鋼筋混凝土框架節點抗震加固的研究進展

張波（陜西理工學院土木工程與建筑學院，漢中 723001）

鋼筋混凝土框架節點抗震加固的研究進展

張波
（陜西理工學院土木工程與建筑學院，漢中 723001）

張波，2016.鋼筋混凝土框架節點抗震加固研究進展.震災防御技術，11（2）：306—313.doi：10.11899/zzfy20160213

框架節點是框架結構中重要組成部分，也是框架結構抗震的薄弱環節。本文簡要闡述了混凝土框架節點加固的重要意義，詳細介紹了加大截面、粘鋼、外包鋼及粘貼FRP等方法加固框架節點抗震性能方面的研究進展，期望為鋼筋混凝土框架節點的實際加固改造提供應用參考。

框架節點加固技術抗震性能

引言

歷次震害表明，鋼筋混凝土框架結構梁柱節點部分是抗震的薄弱環節，地震發生時框架節點易產生不同程度的破壞。其中最主要的破壞形式是：節點核心區剪切破壞和核心區梁端縱筋粘結滑移破壞（張華東，2013）。因此對節點進行抗震加固具有非常重要的現實意義。本文主要總結了加大截面、粘鋼、外包鋼和粘貼FRP等方法加固框架節點在抗震性能方面的研究進展。

1　加大截面加固法

加大截面加固法是采用增大混凝土構件的截面面積和配筋，達到提高構件的承載能力和剛度、降低柱子長細比等目的的方法，適用于鋼筋混凝土受彎和受壓構件的加固。節點的加大截面法主要有加大柱截面、加大梁截面、同時加大梁柱截面及八角形加大節點截面等形式。加大截面法雖然具有受力合理、效果顯著、費用低、可避免在梁上鉆孔等優點，但其也具有使得建筑使用空間減少、濕作業量大、養護周期長、施工難度大等缺點。

金國芳等（2000）通過加大柱截面法加固+型框架平面節點的抗震性能試驗研究，其中加固試件3個，未加固對比試件1個。結果表明，加固后節點的極限荷載、剛度、耗能能力和延性均得到提高，證實加大柱截面法加固框架節點是一種有效地抗震加固方法。

王玉鐲等（2004a；2004b）進行了增大截面法加固節點的低周反復荷載試驗，試件共有3個，其中1個為未加固對比試件，其余2個為不同加固形式的試件。試驗結果表明，增大節點截面法加固用于增強節點抗震能力是一種非常有效的加固方法，箍筋間距、加固長度和加固厚度的不同對加固效果都有一定的影響。并針對一個實際加固工程提出了節點受剪承載力計算公式，能滿足工程設計的要求。

余瓊等（2005）進行了3個加大柱截面法加固框架節點和1個未加固對比框架節點的低周反復荷載作用試驗研究，其中1個對比試件為JHY，加固試件JH1和JH2新加核心區里不配箍筋，加固試件JH3新加核心區配2φ6箍筋。試驗結果表明加固試件各項力學性能指標均有提高，其中JH3初裂值提高程度和平均極限荷載提高程度最大，達到124%和39%，并提出原核心區開裂荷載和加固節點抗剪承載力的計算公式。余瓊等（2003）還進行了柱加大截面和粘鋼加固兩組共8個試件的低周反復荷載試驗，試驗表明兩種加固方法極限承載力提高程度相近，柱加大截面法加固節點核心區的初裂值和剛度相比粘鋼法加固提高較多，粘鋼法加固試件的延性及耗能能力相比柱加大截面法加固試件提高要多。

胡克旭等（2010a）釆用水泥基高粘結、低收縮、自密實的新型加固用混凝土材料，通過層內泵送灌注技術，克服傳統加大截面法的不足，實現混凝土框架節點快捷有效的加固，并通過ANSYS數值模擬驗證了其有效性。此外，胡克旭等（2010b）通過5個試件的低周反復試驗（其中1個為對比試件），模擬地震作用對框架節點的損壞，采用新型加固材料對框架節點進行加大截面法加固，結果表明節點的抗裂度、抗剪強度、剛度和變形能力可得到顯著提高。并在試驗基礎上，提出了計算加固后節點抗剪承載力的公式，其綜合考慮了加固部分對原節點抗剪強度的提高、加固部分參與工作程度和節點損傷影響三個系數。

