大学生土木工程浅谈既有结构抗震加固与节能改造一体化

1、河北科技师范学院科研技能训练I成绩:学院：城市建设学院专业班级：土木工程2012级5班学号：0611120320学生姓名：王泽晓指导老师：曹志刚2014年12月12日科技支撑计划项目申请书浅谈既有结构抗震加固与节项目名称：能改造体化承担单位：河北科技师范学院项目负责人：起止年 月：2015年1月至2016年12月填报日期：2014年12月河北科技师范学院城市建设学院制项目名称浅谈既有结构抗震加固与节能改造一体化第一 承担 单位 概况单位名称邮编 066004地址河北秦皇岛河北大街西段360号E-mail项目负责人电话项 目 内 容 摘 要由于既有砌体结构抗震加固与节能改造一体化技术从检测和设计

2、阶段开 始就将抗震加固技术与节能改造技术两者有机地结合在一起，从而实现 了结构抗震加固和节能改造两项技术在施工和验收阶段的有效衔接，避 免了分期改造所引起的工序增加、返工及重复施工的冋题，有效地减少 了施工工期，降低了工程造价，一体化改造后的工程不仅满足砌体结构 地震安全性要求，而且房屋实用性及舒适度均得到了明显的提高。一体 化技术的实施势必有效提高此类工程的改造效率，为国家节约大量的人 力和物力，从而为我国的防火减火及建筑节能事业做出贡献。 主要研究内容如下：(1) 给出了既有砌体结构一体化改造技术的概念，并将该项技术应用于 秦皇岛小区住宅楼的一体化改造工程中。通过该实际工程的实施和对改 造

3、后建筑节能效果的实测，验证了一体化技术的可行性及有效性。(2) 借助ANSYS大型有限元分析软件，依据住宅楼实际受力情况，分别 建立了采用传统抗震加固法及采用一体化改造技术后既有砌体结构的分 析模型，并对其抗震性能进行了对比分析。(3) 运用DeST-h热工分析软件，对一体化改造前后砌体结构围护结构的 能耗情况进行了模拟分析，计算出整栋模型每个房间、每个系统和整个建筑一年(8760个小时)中每个小时的自然室温、逐时冷热负荷以及采暖 季、空调季和全年的单位面积冷热负荷，量化了既有砌体结构一体化改 造前后的耗能状况以及节能效果。关 键 词砌体结构，抗震加固，节能改造，抗震加固与节能改造一体化，玻

4、化微珠保温砂浆关 砌体结构，抗震加固，节能改造，抗震加固与节能改造一体化，玻 键化微珠保温砂浆词技术领域抗震与节能优化技术科技活动类型应用研究应用行业建筑安全与优化服务所属学科建筑安全、节能及优化其他学科项 目 的 .立 项 背 景 和 意 义国内外现状及发展趋势随着我国社会经济的发展以及相关政策法规的出台，防灾减灾与建 筑节能已经逐渐成为建筑物必须同时承载的双重历史使命。然而， 在我国近420亿m2既有建筑中，99%为高耗能建筑，单位建筑面积 采暖能耗为气候相近的发达国家新建建筑 35倍；同时，这些既有 建筑中存在大量由于设计、施工或历史等原因而造成结构不满足抗 震需求的现象。也就是说，在我

5、国存在大量既有建筑既不满足抗震 安全性要求，同时也不满足建筑节能要求。虽然我国已分别出台了 关于建筑结构抗震加固和节能改造的相关规定，但如何在同一项工 程中将两者从检测、设计、施工和验收的全过程中有机结合，避免 重复作业，节约成本，已成为土木工程领域急需解决的问题之一。基于此，本文提出了既有建筑抗震加固与节能改造一体化技术的概念。 采用工程实践、有限元分析及热工分析等手段，对在数量上占既有 建筑80%以上的砌体结构抗震加固与节能改造一体化的可行性和有 效性进行了研究。本文的研究意义 本文拟结合工程实例，通过一系列试验、理论分析研究，研发适用 于我国砌体结构抗震加固与节能改造一体化技术，提高既有

