1.2 钢筋混凝土框架抗震加固的意义

钢筋混凝土框架结构由于其简洁的结构形式、灵活的建筑使用空间和良好的抗震性能，在世界各国的各个地区都有着广泛的应用，至今已有一百多年的历史。钢筋混凝土框架结构以梁、板、柱和基础一起形成承重结构，抗侧刚度小，在水平地震作用下框架整体变形为剪切型，当高度较大时，受力特点由受竖向力为主转变成受侧向荷载为主。节点是框架结构中不可分割的一部分，它包括框架梁与框架柱相交的节点核心区及邻近核心区的梁端和柱端。节点在框架中发挥着传递、分配内力和保持结构整体性的重要作用，其受力相当复杂，不仅要承受柱子传来的轴向力、弯矩和剪力，还要承受梁传来的弯矩、剪力和扭矩作用，而且收缩、徐变、温度变化及地基沉陷等因素也会对节点造成一定程度的影响。

在地震作用下，节点是框架中最易受损的部位之一，而节点的破坏将导致整个框架丧失承载能力，进而发生结构倒塌。因此，为了使框架结构具有良好的抗震性能，在地震作用下保持足够的强度和变形能力，各国现行规范均对混凝土框架结构节点抗震设计的计算方法与构造措施提出了明确的要求。作为抗震框架节点，要求其不仅能够承受使用阶段各种荷载的作用，而且能够在预定的地震作用下，当节点所连接的梁柱构件进入弹塑性阶段后，节点在发生较大变形的情况下，仍能维持传递荷载的能力。这就要求在节点钢筋屈服后的非弹性变形阶段，应采取措施延缓节点区强度、刚度的退化，保证框架结构的耗能能力，从而使框架结构具有良好的整体抗震性能。

在钢筋混凝土框架结构应用之初，房屋层数不高，一般不超过7层，而梁柱截面尺寸一般较大，节点体积也较大，所以节点有较大的抗剪能力。因此，过去对节点的设计仅限于满足重力作用即可，缺少抵抗侧向作用的能力，也很少注意构造措施，只将梁柱受力钢筋通过节点，在边节点将钢筋伸至节点核心弯折满足一般的锚固长度即可；而且，为了减少施工困难，节点核心很少配置箍筋，甚至不配构造钢筋。随着研究的深入和技术的更新，大约自20世纪60年代以来，钢筋混凝土高层建筑得到快速发展，陆续出现了20层以上的钢筋混凝土框架结构，高强混凝土和大直径的高强变形钢筋相继投入使用，使框架结构的构件截面尺寸减小，进而节点区的截面尺寸也随之减小。这一时期的建筑物至今已有近60年的历史，接近我国规范规定的大多数建筑物的设计使用年限，并且其中多数建筑物设计时未考虑抗震设防，其承载力、刚度、延性和稳定性明显不足；同时，由于很多地区抗震设防烈度的提高，过去许多考虑了地震作用的建筑，以现行抗震规范要求来衡量，其抗震能力也存在不足。这类按照非抗震设计或对地震作用考虑不足的框架结构，其节点没有承受较大非弹性变形的能力，也没有考虑在水平荷载作用下节点内钢筋的屈服并可能发生的较大滑移。因此，在地震作用下，这样设计的框架结构存在由于节点的失效而影响框架结构整体抗震性能发挥的隐患。另一方面，虽然近四十年来国内外众多学者对节点进行了大量的理论分析与实验研究，但由于节点受力十分复杂，常常伴随局部非线性与损伤，因此节点受力机理仍存在较大争议，同时由于节点区钢筋十分密集导致较差的混凝土浇筑质量，所以在新建框架中节点也可能成为结构最薄弱的环节^[1]。

震害调查表明，框架结构多因梁柱节点失效导致破坏，且破坏形式多为节点剪切破坏、柱端压碎破坏或锚固破坏等，主要发生在梁端、柱端和梁柱节点核心区（统称为节点近区域）。在水平地震的反复作用下，梁端将产生较大的正负弯矩，使梁端产生上下贯通的垂直裂缝，严重时梁端纵向钢筋将屈服，形成塑性铰；同时，混凝土抗剪强度在水平地震作用下将降低，当腹筋（箍筋和弯筋）不足时，将在梁端出现交叉斜裂缝或混凝土剪压破坏。柱头在弯矩、剪力和压力的共同作用下，周围出现水平裂缝、斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土局部压碎，柱端形成塑性铰；当轴压比较大、箍筋约束不足、混凝土强度不足时，柱端混凝土会压碎而影响抗剪能力，柱顶会出现剪切性破坏；当竖向荷载过大而截面过小、混凝土强度不足时，箍筋外鼓崩断，柱筋屈曲成灯笼状。柱脚地震时由于楼层变形过大而在柱底形成塑性铰破坏，柱底混凝土保护层部分脱落，柱主筋及其箍筋部分外露，底层柱倾斜，水平裂缝和斜裂缝互相交叉，破坏区混凝土剥落。角柱由于双向受弯、受剪及扭转作用，柱身产生错动，钢筋由柱内拔出。另外，由于设计或填充墙布置不合理，还会形成短柱剪切破坏。

当节点区剪压比较大时，箍筋有时可能未能进入屈服，而混凝土已被剪压压碎和产生剥落。此外，有时会因梁的纵向钢筋锚固长度不足而被从节点内拔出或者粘结失效滑动，产生滑移破坏。

图1.1为地震作用下框架结构由于节点破坏引起倒塌或失效的典型例子，如图所示，显然与抗震规范要求的在梁端形成塑性铰的破坏方式不符。即便出现理想的梁塑性铰破坏形式，但考虑到框架梁受力有沿梁反弯点向柱面逐渐增大的特点，塑性铰一般出现在柱面附近，发生梁筋粘结退化逐渐向节点内“渗透”的现象，导致梁产生较大的脱离柱面转动，在梁柱交界面间形成较宽裂缝，梁丧失了对节点的约束作用，严重时还会因梁筋拔出引起框架倒塌、节点刚度退化、滞回曲线捏缩、耗能能力降低，同时梁柱交界面上产生的较宽裂缝还会加剧节点内梁筋滑移，形成恶性循环。因此，鉴于节点在框架结构中的关键作用，为保证框架结构在地震作用下发挥出良好的整体抗震性能，保护人民生命、财产的安全，必须探寻出一种有效的节点抗震加固方法，防止抗震不利的节点发生剪切破坏、柱端塑性铰破坏与锚固破坏等破坏形式，从而改善框架结构的抗震性能。

图1.1 节点破坏引起的框架结构倒塌或失效

a）节点破坏 b）节点破坏与梁筋滑移 c）柱铰破坏 d）角柱节点破坏 e）柱剪切破坏

f）梁筋滑移 g）节点破坏引起的框架倾覆 h）节点剪切破坏 i）节点区钢筋屈服