既有結(jié)構(gòu)評(píng)估、加固改造理論及關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

張?chǎng)卧缿c霞

(山東建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

我國(guó)既有建筑面積已超過(guò)720億m2，由于接近或超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限、原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工缺陷以及維修管理不善等原因[1]，約30%～50%的既有建筑出現(xiàn)了安全性降低或功能衰退，而使用年限超過(guò)30年的既有建筑占總量的30%以上，因此亟須對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估及相應(yīng)的加固改造，從而延長(zhǎng)其使用壽命，提升其使用功能與服役能力。同時(shí)，建筑物面臨地震破壞的威脅。既有建筑由于建設(shè)年代不同，抗震設(shè)防水平不一致，導(dǎo)致在強(qiáng)烈地震作用下，其抗震性能表現(xiàn)也不一致?？拐鸺庸桃殉蔀樘嵘淇拐鹦阅艿挠行緩?。

隨著建筑功能多樣化的要求，既有建筑的改造已由單一功能改造轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅苷w提升的復(fù)雜改造，如建筑物平移、整體頂升、既有建筑物糾傾、既有建筑地下空間開(kāi)發(fā)等，在結(jié)構(gòu)托換、結(jié)構(gòu)復(fù)雜改造技術(shù)等方面需要開(kāi)展相應(yīng)的研究，以提升既有結(jié)構(gòu)的使用性能與后期服役能力。

在結(jié)構(gòu)加固改造研究領(lǐng)域，仍有很多科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)亟待解決和完善，建筑結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估方法、結(jié)構(gòu)的綜合改造技術(shù)、基于結(jié)構(gòu)抗震性能提升的抗震加固新方法等均需要進(jìn)一步深入研究。文章主要從結(jié)構(gòu)鑒定、加固改造技術(shù)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，綜述了該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展方向。

1 基于可靠度的既有建筑性能評(píng)估方法

目前，既有建筑的評(píng)估主要以GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[2]和GB 50144—2019《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[3]為基礎(chǔ)，這些標(biāo)準(zhǔn)為我國(guó)既有建筑物的檢測(cè)鑒定提供了一套較為完整的規(guī)范體系。雖然提到了鑒定等級(jí)與可靠度指標(biāo)的關(guān)系，但既有建筑的可靠性鑒定方法總體還屬于實(shí)用鑒定法，以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)為主對(duì)既有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，對(duì)環(huán)境與荷載作用下，結(jié)構(gòu)性能發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)估較少，同時(shí)對(duì)基于結(jié)構(gòu)性能退化的評(píng)定和結(jié)構(gòu)后續(xù)使用壽命以及為未來(lái)的維修改造策略也涉及較少，因此缺乏從結(jié)構(gòu)全壽命周期安全性和經(jīng)濟(jì)性平衡的角度出發(fā)考慮制定維修策略。

目前，新建建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立了基于可靠度的設(shè)計(jì)方法[4]，設(shè)計(jì)中并未考慮結(jié)構(gòu)抗力隨時(shí)間的衰減，將抗力作為隨機(jī)變量處理。但事實(shí)上，由于荷載與環(huán)境的共同作用，結(jié)構(gòu)的材料性能會(huì)隨時(shí)間的增加及環(huán)境的影響逐漸老化，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能降低。因此，對(duì)既有結(jié)構(gòu)必須考慮抗力隨時(shí)間的衰減[5]，即考慮結(jié)構(gòu)抗力退化。

