混凝土框架結構加固技術綜述

于金濤

摘要： 針對框架結構在地震作用下不良破壞模式及框架結構常見的破壞形態，分析了框架結構破壞原因，結合框架結構實際，提出適用于框架結構的加固方法，指出這些加固方法的特點及應用中需要完善的地方，并采用歸納類比的方法對這些加固技術進行系統的分類，指明現行加固技術的不足之處，為框架結構加固技術的發展提供參考。

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.

關鍵詞： 框架結構；加固技術；FRP加固；復合加固

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

中圖分類號：TU377.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）11-0113-02

0 引言

框架結構又稱構架式結構，是由梁和柱以剛接或鉸接的形式連接而成的結構體系。其主要優點是：跨度大，空間分隔靈活；墻體不承重故自重較輕且側向剛度較柔而構成延性，有利于抗震；梁和柱利于標準化施工，節約材料，可以靈活地配合建筑平面布置。因具備良好的結構優勢，故框架結構被廣泛應用于各類公共建筑中，據相關統計，各類形式的框架結構在我國建筑結構中大約占三分之一，而且這一比重將會不斷增大。

框架結構對于人們的生產生活具有重要作用，但歷次地震作用表明，框架結構的混凝土構件破壞嚴重，尤其是柱，墻和梁柱節點的破壞尤為嚴重。主要原因是由于框架結構節點處應力集中顯著，且側向剛度小，在強烈地震的作用下容易產生較大的側向位移，故而在地震中破壞較為嚴重。破壞程度較輕的結構如果不采取相應的措施勢必會影響其正常使用，而拆除則會造成資源的極大浪費。因此合理地把握建筑物的損傷，科學的運用加固技術，可使得已損建筑物的功效達到最大化[1-3]。

1 框架結構的破壞

據相關統計，在地震作用下框架結構梁柱的破壞大多表現為“強梁弱柱”，輕則柱端混凝土開裂、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。而梁與現澆樓板共同工作，出現相對少的損傷，少量現澆樓板的裸梁在梁端出現裂縫。這是一種不良的破壞模式，與現行的設計規范中框架結構的設計破壞模式“強柱弱梁”相背離。

1.1 破壞模式 在地震作用下，混凝土框架結構常見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[4]。

柱鉸模式，是指結構在地震作用下，框架柱柱端首先進入塑性狀態，出現塑性鉸，而梁端狀態仍為彈性，不出現塑性鉸。這種破壞模式是最不利的，會在極大削弱結構的穩定性和承載能力，產生薄弱部位，發生局部破壞。

梁鉸模式，指框架結構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梁端塑性鉸的塑性變形來消耗地震輸入能量，并保證其他部位的框架柱始終保持彈性狀態。這是最理想也是最有利的一種破壞機制，從理論上講，可以使結構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，是最常見的一種破壞模式。主要是指框架結構以梁端部出鉸為主，允許在一定位置的柱端出現塑性鉸。這樣既避免了薄弱樓層的局部破壞，又使結構通過較多數量的梁鉸及一定數量的柱鉸耗散地震能量[5]。

1.2 破壞形式 框架結構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，框架結構構件的破壞形式、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較大，承擔相對大的荷載，而其抗剪承載力較低故產生破壞。破壞形式有：墻體表面出現45°斜裂縫。在應力集中區如：窗角、門口等部位易產生八字或人字形斜裂縫等。②梁、柱及其節點破壞。破壞原因：主要是因為強度和延性不足引起。在地震作用下的一般破壞規律為：梁受損較輕，而柱則受損嚴重，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。梁的破壞形態較為常見，一般為梁身出現上下貫通的垂直裂縫和交叉斜裂縫。梁柱節點附近有斜裂縫產生，混凝土開裂或剝落，這是最常見的受損表現。③建筑結構層間破壞。原因：由于施工或設計問題，結構構件質量剛度不均勻，特別是底層，在地震荷載下易發生彈塑性變形乃至破壞[7]。

