碳纤维布加固混凝土梁柱节点的受力性能研究

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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 导言
随着时间的推移，早期建造的房屋建筑越来越多地需要加固改造，尤其梁柱
节点因其重要性，其加固更引起广泛的注意，结构加固作为结构工程的一个分支
学科正方兴未艾。结构的加固改造技术近些年取得了长足的进展，新材料、新技
术不断应用到这一新兴领域。传统的加固方法有加大截面法，外包钢法，喷射混
凝土加固法，粘钢等方法，这些方法的应用较成熟，已经有相应的行业标准，应
用到不少工程的加固改造中，取得了一定的经济效益和社会效益。随着材料工业
的迅猛发展，越来越多的新材料被应用到土木建筑领域，高强碳纤维加固技术的
特点是加固效率高、效果好、施工机具少、操作简单、施工周期短，有着十分广
阔的应用前景。
§1.2 碳纤维加固简介
碳纤维加固技术的研究和应用前景展望：目前国外广泛应用的结构中的是碳
纤维布，最近越来越重视研究碳纤维筋和碳纤维素在结构中的应用。由于碳纤维
具有轻质、高强、耐腐蚀的特点，在特殊或重要的结构中有代替钢材的趋势。它
可以做成预应力筋，用于体外预应力加固，免去普通的钢筋预应力易腐蚀和须定
期更换的麻烦，它还可以做成悬索桥的缆索。总之，碳纤维应用涉及土木工程的
各个领域，应用前景十分广阔。为使碳纤维更好的用于土木工程及结构加固，锚
固长度和锚固计算理论的研究；考虑结构二次受力时，碳纤维加固结构承载力的
计算；预应力碳纤维技术的研究；碳纤维抗震加固的机理和抗震设计计算方法的
研究都应作为今后重点探讨的课题。
§1.3 建筑碳纤维加固技术
碳纤维加固技术是近年发展起来的一项新技术，由于其重量轻、强度高而且
粘结施工较为方便，所以加固处理工程结构特别是混凝土结构有着无可比拟的优
越性。
碳纤维片材加固混凝土结构是一项新的应用型外粘高性能复合材料加固结构
的技术，目前国内对碳纤维片材加固混凝土结构的理论和实验研究成果已较多，
设计与施工水平正在逐步提高，加固工程也迅速增加。
碳纤维片材适宜于加固房屋建筑和一般混凝土构筑物。混凝土结构因设计失
误、施工错误、材料质量不符合要求、荷载增加、使用功能改变和因遭受火灾、
水灾、风灾、地震等灾害使结构和构件遭受破坏，均可采用碳纤维片材进行加固
处理。对于铁路工程、港口工程和水利水电工程的混凝土结构、用碳纤维进行加
固也是可行的；同时，国内外研究和工程经验表明，对砌体结构、木结构也可以
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采用碳纤维片进行加固，但应结合结构具体情况参照规程执行。
结构长期使用温度不应高于 60 度
]3[
，是按常温固化树脂类粘贴材料的要求，
同时也因为一般混凝土结构的使用温度均低于此温度。当采用与碳纤维片材相配
套的高温固化数值类粘结材料且有可靠依据时，可不受此规定限制。在特殊环境
（腐蚀、放射、高温等）下采用碳纤维片材进行混凝土结构加固时，尚应遵守相
应的现行国家有关标准的规定，采用必要的防护措施。这是指在碳纤维片材加固
完成后，仍应按照现行国家有关(特殊环境的)标准的相应规定进行防护处理。
碳纤维片材加固混凝土结构前，应进行结构检测鉴定或评估。我国已经发布
了《工业厂房可靠性鉴定标准 》(GB 144--90)和《民用建筑可靠性鉴定标准》
(GB50292---1999)等，通过检测鉴定评级及构件的可靠性程度，可为碳纤维片材加
固混凝土结构的设计和施工提供基本的依据。
由于采用碳纤维片加固混凝土结构是一项新技术，具有不同于其它加固方法
的特殊性，故应由对碳纤维复合材料性质及其加固设计熟悉的专业人员进行设计，
也应由熟悉该技术的专业施工队伍进行施工，以保证该技术的有效实施。由不了
解碳纤维复合材料性质及其设计、施工特殊性的人实行设计、施工，容易发生加
固设计和施工的失误，造成事故和经济损失，影响该项新技术的正常发展。
