu)抗震分災(zāi)加固方法

趙曉博 熊光晶

(汕頭大學，廣東 汕頭 515063)

?

一種兼顧墻體節(jié)能改造的框架結(jié)構(gòu)抗震分災(zāi)加固方法

趙曉博 熊光晶

(汕頭大學，廣東 汕頭 515063)

以一棟8層混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑為例，設(shè)計了不入戶加固方案，同時進行了墻體節(jié)能改造，分析了改造后的抗震性能、節(jié)能效果及經(jīng)濟適用性，指出該方案不僅能滿足抗震性能要求，還能顯著降低空調(diào)能耗，具有明顯的經(jīng)濟效益。

框架結(jié)構(gòu),加固方案,墻體，節(jié)能改造

0 引言

我國縣級以上的城鎮(zhèn)中有2 000多個屬于抗震設(shè)防區(qū)，其中7度設(shè)防的城市占比40%，8度及以上等級設(shè)防的城鎮(zhèn)占15%，抗震形式十分嚴峻[1]。歷史上我國抗震設(shè)計標準明顯偏低，幾十年來相關(guān)規(guī)范數(shù)次更迭[2]，大部分既有建筑已不滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，須進行抗震鑒定和加固。此外，人們對于建筑的舒適性要求也越來越高，特別是隨著空調(diào)的快速發(fā)展，建筑采暖制冷能耗已經(jīng)成為建筑能耗中舉足輕重的部分[3]。我國既有的近500億m2建筑中99%為高耗能建筑，新建造建筑仍有95%不符合國家相關(guān)強制性節(jié)能標準[4]。因此，抗震加固和節(jié)能改造已經(jīng)成為既有建筑面臨的雙重迫切任務(wù)。傳統(tǒng)的抗震加固和節(jié)能改造分次進行，施工效率低且擾民嚴重。而將兩者結(jié)合考慮不僅可以提高改造效率，更可以收獲良好的經(jīng)濟效益。在此背景下，選取汕頭地區(qū)一棟既有框架辦公樓為研究對象，按照新近提出的“不入戶加固”思想設(shè)置加固方案，同時進行墻體節(jié)能改造，以初步探索抗震加固和節(jié)能改造結(jié)合考慮的具體技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢。

1 原結(jié)構(gòu)概況

該建筑建于1996年，為一棟8層混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓，總建筑面積6 406.4 m2，首層層高4.2 m，其他層層高3.2 m，總高度26.6 m，標準層結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。設(shè)防類別丙類，設(shè)防烈度8度，設(shè)計地震加速度0.20g。

依據(jù)GB 50011—2010現(xiàn)行10抗規(guī)6.1.2條，該建筑高度超過24 m，框架抗震等級為一級(按原89規(guī)范為二級)，柱軸壓比限值由原0.80變?yōu)?.65，導(dǎo)致部分柱軸壓比超限；此外該建筑在Y向偶然偏心地震力作用下，各層位移比均不滿足要求，需要進行抗震加固。

按GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計標準規(guī)定，該建筑外墻須滿足傳熱系數(shù)Ke≤0.8 W/(m2·K)；其外窗應(yīng)滿足傳熱系數(shù)Kw≤5.2 W/(m2·K)。而原建筑外墻為240黏土磚，傳熱系數(shù)Ke=1.99 W/(m2·K)，外窗為普通6 mm單玻窗，傳熱系數(shù)Kw=5.70 W/(m2·K)，故需要進行圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造。

2 不入戶加固與墻體節(jié)能改造一體化方案

2.1 基本思路

所謂“不入戶加固”，就是所有的加固施工作業(yè)均只在建筑物外部進行，外附子結(jié)構(gòu)是不入戶加固的典型代表形式[5,6]，這種加固形式可以有效利用分災(zāi)單元的耗能能力，使原結(jié)構(gòu)延遲出現(xiàn)塑性鉸或者不出現(xiàn)塑性鉸，減少原結(jié)構(gòu)的破壞程度，起到抗震加固作用[7]。該方法不需要轉(zhuǎn)移原有的人員和設(shè)備等，也不會對原有室內(nèi)環(huán)境造成過多的影響，因而日益受到業(yè)主的青睞。

在現(xiàn)有的圍護結(jié)構(gòu)改造技術(shù)中，采用具有空腔構(gòu)造的外墻形式具有很好的節(jié)能效果[3]。外包改造由于和支撐結(jié)構(gòu)相對獨立，有較大的空間可以運用各種節(jié)能技術(shù)。外包層、空氣間層和原墻體組成三層保溫隔熱模式，空氣間層內(nèi)有通風道。在夏季，由自然通風排除在夾層中的太陽輻射熱量，可以大幅度減少進入室內(nèi)的太陽輻射熱，從而降低建筑空調(diào)系統(tǒng)制冷能耗。

2.2 方案設(shè)計

本文對原結(jié)構(gòu)建模并計算多個方案，今取五種有代表性的分災(zāi)加固方案，主要信息如表1所示。不入戶加固措施為：沿縱向設(shè)置分災(zāi)框架(距原結(jié)構(gòu)2 000 mm)以降低柱軸壓比并提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，其中混凝土強度等級C40，鋼筋種類為HRB335；其首層平面布置如圖2所示。墻體節(jié)能改造方面，橫向山墻外側(cè)增加泡沫混凝土保溫板，與此對應(yīng)，沿原橫向框架梁外側(cè)新做200×200混凝土托梁，與新增分災(zāi)框架同時施工，既可防止保溫板脫落(見圖3)，又能加強原結(jié)構(gòu)柱與梁間的連接。縱向新增框架圍護結(jié)構(gòu)材料采用混凝土空心砌塊。

