河北省某校园历史风貌建筑绿色化节能改造研究

2020-12-30李旭光国贤发万少强

工程质量 2020年11期

李旭光，国贤发，万少强

（1.河北省建筑工程质量检测中心有限公司，河北石家庄 050021；2.河北省既有建筑综合改造研究中心，河北石家庄 050021）

0 引言

近现代校园历史风貌建筑建造时间较长，而且受当时经济条件限制及设计水平制约，导致历史风貌建筑的抗震设防标准较低，节能效果较差；同时，因建设年代的不同，致使其功能无法满足现阶段的使用需求。上述因素使得历史风貌建筑在高校的不断发展和改造进程中承受着拆除的风险，但是高校历史建筑作为重要历史文化信息的载体，具备一定的文化遗产价值，对珍贵历史建筑的拆除无疑会造成校园历史文化的断层。因此，本文拟以河北农业大学水利楼的保护为例，探讨河北省校园历史风貌建筑绿色化改造的方法和策略，以丰富历史性建筑在保护和再利用领域的研究与实践，同时也为其他相似工程提供借鉴。

1 工程概况

河北农业大学前身为直隶农务学堂，始建于 1902 年，系中国成立较早的农业院校之一。其后经半个多世纪的调整和发展，最终于 1958 年正式更名为“河北农业大学”。河北农业大学水利楼于正式确名后的 20 世纪 60 年代建设完成，该建筑为地上 3 层、局部 4 层砖混结构楼房，建筑平面布局对称，结构呈现“三段式”的苏式建筑特点，立面设计上也一定程度地体现了前苏联建筑风格（见图 1）。河北农业大学水利楼自建成至今已有 50 年，它的留存是校园发展的历史见证，也记载着河北农业大学建校史的艰辛历程。

图1 河北农业大学水利楼立面图

鉴于河北农业大学水利楼重要的历史地位，现结合绿色化节能技术对其进行改造以解决历史性老建筑普遍存在的问题。为保证绿色化改造的安全性及节能效果，需对该建筑物进行改造前的检测鉴定及节能诊断。

水利楼检测鉴定工作内容为：一是对建筑物现状进行普查，以初步评定结构的安全性；二是对构造柱、圈梁进行检查，以明确构造构件设置状况；三是对砌筑砂浆、墙体砖和混凝土构件抗压强度进行检测，为承载力复核提供基础数据。最终，经承载力验算及抗震鉴定结果为该建筑物部分墙体受压承载力与抗震承载力不足、构造柱与圈梁设置不满足现行规范要求、部分混凝土梁和楼板承载力不足、女儿墙缺少锚固且高度超过规范限值，存在一定的安全隐患。综上，结构应在绿色化改造前采取加固措施。节能诊断工作主要对围护结构传热系数及室内热环境进行检测和诊断。经诊断，该建筑物外墙、屋面、隔墙、外窗的传热系数均不满足现行节能规范要求，宜进行外围护结构节能改造。

2 改造方案分析和确定

为保证校园历史风貌建筑的外貌特征，外墙在抗震加固过程中采用内侧夹板墙的方法进行加固，施工过程中通过锚筋端头焊端锚板的方式减少锚筋锚固深度，以提升外墙未被钻穿的安全度，同时在墙体内侧一定间距静力切割齿形键槽，加强板墙与原墙体的连接；此施工方法将保护历史性建筑外貌和提高结构整体抗震性能有机结合，优势突出。针对楼板及楼板梁承载力不足，同时为减小楼板挠度，对混凝土板采用预应力 CFRP 板加固技术。

基于改造项目的特殊性，对外墙围护结构进行绿色化节能改造过程中结合建筑物内部装饰装修工作而采用了内保温技术进行改造；门窗改造应与原历史风貌建筑保持一致，其材质按照节能环保标准选取；屋面围护结构的节能改造一般和屋面防水修缮相结合，通过提升屋面热阻而达到节能目标。

