1.2 鋼筋混凝土框架抗震加固的意義

鋼筋混凝土框架結構由于其簡潔的結構形式、靈活的建筑使用空間和良好的抗震性能，在世界各國的各個地區都有著廣泛的應用，至今已有一百多年的歷史。鋼筋混凝土框架結構以梁、板、柱和基礎一起形成承重結構，抗側剛度小，在水平地震作用下框架整體變形為剪切型，當高度較大時，受力特點由受豎向力為主轉變成受側向荷載為主。節點是框架結構中不可分割的一部分，它包括框架梁與框架柱相交的節點核心區及鄰近核心區的梁端和柱端。節點在框架中發揮著傳遞、分配內力和保持結構整體性的重要作用，其受力相當復雜，不僅要承受柱子傳來的軸向力、彎矩和剪力，還要承受梁傳來的彎矩、剪力和扭矩作用，而且收縮、徐變、溫度變化及地基沉陷等因素也會對節點造成一定程度的影響。

在地震作用下，節點是框架中最易受損的部位之一，而節點的破壞將導致整個框架喪失承載能力，進而發生結構倒塌。因此，為了使框架結構具有良好的抗震性能，在地震作用下保持足夠的強度和變形能力，各國現行規范均對混凝土框架結構節點抗震設計的計算方法與構造措施提出了明確的要求。作為抗震框架節點，要求其不僅能夠承受使用階段各種荷載的作用，而且能夠在預定的地震作用下，當節點所連接的梁柱構件進入彈塑性階段后，節點在發生較大變形的情況下，仍能維持傳遞荷載的能力。這就要求在節點鋼筋屈服后的非彈性變形階段，應采取措施延緩節點區強度、剛度的退化，保證框架結構的耗能能力，從而使框架結構具有良好的整體抗震性能。

在鋼筋混凝土框架結構應用之初，房屋層數不高，一般不超過7層，而梁柱截面尺寸一般較大，節點體積也較大，所以節點有較大的抗剪能力。因此，過去對節點的設計僅限于滿足重力作用即可，缺少抵抗側向作用的能力，也很少注意構造措施，只將梁柱受力鋼筋通過節點，在邊節點將鋼筋伸至節點核心彎折滿足一般的錨固長度即可；而且，為了減少施工困難，節點核心很少配置箍筋，甚至不配構造鋼筋。隨著研究的深入和技術的更新，大約自20世紀60年代以來，鋼筋混凝土高層建筑得到快速發展，陸續出現了20層以上的鋼筋混凝土框架結構，高強混凝土和大直徑的高強變形鋼筋相繼投入使用，使框架結構的構件截面尺寸減小，進而節點區的截面尺寸也隨之減小。這一時期的建筑物至今已有近60年的歷史，接近我國規范規定的大多數建筑物的設計使用年限，并且其中多數建筑物設計時未考慮抗震設防，其承載力、剛度、延性和穩定性明顯不足；同時，由于很多地區抗震設防烈度的提高，過去許多考慮了地震作用的建筑，以現行抗震規范要求來衡量，其抗震能力也存在不足。這類按照非抗震設計或對地震作用考慮不足的框架結構，其節點沒有承受較大非彈性變形的能力，也沒有考慮在水平荷載作用下節點內鋼筋的屈服并可能發生的較大滑移。因此，在地震作用下，這樣設計的框架結構存在由于節點的失效而影響框架結構整體抗震性能發揮的隱患。另一方面，雖然近四十年來國內外眾多學者對節點進行了大量的理論分析與實驗研究，但由于節點受力十分復雜，常常伴隨局部非線性與損傷，因此節點受力機理仍存在較大爭議，同時由于節點區鋼筋十分密集導致較差的混凝土澆筑質量，所以在新建框架中節點也可能成為結構最薄弱的環節^[1]。

震害調查表明，框架結構多因梁柱節點失效導致破壞，且破壞形式多為節點剪切破壞、柱端壓碎破壞或錨固破壞等，主要發生在梁端、柱端和梁柱節點核心區（統稱為節點近區域）。在水平地震的反復作用下，梁端將產生較大的正負彎矩，使梁端產生上下貫通的垂直裂縫，嚴重時梁端縱向鋼筋將屈服，形成塑性鉸；同時，混凝土抗剪強度在水平地震作用下將降低，當腹筋（箍筋和彎筋）不足時，將在梁端出現交叉斜裂縫或混凝土剪壓破壞。柱頭在彎矩、剪力和壓力的共同作用下，周圍出現水平裂縫、斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土局部壓碎，柱端形成塑性鉸；當軸壓比較大、箍筋約束不足、混凝土強度不足時，柱端混凝土會壓碎而影響抗剪能力，柱頂會出現剪切性破壞；當豎向荷載過大而截面過小、混凝土強度不足時，箍筋外鼓崩斷，柱筋屈曲成燈籠狀。柱腳地震時由于樓層變形過大而在柱底形成塑性鉸破壞，柱底混凝土保護層部分脫落，柱主筋及其箍筋部分外露，底層柱傾斜，水平裂縫和斜裂縫互相交叉，破壞區混凝土剝落。角柱由于雙向受彎、受剪及扭轉作用，柱身產生錯動，鋼筋由柱內拔出。另外，由于設計或填充墻布置不合理，還會形成短柱剪切破壞。

當節點區剪壓比較大時，箍筋有時可能未能進入屈服，而混凝土已被剪壓壓碎和產生剝落。此外，有時會因梁的縱向鋼筋錨固長度不足而被從節點內拔出或者粘結失效滑動，產生滑移破壞。

圖1.1為地震作用下框架結構由于節點破壞引起倒塌或失效的典型例子，如圖所示，顯然與抗震規范要求的在梁端形成塑性鉸的破壞方式不符。即便出現理想的梁塑性鉸破壞形式，但考慮到框架梁受力有沿梁反彎點向柱面逐漸增大的特點，塑性鉸一般出現在柱面附近，發生梁筋粘結退化逐漸向節點內“滲透”的現象，導致梁產生較大的脫離柱面轉動，在梁柱交界面間形成較寬裂縫，梁喪失了對節點的約束作用，嚴重時還會因梁筋拔出引起框架倒塌、節點剛度退化、滯回曲線捏縮、耗能能力降低，同時梁柱交界面上產生的較寬裂縫還會加劇節點內梁筋滑移，形成惡性循環。因此，鑒于節點在框架結構中的關鍵作用，為保證框架結構在地震作用下發揮出良好的整體抗震性能，保護人民生命、財產的安全，必須探尋出一種有效的節點抗震加固方法，防止抗震不利的節點發生剪切破壞、柱端塑性鉸破壞與錨固破壞等破壞形式，從而改善框架結構的抗震性能。

圖1.1 節點破壞引起的框架結構倒塌或失效

a）節點破壞 b）節點破壞與梁筋滑移 c）柱鉸破壞 d）角柱節點破壞 e）柱剪切破壞

f）梁筋滑移 g）節點破壞引起的框架傾覆 h）節點剪切破壞 i）節點區鋼筋屈服