表1 各加固方案主要信息

3 結(jié)果分析

3.1 抗震性能

各個方案結(jié)果分析見表2及圖4,圖5。由表2可知，加固后柱軸壓比均滿足要求。從第一平動周期來看，方案五的T1=0.875 6，優(yōu)于方案四的0.888 8，但是方案四具有更好的扭轉(zhuǎn)剛度，使得方案四的周期比為0.601 0優(yōu)于方案五的0.656 0；原結(jié)構(gòu)的位移比、層間位移比均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，加固方案二、三和四均可以滿足且效果相差不大。由圖4知原方案在Y向偶然偏心地震作用下最大層間位移角不滿足規(guī)范限值1/550，方案四對此加固效果最好，使得結(jié)構(gòu)在Y向偶然偏心作用下最大層間位移角降至1/673，滿足規(guī)范要求。由圖5可知方案三主要加固材料用量最大，不太經(jīng)濟，而方案四的材料用量雖然稍多，但加固效果最好。綜上，結(jié)構(gòu)宜選方案四進行加固。

表2 各方案加固主要指標對比

項目原結(jié)構(gòu)方案一方案二方案三方案四方案五軸壓比不滿足數(shù)1400000周期比Tt0．88620．79550．69840．67610．60100．6560T11．01390．89560．89420．89270．88880．8756Tt/T10．8740510．88820．7810．75740．67620．7492最大位移比1．231．221．161．161．151．22最大層間位移比1．231．221．181．181．191．29

3.2 節(jié)能效果

在保證室溫及室內(nèi)熱擾等參數(shù)相同的情況下，由DeST-h統(tǒng)計所得的改造前后空調(diào)系統(tǒng)年制冷耗能情況如表3所示。

3.3 經(jīng)濟適用性分析

方案的主要材料消耗量如表4所示。

表3 空調(diào)系統(tǒng)年耗能對比

表4 方案所需主要材料

由此可知，該方案在抗震加固的基礎(chǔ)上進行的節(jié)能改造材料消耗折合10.5萬元，但就所達到的節(jié)能效果來說，改造后的建筑空調(diào)系統(tǒng)可比改造前每年節(jié)約電費5.8萬元，兩年即可收回節(jié)能改造成本。節(jié)能改造的保溫砌塊由新增的分災(zāi)框架支撐，體現(xiàn)了抗震加固與節(jié)能改造一體化的思想：該一體化方案施工一次性完成，且均在結(jié)構(gòu)的外圍進行，在做好建筑出入口防護措施的情況下，可基本做到不影響原結(jié)構(gòu)使用功能，相比于傳統(tǒng)加固方法來說，擾民程度降低。值得指出，用此方法對建筑進行改造后，建筑可使用面積增加了1 216 m2，提高房屋的使用價值，也激勵了業(yè)主對于既有建筑進行加固與節(jié)能改造項目的支持度，并且有利于籌措項目所需資金。

4 結(jié)語

1)抗震加固與節(jié)能改造一體化可有效提高既有建筑改造效率，減少擾民。2)增加分災(zāi)框架的不入戶抗震加固與墻體節(jié)能改造一體化方案可以增加房屋使用面積，更易被業(yè)主接受，且具有長遠經(jīng)濟效益，具備推廣價值。

[1] 李 珠,張文芳,郝培亮,等.建筑抗震加固與節(jié)能改造的一體化研究[J].建設(shè)科技,2008(22):62-65.

[2] 陳肇元.要大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度[J].工程建設(shè)標準化,1999(1):16-21.

[3] 崔艷秋.建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)研究與工程示范[M].北京：中國電力出版社,2014.

[4] 涂逢祥.建筑節(jié)能現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].住宅科技,2004(9):8-11.

[5] 曲 哲,張令心.日本鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].地震工程與工程振動,2013,33(4):61-74.

[6] 李 剛,程耿東.基于分災(zāi)模式的結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計概念的再思考[J].大連理工大學學報,1998(1):10-15.

[7] Li G,Cheng G.Damage-reduction-based structural optimum design for seismic RC frames[J].Structural & Multidisciplinary Optimization,2003,25(4):294-306.

On consolidation methods for anti-seismic of the framework integrating with energy-saving reconstruction

Zhao Xiaobo Xiong Guangjing

(ShantouUniversity,Shantou515063,China)

Taking some eight-story concrete framework structure as the example, the paper designs the non-entry consolidation scheme, undertakes the wall energy-saving reconstruction, analyzes the seismic performance, energy-saving effect and economical adoptability after the reconstruction, and points out the scheme can meet the demands of the anti-seismic performance and lower the air-conditioner energy-consumption, so it has obvious economic benefits.

framework structure, consolidation scheme, wall, energy-saving reconstruction

1009-6825(2017)14-0029-02

2017-03-04

趙曉博(1993- ),男,在讀碩士; 熊光晶(1954- )，男，博士生導(dǎo)師，教授

TU352

A