加大截面加固法因其能提高節點承載能力、改善節點破壞形態、提高耗能性能而備受關注（Tsonos，1999；2002）。然而其增加構件截面使得建筑使用空間減少、施工工序復雜，同時增大了勞動強度。Karayannis等（2008）采用新材料加大截面法對10個型混凝土預損節點進行了加固，并對加固后構件進行了抗震性能試驗研究。這種新材料對混凝土節點周圍柱體、梁端及節點核心區局部包裹加固，而不是整個柱體，極大節省空間。結果表明，這種新材料加大截面技術使得加固后的框架節點抗震性能明顯提高，脆性破壞形態得到改善，極限承載力和耗能性能提高。

Shannag等（2005）進行了采用HPFRC結合傳統增大截面法加固框架節點的抗震性能試驗，共制作了10個1/3比例的節點試件，其中6個為加固試件。加固時采用HPFRC對柱體、節點核心區及梁端向外延伸100mm的范圍內加固層厚度25mm的截面加大。結果表明，HPFRC加固后的框架節點脆性破壞形式改善，抗震性能提高。

加大截面法增大了節點核心區抗剪面積，新加混凝土對原節點核心區混凝土也起到了約束的作用，使得原核心區混凝土強度提高，新加混凝土參與斜壓桿作用并使得斜壓桿作用增強，從而提高了節點的抗剪強度和剛度，節點核心區的剪切變形減少。值得注意的是，對于外部新增加混凝土，軸向壓力的施加對節點抗剪幫助很小甚至無幫助，采用加大截面法計算加固后節點的抗剪承載力時，軸向壓力對新加混凝土部分抗剪承載力的有利作用建議不考慮。

2　粘鋼加固法

粘鋼加固法（或粘鋼法）是指在混凝土構件表面用膠粘劑粘結鋼板并用膨脹螺栓錨固來加固節點。與其他的加固方法比較，其具有施工快速，簡潔輕巧，靈活多樣，幾乎不改變構件外形等優點。

馬樂為等（1996；1999；2001）、劉瑛等（1997；1999）進行了系列粘鋼法加固框架中節點的低周反復加載試驗，并對加固后節點的抗震性能進行計算機模擬，結果表明粘鋼加固方法可靠可行，對提高節點的延性和耗能能力都具有良好的效果，并提出了粘鋼加固節點的極限承載力和位移的計算公式。

劉艷軍等（2003）在梁柱節點受力桁架機構分析的基礎上，針對不同粘鋼加固方式，在現行規范節點水平抗剪承載力公式的基礎上給出了粘鋼加固節點水平抗剪承載力公式，并通過驗證表明所得結果相對較安全。

樊述權等（2007）對6個足尺寸的框架中節點進行低周反復加載試驗，其中2個為對比件，2個用粘鋼加固，2個用碳纖維加固。試驗結果表明，碳纖維布加固能有效改善中節點延性及抗震性能，粘鋼加固能明顯約束框架中節點區混凝土從而提高中節點抗剪承載力。

蔡建等（2001）對8個用TN膠粘鋼加固和2個對比件的軸心受壓鋼筋混凝土梁柱節點進行了試驗研究。試驗分析表明，角鋼貫通節點的節點加固形式加固效果最優，當有部分角鋼被截斷時，節點核心區混凝土受力不均勾，存在薄弱環節，此類節點的極限承載力比角鋼不截斷的節點形式低。

Yen等（2010）制作了13根鋼板粘貼在梁側面來加固核心區的鋼筋混凝土十字型梁柱節點。通過低周反復加載試驗研究表明，將鋼板用環氧樹脂粘貼后再用螺栓或鋼箍錨固則可以顯著地提高節點的強度、剛度和耗能能力。

