大學(xué)生 土木工程 淺談既有結(jié)構(gòu)抗震加固與節(jié)能改造一體化

1、河北科技師范學(xué)院科研技能訓(xùn)練I成績： 學(xué)院：城市建設(shè)學(xué)院專業(yè)班級：土木工程2012級5班學(xué)號：0611120320學(xué)生姓名：王澤曉指導(dǎo)老師：曹志剛 2014年12月12日科技支撐計劃項目申請書項目名稱：淺談既有結(jié)構(gòu)抗震加固與節(jié)能改造一體化承擔(dān)單位：河北科技師范學(xué)院項目負(fù)責(zé)人：起止年月：2015年1月至2016年12月填報日期：2014年12月河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院制項 目 名 稱淺談既有結(jié)構(gòu)抗震加固與節(jié)能改造一體化第一承擔(dān)單位概況單位名稱郵編066004地址河北秦皇島河北大街西段360號E-mail項目負(fù)責(zé)人電話項目內(nèi)容摘要由于既有砌體結(jié)構(gòu)抗震加固與節(jié)能改造一體化技術(shù)從檢測和設(shè)計階段開始

2、就將抗震加固技術(shù)與節(jié)能改造技術(shù)兩者有機(jī)地結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抗震加固和節(jié)能改造兩項技術(shù)在施工和驗收階段的有效銜接，避免了分期改造所引起的工序增加、返工及重復(fù)施工的問題，有效地減少了施工工期，降低了工程造價，一體化改造后的工程不僅滿足砌體結(jié)構(gòu)地震安全性要求，而且房屋實用性及舒適度均得到了明顯的提高。一體化技術(shù)的實施勢必有效提高此類工程的改造效率，為國家節(jié)約大量的人力和物力，從而為我國的防災(zāi)減災(zāi)及建筑節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。主要研究內(nèi)容如下： (1) 給出了既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造技術(shù)的概念，并將該項技術(shù)應(yīng)用于秦皇島小區(qū)住宅樓的一體化改造工程中。通過該實際工程的實施和對改造后建筑節(jié)能效果的實測，驗證

3、了一體化技術(shù)的可行性及有效性。 (2) 借助ANSYS大型有限元分析軟件，依據(jù)住宅樓實際受力情況，分別建立了采用傳統(tǒng)抗震加固法及采用一體化改造技術(shù)后既有砌體結(jié)構(gòu)的分析模型，并對其抗震性能進(jìn)行了對比分析。 (3) 運(yùn)用DeST-h熱工分析軟件，對一體化改造前后砌體結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗情況進(jìn)行了模擬分析，計算出整棟模型每個房間、每個系統(tǒng)和整個建筑一年(8760個小時)中每個小時的自然室溫、逐時冷熱負(fù)荷以及采暖季、空 調(diào)季和全年的單位面積冷熱負(fù)荷，量化了既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造前后的耗能狀況以及節(jié)能效果。 關(guān)鍵詞砌體結(jié)構(gòu)，抗震加固，節(jié)能改造，抗震加固與節(jié)能改造一體化，?；⒅楸厣皾{技術(shù)領(lǐng)域抗震與節(jié)能優(yōu)

4、化技術(shù)科技活動類型應(yīng)用研究應(yīng)用行業(yè)建筑安全與優(yōu)化服務(wù)所屬學(xué)科建筑安全、節(jié)能及優(yōu)化其他學(xué)科一、項目的立項背景和意義隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及相關(guān)政策法規(guī)的出臺，防災(zāi)減災(zāi)與建筑節(jié)能已經(jīng)逐漸成為建筑物必須同時承載的雙重歷史使命。然而，在我國近420億m2既有建筑中，99%為高耗能建筑，單位建筑面積采暖能耗為氣候相近的發(fā)達(dá)國家新建建筑35倍；同時，這些既有建筑中存在大量由于設(shè)計、施工或歷史等原因而造成結(jié)構(gòu)不滿足抗震需求的現(xiàn)象。也就是說，在我國存在大量既有建筑既不滿足抗震安全性要求，同時也不滿足建筑節(jié)能要求。雖然我國已分別出臺了關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)抗震加固和節(jié)能改造的相關(guān)規(guī)定，但如何在同一項工程中將兩者從檢測、