碳纤维加固技术受力构件及处理混凝土裂缝效果较好，但多数工程中应用的
主要材料还仪赖于进口，所以价格较贵。在实际应用中，根据不同要求，对一些
强度要求较低的构件，可用一些工业纤维代替，以降低工程造价。
为了进行梁柱节点的加固研究，现对框架节点的设计控制体系作简单总结。
§1.4 框架节点的设计控制体系简介
§1.4.1 国外设计控制体系
在抗震框架中，节点设计中必须制定各种设计控制条件来全面实现设计准则
的要求。我们把这些设计控制条件的总汇称为设计控制体系。每个国家都根据自
己的实验结果、学术及工程传统，提出了相应的指导思想和与工程经验相结合的
设计控制体系。为了通过借鉴使我国的设计控制体系更为合理，实现对新西兰、
美国、日本和中国正在使用的设计控制体系作如下简要分析。
§1.4.1.1 新西兰的设计控制体系
如图 1-1 和图 1-2 所示，在新西兰 NZS3101 规范 1982 年版和 1994 年修改版
中，抗震框架节点的设计控制体系都是由三个控制条件组成，即节点的最小构造
配箍率；确定节点计算配箍量的“抗剪计算公式”以及作用剪力的上限。通过与
图1-3、1-4 的对比可以看出，新西兰规范 1982 年版的作用剪力上限明显高于美、
日、中三国，是各国控制条件中最宽松的控制条件与混凝土强度有关，强度越高
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控制越严。该版本“抗剪计算公式”建立的依据是，在节点轴压比 n=N/fcbjhj为零
时，认为节点作用剪力完全由桁架机构传递，相当于图 1-1 中过坐标零点的 OC 线。
随着轴压比的提高，该控制线逐渐向左上方平移。当 n=0.5 时，已平移到 1-1 中
DE 线的位置。这意味着轴压比不为零时承认斜压杆机构的一定作用，该作用随着
轴压比的增大而提高。这一版本中对高轴压比的最小构造配箍率的规定比美国设
计更严，这可以从图 1-1、1-3 的对照中看出。而随着轴压比的降低，构造配箍条
件相应降低，当 n=0 时，已降到大致与中国规定相近的地步。应该说，就“抗剪
计算公式”和最小构造配箍率与轴压比的关系而言，新西兰规范 1982 年版与我国
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002 虽然具体规定不完全相同，但大的趋势是
一致的。但查阅新西兰已公开的实验研究成果，均未见到有关轴压比与节点延性
控制水准的系统研究成果，据介绍，新西兰节点设计中对轴压比的考虑主要来自
于工程传统观念。
图 1－1 新西兰规范 1982 年版的设计控制体系 图 1－2 新西兰规范 1994 年版的设计控制体系
图 1－3 美国 ACI-ASCE253 委员会设计 图 1－4 日本建筑学会 1988 年设计指南中
建议中的控制体系 的控制体系
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从图 1-1 所示新西兰 1982 年规范控制体系的总格局来看，可以得出以下印象：
① 当轴压比偏小时，由于“抗剪计算公式”偏严，因此可将大部分作用剪力
不是太大的节点控制在直到梁端或柱段发生正截面破坏都不会发生斜压型剪切破
坏或斜拉型剪切失效的状态。这时最小配箍率条件实际不起控制作用，因为如图
1-1 所示，受该控制条件的节点均为作用剪力过小因而根本不会开裂的节点。但该
版本最大作用剪力控制条件定得过松，故在作用剪力较大的节点中仍有可能甚至
在梁、柱端曲阜发生斜压型剪切破坏，从而不满足抗震要求。
② 当轴压比偏大时，“抗剪计算公式”控制的箍筋用量大致相当于我国低轴
压比时的数量，但由于此时该版本对最小配箍率的规定过严，故当作用剪力不太
大时节点配箍率条件控制，这就保证节点直到梁端或柱端正截面破坏都不会发生
剪切失效或剪切破坏。但这时的问题仍在于，由于对最大作用剪力控制过松，故
仍有可能在作用剪力较大时发生先于梁柱端屈服的节点剪切破坏。
§1.4.1.2 美国的设计控制体系
美国 ACI—ASCE352 委员会 1985 年的设计建议是在 1976 第一版的基础上修
