一種兼顧墻體節能改造的框架結構抗震分災加固方法

趙曉博 熊光晶

(汕頭大學，廣東 汕頭 515063)

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一種兼顧墻體節能改造的框架結構抗震分災加固方法

趙曉博 熊光晶

(汕頭大學，廣東 汕頭 515063)

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

框架結構,加固方案,墻體，節能改造

0 引言

我國縣級以上的城鎮中有2 000多個屬于抗震設防區，其中7度設防的城市占比40%，8度及以上等級設防的城鎮占15%，抗震形式十分嚴峻[1]。歷史上我國抗震設計標準明顯偏低，幾十年來相關規范數次更迭[2]，大部分既有建筑已不滿足現行抗震規范的要求，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，特別是隨著空調的快速發展，建筑采暖制冷能耗已經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%不符合國家相關強制性節能標準[4]。因此，抗震加固和節能改造已經成為既有建筑面臨的雙重迫切任務。傳統的抗震加固和節能改造分次進行，施工效率低且擾民嚴重。而將兩者結合考慮不僅可以提高改造效率，更可以收獲良好的經濟效益。在此背景下，選取汕頭地區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”思想設置加固方案，同時進行墻體節能改造，以初步探索抗震加固和節能改造結合考慮的具體技術優勢和經濟優勢。

1 原結構概況

該建筑建于1996年，為一棟8層混凝土框架結構辦公樓，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，標準層結構平面如圖1所示。設防類別丙類，設防烈度8度，設計地震加速度0.20g。

依據GB 50011—2010現行10抗規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規范為二級)，柱軸壓比限值由原0.80變為0.65，導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公共建筑節能設計標準規定，該建筑外墻須滿足傳熱系數Ke≤0.8 W/(m2·K)；其外窗應滿足傳熱系數Kw≤5.2 W/(m2·K)。而原建筑外墻為240黏土磚，傳熱系數Ke=1.99 W/(m2·K)，外窗為普通6 mm單玻窗，傳熱系數Kw=5.70 W/(m2·K)，故需要進行圍護結構節能改造。

2 不入戶加固與墻體節能改造一體化方案

2.1 基本思路

所謂“不入戶加固”，就是所有的加固施工作業均只在建筑物外部進行，外附子結構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單元的耗能能力，使原結構延遲出現塑性鉸或者不出現塑性鉸，減少原結構的破壞程度，起到抗震加固作用[7]。該方法不需要轉移原有的人員和設備等，也不會對原有室內環境造成過多的影響，因而日益受到業主的青睞。

在現有的圍護結構改造技術中，采用具有空腔構造的外墻形式具有很好的節能效果[3]。外包改造由于和支撐結構相對獨立，有較大的空間可以運用各種節能技術。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的太陽輻射熱，從而降低建筑空調系統制冷能耗。

2.2 方案設計

本文對原結構建模并計算多個方案，今取五種有代表性的分災加固方案，主要信息如表1所示。不入戶加固措施為：沿縱向設置分災框架(距原結構2 000 mm)以降低柱軸壓比并提高結構抗側剛度，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。墻體節能改造方面，橫向山墻外側增加泡沫混凝土保溫板，與此對應，沿原橫向框架梁外側新做200×200混凝土托梁，與新增分災框架同時施工，既可防止保溫板脫落(見圖3)，又能加強原結構柱與梁間的連接。縱向新增框架圍護結構材料采用混凝土空心砌塊。

表1 各加固方案主要信息

3 結果分析

3.1 抗震性能

各個方案結果分析見表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，優于方案四的0.888 8，但是方案四具有更好的扭轉剛度，使得方案四的周期比為0.601 0優于方案五的0.656 0；原結構的位移比、層間位移比均不滿足現行規范要求，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范限值1/550，方案四對此加固效果最好，使得結構在Y向偶然偏心作用下最大層間位移角降至1/673，滿足規范要求。由圖5可知方案三主要加固材料用量最大，不太經濟，而方案四的材料用量雖然稍多，但加固效果最好。綜上，結構宜選方案四進行加固。

表2 各方案加固主要指標對比

項目原結構方案一方案二方案三方案四方案五軸壓比不滿足數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 節能效果

在保證室溫及室內熱擾等參數相同的情況下，由DeST-h統計所得的改造前后空調系統年制冷耗能情況如表3所示。

3.3 經濟適用性分析

方案的主要材料消耗量如表4所示。

表3 空調系統年耗能對比

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上進行的節能改造材料消耗折合10.5萬元，但就所達到的節能效果來說，改造后的建筑空調系統可比改造前每年節約電費5.8萬元，兩年即可收回節能改造成本。節能改造的保溫砌塊由新增的分災框架支撐，體現了抗震加固與節能改造一體化的思想：該一體化方案施工一次性完成，且均在結構的外圍進行，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構使用功能，相比于傳統加固方法來說，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，也激勵了業主對于既有建筑進行加固與節能改造項目的支持度，并且有利于籌措項目所需資金。

4 結語

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

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

[2] 陳肇元.要大幅度提高建筑結構設計的安全度[J].工程建設標準化,1999(1):16-21.

[3] 崔艷秋.建筑圍護結構節能改造技術研究與工程示范[M].北京：中國電力出版社,2014.

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

[5] 曲 哲,張令心.日本鋼筋混凝土結構抗震加固技術現狀與發展趨勢[J].地震工程與工程振動,2013,33(4):61-74.

[6] 李 剛,程耿東.基于分災模式的結構防災減災設計概念的再思考[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，博士生導師，教授

TU352

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