在節點核心區通過粘鋼進行加固，對核心區混凝土有較強的約束作用，對核心區混凝土初裂荷載有提高，節點核心區剪切變形得到減小。當混凝土開裂后，鋼板和箍筋能共同抵抗主拉應力，使得箍筋屈服和裂縫產生發展得到有效延緩，達到提高抗剪承載力的目的。

3　外包鋼加固法

外包鋼加固法通常是指以型鋼（角鋼或槽鋼等）外包鋼筋混凝土構件的四角或兩角，并通過橫向綴板或綴條將外包型鋼連成整體形成一個鋼構架，與被包裹構件緊密相連，使得鋼構架與原混凝土構件共同受力，從而構件的承載力和延性得到提高。此法優點在于施工簡單，工期短，構件截面尺寸增加不多，對人民生產、生活影響相對較小；然而外露鋼構件的防火防腐性能差是其最主要的缺點。

白宇飛等（1999）、劉暢等（1998）進行了4個外包鋼+型節點的抗剪試驗，并分析了外包鋼加固節點的抗剪機理。分析表明，角鋼銷栓作用、核心區混凝土及節點核心區設置的水平箍筋是試件抗剪承載能力的三個主要組成部分，并給出了考慮各主要抗剪因素的外包鋼加固框架節點抗剪承載力公式。

陸洲導等（2010）考慮正交梁的影響，設計制作了4個三維鋼筋混凝土框架節點，先對框架節點進行預震損，然后裂縫修補后通過外包鋼套法加固進行低周反復破壞試驗，研究結果表明，外包鋼套法可以顯著提高節點剛度、延性等抗震性能，通過外包鋼套加固后，預震損節點的承載力和抗震性能恢復并超過了預震損前節點的承載力和抗震性能。

徐福泉等（2007）進行了預應力包鋼法加固梁柱+型節點在低周反復荷載作用下的試驗研究，其中1個為對比試件，4個為加固試件，具體加固方法是在混凝土構件四周用型鋼包裹，采用高強螺栓施加雙向水平預應力。試驗結果表明，體外預應力螺栓箍起到箍筋的作用，有效地提高了節點的受力性能，并根據試驗結果提出了預應力包鋼法加固節點受剪承載力實用計算方法。

余江滔等（2010）對8個梁柱板節點進行了預震損和反復荷載實驗，其中1個為對比件，4個用BFRP加固，3個用外包鋼套法加固。結果表明，BFRP加固和外包鋼套加固都能夠顯著提高節點的受力性能和延性，包鋼套加固能更顯著地提高節點極限承載力和極限位移，極限承載力和極限位移大約提高了40%和70%。

采用外包鋼加固法加固時，剛性角鋼使得節點具有較好的完整性和較大的剛度，角鋼在核心區出現剪切位移后發揮其銷栓作用，箍筋和角鋼通過銷栓作用阻止受拉裂縫上混凝土塊的剪切滑移，角鋼積極參與抗剪，承擔部分水平剪力，從而使得節點核心區的承載能力得到提高，核心區裂縫的進一步開展得到延緩。另外，鋼材是一種吸收耗散地震能力較強的彈塑性材料，因此，外包鋼法加固節點有著優良的抗震性能。此法適用于需要大幅度提高截面承載力和抗震能力的鋼筋混凝土構件。

4　粘貼FRP加固法

粘貼FRP（Fiber Reinforced Plastic）加固法是指采用高性能膠粘劑將FRP材料粘貼在混凝土構件表面，以提高構件承載能力的加固方法。此法具有占據使用空間少、施工簡單方便、可操作性強等優點，FRP材料輕質高強、可彎折粘貼、且抗疲勞、耐腐蝕性能好。缺點在于FRP材料耐火性能差，受環境溫度、濕度控制較嚴，因此此法的應用范圍受到了一定的限制。

