混凝土框架結(jié)構(gòu)加固技術(shù)綜述

于金濤

摘要： 針對(duì)框架結(jié)構(gòu)在地震作用下不良破壞模式及框架結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的破壞形態(tài)，分析了框架結(jié)構(gòu)破壞原因，結(jié)合框架結(jié)構(gòu)實(shí)際，提出適用于框架結(jié)構(gòu)的加固方法，指出這些加固方法的特點(diǎn)及應(yīng)用中需要完善的地方，并采用歸納類(lèi)比的方法對(duì)這些加固技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分類(lèi)，指明現(xiàn)行加固技術(shù)的不足之處，為框架結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的發(fā)展提供參考。

Abstract： In view of the bad damage mode and common forms of damage of the frame structure under earthquake， this paper analyzes the causes of the damage of frame structure. Combined with the actual structure of the frame， the reinforcement methods suitable for the frame structure are put forward， and the characteristics and defects of these reinforcement methods are pointed out. The reinforcement technologies are systematically classified， and the shortcomings of the existing reinforcement technology are pointed out， which can provide reference for the development of frame structure reinforcement technology.

關(guān)鍵詞： 框架結(jié)構(gòu)；加固技術(shù)；FRP加固；復(fù)合加固

Key words： frame structure；reinforcement technology；FRP reinforcement；composite reinforcement

中圖分類(lèi)號(hào)：TU377.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）11-0113-02

0 引言

框架結(jié)構(gòu)又稱(chēng)構(gòu)架式結(jié)構(gòu)，是由梁和柱以剛接或鉸接的形式連接而成的結(jié)構(gòu)體系。其主要優(yōu)點(diǎn)是：跨度大，空間分隔靈活；墻體不承重故自重較輕且側(cè)向剛度較柔而構(gòu)成延性，有利于抗震；梁和柱利于標(biāo)準(zhǔn)化施工，節(jié)約材料，可以靈活地配合建筑平面布置。因具備良好的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，故框架結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)公共建筑中，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，各類(lèi)形式的框架結(jié)構(gòu)在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)中大約占三分之一，而且這一比重將會(huì)不斷增大。

框架結(jié)構(gòu)對(duì)于人們的生產(chǎn)生活具有重要作用，但歷次地震作用表明，框架結(jié)構(gòu)的混凝土構(gòu)件破壞嚴(yán)重，尤其是柱，墻和梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞尤為嚴(yán)重。主要原因是由于框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中顯著，且側(cè)向剛度小，在強(qiáng)烈地震的作用下容易產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，故而在地震中破壞較為嚴(yán)重。破壞程度較輕的結(jié)構(gòu)如果不采取相應(yīng)的措施勢(shì)必會(huì)影響其正常使用，而拆除則會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。因此合理地把握建筑物的損傷，科學(xué)的運(yùn)用加固技術(shù)，可使得已損建筑物的功效達(dá)到最大化[1-3]。

1 框架結(jié)構(gòu)的破壞

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在地震作用下框架結(jié)構(gòu)梁柱的破壞大多表現(xiàn)為“強(qiáng)梁弱柱”，輕則柱端混凝土開(kāi)裂、剝落，鋼筋裸露，重則柱端混凝土壓酥、縱向鋼筋屈服，呈燈籠狀。而梁與現(xiàn)澆樓板共同工作，出現(xiàn)相對(duì)少的損傷，少量現(xiàn)澆樓板的裸梁在梁端出現(xiàn)裂縫。這是一種不良的破壞模式，與現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)破壞模式“強(qiáng)柱弱梁”相背離。

1.1 破壞模式 在地震作用下，混凝土框架結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的破壞模式可以分為：柱鉸模式、梁鉸模式和梁柱鉸混合模式三類(lèi)[4]。

柱鉸模式，是指結(jié)構(gòu)在地震作用下，框架柱柱端首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，出現(xiàn)塑性鉸，而梁端狀態(tài)仍為彈性，不出現(xiàn)塑性鉸。這種破壞模式是最不利的，會(huì)在極大削弱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力，產(chǎn)生薄弱部位，發(fā)生局部破壞。