5、設(shè)計、施工和驗收的全過程中有機(jī)結(jié)合，避免重復(fù)作業(yè)，節(jié)約成本，已成為土木工程領(lǐng)域急需解決的問題之一。 基于此，本文提出了既有建筑抗震加固與節(jié)能改造一體化技術(shù)的概念。采用工程實踐、有限元分析及熱工分析等手段，對在數(shù)量上占既有建筑80%以上的砌體結(jié)構(gòu)抗震加固與節(jié)能改造一體化的可行性和有效性進(jìn)行了研究。本文的研究意義 本文擬結(jié)合工程實例，通過一系列試驗、理論分析研究，研發(fā)適用于我國砌體結(jié)構(gòu)抗震加固與節(jié)能改造一體化技術(shù)，提高既有砌體結(jié)構(gòu)的地震安全性適用性及舒適度，為我國的防災(zāi)減災(zāi)及建筑節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。由于山西省度以上縣級城鎮(zhèn)占80%，是全國重點地震監(jiān)測區(qū)，且山西省大多城市處于寒地區(qū)，部分城市處于嚴(yán)寒地

6、區(qū)，該課題的研究開發(fā)，有助于在山西省及我國類似地區(qū)推廣使用經(jīng)濟(jì)適用的加固改造技術(shù)，促進(jìn)抗震防災(zāi)與建筑節(jié)能工作進(jìn)展。一體化技術(shù)的研究充分考慮了新型技術(shù)在施工上的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)合理性，課題的研究成果直接面向施工技術(shù)規(guī)程及在其指導(dǎo)下的工程應(yīng)用，具有顯著的理論意義和實用價值，而且具有較好的前期工作基礎(chǔ)。 二、 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r 砌體結(jié)構(gòu)是指用磚、石或砌塊為材料，用砂漿砌筑的結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)按照所采用塊料的不同，可分為磚砌體、石砌體和砌塊砌體三大類。 我國是砌體大國，砌體結(jié)構(gòu)在我國有著悠久的歷史，是最古老的一種建筑結(jié)構(gòu)。我國的砌體結(jié)構(gòu)有著輝煌的歷史紀(jì)錄，許多古人留下的名勝古跡

7、都是砌體結(jié)構(gòu)，有舉世聞名的萬里長城，它是兩千多年前用“秦磚漢瓦”建造的世界上最偉大的砌體工程之一；有在春秋戰(zhàn)國時期就已興修的水利工程，如今仍然起灌溉作用的秦代李冰父子修建的都江堰水利工程；有在1400年前由料石修建且現(xiàn)存的河北趙縣安濟(jì)橋，凈跨37.37米，全長50.82米，寬約9米，拱高7.2米，是世界上最早的敞肩式拱橋，該橋已被美國土木工程學(xué)會選為世界第12個土木工程里程碑。所有這些都是值得我們自豪和繼承的。既有砌體結(jié)構(gòu)抗震加固現(xiàn)狀 相對于混凝土結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)的加固多采用傳統(tǒng)方法，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用較少，理論研究不深。 砌體結(jié)構(gòu)加固分為直接加固與間接加固兩類。設(shè)計時，可根據(jù)實際條件和使用要

8、求選擇適宜的方法。 (1) 地基基礎(chǔ)的抗震加固 既有砌體結(jié)構(gòu)的抗震加固首先是地基基礎(chǔ)的加固，根據(jù)地基的豎向承載力、水平承載力及不利地基因素，分別采取加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)剛度、加固處理地基、加大基礎(chǔ)底面積等措施。 (2) 砌體房屋上部結(jié)構(gòu)的抗震加固 砌體房屋上部結(jié)構(gòu)的抗震加固技術(shù)和方法，根據(jù)加固原因和目的確定。 對于砌體墻抗震承載力不足或開裂受損的房屋，可采取面層或板墻加固、拆除重砌、增設(shè)砌體或鋼筋混凝土抗震墻、裂縫灌漿加固等技術(shù)。 對于整體性差的砌體房屋，可采用外加構(gòu)造柱、圈梁、鋼拉桿或錨桿等加強(qiáng)縱橫墻及其與樓屋蓋的連結(jié)采用增設(shè)托梁、預(yù)制樓屋蓋增設(shè)疊合層等加強(qiáng)樓屋蓋的整體性及其支承連接。 對于局部薄弱

