防屈曲支撑研究进展综述

GXF360 2017-06-22

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防屈曲支撑研究进展综述

张志1董姣2

（1 广州大学土木工程学院；2 五邑大学土木建筑学院）

【摘要】防屈曲支撑(BRB)是一种兼具普通支撑和金属阻尼器双重功能的支撑形式，其具有良好的滞回特性，在拉压情况下都可以充分屈服而不屈曲，作为地震作用下的主要耗能部件，可有效保护结构主要梁柱的安全。本文综述了防屈曲支撑的基本组成形式及受力机理，介绍了近年国内相关研究进展，并指出了有待进一步研究的问题。

【关键词】防屈曲支撑；受力机理；应用

1 引言

中国是地震频发的国家，根据过去一百年的统计，全球约三分之一的地震发生在中国，因地震而造成的死亡人数更是占了全球近一半[2]。其中，房屋建筑的倒塌和破坏是造成人员伤亡和直接经济损失的主要原因。

在目前的工程技术中，对于高宽比较大的高层建筑结构，通常采用支撑阻尼元件来耗散地震能量，目前人们认为最有效的支撑元件是防屈曲支撑。防屈曲支撑是金属屈服耗能阻尼器，它是利用芯材的塑性变形将地震能量转化为金属分子的内能。相对于普通支撑，防屈曲支撑具有良好的滞回性能、较高的屈服承载力。防屈曲支撑设计，可以在小震或通常风荷作用下不屈服，而只作为普通构件，在大震时才开始耗能工作。

防屈曲支撑无论在受拉或受压情况下芯材都可能发生屈曲，消耗大量的地震能量，减小地震对建筑物的影响。在地震作用下，结构刚度越大对地震的响应就越大，设计人员在满足结构的承载力要求下，尽可能减小结构刚度来减小地震作用，布置防屈曲支撑是很好的方法。因此，防屈曲支撑在耗能减震领域得到广泛的应用，并具有广阔的发展前景。

2 防屈曲支撑的基本原理

2.1 基本组成

防屈曲支撑一般由芯板材料、套管及无黏结填充材料组成，如图1。其中芯板是主要受力构件，主要材料为屈服钢或者碳钢，套管为普通钢制套管，无黏结填充材料为无黏结可膨胀材料，如混凝土、橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶等。填充材料与芯材间留有一定的间隙，以容许芯材在受压时膨胀。防屈曲支撑主要由芯板承受拉力和压力，而外部约束构件则是为了保证防屈曲支撑在受压时不会屈服，从而使防屈曲支撑无论是受拉还是受压都有较为良好的性能，以提高防屈曲支撑的耗能性能。防屈曲耗能支撑的纵向构成主要分为三个部分[3]: 约束屈服段、约束非屈服段、无约束非屈服段，如图2。

图1 芯材横向组成

图2 芯材纵向组成

2.2 截面形式

目前广泛使用的防屈曲支撑截面形式多种多样，其基本截面形式如图3 所示[4]。其中，芯材有一字型、十字形、工字形、圆管形和方管形等。其中，图 e- 图 k 中的芯材仅由型钢包围，在芯材与套管之间没有填充混凝土或砂浆。

图3 常见芯材截面形式

2.3 连接方式

防屈曲支撑连接即防屈曲支撑芯材与主体节点板连接，节点连接形式主要有以下三种连接形式：①两端焊接型防屈曲支撑焊接连接；②两端高强螺栓型防屈曲支撑螺栓连接；③两端单铰型防屈曲支撑销轴连接。

防屈曲支撑和普通支撑一样，芯材两端通过焊接、螺栓或铰接的方式与节点板连接。采用螺栓连接有利用构件的安装和震后的维修或更换，而且防屈曲支撑固定于节点板上，有利于增加结构的整体性和抗震性。由于节点板是保证防屈曲支撑工作的关键，其不能先于防屈曲支撑破坏或者失稳，采用焊接连接施工方便，且因节点板的截面没有受到削弱，结构整体性较好，但焊缝连接产生的残余应力易使结构发生脆性破坏，并进一步降低压杆稳定性。且焊接结构具有连续性，局部裂缝一经产生便很容易扩展到整体。而采用单铰连接，由于搭接长度的减少，约束屈服段可相应增加，从而使参与屈服的长度增长，从而减少轴向应变。防屈曲支撑两端的夹板也有利于支撑整体稳定性的增强。

