混凝土框架结构加固技术综述

于金涛

摘要： 针对框架结构在地震作用下不良破坏模式及框架结构常见的破坏形态，分析了框架结构破坏原因，结合框架结构实际，提出适用于框架结构的加固方法，指出这些加固方法的特点及应用中需要完善的地方，并采用归纳类比的方法对这些加固技术进行系统的分类，指明现行加固技术的不足之处，为框架结构加固技术的发展提供参考。

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.

关键词： 框架结构；加固技术；FRP加固；复合加固

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

中图分类号：TU377.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0113-02

0 引言

框架結构又称构架式结构，是由梁和柱以刚接或铰接的形式连接而成的结构体系。其主要优点是：跨度大，空间分隔灵活；墙体不承重故自重较轻且侧向刚度较柔而构成延性，有利于抗震；梁和柱利于标准化施工，节约材料，可以灵活地配合建筑平面布置。因具备良好的结构优势，故框架结构被广泛应用于各类公共建筑中，据相关统计，各类形式的框架结构在我国建筑结构中大约占三分之一，而且这一比重将会不断增大。

框架结构对于人们的生产生活具有重要作用，但历次地震作用表明，框架结构的混凝土构件破坏严重，尤其是柱，墙和梁柱节点的破坏尤为严重。主要原因是由于框架结构节点处应力集中显著，且侧向刚度小，在强烈地震的作用下容易产生较大的侧向位移，故而在地震中破坏较为严重。破坏程度较轻的结构如果不采取相应的措施势必会影响其正常使用，而拆除则会造成资源的极大浪费。因此合理地把握建筑物的损伤，科学的运用加固技术，可使得已损建筑物的功效达到最大化[1-3]。

1 框架结构的破坏

据相关统计，在地震作用下框架结构梁柱的破坏大多表现为“强梁弱柱”，轻则柱端混凝土开裂、剥落，钢筋裸露，重则柱端混凝土压酥、纵向钢筋屈服，呈灯笼状。而梁与现浇楼板共同工作，出现相对少的损伤，少量现浇楼板的裸梁在梁端出现裂缝。这是一种不良的破坏模式，与现行的设计规范中框架结构的设计破坏模式“强柱弱梁”相背离。

1.1 破坏模式 在地震作用下，混凝土框架结构常见的破坏模式可以分为：柱铰模式、梁铰模式和梁柱铰混合模式三类[4]。

柱铰模式，是指结构在地震作用下，框架柱柱端首先进入塑性状态，出现塑性铰，而梁端状态仍为弹性，不出现塑性铰。这种破坏模式是最不利的，会在极大削弱结构的稳定性和承载能力，产生薄弱部位，发生局部破坏。

梁铰模式，指框架结构的塑性铰位置主要在梁端部和底层柱脚部位，在地震作用下主要通过梁端塑性铰的塑性变形来消耗地震输入能量，并保证其他部位的框架柱始终保持弹性状态。这是最理想也是最有利的一种破坏机制，从理论上讲，可以使结构拥有好的延性和耗能能力。

梁柱铰混合模式，介于梁铰模式和柱铰模式之间，是最常见的一种破坏模式。主要是指框架结构以梁端部出铰为主，允许在一定位置的柱端出现塑性铰。这样既避免了薄弱楼层的局部破坏，又使结构通过较多数量的梁铰及一定数量的柱铰耗散地震能量[5]。

1.2 破坏形式 框架结构在不同因素的作用下其破坏形式也不同。本文就地震作用下，框架结构构件的破坏形式、破坏原因加以分析。①填充墙的破坏。原因：在地震荷载作用下，由于填充墙刚度相对较大，承担相对大的荷载，而其抗剪承载力较低故产生破坏。破坏形式有：墙体表面出现45°斜裂缝。在应力集中区如：窗角、门口等部位易产生八字或人字形斜裂缝等。②梁、柱及其节点破坏。破坏原因：主要是因为强度和延性不足引起。在地震作用下的一般破坏规律为：梁受损较轻，而柱则受损严重，特别柱顶破坏尤为显著。柱的破坏形式主要有柱表面有水平裂缝产生甚至贯通的水平裂缝，或混凝土压酥，柱筋呈灯笼状外露、压屈及钢筋绷断。梁的破坏形态较为常见，一般为梁身出现上下贯通的垂直裂缝和交叉斜裂缝。梁柱节点附近有斜裂缝产生，混凝土开裂或剥落，这是最常见的受损表现。③建筑结构层间破坏。原因：由于施工或设计问题，结构构件质量刚度不均匀，特别是底层，在地震荷载下易发生弹塑性变形乃至破坏[7]。