2 現有混凝土框架結構加固技術

針對以上提到的框架結構在地震作用下的常見破壞形式，為使既有建筑達到或接近“強柱弱梁”的良性破壞模式，必須對這些建筑進行加固處理。現有加固技術主要應用于兩個方面，首先是原有建筑擴建改造需要加固，第二就是既有建筑受到損傷而需要加固。對于框架結構而言，其相應的加固技術可分為兩類，一是增強結構構件自身的性能指標；二是改變結構的受力體系。兩者皆是為提高構件的抗震性能，減少框架結構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 改善結構構件性能 增強結構構件性能，是針對構件本身相對于結構需要的不足之處，采取相應的措施，提高構件的承載力，剛度和延性等，使之滿足抗震受力要求。以下是幾種常見的加固技術。①增大截面加固法。主要是擴大原構件截面尺寸，增加原受力構件的受力筋，以使構件提高承載能力。其適用面廣，施工簡單，質量易得到保證，成本低，故廣泛應用于工程中。雖然該技術可增大構件的剛度、承載力和變形能力，但會增加結構整體荷載，減小建筑的有效使用空間，現場有濕作業，施工過程中對建筑物正常使用具有較大影響，成型后的構件需要相對長的養護期[8]。②粘貼型鋼加固法。粘貼鋼板加固法是在既有結構構件表面粘貼型鋼來提高構件性能的一種加固方法。其施工操作相對簡便，對構件性能改善顯著，特別是對構件的抗彎和抗剪能力有顯著加強。適用于不適合增加截面尺寸部位的構件如鋼筋混凝土梁、柱及大型結構構件的加固[10]。③粘貼FRP片材加固技術。是用粘結劑把碳纖維材料粘貼在既有混凝土構件外部，充分發揮碳纖維材料高強抗拉作用，以提高構件承載力為目的的加固方法[11]。該材料性能優越，施工簡便，可在原結構外形尺寸和重量幾乎沒有大的增加下，使被加固構件達到高強。適用于框架結構中的梁、板、墻、柱等構件。該材料有極佳的耐腐蝕性和耐久性，適用面廣但易發生剝離破壞。尤其是對于撓度大的受彎構件或開裂嚴重的混凝土構件難以有效的增強剛度。目前，對于FRP加固混凝土結構技術主要存在的關鍵問題是，FRP材料與原有混凝土材料之間的有效粘結問題。

2.2 改變結構受力體系 增設支撐加固法。通過增設支撐點和支撐構件來減小既有構件的計算跨度，從而達到改善構件受力性能目的的加固方法。該方法旨在改變結構的受力體系從而達到提高其承載力的目的。該方法適用于對可利用空間沒有要求的受力構件，對大跨度構件如：梁、板、桁架等作用明顯，簡單可靠。

改變受力體系的方法還有很多，譬如增設剪力墻加固法[12]，是通過改變整個結構體系來提高結構的強度、剛度和穩定性，并且避免了大量的梁柱加固過程，但是該方法需要考慮新增加的剪力墻與原有框架結構間的連接問題及需要設置剪力墻的數量與位置問題。

每種方法都有其相應的優勢和局限。但在實際工程中，有時單單使用一種加固方法遠遠滿足不了工程的需要。例如，對于鋼筋混凝土柱的加固，雖然粘貼型鋼加固法對于提高柱的承載力和剛度具有顯著的效果，但其對產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柱的橫向變性約束能力，但其對柱的極限承載力提高不大。將兩者結合就能夠使得被加固構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，因此研究加固技術的共同使用問題也具備相當的價值。

3 結論與展望

本文對既有框架結構建筑的破壞模式與現有各混凝土構件的加固技術進行了闡述，指出既有框架結構體系所存在的問題和原因，并針對相應問題進行分析，提出科學合理的加固方法。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的主要內容和相應的特點，最后指出現有加固技術可完善的方向與在實際工程中需要注意的問題。通過對以上的結構加固技術進行闡述與分析，可以明確看出每種加固技術的優缺點和相應的使用范圍，雖然目前的加固技術大部分能使得既有建筑幾乎可達到“強柱弱梁”的破壞模式，但是考慮到經濟，技術上的要求及工程量可能存在的變化，框架結構的加固技術仍需要不斷地完善和創新。

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