2.4 受力机理

防屈曲支撑在结构中起承担轴向力的作用，该轴向力全部由内核单元承受；外围约束单元提供给内核单元弯曲限制，避免内核单元在受压时屈曲；内核单元表面涂刷无粘结涂层和设置必要的间隙，目的是为了确保外围约束单元既不传递轴向荷载又能保持对内核单元的有效约束。屈曲约束支撑区别于普通支撑的最大特点就是解决了普通支撑的受压屈曲问题，使其受压性状与受拉的无异。

图4 防屈曲支撑与普通支撑滞回曲线对比

约束屈服段是防屈曲支撑的核心部分，构件主要通过约束屈服段的屈服耗散地震能量。而约束非屈服段主要是指约束屈服段和无约束非屈服段的中间过渡段，由于约束非屈服段不需要屈服耗能，故应通过其几何尺寸控制其强度储备，以保证该段始终在弹性状态下工作。并且应保证截面改变率平缓，以避免应力集中[7]。

防屈曲支撑在弹性阶段工作时如同普通支撑一样，可为结构提供很大的抗侧移刚度，用于抵抗小震以及风荷载的作用[5]。在合理的设计尺寸下，防屈曲支撑在弹塑性阶段工作时，由于制作加工等原因，初始挠度始终不可避免地存在，因此在较小的轴向压力作用下，防屈曲支撑的芯材将必然产生一个正弦半波的屈曲模态，随着压力作用的增长，钢材屈曲不断往更高阶的变形模态发展。在芯材的屈曲变形过程中，约束单元始终保持着对核心单元的抗侧向约束，保证其不致于屈曲破坏，而是处于轴向受压的受力状态，因此芯材宜采用低屈服点钢材，使防屈曲支撑无论处于受拉或者受压状态，都能先于主体结构屈服，从而耗散输入结构的地震能量[6]。

3 防屈曲支撑在国内的相关研究

2007 年李俞谕等介绍了防屈曲约束支撑内部关于内核单元、外围约束单元和无粘结材料的共同受力机理，并列出在相同截面面积条件下，对普通支撑框架与屈曲约束支撑框架进行对比试验后分别得出的滞回曲线。通过普通支撑框架和屈曲约束框架的结构变形图和单向水平加载下的荷载-位移曲线，说明了屈曲约束支撑的优越性[6]。

2010 年徐继东等介绍了一项通过加设防屈曲支撑对一幢历史建筑加固的实例。用软件进行分析后，分别把防屈曲支撑和普通支撑的最终塑性铰分布，各层位移曲线和滞回曲线进行对比。研究结果表明，采用防屈曲支撑可以提高结构阻尼比，减小最大层间位移角和控制结构刚度[8]。

2010 年郝贵强等介绍了如何通过约束刚度的选择，保证在外围约束单元的约束下，内心单元屈服而不屈曲，从而防止构件整体失稳。并提出可采用能量计算方法计算支撑整体失稳的临界荷载，且可采用简化的处理办法处理连接段承载力[9]。

2011 年张录等在上海市地震局大楼加固的工程中比较了使用粘滞阻尼器和防屈曲支撑的优劣。防屈曲支撑方案的造价为 389.4 万元远远低于粘滞阻尼器的800.7 万元，而且不需要后期的检查维护费用。软件分析结果表明，X 和 Y向的最大层间位移角都满足规范要求，而且无明显软弱层；而且采用时程分析法的三条地震波计算所得底部剪力平均值不小于反应谱的 80%，也满足规范要求。采用 ETABS 进行推覆计算，发现 X 和 Y的能力曲线都是均匀变化，证明构件分批次屈服，而且大震下的弹塑性位移小于 1/80，满足要求。而且在中震下只有少数梁柱进入屈服阶段，因此，满足中震可修的目标[10]。

2012 年解志强介绍了某拟建的音乐厅, 由于中部为楼板缺失的大跨度空间，故采用屈曲约束支撑。SATWE计算分析结果表明，多遇地震下，屈曲约束支撑比纯框架结构增加了抗侧刚度，层间位移角也满足规范要求，而且楼层剪力分配更加均匀；罕遇地震下，Y和 X向层间位移角分别为 1/183 和 1/196，而且在性能点附近，屈曲约束支撑首先进入屈服耗能阶段，而个别梁随后开始屈服，从而保证大震下屈曲约束支撑先于主体结构屈服，保护梁柱构件，符合多重防线的思想[11]。

2013 年程鹏艳等采用一个机械加工车间的一个工程加固例子，介绍了基于等刚度原则把传统支撑换成屈曲约束支撑，采用 SAP2000 进行了有限元分析。研究结果表明，相比起传统支撑，防屈曲支撑加固后的结构振型周期基本相等，基底剪力随着塑性发展程度增大而逐渐减少，顶点位移略微增大，而中震作用下的纵向列柱柱底轴力和牛腿顶面剪力皆有明显减小。可见防屈曲支撑在保护主体结构和耗能减震方面均具有明显优势[12]。