6、砌体结 构的地震安全性适用性及舒适度，为我国的防灾减灾及建筑节能事 业做出贡献。由于山西省度以上县级城镇占 80%，是全国重点地震 监测区，且山西省大多城市处于寒地区，部分城市处于严寒地区， 该课题的研究开发，有助于在山西省及我国类似地区推广使用经济 适用的加固改造技术，促进抗震防灾与建筑节能工作进展。一体化 技术的研究充分考虑了新型技术在施工上的技术可行性及经济合理 性，课题的研究成果直接面向施工技术规程及在其指导下的工程应 用，具有显著的理论意义和实用价值，而且具有较好的前期工作基 础。我国砌体结构的发展状况砌体结构是指用砖、石或砌块为材料，用砂浆砌筑的结构。砌体结构按照所采 用块料的不同

7、，可分为砖砌体、石砌体和砌块砌体三大类。我国是砌体大国，砌体结构在我国有着悠久的历史，是最古老的一种建筑结构。 我国的砌体结构有着辉煌的历史纪录，许多古人留下的名胜古迹都是砌体结构， 有举世闻名的万里长城，它是两千多年前用“秦砖汉瓦”建造的世界上最伟大 的砌体工程之一；有在春秋战国时期就已兴修的水利工程，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年前由料石修建且现存的 河北赵县安济桥，净跨37.37米，全长50.82米，宽约9米，拱高7.2米，是世 界上最早的敞肩式拱桥，该桥已被美国土木工程学会选为世界第12个土木工程里程碑。所有这些都是值得我们自豪和继承的。既有砌

8、体结构抗震加固现状相对于混凝土结构，砌体结构的加固多采用传统方法，新材料、新技术的应用 较少，理论研究不深。砌体结构加固分为直接加固与间接加固两类。设计时，可根据实际条件和使用 要求选择适宜的方法。(1) 地基基础的抗震加固既有砌体结构的抗震加固首先是地基基础的加固，根据地基的竖向承载力、水 平承载力及不利地基因素，分别采取加强上部结构刚度、加固处理地基、加大 基础底面积等 措施。(2) 砌体房屋上部结构的抗震加固砌体房屋上部结构的抗震加固技术和方法，根据加固原因和目的确定。对于砌体墙抗震承载力不足或开裂受损的房屋，可采取面层或板墙加固、拆除 重砌、增设砌体或钢筋混凝土抗震墙、裂缝灌浆加固等技

9、术。对于整体性差的砌体房屋，可采用外加构造柱、圈梁、钢拉杆或锚杆等加强纵 横墙及其与楼屋盖的连结采用增设托梁、预制楼屋盖增设叠合层等加强楼屋盖 的整体性及其支承连接。对于局部薄弱部位，如无拉结筋的填充墙、支承主梁的墙体、出屋面的小房间 和“女儿墙”、悬挑构件、平面不规则处等，采取有关拉结、增强承载力、拆除 或平面切割等措施。上述传统加固方法主要是从抗震承载力方面着手，通过增 大材料强度、加大截面、增设新构件等方法，提高结构构件的抗震承载力或整 体性，达到抗震加固目的。随着我国减震技术的发展，在房屋抗震加固改造中，还可从地震作用效应方面， 通过利用减震技术，减小现有房屋结构的地震作用，达到抗震防

10、灾的目的。目 前技术经济性好、可用于普通房屋建筑的减震技术包括：基础隔震技术、消能 减震技术以及调谐减震技术等被动减震方法。国内外现状及发展趋势既有砌体结构节能改造现状目前，既有砌体结构进行节能改造面临诸多实际困难。(1) 法律法规的缺失。目前，国家和地方的法律法规对既有砌体结构节能改造 均无明确的强制性要求，对既有建筑节能改造工作量、节能量的核定方法尚未 明确，各地都在工作摸索中，没有成熟的经验可供借鉴，造成工作无法可依。(2) 资金缺口较大。同时，近年煤炭价格连年上涨，供热企业亏损严重，与热 计量相配套的热源、热望技术改造资金严重缺乏。国外建筑节能改造的发展状况在发达国家建筑节能大致经历了

11、三个阶段：第一阶段，称为在建筑中节约能源(energy savi ng in build in gs)，我国称为建筑节能；第二阶段，称为建筑中保持能 源(energy conservation in buildings)，意为在建筑中减少能源损失； 第三阶段， 近年来，普遍称为在建筑中提高能源利用效率 (en ergy eficie ncy in build in gs)，意 为积极意义上的提高能源利用效率，而不再是消极意义上的节省。例如：法国从1974年起分三步走用法律形式正式规定采暖居住建筑的节能指标， 要求1974年节能25%, 1982年和1989年分别达到节能45%、60%。1990

