屈曲約束支撐國內外研究現狀及工程應用

林 泉，彭 偉

(1.成都大學，四川成都610016;2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

屈曲約束支撐是一種新型的無粘結耗能支撐，屈曲約束支撐中心是用低屈服點鋼材制成的芯材，在軸向力作用下允許有較大的塑性變形，從而達到耗能的目的，在我國臺灣地區稱之為挫屈拘束支撐(Buckling Restrained Braces，簡稱BRB)，在美國和日本則稱之為無粘結支撐(Unbonded Braces，簡稱UBB)，國內一般稱為屈曲約束支撐(Buckling Restrained Energy－dissipation Braces，簡稱 BREB)或者防屈曲耗能支撐。屈曲約束支撐作為耗能構件使用在新建和已建的建筑結構中。

1 屈曲約束支撐的形式與分類

目前使用中和正在開發中的屈曲約束支撐以約束單元的外形來分，主要可以分為兩大類:一種由鋼管或混凝土約束核心支撐的管式屈曲約束支撐;另一類是以墻板為約束單元的墻板式無粘結屈曲約束支撐［1、2］。

圖1 屈曲約束支撐的分類

墻板式屈曲約束支撐將墻板和支撐有機地結合起來主要用于小開間的賓館酒店建筑或者在某些特殊條件下使用。而大量使用在鋼結構中的是管式屈曲約束支撐。這種支撐經過多年的發展已經有了許多種的形式。圖2給出了幾種比較典型的屈曲約束支撐的截面形狀。

圖2 屈曲約束支撐的典型的截面形狀

2 屈曲約束支撐的工作原理

目前BRB形式多樣，但原理基本相似。如圖3所示，支撐的中心是芯材(SteelCore)，為避免芯材受壓時整體屈曲，即在受拉和受壓時都能達到屈服，芯材被置于一個鋼套管(steelTube)內，然后在套管內灌注混凝土或砂漿。為減小或消除芯材受軸力時傳給砂漿或混凝土的力，而且由于泊松效應，芯材在受壓情況下會膨脹，因此在芯材和砂漿之間設有一層無粘結材料或非常狹小的空氣層(Gap)。屈曲約束支撐與普通支撐最大的區別在于解決了普通支撐的受壓屈曲問題，使其受壓性狀與受拉無異。屈曲約束支撐與框架組成的結構體系同樣表現出極佳的耗能性能。在約束支撐的設計時，不必考慮失穩，只計算其強度，認為支撐受拉和受壓性能完全相同，在受壓時不會發生屈曲。普通支撐框架中的受壓支撐因為屈曲而部分退出工作，降低了結構的水平抗側剛度，而且框架梁的荷載增加，在同樣載荷作用下，內力和撓度將高于屈曲約束支撐框架。

圖3 屈曲約束支撐原理圖

3 約束屈曲體系的特點

與抗彎剛框架和普通支撐框架相比，BRBF有以下特點:

(1)與抗彎剛框架相比，小震時BRBF線彈性剛度高，可以很容易地滿足規范的變形要求;

(2)由于可以受拉及受壓屈服，BRBF消除了傳統中心支撐框架的支撐屈曲問題，因此在強震時有更強和更穩定的能量耗散能力。

(3)BRB通過螺栓或鉸連接到節點板，可避免現場焊接及檢測，安裝方便且經濟;

(4)支撐構件好比結構體系中可更換的保險絲，既可保護其他構件免遭破壞，并且大震后，可以方便地更換損壞的支撐;

(5)因為支撐的剛度和強度很容易調整，BRBF設計靈活。而且，在非彈性分析中可以方便地模擬BRB的滯回曲線;

(6)在抗震加固中，BRBF比傳統的支撐系統更有優越性，因為能力設計會使后者的地基費用更貴。

4 國內外研究現狀

4.1 國外研究現狀

關于屈曲約束支撐的設想最早可以追溯到1971年。Yoshino等人做了幾組名為“帶支撐的剪力墻”的實驗，其中一組試件是由剪力墻內設置鋼板支撐且兩種材料間布置無粘結材料，該剪力墻與周邊梁柱設置15 mm的間隙，這一試驗第一次將屈曲約束支撐的概念運用于結構中。對屈曲約束支撐的開拓性研究來自日本若林實等研究者［3］。他們系統地研究了一種由混凝土包裹鋼板的屈曲約束支撐。對于由填充砂漿的鋼管作為約束單元，用鋼板作軸力單元的屈曲約束支撐的研究集中在日本。藤本等人對此類支撐進行了深入地研究形成了目前在工程上廣泛應用的無粘結支撐。在wakabayashi研究的基礎上，日本在20世紀80年代和90年代對芯材加鋼管的屈曲約束支撐進行了多次研究。Nakamura等人對屈曲約束支撐的疲勞特性做了研究。在美國，1999年Clark在加州大學伯克利分校進行了3個大比例約束屈曲支撐的試驗，為美國第一座使用約束屈曲支撐的建筑的結構設計和施工提供技術支持。SEAOC(美國加州結構工程師學會)與AISC(美國鋼結構學會)聯合委員會與2001年制定了“屈曲約束支撐推薦規定”并于2005年將這些規定寫入了最新的AISC(鋼結構抗震規定)。