2013 年李红星等介绍了防屈曲支撑在电厂结构中的应用。由于防屈曲支撑的良好滞回特性，可以充当结构的“保险丝”，成为地震作用下的主要耗能部件，保护结构主要梁柱的安全，而且防屈曲支撑可以很方便地在震后进行替换，因此能广泛应用于电厂机构中[13]。

2013 年刘灿等介绍了天津现代城酒店利用防屈曲支撑在裙房远端控制位移比的工程。由于裙房和塔楼之间不设缝，裙房远离塔楼一侧的扭转位移比过大。为了控制结构扭转位移，在远离塔楼处增设柱间支撑。加设防屈曲支撑后，结构的最大位移与平均位移比值小于1.2，满足规范要求[14]。

2014 年饶建兵等介绍了一幢 1981 年建成的北京某大学实验楼的加固工程实例。传统的加固方案需要加大构件的截面面积，既扩大了地震在结构上的作用，又减少了建筑面积，且因为加固构件多、范围大导致施工周期长，而且还增加了结构重量和基础加固方面的造价及工程量。所以采用了防屈曲支撑，从而全部克服上述缺点。小震作用下的，增加防屈曲支撑之后的分析结果表明，结构刚度增大，有效减小了结构层间侧移和层间位移角。且在增设防屈曲支撑后，由于改变了地震力的传力途径，从而减少大部分梁柱的计算配筋量，大大减少加固的工作量[15]。

2016 年马晨光、伊波松、刘如月等分别对 1 榀未加设支撑、1 榀加设了防屈曲单斜支撑、1 榀加设了防屈曲中心支撑和线、骨架曲线、层间刚度、耗能和等效黏滞阻尼比等试验结果进行比较，分析了防屈曲单斜支撑对钢筋混凝土框架抗震性能的改善效果。研究结果表明：防屈曲支撑能有效提高钢筋混凝土框架抗震性能，加设防屈曲支撑的钢筋混凝土框架结构刚度、承载能力、耗能和阻尼比均显著增大，具有良好的抗震性能[16]。1 榀加设了防屈曲偏心支撑的钢筋混凝土框架进行了拟静力试验研究。对其破坏过程、破坏机理、荷载－侧移滞回曲

4 结论与展望

防屈曲支撑结构体系是一种非常有前景的新型结构体系。从目前许多成功的试验研究与工程应用来看，防屈曲支撑不仅提高了结构的侧向刚度，而且具有优异的滞回特性及很好的抗低周疲劳性能，抑制了普通的支撑的压曲现象。另外，防屈曲支撑为建筑结构的抗震设计和抗震加固与改造提供了一种新的选择。因此，加强实用新型的防屈曲支撑的研制与应用就显得格外迫切。为使防屈曲支撑在实际的工程中得到广泛应用，尚应对以下问题进一步研究：

⑴对现有防屈曲支撑进行改进，完善其功能，制定防屈曲支撑的各种性能指标要求。

⑵制定出适用于我国抗震要求的防屈曲支撑结构体系的分析与设计方法，特别是 BRB 在结构中的布置方法，以满足广大设计人员的需求。●

【参考文献】

[1] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[2] 魏丽红.房屋建筑结构抗震设计分析[J].中华民居（下旬刊）,2014,5:58.

[3] 饶建兵,刘林.防屈曲支撑在加固钢筋混凝土框架中的应用[J].施工技术,2014,43(S1):131-132.

[4] 周云,唐荣,钟根全.防屈曲耗能支撑研究与应用新进展[J].防灾减灾工程学报,2012,4:393-407.

[5] 胡宝琳,李国强,孙飞飞.屈曲约束支撑体系的研究现状及其国内外应用[J].四川建筑科学研究,2007,33(4):9-13.

[6] 李俞谕,肖岩.屈曲约束支撑的研究现状及其应用[J].工业建筑,2007,37(S1):658-662.

[7] 杨昌民,牧野俊雄,李宏男.防屈曲支撑的研究进展及其工程应用[J].建筑科学与工程学报,2011,28(4):75-85.

[8] 徐继东,黄坤耀,李静.防屈曲支撑在历史建筑加固中的应用[J].建筑结构,2010,40(S2):124-127.

[9] 郝贵强,杜永山,齐建伟.防屈曲支撑（BRB）在抗震加固工程中的应用[J].建筑结构,2010,40(S2):131-134.