12、年法 国的建筑能耗己从1984年占社会总能耗的42%45%降低到28%。在法国政府 的主持下已完成了 40座中等城市的旧房节能改造，虽然自1974年以来法国住宅面积增加了约14%，但建筑能耗几乎没有增长，法国的建筑节能成就巨大砌体结构的发展趋势(1) 发展和推广应用砌体结构新材料。为适应节能、节地、利废和环保的要求， 限制粘土砖的应用而大力发展新型砌体材料，充分利用工业废料和地方性材料， 发展节能砌体结构。(2) 采用新技术、新结构体系。配筋砌体、组合砌体和预应力砌体是砌体结构 的发展方向。向砌块孔洞内灌混凝土，使其成为钢筋混凝土与砌块的组合砌体， 可用于多高层房屋，可减轻自重，提高砌体的强度

13、和抗震性能。(3) 采用新的设计方法。更加深入地研究砌体结构的本构关系、破坏机理和受力性能，研究砌体结构整体工作性能，多高层计算理论和方法，通过物理和数 学模式，建立精确而完整的砌体结构理论，使砌体结构的计算方法和设计理论 更趋于完善。总而言之，砌体结构在我国出现较早，应用范围大，但其发展却比较缓慢。根据我国的国情，今后很长一段时间内，砌体结构仍是主要的建筑 结构形式之一。三、项目主要实施内容、技术路线、技术关键及创新点本项目实施内容：在分析了国内既有砌体结构抗震加固和节能改造情况的基础上，并结合太原纺织苑小区住宅楼一体化改造的工程实例，对一体化改造技术进行了初步的研 究。(1) 给出了既有砌

14、体结构一体化改造技术的概念， 并通过工程实践验证了该项 技术的可行性。(2) 应用ANSYS大型有限元分析软件，依据住宅楼实际受力情况，分别建立了采用传统抗震加固技术与采用一体化改造技术后砌体结构的力学模型，并对其进行抗震性能对比分析。(3) 用温度计对原砌体结构一体化改造前后房间的室内温度进行实时测量，为一体化改造前后既有砌体结构的耗能分析提供依据。(4) 运用DeST-h热工分析软件，对一体化改造前后砌体结构围护结构的能耗情况进行了模拟分析和对比，量化了既有砌体结构一体化改造前后的耗能状况 以及节能效果。从以上分析，得到了一些重要结论，为既有砌体结构一体化改造技术的推广应用提供了理论方面的

15、支持。本项目技术路线：1. 基于现有的抗震加固技术提出了 M15水泥砂浆加固面层配合玻化微珠保温 砂浆的一体化技术2. 采用传统抗震加固法与采用一体化改造技术后的砌体结构在竖向荷载作用 下的受力性能进行模拟分析3. 采用传统抗震加固法与采用一体化改造技术后的砌体结构进行模态分析和 谱分析4. 应用DeST-h热工分析软件计算出一体化改造前后两种模型全年的能耗情况技术关键：1. 抗震加固及节能改造所采用材料全部为无机材料2. 应用ANSYS大型有限元分析软件3. 静力分析4. 模态分析三、项目主要实施内容、技术路线、技术关键及创新点创新点：(1) 本文对秦皇岛小区既有砌体结构住宅楼进行受力分析时

16、，楼面装修和活载按附加质量输入，没有考虑材料强度的降低以及本构关系的变化，忽略了保温砂浆的强度对结构受力的贡献，导致计算结果与实际情况有一定差距。因此， 应进一步加强材料的研究，及其对构件对结构抗震性能的影响，以便全面了解 既有砌体结构的受力性能及特性。(2) 本文的既有砌体结构的有限元分析因时间有限，自由度较多，只进行了线 性分析，希望以后可以进行非线性分析，做更深入的研究。(3) 本文中对既有砌体结构一体化改造技术进行了初步研究，其后续工作应在 经济性、耐久性、设计方法、施工管理以及理论研究等方面做更深入的研究。既有砌体结构一体化改造技术的研究、推广是一个繁琐、漫长的过程。本文仅 对其进行了静力分析、抗震性能分析、耗能分析，还有很多工作需要我们去完 善，以便该项技术可以尽快得到很好的推广与应用。本文既有砌体结构一体化改造所采用的是新型无机保温材料一玻化微珠保温砂 浆，该材料理化性能稳定、无毒无害、无辐射，是绿色、环保的高效益生态建 筑材料。在一