一种兼顾墙体节能改造的框架结构抗震分灾加固方法

赵晓博 熊光晶

(汕头大学，广东 汕头 515063)



一种兼顾墙体节能改造的框架结构抗震分灾加固方法

赵晓博 熊光晶

(汕头大学，广东 汕头 515063)

以一栋8层混凝土框架结构建筑为例，设计了不入户加固方案，同时进行了墙体节能改造，分析了改造后的抗震性能、节能效果及经济适用性，指出该方案不仅能满足抗震性能要求，还能显著降低空调能耗，具有明显的经济效益。

框架结构,加固方案,墙体，节能改造

0 引言

我国县级以上的城镇中有2 000多个属于抗震设防区，其中7度设防的城市占比40%，8度及以上等级设防的城镇占15%，抗震形式十分严峻[1]。历史上我国抗震设计标准明显偏低，几十年来相关规范数次更迭[2]，大部分既有建筑已不满足现行抗震规范的要求，须进行抗震鉴定和加固。此外，人们对于建筑的舒适性要求也越来越高，特别是随着空调的快速发展，建筑采暖制冷能耗已经成为建筑能耗中举足轻重的部分[3]。我国既有的近500亿m2建筑中99%为高耗能建筑，新建造建筑仍有95%不符合国家相关强制性节能标准[4]。因此，抗震加固和节能改造已经成为既有建筑面临的双重迫切任务。传统的抗震加固和节能改造分次进行，施工效率低且扰民严重。而将两者结合考虑不仅可以提高改造效率，更可以收获良好的经济效益。在此背景下，选取汕头地区一栋既有框架办公楼为研究对象，按照新近提出的“不入户加固”思想设置加固方案，同时进行墙体节能改造，以初步探索抗震加固和节能改造结合考虑的具体技术优势和经济优势。

1 原结构概况

该建筑建于1996年，为一栋8层混凝土框架结构办公楼，总建筑面积6 406.4 m2，首层层高4.2 m，其他层层高3.2 m，总高度26.6 m，标准层结构平面如图1所示。设防类别丙类，设防烈度8度，设计地震加速度0.20g。

依据GB 50011—2010现行10抗规6.1.2条，该建筑高度超过24 m，框架抗震等级为一级(按原89规范为二级)，柱轴压比限值由原0.80变为0.65，导致部分柱轴压比超限；此外该建筑在Y向偶然偏心地震力作用下，各层位移比均不满足要求，需要进行抗震加固。

按GB 50189—2015公共建筑节能设计标准规定，该建筑外墙须满足传热系数Ke≤0.8 W/(m2·K)；其外窗应满足传热系数Kw≤5.2 W/(m2·K)。而原建筑外墙为240黏土砖，传热系数Ke=1.99 W/(m2·K)，外窗为普通6 mm单玻窗，传热系数Kw=5.70 W/(m2·K)，故需要进行围护结构节能改造。

2 不入户加固与墙体节能改造一体化方案

2.1 基本思路

所谓“不入户加固”，就是所有的加固施工作业均只在建筑物外部进行，外附子结构是不入户加固的典型代表形式[5,6]，这种加固形式可以有效利用分灾单元的耗能能力，使原结构延迟出现塑性铰或者不出现塑性铰，减少原结构的破坏程度，起到抗震加固作用[7]。该方法不需要转移原有的人员和设备等，也不会对原有室内环境造成过多的影响，因而日益受到业主的青睐。

在现有的围护结构改造技术中，采用具有空腔构造的外墙形式具有很好的节能效果[3]。外包改造由于和支撑结构相对独立，有较大的空间可以运用各种节能技术。外包层、空气间层和原墙体组成三层保温隔热模式，空气间层内有通风道。在夏季，由自然通风排除在夹层中的太阳辐射热量，可以大幅度减少进入室内的太阳辐射热，从而降低建筑空调系统制冷能耗。