订出的全新版本、但其中继承了美国的两个传统观点。第一是只承认节点的斜压
型剪切破坏，因此美国设计建议中的节点抗剪验算实际上指的是对最大作用的剪
力的限制条件。该限制条件与混凝土强度相关。对于强度偏低的混凝土，用 Vj/fcbjhj
表达的限制条件与中、日规定相近，而对强度偏高的混凝土，则大致相当于新西
兰规范 1994 年修订稿中的更加严格的限制条件。第二是认为梁柱节点只不过是一
段由于从梁端传入的拉力和压力的作用而剪力较大的特殊柱段，这一柱段的受力
特点可以认为与一般框架柱的上、下端没有实质性区别，因此，节点箍筋用量就
按柱端的构造配筋率确定，而不需另行计算。
从现有的认识水平看，美国的这两个第一个是不全面的，第二个则存在概念上
的不准确性。针对第一个观点，应该指出，目前世界各国学术界已有越来越多的
人承认斜压杆机构、桁架机构和组合块体机构存在于不同受力状态下的节点中，
并发挥着程度不同的作用。虽然在发生斜压型和斜压—斜拉复合型剪切破坏的节
点中，最终是由核心区混凝土的斜向压碎起控制作用。但不重视斜拉剪切失效节
点的存在和未能从延性角度制定节点的设计准则，必将会影响所制定控制条件的
有效性。第二个观点在概念上的不准确性，在于没有正确区分节点的不同受力特
征。节点箍筋真正发挥其对混凝土的约束作用是在斜压—斜拉复合型剪切破坏和
斜压型剪切破坏的节点中。这两类节点的破坏都不是由最小构造配箍率控制的。
而最小构造配箍率的真正作用是防止节点发生斜拉型剪切失效，即令箍筋不致过
早因桁架机构拉力和少部分组合块体机构拉力的共同作用而屈服，因此约束作用
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对最小配箍率的制定不起控制作用。如果一定要用最小配箍率串来对斜压—
斜拉复合型剪切破坏进行控制，则必然会导致最小构造配箍率定得过高的后果，
这是很不经济的。而且，即使如此，节点中的约束机理与柱端通过约束箍筋提高
受压区被约束混凝土的极限压应变，从而提高柱曲率延性的机理也是不完全相同
的。从近年来各国抗震节点实验结果中可以看出，根据斜拉型剪切失效节点的必
要延性要求确定的节点最小构造配箍率，将明显小于美国规定的最小构造配箍率。
§1.4.1.3 日本的设计控制体系
日本建筑学会 1988 制定的设计指南（草案）是日本第一本比较正规的钢筋混
凝土结构抗震设计规定。它的控制体系也只包括对最大作用剪力和对最小配箍率
的两个控制条件。其中最大剪力控制条件略高与中国规范，最小配箍率不仅比美、
新两国的严格规定低，而且比已经低于美、新的中国规定还低。日本没有像中国
或新西兰那样再取用一个确定箍筋用量的抗剪计算公式，但为了考虑斜压--斜拉复
合型剪切破坏节点的延性要求，（设计指南）规定当作用剪力较大时，最小配箍率
应随作用剪力按线性关系增大。但是，该设计指南主要制定者之一的东京大学的
小谷俊介在他 1991 年发表的论文中已经提议将最小配箍率限制条件再适度提高。
这相当于大致接近或略低与中国规范对二级抗震等级的规定。同时还建议见其中
规定的最大作用剪力限制条件（折算成我国表达方式相当于 Vj<=0.33fcbjhj）改为
与直交梁对节点的约束程度有关，即当约束较强时，相当于 Vj<=0.363fcbjhj，当没
有直交梁约束或约束较弱时，相当于 Vj<=0.275 fcbjhj，虽然这一建议尚未反映正
式（指南）条文中，但至少说明日本学术界也已感到指南指出的最小配箍率限值
可能过底了些。
§1.4.2 我国的设计控制体系
我国的控制体系请参阅《混凝土结构设计规范》GB50010-2002 第11.6.1、第
11.6.3、第 11.6.4、第 11.6.14，此处就不赘述。从新规范的规定，不难看出，我国
节点设计控制体系措施主要体现在以下三个方面：
(1) 节点区的最小配箍率
在实际工程中，节点区的最小配箍率一般取用柱端配箍率。节点的破坏特征
一般可分为斜拉型剪切失效、斜压型剪切破坏和斜拉—斜压复合型。这三种破坏
在实际工程中均应避免发生。对可能发生斜拉型破坏的节点，除了与作用剪力的