3 混凝土板加固分析

碳纤维增强材料（CFRP）作为一种新型材料在加固领域中备受重视，与传统加固方法相比，碳纤维具有高强、轻质和耐腐蚀等优点，并且施工快捷，不影响结构的外观和功能［1］，可广泛应用于桥梁、混凝土结构、钢结构等结构类型。现阶段预应力 CFRP 板加固混凝土构件实现预应力的方法主要有 3 种。①反拱法：在粘贴非预应力纤维片材之前先使受弯构件反拱，再在其使用阶段受拉面粘贴纤维片材，胶粘剂固化后，卸去外载释放反拱，从而使得纤维片材产生预应力，加固方法如图 2 所示。②先张法：通过外部反力架预张拉纤维片材，然后粘贴到待加固的构件上，待养护完毕后，在构件端部剪断纤维片材进行放张，对加固构件施加预应力，加固方法如图 3 所示。③后张法：在加固构件上设置永久性锚具，纤维片材以加固构件本身作为反力架进行张拉，张拉完毕后便锚固在构件上，其中片材主要采用机械锚固，加固方法如图 4 所示。本文采用后张法对混凝土板受弯构件进行加固，为保障碳纤维板与混凝土构件有效贴合而在两者之间涂抹碳板胶，以求达到良好的加固效果。

图2 反拱法加固示意图

图3 先张法加固示意图

图4 后张法加固示意图

4 有限元建模分析

本节运用有限元分析软件对预应力碳纤维板加固钢筋混凝土板进行数值分析。详细介绍了采用有限元分离式模型模拟预应力碳纤板加固混凝土板的建模方法，分析了混凝土板加固前后的受力性能、荷载-位移曲线及碳纤维板的受力状态。

4.1 混凝土板加固简介

依据现行 CECS 146∶2003《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》和 GB 50367－2013《混凝土结构加固设计规范》对混凝土板加固进行设计和计算。该混凝土板尺寸：12 000 mm×9 000 mm×130 mm，原底部受力钢筋采用φ8@150。采用宽度 100 mm、厚度 3 mm 碳纤维板加固，加固间距为 600 mm，沿板底部受力钢筋方向布置。混凝土板示意图如图 5 所示。

图5 混凝土楼板示意图（单位：mm）

4.2 材料参数确定

为保障有限元分析更符合实际，同时获得较好的参数分析结果，在建模分析钢筋混凝土构件中采用分离式模型。预应力 CFRP 板加固混凝土板涉及 3 种材料：混凝土、钢筋和 CFRP，其材料属性如表 1 所示。

4.3 单元选择［2］

4.3.1 混凝土单元

混凝土采用 Solid65 单元，该单元具有收拉开裂和受压破碎性能，由 8 个节点定义，每个节点有 3 个自由度；即沿节点坐标系 x、y 和 z 方向的平动位移，且可定义3 个方向的加筋情况，也可退化为五面体的棱柱体单元或四面体单元。

4.3.2 钢筋单元

钢筋采用 Link8 杆单元，该单元具有广泛的工程应用，可模拟桁架、索和弹簧等。该单元可承受轴向拉压但不能承受弯矩，每个节点具有 3 个自由度；即沿节点坐标系 x、y 和 z 方向的平动位移。

表1 材料属性表

4.3.3 CFRP 板单元

CFRP 板采用 4 节点膜壳或膜单元——Shell41，壳单元仅具有面内膜刚度而无面外的弯曲刚度。该单元的每个节点有 3 个自由度；即沿节点坐标系 x、y 和 z 方向的平动位移，通过设置实常数定义膜厚度。

4.4 建立模型

4.4.1 基本假定［3］

为方便计算，本文在建立预应力 CFRP 板加固混凝土板的分离式模型时作了如下假设：①受力过程中，模型中各材料的应变满足变形协调原理；②钢筋与混凝土以及 CFRP 板与混凝土之间为完全粘结，即混凝土和钢筋之间不产生相对滑移，结构失效前不考虑 CFRP 板剥离破坏；③CFRP 板为理想线弹性材料；④混凝土板加固前后，抗剪承载力足够。

4.4.2 本构关系

依据 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》（2015 版），混凝土应力-应变关系采用如下简化表达形式如式（1）～（2）所示。

式中：σc为混凝土压应变为 εc时的混凝土压应力，MPa；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，MPa；ε0为混凝土压应力达到 fc时的混凝土压应变。