2 现有混凝土框架结构加固技术

针对以上提到的框架结构在地震作用下的常见破坏形式，为使既有建筑达到或接近“强柱弱梁”的良性破坏模式，必须对这些建筑进行加固处理。现有加固技术主要应用于两个方面，首先是原有建筑扩建改造需要加固，第二就是既有建筑受到损伤而需要加固。对于框架结构而言，其相应的加固技术可分为两类，一是增强结构构件自身的性能指标；二是改变结构的受力体系。两者皆是为提高构件的抗震性能，减少框架结构在地震作用下的不良破坏，使之更可能的接近良性破坏的要求。

2.1 改善结构构件性能 增强结构构件性能，是针对构件本身相对于结构需要的不足之处，采取相应的措施，提高构件的承载力，刚度和延性等，使之满足抗震受力要求。以下是几种常见的加固技术。①增大截面加固法。主要是扩大原构件截面尺寸，增加原受力构件的受力筋，以使构件提高承载能力。其适用面广，施工简单，质量易得到保证，成本低，故广泛应用于工程中。虽然该技术可增大构件的刚度、承载力和变形能力，但会增加结构整体荷载，减小建筑的有效使用空间，现场有湿作业，施工过程中对建筑物正常使用具有较大影响，成型后的构件需要相对长的养护期[8]。②粘贴型钢加固法。粘贴钢板加固法是在既有结构构件表面粘贴型钢来提高构件性能的一种加固方法。其施工操作相对简便，对构件性能改善显著，特别是对构件的抗弯和抗剪能力有显著加强。适用于不适合增加截面尺寸部位的构件如钢筋混凝土梁、柱及大型结构构件的加固[10]。③粘贴FRP片材加固技术。是用粘结剂把碳纤维材料粘贴在既有混凝土构件外部，充分发挥碳纤维材料高强抗拉作用，以提高构件承载力为目的的加固方法[11]。该材料性能优越，施工简便，可在原结构外形尺寸和重量几乎没有大的增加下，使被加固构件达到高强。适用于框架结构中的梁、板、墙、柱等构件。该材料有极佳的耐腐蚀性和耐久性，适用面广但易发生剥离破坏。尤其是对于挠度大的受弯构件或开裂严重的混凝土构件难以有效的增强刚度。目前，对于FRP加固混凝土结构技术主要存在的关键问题是，FRP材料与原有混凝土材料之间的有效粘结问题。

2.2 改变结构受力体系 增设支撑加固法。通过增设支撑点和支撑构件来减小既有构件的计算跨度，从而达到改善构件受力性能目的的加固方法。该方法旨在改变结构的受力体系从而达到提高其承载力的目的。该方法适用于对可利用空间没有要求的受力构件，对大跨度构件如：梁、板、桁架等作用明显，简单可靠。

改变受力体系的方法还有很多，譬如增设剪力墙加固法[12]，是通过改变整个结构体系来提高结构的强度、刚度和稳定性，并且避免了大量的梁柱加固过程，但是该方法需要考虑新增加的剪力墙与原有框架结构间的连接问题及需要设置剪力墙的数量与位置问题。

每种方法都有其相应的优势和局限。但在实际工程中，有时单单使用一种加固方法远远满足不了工程的需要。例如，对于钢筋混凝土柱的加固，虽然粘贴型钢加固法对于提高柱的承载力和刚度具有显著的效果，但其对产生的横向变形约束不够；利用碳纤维布横向加固混凝土柱可较大地增强柱的横向变性约束能力，但其对柱的极限承载力提高不大。将两者结合就能够使得被加固构件既提高极限承载能力也使得混凝土柱的变形约束能力得到提高，因此研究加固技术的共同使用问题也具备相当的价值。

3 结论与展望

本文对既有框架结构建筑的破坏模式与现有各混凝土构件的加固技术进行了阐述，指出既有框架结构体系所存在的问题和原因，并针对相应问题进行分析，提出科学合理的加固方法。主要概述述了增大截面法、粘贴型钢加固法、FRP加固混凝土等加固技术的主要内容和相应的特点，最后指出现有加固技术可完善的方向与在实际工程中需要注意的问题。通过对以上的结构加固技术进行阐述与分析，可以明确看出每种加固技术的优缺点和相应的使用范围，虽然目前的加固技术大部分能使得既有建筑几乎可达到“强柱弱梁”的破坏模式，但是考虑到经济，技术上的要求及工程量可能存在的变化，框架结构的加固技术仍需要不断地完善和创新。

参考文献：

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