考慮抗力退化的時(shí)變結(jié)構(gòu)可靠度問(wèn)題是結(jié)構(gòu)可靠度領(lǐng)域的經(jīng)典難題。基于此，MORI等[6]建立了考慮抗力和作用效應(yīng)為隨機(jī)過(guò)程的時(shí)變可靠度模型，將既有結(jié)構(gòu)的可靠度表示為多重積分的形式，導(dǎo)致直接求解較困難，而選用蒙特卡洛方法求解得到了可靠度，敏感度分析發(fā)現(xiàn)，時(shí)變可靠度對(duì)初始抗力及抗力退化模型的參數(shù)較為敏感。HONG等[7]改進(jìn)了上述模型，考慮退化開(kāi)始時(shí)間和抗力退化函數(shù)的不確定性及構(gòu)件之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)體系的可靠度對(duì)構(gòu)件相關(guān)性十分敏感。貢金鑫等[8]針對(duì)時(shí)變可靠度計(jì)算需要多重積分的難點(diǎn)，提出了一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法，將設(shè)計(jì)使用年限分為多個(gè)相等的時(shí)段，在每個(gè)時(shí)段分別利用傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠度，在結(jié)構(gòu)抗力和荷載變化不是很大的情況下，其計(jì)算量小且計(jì)算精度能滿(mǎn)足工程要求。牛荻濤等[9]在抗力基本參數(shù)經(jīng)時(shí)變化分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮服役結(jié)構(gòu)的抗力的衰減模型，建立了抗力相關(guān)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)學(xué)模型。張俊芝等[10]在考慮抗力衰減模型的基礎(chǔ)上，考慮實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用貝葉斯方法更新抗力分布，研究了既有結(jié)構(gòu)的可靠度。趙國(guó)藩等[11]提出當(dāng)結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)為0.85倍的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的目標(biāo)可靠度時(shí)，該結(jié)構(gòu)已處于破損狀態(tài)，必須采取一定的措施才能繼續(xù)使用。

2002年以來(lái)，李杰等[12]和LI等[13]根據(jù)概率守恒原理，發(fā)展了隨機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的概率密度演化分析方法，可應(yīng)用于一般多自由度體系的隨機(jī)反應(yīng)分析及可靠度。郭弘原等[14]以銹蝕鋼筋混凝土梁為研究對(duì)象，采用概率密度演化方法，建立了銹蝕鋼筋混凝土梁的時(shí)變可靠度計(jì)算方法，并與蒙特卡洛方法進(jìn)行了對(duì)比。楊思昭等[15]分析了銹蝕后鋼筋混凝土梁的承載力，但分析結(jié)果中出現(xiàn)的一定服役時(shí)間后構(gòu)件可靠度突然變化的情況需要進(jìn)一步研究。概率密度演化方法的提出為基于概率密度函數(shù)的、精細(xì)的隨機(jī)結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算開(kāi)辟了新的思路。

重要結(jié)構(gòu)如核電站、大壩、高層建筑等可以采用可靠度的精細(xì)化分析[16]，對(duì)一般結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，實(shí)用計(jì)算方法將更易于工程技術(shù)人員接受，目前結(jié)構(gòu)可靠度的實(shí)用計(jì)算方法以分項(xiàng)系數(shù)法最為常用。MORI等[17]基于分項(xiàng)系數(shù)的方法，將結(jié)構(gòu)抗力的衰減用抗力折減系數(shù)來(lái)表示，雖然只計(jì)算了服役年限為100年的情況下抗力的折減系數(shù)，但為既有結(jié)構(gòu)考慮抗力衰減的可靠度計(jì)算提供了一個(gè)良好的思路。顧祥林等[18]基于目標(biāo)使用期的既有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力驗(yàn)算的極限狀態(tài)表達(dá)式，對(duì)不同目標(biāo)使用期內(nèi)的荷載分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，并進(jìn)一步得出構(gòu)件的承載力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，更加符合實(shí)際情況，其進(jìn)一步考慮子結(jié)構(gòu)方法[19]，基于層次分析，提出了既有結(jié)構(gòu)體系可靠度評(píng)估的實(shí)用方法。

新建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于可靠度理論，既有結(jié)構(gòu)的鑒定評(píng)估也應(yīng)與之相一致，在結(jié)構(gòu)可靠度基礎(chǔ)上，考慮既有結(jié)構(gòu)的荷載歷史、抗力變化情況，對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估，在此基礎(chǔ)上，建立基于可靠度的既有結(jié)構(gòu)性能評(píng)估方法。

2 基于體系的抗震加固新方法與加固后性能評(píng)估

既有結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)變更以及設(shè)防烈度或設(shè)防類(lèi)別的提高，使得結(jié)構(gòu)抗震性能無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范的要求，因此既有結(jié)構(gòu)的抗震加固成為解決這一問(wèn)題的必要途徑。一些新型抗震加固方法與抗震技術(shù)的涌現(xiàn)，為結(jié)構(gòu)的抗震加固提供了良好的基礎(chǔ)，加固后結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估及失效機(jī)制是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)加固效果的重要方面。