4.2 國內研究現狀

(1)中國建筑科學研究院的孫建華等以一個實際工程為例［4］對含屈曲約束耗能支撐的高層建筑鋼結構的地震作用效應及抗震性能進行了有限元分析。結果表明小震作用下，屈曲約束支撐處于彈性狀態，為結構提供支撐剛度;中震作用下，部分屈曲約束支撐達到屈服狀態，為結構提供耗能能力。

(2)蘭州理工大學的王秀麗等對設有屈曲約束支撐的單層柱殼，K6型球面網殼進行了有限元分析，研究了屈曲約束支撐對以上結構的減震效果，比較了不同布置形式對結構抗震的影響，并對支撐的布置形式提出了設計建議。并對屈曲約束支撐在靜力往復荷載作用下的受力性能進行了模擬，得到支撐滯回曲線以及內部應力分布狀態，通過對不同縫隙和不同摩擦系數的約束屈曲支撐進行計算，得出縫隙和摩擦力對屈曲約束支撐內力的影響。

蘭州理工大學的李曉東等對具有側向支撐的屈曲約束支撐的整體穩定性進行了研究。提出了一種新型的屈曲約束支撐，即在內核構件和外包構件之間不在灌注砂漿，而是設置鋼板側向支撐，并建立基于歐拉屈曲理論的力學模型，對臨界荷載，外包構件的剛度及側向支撐的數量得到了解析公式［5］，并在此基礎上利用解析法對純鋼型和混凝土型屈曲約束支撐的動力穩定性做了研究［6～8］。

(3)同濟大學的李國強等根據其反復載荷作用下的滯回特征，提出了一種滯回模型，并建立了屈曲約束支撐的彈塑性剛度方程。并根據這種模型編制程序模擬繪制了屈曲約束支撐的滯回曲線，與試驗所得曲線比較，基本符合試驗結果［9］。

(4)同濟大學的謝強等采用穩定性理論，對帶有側向約束的理想軸心壓桿和帶有初始變形的屈曲約束支撐進行了分析，提出了一種約束支撐設計的合理性的強度和剛度條件的表達式，可校核設計的合理性［10］。

(5)同濟大學研制出的TJI型屈曲約束支撐是具有我國自主知識產權的屈曲約束支撐。其芯板的約束屈服段采用“一”字形，約束套筒采用方形或矩形鋼管，套筒與芯板之間無填充材料，芯板用材選用國產低碳鋼Q235/Q195/和寶鋼集團Q160低屈服點鋼。

(6)同濟大學等進一步研制出了適用于大噸位的TJII型屈曲約束支撐，并確定了其承載力設計方法和剛度，節點設計準則。采用了寶鋼新研制的BLY225低屈服點鋼制作了兩根屈服承載力為650 t，長度為8 m的足尺試件，進行了往復加載試驗，試驗結果表明TJII型屈曲約束支撐的累積塑性變形能力遠超過美國抗震規范設計規程中的要求［11］。

5 國內外工程應用

5.1 在國外的應用實例

(1)屈曲約束支撐在日本的工程應用較早，特別是在阪神大地震后，這種支撐作為阻尼器大量應用在工程中。目前全球擁有專利權的制造廠商，幾乎都集中在日本。日本大阪國際會議中心大樓，總高100 m，抗側力系統選用了數百個此種支撐。

(2)日本豐田市的巨蛋體育場，高度92 m的斜張屋頂，使用了許多屈曲約束支撐作為耗能構件。日本設計者根據日本規范(BRB)承擔總水平力外力的20% ～30%，這也是日本區別于其他國家設計方法的顯著不同之處。

(3)日本竹中公司廣島分公司辦公樓建成于1970年，由于日本規范的修訂，使該建筑不滿足抗震設防標準。因此，在1998年采取利用低屈服點鋼制成的屈曲約束支撐進行了加固［14］。