梁鉸模式，指框架結(jié)構(gòu)的塑性鉸位置主要在梁端部和底層柱腳部位，在地震作用下主要通過(guò)梁端塑性鉸的塑性變形來(lái)消耗地震輸入能量，并保證其他部位的框架柱始終保持彈性狀態(tài)。這是最理想也是最有利的一種破壞機(jī)制，從理論上講，可以使結(jié)構(gòu)擁有好的延性和耗能能力。

梁柱鉸混合模式，介于梁鉸模式和柱鉸模式之間，是最常見(jiàn)的一種破壞模式。主要是指框架結(jié)構(gòu)以梁端部出鉸為主，允許在一定位置的柱端出現(xiàn)塑性鉸。這樣既避免了薄弱樓層的局部破壞，又使結(jié)構(gòu)通過(guò)較多數(shù)量的梁鉸及一定數(shù)量的柱鉸耗散地震能量[5]。

1.2 破壞形式 框架結(jié)構(gòu)在不同因素的作用下其破壞形式也不同。本文就地震作用下，框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞形式、破壞原因加以分析。①填充墻的破壞。原因：在地震荷載作用下，由于填充墻剛度相對(duì)較大，承擔(dān)相對(duì)大的荷載，而其抗剪承載力較低故產(chǎn)生破壞。破壞形式有：墻體表面出現(xiàn)45°斜裂縫。在應(yīng)力集中區(qū)如：窗角、門(mén)口等部位易產(chǎn)生八字或人字形斜裂縫等。②梁、柱及其節(jié)點(diǎn)破壞。破壞原因：主要是因?yàn)閺?qiáng)度和延性不足引起。在地震作用下的一般破壞規(guī)律為：梁受損較輕，而柱則受損嚴(yán)重，特別柱頂破壞尤為顯著。柱的破壞形式主要有柱表面有水平裂縫產(chǎn)生甚至貫通的水平裂縫，或混凝土壓酥，柱筋呈燈籠狀外露、壓屈及鋼筋繃斷。梁的破壞形態(tài)較為常見(jiàn)，一般為梁身出現(xiàn)上下貫通的垂直裂縫和交叉斜裂縫。梁柱節(jié)點(diǎn)附近有斜裂縫產(chǎn)生，混凝土開(kāi)裂或剝落，這是最常見(jiàn)的受損表現(xiàn)。③建筑結(jié)構(gòu)層間破壞。原因：由于施工或設(shè)計(jì)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量剛度不均勻，特別是底層，在地震荷載下易發(fā)生彈塑性變形乃至破壞[7]。

2 現(xiàn)有混凝土框架結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

針對(duì)以上提到的框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的常見(jiàn)破壞形式，為使既有建筑達(dá)到或接近“強(qiáng)柱弱梁”的良性破壞模式，必須對(duì)這些建筑進(jìn)行加固處理?，F(xiàn)有加固技術(shù)主要應(yīng)用于兩個(gè)方面，首先是原有建筑擴(kuò)建改造需要加固，第二就是既有建筑受到損傷而需要加固。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言，其相應(yīng)的加固技術(shù)可分為兩類(lèi)，一是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的性能指標(biāo)；二是改變結(jié)構(gòu)的受力體系。兩者皆是為提高構(gòu)件的抗震性能，減少框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的不良破壞，使之更可能的接近良性破壞的要求。