2.1 基于體系的抗震加固新方法

我國(guó)從1966年邢臺(tái)地震后開(kāi)始京津地區(qū)的抗震鑒定加固工作[20]，發(fā)展到現(xiàn)在的綜合發(fā)展階段，下一步將向性能綜合提升階段發(fā)展[1]。

結(jié)構(gòu)抗震加固方法目前以提高構(gòu)件承載能力加固方法為主，如加大截面法、外包加固法等。另外，隨著減震技術(shù)的發(fā)展，減震、隔震加固也逐漸普及。但在抗震加固中，由于抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的提高，有些抗震構(gòu)造不滿(mǎn)足要求，若對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行加固，尤其是節(jié)點(diǎn)區(qū)域，加固困難且造價(jià)高?？拐鸺庸痰膬?nèi)涵應(yīng)是結(jié)構(gòu)抗震加固而非構(gòu)件加固[21]，因此在確定結(jié)構(gòu)抗震加固方案時(shí)，應(yīng)首先考慮整體性加固方法，從結(jié)構(gòu)體系抗震的角度，通過(guò)提高結(jié)構(gòu)體系整體的抗震能力來(lái)實(shí)現(xiàn)，以避免“頭痛醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”的構(gòu)件加固方案。

基于結(jié)構(gòu)體系的加固方法是加固技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，如減震隔震、附加子結(jié)構(gòu)和自復(fù)位技術(shù)等抗震加固新技術(shù)，是抗震加固的主要研究方向。

作為一種較為成熟有效的減震技術(shù)，隔震技術(shù)已經(jīng)列入了抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，在新建工程中推廣使用。但對(duì)既有結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，隔震加固的關(guān)鍵是上部結(jié)構(gòu)的切斷與托換工作[22-23]。在這方面的研究還明顯不足，關(guān)于托換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法還需進(jìn)一步完善[24-25]。

另一種常用的加固方法為附加阻尼的加固。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位采用增大阻尼的方法(消能減震)加固了北京火車(chē)站中央大廳[26]、北京飯店西樓[27]、沈陽(yáng)市政府大樓[28]等大型公共建筑，均收到了較好的加固效果。

附加整體子結(jié)構(gòu)的加固方法是利用附加整體子結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，或改變?cè)Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而改善原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形模式，從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，是一種結(jié)構(gòu)體系的加固方法[29]。其中，搖擺結(jié)構(gòu)是一種外部附加子結(jié)構(gòu)的新型抗震結(jié)構(gòu)體系，該體系分為搖擺及自復(fù)位框架結(jié)構(gòu)、搖擺及自復(fù)位剪力墻結(jié)構(gòu)、搖擺框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其主要研究新加結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)體系的剛度協(xié)調(diào)。吳守君等[30]研究了搖擺墻與框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對(duì)剛度，提出了剛度協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)方法。張富文等[31]進(jìn)行了框架搖擺墻結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)框架-搖擺墻結(jié)構(gòu)較框架結(jié)構(gòu)的承載力和耗能能力均有提高，可有效改善框架結(jié)構(gòu)的變形模式，使層間位移趨向均勻，同時(shí)指出保證延性的關(guān)鍵在于連接節(jié)點(diǎn)的性能。國(guó)內(nèi)首例搖擺墻框架結(jié)構(gòu)的加固工程由山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院在濟(jì)南榮軍醫(yī)院病房樓加固工程中實(shí)施[32]。