按照规范计算和规定可分别求得 n=2、ε0=0.002、 εcu=0.033，上述曲线段可用一系列数据点拟合以便在模型中输入，本文采用多线性等向强化模型 MISO 模拟其本构关系曲线。

钢筋的应力-应变关系可采用理想弹塑性模型，为使得模型易于收敛也可采用具有强化阶段的弹塑性模型。本文采用双线性等向强化模型 BISO 模拟钢筋本构关系曲线。

4.4.3 网格尺寸及荷载步选择

Solid65 单元具有弥散性，网格越小，越容易造成应力集中。一般而言，网格划分宜≥ 50 mm；荷载子步数的设置太大或太小都不能达到正常收敛，合适的子步数也需要在不断调整中获得，若模型已收敛再改变此值对帮助收敛效果不明显。经过反复调试，本模型设置网格尺寸为 100 mm，荷载子步数为 200，模型能够在极限荷载作用下很好地收敛。

我们所进行的辐射环境监测以及辐射环境影响评价的最根本目的，就是为了能够更好的保护环境，两者之间存在着密切的关系，具体来说，主要包括以下几个方面的内容：

4.4.4 预应力施加

预应力的施加有 3 种方法：初应变法、直接施加外力法和降温法。本文采用降温法施加预应力，相比初应变法和直接施加外力法，降温法无需设置每个单元的实常数，应用起来较为简单且可以模拟预应力损失。依据 GB 50367－2013《混凝土结构加固设计规范》，CFRP 板的线弹性膨胀系数为 a=1.0×10-6/℃，其所施加的等效温度荷载=预应力/（材料弹性模量×材料线膨胀系数）。

4.4.5 整体模型

通过有限元建立加固部位整体模型，依据加固工程实际情况，同时为提升有限元计算效率作出相应简化：提取单跨加固板作为研究对象。根据实际情况，单跨板三边为固结，单边为简支。整体模型如图 6 所示，单跨板模型如图 7 所示。

图6 混凝土板整体模型

图7 单跨板单元模型

4.5 有限元分析结果

4.5.1 加固前承载能力及破坏特征

模拟过程中以板最终破坏时的弯矩为极限弯矩，加固前混凝土板承受的极限弯矩为 10.125 kN·m，在此极限荷载作用下得出了混凝土板的变形图、应力图、开裂图及钢筋应力图，计算结果如图 8 所示。

由图 8 可知，板跨中位移为 5.62 mm，混凝土单元在支座处产生的最大应力为 11.45 MPa，混凝土板中部应力为 6.38～7.65 MPa。由图 9 可知，板跨中钢筋应力为正值，承受正弯矩，支座部位钢筋应力为负值，承受负弯矩，符合实际状况下的受力特性；跨中部位钢筋最大应力为 78.51 MPa，支座部位钢筋最大应力为 93.47 MPa。根据图 10 混凝土单元开裂图形可得，开裂单元主要集中在跨中位置且开裂单元较多，板角部位存在少量开裂裂缝。

图8 加固前混凝土单元应力图

图9 加固前钢筋应力云图

图10 加固前混凝土单元开裂图

4.5.2 加固后承载能力及破坏特征

图11 加固后混凝土单元应力图

由图 12～13 可知，在加固前极限荷载作用下，板跨中位移为 4.18 mm，加固后板跨中位移 2.93 mm，为加固前位移的 0.7 倍，加固后位移明显减小。混凝土单元在支座处产生的最大应力为 13.79 MPa，混凝土板中部应力为7.68～9.22 MPa。由图 14 可知，板跨中钢筋应力为正值，承受正弯矩，支座部位钢筋应力为负值，承受负弯矩；此受力状况与加固前钢筋受力状况相同，但由于极限荷载增大，跨中部位钢筋最大应力为 85.92 MPa，支座部位钢筋最大应力为 95.93 MPa，两者较加固前的应力仅增大了 1.09 倍和 1.02 倍，几乎与加固前的应力相同。根据图 15 混凝土单元开裂图形可得，开裂单元主要集中在跨中部位且开裂单元较多，沿预应力 CFRP 板条加固部位的混凝土同样出现了裂缝，由于极限荷载增大，混凝土板出现的裂缝区域明显较加固前的裂缝区域增大。