余瓊等（2004）通過對碳纖維加固受損框架節點與未受損框架節點的試驗研究，經過比較分析發現，兩者對節點的極限承載力、延性提高影響小，受損使加固試件前期剛度比未受損試件降低，減小了碳纖維加固對耗能能力的提高作用，削弱碳纖維加固對強度退化及剛度退化的改善作用。商興艷等（2013）針對內框架節點纖維增強材料難以穿越樓板或節點核心區的不足，提出將FRP彎成L型外粘在框架梁、柱表面來增強震損鋼筋混凝土框架節點的抗震性能，并制做了CFRP和BFRP兩組10個試件，試驗結果表明，加固后震損試件的承載力得到恢復甚至提高，節點延性得到明顯改善。

余瓊等（2007）進行了加大柱截面和碳纖維加固兩組共9個試件的低周反復荷載試驗，通過試驗表明，兩種加固方法也都能改變節點核心區的脆性破壞特征，抗震性能得到提高，而且加大柱截面法提高了核心區混凝土初裂值，加大柱截面法對節點剛度和耗能能力的提高優于碳纖維加固。加大柱截面加固試件延性變化與核心區是否配有箍筋密切相關，但碳纖維加固試件的延性有穩定提高。并在設計方法中指出計算抗剪承載力時，碳纖維加固需適當考慮軸向力有利作用，而加大柱截面法可不考慮。

歐陽利軍等（2009）采用BFRP對5個不同損傷程度的框架節點加固，并進行了低周反復試驗。在節點試驗結果研究和加固節點受力機理分析的基礎上，提出了構件修復后混凝土強度折減系數γ的概念，并提出了修復后混凝土強度折減系數的計算公式，根據規范建立了BFRP加固混凝土框架節點考慮構件初始損傷的抗剪承載力計算公式。

因粘貼FRP加固具有占據使用空間少、施工簡便、操作性強、可曲面或轉折粘貼等優點，在國外研究較多。Le-Trung等（2010）、Lee等（2010）采用CFRP，El-Amoury等（2002）、Ghobarah等（2001）采用GFRP，Parvin等（2000）、Granata等（2001）采用AFRP，加固框架節點試件并進行了抗震性能試驗研究，試驗表明FRP加固可以改善節點抗震性能，提高節點的延性，改變節點核心區脆性破壞的形式。

FRP法加固時，一般在梁底、柱端及節點核心區粘貼。加固節點承載力的提高主要來源于兩方面：粘貼在梁、柱端可發揮抗彎作用，承擔部分彎矩，縱筋應力得到降低，使得傳入節點剪力減小，節點抗剪承載能力得到間接提高；節點核心區粘貼FRP起到箍筋約束的直接作用，使得核心區混凝土得到約束并且強度提高，其受力機理為斜壓桿和剪摩機理疊加，節點的抗剪承載力提高。但由于外包FRP是柔性材料，節點開裂之前對節點核心區約束相對較弱，對核心區開裂荷載提高不明顯。

通過對以上四種加固方法的探討，其對節點脆性破壞的性質都有所改善，節點核心區的開裂荷載、極限強度、延性、剛度和耗能能力都有所提高。相比之下，加大柱截面法加固節點對開裂荷載提高程度最為顯著，而FRP加固法對開裂荷載提高程度不明顯；外包鋼加固法和粘鋼法對節點抗剪承載力提高程度較多，FRP加固法對節點抗剪承載力提高程度相比較少；外包鋼法、粘鋼法加固節點對延性提高最為顯著，加大柱截面法加固節點對延性提高較?。患哟笾孛娣庸坦濣c對剛度提高最多，合理的粘鋼形式對剛度提高也較為顯著；粘鋼法、外包鋼法及加大柱截面法加固節點對耗能能力的提高程度優于FRP加固法，但FRP材料可隨意彎曲，施工方便且施工質量易保證，其他方法與其相比就顯得比較遜色。

5　其它加固法

除此之外，國內外一些專家學者也提出了一些新的節點加固方法，并開展了一系列試驗、理論研究。

曹忠民等（2006）進行了高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固框架節點的擬靜力加載試驗研究（其中4個為加固件，1個為對比件）。研究表明，此種加固方法加固后節點的抗震性能明顯改善，并提出了高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固鋼筋混凝土框架節點受剪承載力的計算方法。之后其又對高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固帶有直交梁和樓板的空間框架節點試件進行了擬靜力加載試驗（其中2個為加固件，1個為對比件）。試驗結果表明，節點的延性系數達到4以上，極限受剪承載力提高22%左右（曹忠民等，2007）。