2.1 改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能，是針對(duì)構(gòu)件本身相對(duì)于結(jié)構(gòu)需要的不足之處，采取相應(yīng)的措施，提高構(gòu)件的承載力，剛度和延性等，使之滿(mǎn)足抗震受力要求。以下是幾種常見(jiàn)的加固技術(shù)。①增大截面加固法。主要是擴(kuò)大原構(gòu)件截面尺寸，增加原受力構(gòu)件的受力筋，以使構(gòu)件提高承載能力。其適用面廣，施工簡(jiǎn)單，質(zhì)量易得到保證，成本低，故廣泛應(yīng)用于工程中。雖然該技術(shù)可增大構(gòu)件的剛度、承載力和變形能力，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)整體荷載，減小建筑的有效使用空間，現(xiàn)場(chǎng)有濕作業(yè)，施工過(guò)程中對(duì)建筑物正常使用具有較大影響，成型后的構(gòu)件需要相對(duì)長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)期[8]。②粘貼型鋼加固法。粘貼鋼板加固法是在既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面粘貼型鋼來(lái)提高構(gòu)件性能的一種加固方法。其施工操作相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)構(gòu)件性能改善顯著，特別是對(duì)構(gòu)件的抗彎和抗剪能力有顯著加強(qiáng)。適用于不適合增加截面尺寸部位的構(gòu)件如鋼筋混凝土梁、柱及大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固[10]。③粘貼FRP片材加固技術(shù)。是用粘結(jié)劑把碳纖維材料粘貼在既有混凝土構(gòu)件外部，充分發(fā)揮碳纖維材料高強(qiáng)抗拉作用，以提高構(gòu)件承載力為目的的加固方法[11]。該材料性能優(yōu)越，施工簡(jiǎn)便，可在原結(jié)構(gòu)外形尺寸和重量幾乎沒(méi)有大的增加下，使被加固構(gòu)件達(dá)到高強(qiáng)。適用于框架結(jié)構(gòu)中的梁、板、墻、柱等構(gòu)件。該材料有極佳的耐腐蝕性和耐久性，適用面廣但易發(fā)生剝離破壞。尤其是對(duì)于撓度大的受彎構(gòu)件或開(kāi)裂嚴(yán)重的混凝土構(gòu)件難以有效的增強(qiáng)剛度。目前，對(duì)于FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)主要存在的關(guān)鍵問(wèn)題是，F(xiàn)RP材料與原有混凝土材料之間的有效粘結(jié)問(wèn)題。

2.2 改變結(jié)構(gòu)受力體系 增設(shè)支撐加固法。通過(guò)增設(shè)支撐點(diǎn)和支撐構(gòu)件來(lái)減小既有構(gòu)件的計(jì)算跨度，從而達(dá)到改善構(gòu)件受力性能目的的加固方法。該方法旨在改變結(jié)構(gòu)的受力體系從而達(dá)到提高其承載力的目的。該方法適用于對(duì)可利用空間沒(méi)有要求的受力構(gòu)件，對(duì)大跨度構(gòu)件如：梁、板、桁架等作用明顯，簡(jiǎn)單可靠。

改變受力體系的方法還有很多，譬如增設(shè)剪力墻加固法[12]，是通過(guò)改變整個(gè)結(jié)構(gòu)體系來(lái)提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，并且避免了大量的梁柱加固過(guò)程，但是該方法需要考慮新增加的剪力墻與原有框架結(jié)構(gòu)間的連接問(wèn)題及需要設(shè)置剪力墻的數(shù)量與位置問(wèn)題。

每種方法都有其相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和局限。但在實(shí)際工程中，有時(shí)單單使用一種加固方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了工程的需要。例如，對(duì)于鋼筋混凝土柱的加固，雖然粘貼型鋼加固法對(duì)于提高柱的承載力和剛度具有顯著的效果，但其對(duì)產(chǎn)生的橫向變形約束不夠；利用碳纖維布橫向加固混凝土柱可較大地增強(qiáng)柱的橫向變性約束能力，但其對(duì)柱的極限承載力提高不大。將兩者結(jié)合就能夠使得被加固構(gòu)件既提高極限承載能力也使得混凝土柱的變形約束能力得到提高，因此研究加固技術(shù)的共同使用問(wèn)題也具備相當(dāng)?shù)膬r(jià)值。

3 結(jié)論與展望

本文對(duì)既有框架結(jié)構(gòu)建筑的破壞模式與現(xiàn)有各混凝土構(gòu)件的加固技術(shù)進(jìn)行了闡述，指出既有框架結(jié)構(gòu)體系所存在的問(wèn)題和原因，并針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行分析，提出科學(xué)合理的加固方法。主要概述述了增大截面法、粘貼型鋼加固法、FRP加固混凝土等加固技術(shù)的主要內(nèi)容和相應(yīng)的特點(diǎn)，最后指出現(xiàn)有加固技術(shù)可完善的方向與在實(shí)際工程中需要注意的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)以上的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)進(jìn)行闡述與分析，可以明確看出每種加固技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和相應(yīng)的使用范圍，雖然目前的加固技術(shù)大部分能使得既有建筑幾乎可達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”的破壞模式，但是考慮到經(jīng)濟(jì)，技術(shù)上的要求及工程量可能存在的變化，框架結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)仍需要不斷地完善和創(chuàng)新。

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