2.2 方案设计

本文对原结构建模并计算多个方案，今取五种有代表性的分灾加固方案，主要信息如表1所示。不入户加固措施为：沿纵向设置分灾框架(距原结构2 000 mm)以降低柱轴压比并提高结构抗侧刚度，其中混凝土强度等级C40，钢筋种类为HRB335；其首层平面布置如图2所示。墙体节能改造方面，横向山墙外侧增加泡沫混凝土保温板，与此对应，沿原横向框架梁外侧新做200×200混凝土托梁，与新增分灾框架同时施工，既可防止保温板脱落(见图3)，又能加强原结构柱与梁间的连接。纵向新增框架围护结构材料采用混凝土空心砌块。

表1 各加固方案主要信息

3 结果分析

3.1 抗震性能

各个方案结果分析见表2及图4,图5。由表2可知，加固后柱轴压比均满足要求。从第一平动周期来看，方案五的T1=0.875 6，优于方案四的0.888 8，但是方案四具有更好的扭转刚度，使得方案四的周期比为0.601 0优于方案五的0.656 0；原结构的位移比、层间位移比均不满足现行规范要求，加固方案二、三和四均可以满足且效果相差不大。由图4知原方案在Y向偶然偏心地震作用下最大层间位移角不满足规范限值1/550，方案四对此加固效果最好，使得结构在Y向偶然偏心作用下最大层间位移角降至1/673，满足规范要求。由图5可知方案三主要加固材料用量最大，不太经济，而方案四的材料用量虽然稍多，但加固效果最好。综上，结构宜选方案四进行加固。

表2 各方案加固主要指标对比

项目原结构方案一方案二方案三方案四方案五轴压比不满足数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最大层间位移比1．231．221．181．181．191．29

3.2 节能效果

在保证室温及室内热扰等参数相同的情况下，由DeST-h统计所得的改造前后空调系统年制冷耗能情况如表3所示。

3.3 经济适用性分析

方案的主要材料消耗量如表4所示。

表3 空调系统年耗能对比

表4 方案所需主要材料

由此可知，该方案在抗震加固的基础上进行的节能改造材料消耗折合10.5万元，但就所达到的节能效果来说，改造后的建筑空调系统可比改造前每年节约电费5.8万元，两年即可收回节能改造成本。节能改造的保温砌块由新增的分灾框架支撑，体现了抗震加固与节能改造一体化的思想：该一体化方案施工一次性完成，且均在结构的外围进行，在做好建筑出入口防护措施的情况下，可基本做到不影响原结构使用功能，相比于传统加固方法来说，扰民程度降低。值得指出，用此方法对建筑进行改造后，建筑可使用面积增加了1 216 m2，提高房屋的使用价值，也激励了业主对于既有建筑进行加固与节能改造项目的支持度，并且有利于筹措项目所需资金。

4 结语

1)抗震加固与节能改造一体化可有效提高既有建筑改造效率，减少扰民。2)增加分灾框架的不入户抗震加固与墙体节能改造一体化方案可以增加房屋使用面积，更易被业主接受，且具有长远经济效益，具备推广价值。

[1] 李 珠,张文芳,郝培亮,等.建筑抗震加固与节能改造的一体化研究[J].建设科技,2008(22):62-65.

[2] 陈肇元.要大幅度提高建筑结构设计的安全度[J].工程建设标准化,1999(1):16-21.

[3] 崔艳秋.建筑围护结构节能改造技术研究与工程示范[M].北京：中国电力出版社,2014.

[4] 涂逢祥.建筑节能现状及发展趋势[J].住宅科技,2004(9):8-11.

[5] 曲 哲,张令心.日本钢筋混凝土结构抗震加固技术现状与发展趋势[J].地震工程与工程振动,2013,33(4):61-74.

[6] 李 刚,程耿东.基于分灾模式的结构防灾减灾设计概念的再思考[J].大连理工大学学报,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

赵晓博(1993- ),男,在读硕士; 熊光晶(1954- )，男，博士生导师，教授

TU352

A