大小相关外，节点处配置箍筋的用量过少是其主要原因。节点区最小配箍率对此
类破坏起着控制作用。
(2) 最大作用剪力控制条件（剪压比限值）
(3) 计算箍筋用量的抗剪公式
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其中最大剪力与美国对偏低强度混凝土的控制水准和日本控制水准相近。最
小配箍率也是用柱端构造配箍率，只是中国柱端构造配箍率的表达方式与美国不
完全相同，其总体水平也比美国略低。但这里依然存在讨论美国方案时论证过的
概念上的不准确性。中国规范中用于作用剪力较大时确定节点箍筋用量的“抗剪
计算公式”是在综合七十年代后期由北京市建筑设计院和第二机械工业部第二设
计院完成的我国首批抗震框架节点实验结果的基础上经专家综合权衡后提出的，
应该说已经在一定程度上考虑了对节点的延性要求，虽然在已发表的文献中并未
见到明确的陈述。此外，在中国“抗剪计算公式”中还考虑了轴压比的影响，轴
压比偏小时，控制偏严，轴压比偏大时，控制偏松。
新西兰、美国、中国和日本这四个地震多发国家根据各自当时对钢筋混凝土
上抗震框架节点受力特点的认识和本国的学术和工程传统。先后在各自的设计规
范或建议中提出了抗震框架节点的设计方法。经过对比计算看出，就节点配箍率
这个主要的技术指标来看，这四个国家控制的宽严程度大体上可分为两档其中要
求较严的是新西兰 NZS3101 规范的 1982 年版本。而美国 ACI—ASCE352 委员会
1985 年修订的《现浇框架梁柱节点设计建议》、中国的《混凝土结构设计规范》
GB50010—2002 和日本建筑学会 1988 年公布的《基于极限承载力概念的钢筋混凝
土建筑物抗震设计指南（草案）及说明》，在节点配箍率要求上虽然也有一定差别。
但普通比新西兰 1982 年的规范的要求降低一个档次。按新西兰学术界的说法，均
属于“有限延性框架”水准。为对这两种不同的延性水准做出正确的评价，美、
新、日三国权威学者在 1984 年美国 Monterey 会议上商定进行抗震节点对比实验。
即用形状尺寸相同、但按各国规定确定节点配箍的带现浇板和不带现浇板的中间
层中节点和中间层端节点梁柱组成合体，按相同的平面或二维加载方案及程序进
行好实验。随后，中国方面也参加了这一设计计划，从而形成了国际钢筋混凝土
学术界有史以来规模最大的“四国联合实验”八十年代末，通过实验结果的对比，
四国学术界取得了共识，即新西兰规范对抗震节点性能的要求过严。而美、日、
中三国水准则掌握的较为适度。这一结论导致新西兰在其 1994 年NZS3101 规范的
修订稿中适当降低了第抗震框架节点的控制水准。根据以上分析，目前框架梁柱
节点的设计原则可以表达为：
① 抗震框架节点不允许出现在梁端或柱端受拉钢筋屈服前的斜拉型剪切失
效和斜压型剪切破坏。② 在梁端或柱端受拉钢筋先行屈服前的前提下，对可能发
生斜拉型剪切失效的节点，其相对配箍率还应大到使接头区能达到所需要的延性
而不发生节点剪切失效；对可能发生斜压型剪切破坏的节点，其相对作用剪力营
销至使接头区能达到所需要的延性而不发生节点剪切破坏；对可能发生斜拉-斜压
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1导言随着时间的推移，早期建造的房屋建筑越来越多地需要加固改造，尤其梁柱节点因其重要性，其加固更引起广泛的注意，结构加固作为结构工程的一个分支学科正方兴未艾。结构的加固改造技术近些年取得了长足的进展，新材料、新技术不断应用到这一新兴领域。传统的加固方法有加大截面法，外包钢法，喷射混凝土加固法，粘钢等方法，这些方法的应用较成熟，已经有相应的行业标准，应用到不少工程的加固改造中，取得了一定的经济效益和社会效益。随着材料工业的迅猛发展，越来越多的新材料被应用到土木建筑领域，高强碳纤维加固技术的特点是加固效率高、效果好、施工机具少、操作简单、施工周期短，有着十分广阔的应用前...

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