9、部位，如無拉結(jié)筋的填充墻、支承主梁的墻體、出屋面的小房間和“女兒墻”、懸挑構(gòu)件、平面不規(guī)則處等，采取有關(guān)拉結(jié)、增強(qiáng)承載力、拆除或平面切割等措施。上述傳統(tǒng)加固方法主要是從抗震承載力方面著手，通過增大材料強(qiáng)度、加大截面、增設(shè)新構(gòu)件等方法，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力或整體性，達(dá)到抗震加固目的。隨著我國減震技術(shù)的發(fā)展，在房屋抗震加固改造中，還可從地震作用效應(yīng)方面，通過利用減震技術(shù)，減小現(xiàn)有房屋結(jié)構(gòu)的地震作用，達(dá)到抗震防災(zāi)的目的。目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好、可用于普通房屋建筑的減震技術(shù)包括：基礎(chǔ)隔震技術(shù)、消能減震技術(shù)以及調(diào)諧減震技術(shù)等被動減震方法。二、 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 既有砌體結(jié)構(gòu)節(jié)能改造現(xiàn)狀 目前，既有砌體

10、結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造面臨諸多實際困難。 (1) 法律法規(guī)的缺失。目前，國家和地方的法律法規(guī)對既有砌體結(jié)構(gòu)節(jié)能改造均無明確的強(qiáng)制性要求，對既有建筑節(jié)能改造工作量、節(jié)能量的核定方法尚未明確，各地都在工作摸索中，沒有成熟的經(jīng)驗可供借鑒，造成工作無法可依。 (2) 資金缺口較大。同時，近年煤炭價格連年上漲，供熱企業(yè)虧損嚴(yán)重，與熱計量相配套的熱源、熱望技術(shù)改造資金嚴(yán)重缺乏。 國外建筑節(jié)能改造的發(fā)展?fàn)顩r 在發(fā)達(dá)國家建筑節(jié)能大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段，稱為在建筑中節(jié)約能源(energy saving in buildings)，我國稱為建筑節(jié)能；第二階段，稱為建筑中保持能源(energy conservati

11、on in buildings)，意為在建筑中減少能源損失；第三階段，近年來，普遍稱為在建筑中提高能源利用效率(energy eficiency in buildings)，意為積極意義上的提高能源利用效率，而不再是消極意義上的節(jié)省。 例如：法國從1974年起分三步走用法律形式正式規(guī)定采暖居住建筑的節(jié)能指標(biāo)，要求1974年節(jié)能25%，1982年和1989年分別達(dá)到節(jié)能45%、60%。1990年法國的建筑能耗己從1984年占社會總能耗的42%45%降低到28%。在法國政府的主持下已完成了40座中等城市的舊房節(jié)能改造，雖然自1974年以來法國住宅面積增加了約14%，但建筑能耗幾乎沒有增長，法國的建

12、筑節(jié)能成就巨大 砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢 (1) 發(fā)展和推廣應(yīng)用砌體結(jié)構(gòu)新材料。為適應(yīng)節(jié)能、節(jié)地、利廢和環(huán)保的要求，限制粘土磚的應(yīng)用而大力發(fā)展新型砌體材料，充分利用工業(yè)廢料和地方性材料，發(fā)展節(jié)能砌體結(jié)構(gòu)。 (2) 采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)體系。配筋砌體、組合砌體和預(yù)應(yīng)力砌體是砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。向砌塊孔洞內(nèi)灌混凝土，使其成為鋼筋混凝土與砌塊的組合砌體，可用于多高層房屋，可減輕自重，提高砌體的強(qiáng)度和抗震性能。 (3) 采用新的設(shè)計方法。更加深入地研究砌體結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系、破壞機(jī)理和受力性能，研究砌體結(jié)構(gòu)整體工作性能，多高層計算理論和方法，通過物理和數(shù)學(xué)模式，建立精確而完整的砌體結(jié)構(gòu)理論，使砌體結(jié)構(gòu)的計算方法和