為了降低地震作用下原有結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)，大連理工大學(xué)程耿東等[33]和李剛等[34]提出了基于分災(zāi)模式的抗震設(shè)計(jì)方法，通過(guò)設(shè)計(jì)分析，使結(jié)構(gòu)在地震作用下主要失效模式是結(jié)構(gòu)局部新加構(gòu)件失效，保護(hù)原結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載豎向荷載。蘇原等[35-36]將該理論引入到抗震加固中，提出基于分災(zāi)模式的抗震加固設(shè)計(jì)概念，對(duì)一棟7度設(shè)防的現(xiàn)有框架結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別添加一榀框架作為分災(zāi)元件，當(dāng)分災(zāi)框架有合理的結(jié)構(gòu)形式，且與原框架的側(cè)向剛度和承載力保持一定的比例，就可以使得塑性鉸率先出現(xiàn)在分災(zāi)框架上，并能把7度抗震能力提升至8度，這證明了分災(zāi)模式思想在抗震加固中是可行的。陳劍波等[37]提出了基于分災(zāi)模式的鋼筋混凝土梁抗彎加固性能評(píng)估方法，并通過(guò)試驗(yàn)證明加入分災(zāi)元件的鋼筋混凝土梁抗彎加固性能有明顯提高。

抗震加固方法隨著新型抗震技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。但其應(yīng)用于既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)的不同在于二者的協(xié)調(diào)共同作用或者分災(zāi)的思想的實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估成為亟需解決的問(wèn)題。

2.2 既有結(jié)構(gòu)加固后抗震性能評(píng)估

結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)既有結(jié)構(gòu)和震損結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估，了解其在地震作用下的反應(yīng)特性、薄弱環(huán)節(jié)和破壞機(jī)制，可以有效地減輕地震災(zāi)害，為采取加固措施提供基本依據(jù)。

目前，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估的方法主要有靜力彈塑性分析法(Push-over)[38]與增量動(dòng)力分析法(Incremental Dynamic Analysis，IDA)。靜力彈塑性分析法最早是由FREEMAN等[39]于1975年提出的，該方法不僅能考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的彈塑性性能，且計(jì)算簡(jiǎn)便，是基于性能抗震分析的重要方法之一[40]。IDA方法[41-43]以大量的時(shí)程分析為基礎(chǔ)，利用強(qiáng)度不斷增強(qiáng)的大量地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析，通過(guò)結(jié)構(gòu)能力曲線分析其抗震性能。由于IDA方法需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的時(shí)程分析，所以工作量較大。

隨著結(jié)構(gòu)非線性性能研究的進(jìn)行，非線性動(dòng)力時(shí)程分析法或彈塑性時(shí)程分析法由于可以考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，成為結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)重要方面。近年來(lái)，隨著強(qiáng)震記錄的增多和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，此方法越來(lái)越受到重視[44]。

基于性能設(shè)計(jì)的基本思想也已寫(xiě)入了我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中。1996年，美國(guó)應(yīng)用技術(shù)理事會(huì)(Applied Technology Council，ATC)發(fā)表了ATC-40報(bào)告，首次提出將基于性能的設(shè)計(jì)理論引入到混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固中，并采用能力譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能評(píng)估[45]。徐開(kāi)等[46]闡述了基于性能的抗震加固的發(fā)展?fàn)顩r及目前存在的問(wèn)題，從而在抗震加固中引入了基于性能的設(shè)計(jì)方法。

既有結(jié)構(gòu)在抗震性能評(píng)估中需要考慮結(jié)構(gòu)的抗力隨著使用年限的衰減[47-48]、地震荷載不同后續(xù)年限的調(diào)整，因此既有結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)的抗力衰減與地震荷載的不同進(jìn)行更為精確的評(píng)定。

2.3 既有結(jié)構(gòu)加固后的抗震恢復(fù)性研究

可恢復(fù)功能防震結(jié)構(gòu)[49-50]成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近幾年，實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)、可恢復(fù)功能系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)功能城市3個(gè)層面已經(jīng)成為國(guó)際地震工程界的共識(shí)和研究熱點(diǎn)。BRUNEAU等[51]和CIMELLARO等[52]將其引入到基礎(chǔ)設(shè)施及建筑結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)中，用來(lái)描述地震等災(zāi)害作用下基礎(chǔ)設(shè)施和結(jié)構(gòu)維持或恢復(fù)預(yù)定功能的能力?？苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)在既有建筑加固中應(yīng)具有更大應(yīng)用價(jià)值，但目前的設(shè)計(jì)方法等研究還較少。