王步等（2006）對2個混凝土框架節點進行了低周反復加載試驗，其中1個為對比節點，1個用碳纖維布-角鋼組合加固。試驗分析表明碳纖維布-角鋼組合加固法結合了碳纖維布加固法和粘鋼加固法二者的優點，能夠有效改善節點的抗震性能，剛度、強度退化滯后，耗能效率提高，節點破壞模式得到改善，節點承載力提高了54.5%。

黃群賢等（2013）利用鋼絲繩易彎折、高強度、耐腐蝕等優良性能，利用預應力技術對環繞鋼筋混凝土梁柱節點核心區的鋼絲繩雙向張拉施加預應力，達到對節點核心區橫向約束，提高其抗剪強度和變形能力的目的。該技術可以繩穿越框架梁，因此具有適用于空間節點加固的特點。同時進行了閉合預應力鋼絲繩加固節點的抗震性能試驗研究（其中7個為加固件，2個為對比件），加固試件破壞形態由節點剪切破壞轉變為梁端彎曲破壞，通過試驗表明加載后期加固試件滯回曲線的捏攏現象得到改善，加固試件承載能力、延性和耗能能力增強。最后提出了預應力鋼絲繩加固節點的簡化計算公式（黃群賢等，2015；崔俊，2013）。

陶立興等（2013）采用加大截面法加固梁端，其新增鋼筋通常采用植筋工藝。進行了5個試件在往復荷載作用下抗震性能試驗研究，其中1個試件為對比試件，其他試件為增大截面法加固構件，加固試件中1個為新增鋼筋貫穿節點區且無粘結，3個試件采用以不同錨固深度及錨固角度化學植筋。研究結果表明梁端采用植筋加固后，節點延性較好，梁端位移延性比均大于4，并通過研究比較得出錨入角度為15°、錨固長度為20d植筋時抗震性能最優。

6　結語

框架節點是框架結構的重要組成部分，但由于是比較薄弱的部位，其破壞會導致結構嚴重破壞。因此，對此類抗剪不足、抗震性能較差的框架節點進行修復補強具有重要的社會意義和經濟效益。本文詳細綜述了加大截面、粘鋼、外包鋼、粘貼FRP等方法加固框架節點抗震性能方面的研究進展，以下幾個方面將是今后關注的重點問題：

（1）實際工程中的框架節點都是具有直交梁和樓板的空間節點，然而上述試驗大多是采用平面節點進行的，與實際工程框架節點是不相符的，而現有加固方法對此類空間節點的加固實施難度較大，因此如何對此類空間節點進行有效加固還需進一步深入探討。

（2）加固材料的應力、應變滯后于原混凝土，屬于二次受力，因此節點區加固部分和原混凝土部分兩者各自承擔的剪力如何分配的定量結論，應做進一步的試驗和理論研究。

（3）上述多數加固方法在原構件增加持續新的荷載條件下，加固材料才開始發揮其約束作用，屬被動加固。繼續增大荷載直至破壞時，加固材料仍有可能處于較低應力水平，不能充分發揮加固材料的約束作用，因此還應不斷改進現有加固方法，克服應力、應變滯后問題，以便達到更好的加固效果。

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Review of Research Progress in Seismic Strengthening of Reinforced Concrete Frame Nodes

Zhang Bo
（School of Civil Engineering and Architecture，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China）

The Framenode is an important part in frame structure，and it is the weak part in the aseismic design of frame structure.In this paper we present the application of strengthening frame nodes，and review the progress of the earthquake performace of the frame Nodes reinforced by enlarging section，bonding steel plate，wrapping steel plate，and bonding FRP.It is helpful to provide the reference for the frame Nodes reinforcement in situ in China.

Frame Nodes；Reinforcement technique；Earthquake performance

2015-06-15

張波，男，生于1976年。博士研究生。主要從事工程結構抗震與加固研究。E-mail:zb97534@126.com