13、設(shè)計理論更趨于完善。 總而言之，砌體結(jié)構(gòu)在我國出現(xiàn)較早，應(yīng)用范圍大，但其發(fā)展卻比較緩慢。根據(jù)我國的國情，今后很長一段時間內(nèi)，砌體結(jié)構(gòu)仍是主要的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。三、 項目主要實施內(nèi)容、技術(shù)路線、技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點本項目實施內(nèi)容：在分析了國內(nèi)既有砌體結(jié)構(gòu)抗震加固和節(jié)能改造情況的基礎(chǔ)上，并結(jié)合太原紡織苑小區(qū)住宅樓一體化改造的工程實例，對一體化改造技術(shù)進(jìn)行了初步的研究。 (1) 給出了既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造技術(shù)的概念，并通過工程實踐驗證了該項技術(shù)的可行性。 (2) 應(yīng)用ANSYS大型有限元分析軟件，依據(jù)住宅樓實際受力情況，分別建立了采用傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)與采用一體化改造技術(shù)后砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，并對其進(jìn)

14、行抗震性能對比分析。 (3) 用溫度計對原砌體結(jié)構(gòu)一體化改造前后房間的室內(nèi)溫度進(jìn)行實時測量，為一體化改造前后既有砌體結(jié)構(gòu)的耗能分析提供依據(jù)。 (4) 運(yùn)用DeST-h熱工分析軟件，對一體化改造前后砌體結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗情況進(jìn)行了模擬分析和對比，量化了既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造前后的耗能狀況以及節(jié)能效果。 從以上分析，得到了一些重要結(jié)論，為既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論方面的支持。本項目技術(shù)路線：1. 基于現(xiàn)有的抗震加固技術(shù)提出了M15水泥砂漿加固面層配合玻化微珠保溫砂漿的一體化技術(shù)2. 采用傳統(tǒng)抗震加固法與采用一體化改造技術(shù)后的砌體結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的受力性能進(jìn)行模擬分析3. 采

15、用傳統(tǒng)抗震加固法與采用一體化改造技術(shù)后的砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和譜分析4. 應(yīng)用DeST-h熱工分析軟件計算出一體化改造前后兩種模型全年的能耗情況技術(shù)關(guān)鍵：1. 抗震加固及節(jié)能改造所采用材料全部為無機(jī)材料2. 應(yīng)用ANSYS大型有限元分析軟件3. 靜力分析4. 模態(tài)分析三、項目主要實施內(nèi)容、技術(shù)路線、技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點創(chuàng)新點：(1) 本文對秦皇島小區(qū)既有砌體結(jié)構(gòu)住宅樓進(jìn)行受力分析時，樓面裝修和活載按附加質(zhì)量輸入，沒有考慮材料強(qiáng)度的降低以及本構(gòu)關(guān)系的變化，忽略了保溫砂漿的強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)受力的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況有一定差距。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)材料的研究，及其對構(gòu)件對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以便全面了解

16、既有砌體結(jié)構(gòu)的受力性能及特性。 (2) 本文的既有砌體結(jié)構(gòu)的有限元分析因時間有限，自由度較多，只進(jìn)行了線性分析，希望以后可以進(jìn)行非線性分析，做更深入的研究。 (3) 本文中對既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造技術(shù)進(jìn)行了初步研究，其后續(xù)工作應(yīng)在經(jīng)濟(jì)性、耐久性、設(shè)計方法、施工管理以及理論研究等方面做更深入的研究。 既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造技術(shù)的研究、推廣是一個繁瑣、漫長的過程。本文僅對其進(jìn)行了靜力分析、抗震性能分析、耗能分析，還有很多工作需要我們?nèi)ネ晟?，以便該項技術(shù)可以盡快得到很好的推廣與應(yīng)用。 本文既有砌體結(jié)構(gòu)一體化改造所采用的是新型無機(jī)保溫材料?；⒅楸厣皾{，該材料理化性能穩(wěn)定、無毒無害、無輻射，是綠色、環(huán)保的高效益生態(tài)建筑材料。在一體化改造中具有與抗震加固施工相