TRICA等[53]研究了以恢復(fù)性指標(biāo)為目標(biāo)的既有支撐框架修復(fù)加固方法，對(duì)比分析了加拿大溫哥華地區(qū)支撐框架的抗震恢復(fù)性以及結(jié)構(gòu)加固對(duì)恢復(fù)性的提升效果；HUTT等[54]研究了不同地震風(fēng)險(xiǎn)水平下既有高層框架的抗震恢復(fù)性，對(duì)比了結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固對(duì)恢復(fù)性的影響；DONG等[55]研究了隔震與非隔震鋼框架的抗震恢復(fù)性，結(jié)果表明，采用隔震措施后可以顯著降低震后經(jīng)濟(jì)損失，提高了結(jié)構(gòu)的抗震恢復(fù)性。HUTT等[56]采用基于地震力設(shè)計(jì)方法的既有高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能的時(shí)程分析法，討論了加固措施對(duì)結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力的影響。

國(guó)內(nèi)的結(jié)構(gòu)抗震恢復(fù)性的研究相對(duì)較晚，但在近幾年形成了研究熱點(diǎn)。呂西林等[57]提出的可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)體系，主要通過(guò)采用搖擺墻、搖擺框架、自復(fù)位或更換構(gòu)件等方式實(shí)現(xiàn)其功能的可恢復(fù)性。李英民等[58]以恢復(fù)性為指標(biāo)進(jìn)行了框架梁鉸、柱鉸等結(jié)構(gòu)不同損傷機(jī)制的評(píng)價(jià)；何政等[59]定義了新的考慮結(jié)構(gòu)損傷的結(jié)構(gòu)震后恢復(fù)指標(biāo)計(jì)算方法，并評(píng)估了框架恢復(fù)性的評(píng)估。石晟等[60]從抗震韌性的角度研究了減震加固方案的合理性，對(duì)抗震韌性在抗震加固中的應(yīng)用提供了一個(gè)新的視角。

雖然結(jié)構(gòu)的抗震恢復(fù)性或韌性目前已形成研究熱點(diǎn)，但是如何對(duì)抗震加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行韌性評(píng)估，目前的研究還處于起步階段。

3 基于托換技術(shù)的既有建筑綜合改造新技術(shù)

建筑結(jié)構(gòu)改造是提升結(jié)構(gòu)性能的重要技術(shù)手段，已由單一技術(shù)為主的單項(xiàng)改造向多項(xiàng)技術(shù)集成的綜合改造方向發(fā)展，如建筑整體移位、頂升、增層、既有建筑地下空間開(kāi)發(fā)、建筑物糾傾等，亟須在對(duì)建筑物整體性能進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多項(xiàng)改造技術(shù)的集成創(chuàng)新。

在綜合改造技術(shù)中，結(jié)構(gòu)托換是改造的關(guān)鍵共性問(wèn)題，如建筑物移位技術(shù)需要建筑物托換、既有建筑地下空間開(kāi)發(fā)需要先進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)托換，再進(jìn)行逆作法施工，建筑物頂升、增層、擴(kuò)跨更首先需要結(jié)構(gòu)托換的問(wèn)題等，因此結(jié)構(gòu)托換技術(shù)需進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究。

托換結(jié)構(gòu)通常是由托換節(jié)點(diǎn)以及托換連梁組成的結(jié)構(gòu)體系，目前的研究主要集中在托換節(jié)點(diǎn)的研究[23]。托換節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，與普通的受彎或受剪構(gòu)件不同，為深受彎構(gòu)件；另外涉及新舊界面的結(jié)合問(wèn)題，受多種因素影響，導(dǎo)致其破壞機(jī)理及失效機(jī)制不明確[61-62]。托換節(jié)點(diǎn)根據(jù)所托換構(gòu)件不同，主要可以分為墻體和框架柱托換節(jié)點(diǎn)。

墻體托換一般采用單梁式混凝土托換、雙梁式混凝土托換、型鋼-組合砌體托換等。砌體托換結(jié)構(gòu)因托換梁高度不同，將發(fā)生兩種情況的破壞:砌體墻與托換梁界面沖切滑移破壞及砌體墻的斜壓或局壓破壞[63]。托換梁為偏拉構(gòu)件，其破壞與墻梁類(lèi)似，另外對(duì)型鋼-組合砌體托換結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，得到了托換節(jié)點(diǎn)破壞模式及承載力計(jì)算公式[64]。