图12 加固前荷载位移曲线

图13 加固后荷载位移曲线

图14 加固后钢筋应力云图

图15 加固后混凝土单元开裂图

4.5.3 加固前后荷载-位移曲线

通过数值模拟得出了混凝土板在极限荷载作用下的荷载-位移曲线，荷载-位移曲线能够较为直观地反映出混凝土在荷载作用的刚度变化情况。加固前后的荷载-位移曲线如图 12～13 所示。

由加固前后的荷载-位移曲线图可知，加固后的极限荷载为加固前极限荷载的 1.85 倍。较加固前的混凝土板，加固后的构件在后期承载过程中呈明显的线性变化，无明显的阶跃承载现象，表现出了较好的弹性受力机理，且加固后的刚度较加固前也有明显的提高。

4.5.4 CFRP板受力特征

对碳纤维板施加预应力可以最充分地发挥碳纤维板的强度［4］，针对这一特性，本文对 CFRP 板施加预应力进行数值模拟，CFRP 板单元及应力图如图 16、17 所示。

图16 CFRP 板单元模型图

图17 CFRP 板单元应力云图

传统外部粘贴碳纤维板加固技术无法充分发挥材料性能，加固效果有限。通过预应力 CFRP 板加固可有效提高构件抗弯承载力和刚度，减小构件裂缝宽度。加固后 CFRP 板在混凝土板的极限荷载作用下应力为 221.23 MPa，由于 CFRP 板这一高强性能，使得加固后混凝土板能够承担更大的极限荷载。

5 绿色化节能改造设计

水利楼的绿色化节能改造应结合当地的气候条件，依据 DB 13（J）185－2015《居住建筑节能设计标准（节能 75 %）》，该建筑物所处地域为寒冷（B）区。寒冷地区冬夏两个季节的气候相差甚大是其主要特点之一，由于该地区冬季、夏季自然气候舒适性较低，室内大多采用空调、采暖系统来满足室内舒适度需求；因此，寒冷地区建筑能耗较高。河北农业大学水利楼建造年代较早，后期使用过程中未进行有效的节能改造，因此保温效果差，能耗较高，建筑内部设备设施老旧。这些因素使水利楼具备巨大的改造潜力。依据在寒暑假期间主体人员未使用建筑物的因素设置建筑能耗模拟中的房间热扰参数，对其绿色化节能改造效果进行重新计算和定义，以节能效果达到总能耗减少 50 % 为符合要求。结合上文节能诊断作出的诊断结论，进行以下的节能改造工作。

5.1 建筑外墙

外墙、门窗、屋面属于建筑围护结构。研究资料表明［5］，建筑通过围护结构的热损失约占 70 %～80 %，其中外墙、门窗、屋面分别占到 25 %、22 %、15 %左右，因此外墙是建筑围护结构节能改造的重点部分。

针对水利楼外墙的节能改造应以保护建筑物外貌特征为前提条件，基于改造因素的特殊性，外墙在配合内部装饰情况下，采用内保温技术进行改造。外墙、钢筋混凝土圈梁梁粘贴 50 mm 厚 AEPS 聚合聚苯板，其加权平均传热系数为 0.6（W/m2·K），满足标准 0.6（W/m2·K）的限值要求。

5.2 建筑门窗

历史性既有建筑门窗安装时间较长，门窗破旧、保温效果差、密封效果差；针对上述一系列问题，门窗的改造可以从 3 个方面着手：减少传热量、减少渗透量和减少太阳辐射。将原门窗拆除后更换节能门窗，经能耗模拟计算，改造后的门窗符合节能设计要求。新作门窗具体构造形式和性能如下：①外窗构造：塑钢框+中空玻璃（6 mm 中等透光热反射+12 mm 空气+6 mm 透明），传热系数为 2.5（W/m2·K），可见光透射比 0.28，保温性能 5 级，气密性为国家标准 6 级，水密性能分级为 3 级。②外门构造：断桥铝+中空玻璃（6 mm 中等透光热反射 Low-E+12 mm 空气+6 mm 透明），传热系数为 2.7（W/m2·K），可见光透射比 0.72，保温性能为 5 级，气密性为国家标准 6 级，水密性能分级为 3 级，外门窗与洞口之间用发泡聚氨酯填塞密实。