框架柱托換節(jié)點(diǎn)形式主要有鋼筋混凝土柱四面包裹式托換、單梁式托換、型鋼對(duì)拉螺栓托換等，其中四面包裹式托換節(jié)點(diǎn)，由于安全性能高及施工方便等優(yōu)勢(shì)，已成為托換節(jié)點(diǎn)的主要形式。四面包裹式托換節(jié)點(diǎn)處于彎、剪、扭復(fù)合受力狀態(tài)，具有空間受力特性，同時(shí)托換梁與柱的新舊混凝土界面是其受力的薄弱部位。在實(shí)際工程中，由于對(duì)其空間受力機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，為保證界面不發(fā)生破壞，設(shè)計(jì)的托換節(jié)點(diǎn)高度一般過(guò)大。另外，工程中也出現(xiàn)過(guò)由于托換節(jié)點(diǎn)破壞導(dǎo)致的工程事故，如河南信陽(yáng)市某燃?xì)夤?層框架結(jié)構(gòu)辦公樓平移，在平移過(guò)程中，由于托換結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、變形嚴(yán)重，導(dǎo)致平移失敗。

因此，大型、復(fù)雜改造工程，托換荷載越來(lái)越大(如萊蕪高新區(qū)辦公樓重量達(dá)35 000 t，單柱托換荷載達(dá)11 700 kN)。為了適應(yīng)托換結(jié)構(gòu)受力的這一特點(diǎn)，岳慶霞等曾提出一種預(yù)應(yīng)力托換節(jié)點(diǎn)[65]，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力，增加對(duì)梁柱界面的約束作用，從而提高托換節(jié)點(diǎn)的承載能力，同時(shí)為了解決托換節(jié)點(diǎn)的界面薄弱面問(wèn)題，還提出了在新舊混凝土界面植入大量界面錨筋[66]，不僅僅考慮界面錨筋的構(gòu)造作用，同時(shí)考慮界面錨筋對(duì)抗剪承載力的貢獻(xiàn)，增加界面抗剪能力，從而提高新舊混凝土界面的承載能力。并對(duì)這兩種新型托換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)及理論研究，分析了托換節(jié)點(diǎn)的受力特性及破壞機(jī)制，建立了托換節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算方法。

除托換節(jié)點(diǎn)的研究外，在一些復(fù)雜改造工程中，對(duì)托換結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，需要考慮托換結(jié)構(gòu)的整體性、剛度以及對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響等。將托換結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)割裂開(kāi)來(lái)分別設(shè)計(jì)和分析，容易導(dǎo)致二者剛度和變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致建筑物托換后出現(xiàn)開(kāi)裂或傾斜等情況。

托換結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)性能提升的共性關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)墻體托換來(lái)說(shuō)，空間作用影響小，機(jī)理研究基本清晰。但對(duì)四面包裹式柱托換節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由于對(duì)托換結(jié)構(gòu)受力機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，對(duì)托換結(jié)構(gòu)體系與上部結(jié)構(gòu)體系的相互作用體系的研究還比較缺乏，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的托換節(jié)點(diǎn)過(guò)大或存在安全隱患，應(yīng)考慮建立二者相互作用的托換結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)方法。

4 展望

我國(guó)既有建筑加固改造與性能提升任重道遠(yuǎn)，而在既有建筑的性能評(píng)估與剩余可靠度、既有建筑抗震加固及加固后的抗震性能評(píng)估、既有建筑的綜合改造、既有結(jié)構(gòu)加固新材料等方面存在一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題亟須解決。因此，面向國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重大需求，瞄準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)加固改造的國(guó)際學(xué)術(shù)前沿，針對(duì)既有建筑性能評(píng)估體系的建立、抗震性能及使用性能的提升、抗震加固新材料及新方法等重大基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵共性技術(shù)兩大創(chuàng)新目標(biāo)，進(jìn)行基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究具有十分重要的意義。