(4)美國在1995年Northridge地震以后，對于屈曲約束支撐的鋼結構體系也進行了研究和應用。2000年美國加州大學Davis分校植物與環境科學大樓建成，該結構采用了132根屈曲約束支撐作為抗側力構件，成為美國第一棟使用屈曲約束支撐的結構。美國最新修訂的《鋼結構建筑抗震設計規程》(2005版)已經公布，對屈曲約束支撐的設計、計算、試驗方法以及連接做法都作了詳細的規定。美國Core Brace公司將屈曲約束支撐運用于以下工程［14］。

①UCSF QB3 Institute for Bioengineering Biotechnology and Quantitative Biomedical Research(5層框架)，位于UCSF Misson Bay Campus，San Francisco，California，共用了 101 根屈曲約束支撐，支撐所受最大軸力5106.34 kN。

②Intermountain Health Care，Intermountain Medical Center(15層框架)，位于 Murray，Utah共用了646根屈曲約束支撐，支撐所受最大軸力5604.48 kN。

③VA D＆T Building Seismic Upgrade(6層框架)，位于Seattle，WA。共用了58根屈曲約束支撐，支撐所受最大軸力5782.4 kN。

④Kaiser Permanente(5 層框架)，位于 Vallejo，CA，共用了168根屈曲約束支撐，支撐所受軸力2001.6－5471.04 kN。

5.2 在國內的工程應用實例

(1)在大陸地區，威盛大廈［4］是我國大陸地區第一棟采用屈曲約束耗能支撐進行設計的高層建筑，位于北京中關村清華科技園B5地塊(清華大學南門的東南角)，地下2層，地上12層，總高度55 m，作為辦公樓使用。該建筑的抗側力體系主要由兩部分組成，即中心區域的屈曲約束耗能支撐框架和沿周邊布置的普通鋼框架組成的一個類似與框架－核心筒結構的抗側力體系。

(2)北京通用國際時代廣場是103 m的鋼結構建筑，考慮地處8度設防，設計中采用了延性較好的框架結構，偏心鋼支撐及屈曲約束支撐［14］。

(3)2010年世博會將在我國上海舉行，世博中心工程將應用我國自行研制的TJI型屈曲約束支撐。上海磁懸浮工程虹橋站結構設計中也運用了同濟大學自行研制的屈曲約束支撐。

(4)上海市恒豐中學教學樓建于十多年前，為混凝土框架結構體系，需要在現有五層建筑的基礎上再增加一層。汶川地震后的新規范要求:學校教學樓建筑應提高安全等級，根據該要求，抗震設防烈度由7度(0.10g)提高至7度半(0.15g)，框架抗震等級提高至二級。為此，采用屈曲約束支撐進行抗震加固，提高結構抗側剛度以及耗能能力［13］。

6 結語與展望

屈曲約束支撐是一種十分有效的耗能構件，具有良好的滯回性能和良好的低軸疲勞特性。這種支撐必然會在工程界大量使用，但這種支撐的技術還部分掌握在私人手中不予公開，使得此種支撐的應用受到了一定的制約。要想進一步推廣使用，就必須進一步研究，更加完善理論體系和設計方法。

［1］謝強，趙亮.屈曲約束支撐的研究進展及其應用［J］.鋼結構，2001(1)

［2］胡寶琳.屈曲約束支撐的研究現狀及國內外的應用［J］.四川建筑科學研究，2007(4)

［3］若林實，中村武，原章雄，等.返し水平力を受けゐ絕緣ブレ－ス內藏PC壁板の彈塑性性狀に關すゐ 實驗的研究(その1)，(その2)［C］//日本建築學會大會學術講演梗概集.1973:1041－1044

［4］孫建華.含屈曲約束耗能支撐的高層建筑地震作用效應分析［J］.工程抗震與加固改造，2007(8)

［5］李曉東，王秀麗.具有側向支撐的屈曲約束支撐整體穩定性分析［J］.甘肅科學學報，2008(9)

［6］王秀麗.約束屈曲支撐在單層柱殼振動控制中的應用研究［J］.建筑科學，2007(7)

［7］王秀麗.約束屈曲支撐對K6型球面網殼減震效果的分析［J］.甘肅科學學報，2007(3)

［8］王秀麗，蘇成江.約束屈曲支撐受力性能及高階模態分析［J］.蘭州理工大學學報，2007(10)

［9］李國強，胡寶琳.屈曲約束支撐滯回曲線模型和剛度方程的建立［J］.地震工程與工程振動，2007(4)

［10］謝強，嚴承涌，趙亮.屈曲約束支撐設計的剛度與強度準則［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2009(1)

［11］李國強，孫飛飛.大噸位國產TJII型屈曲約束支撐研制與試驗研究［J］.建筑鋼結構進展，2009(8)

［12］胡大柱，尤毓慧.屈曲約束耗能支撐在教學樓加固工程中的應用［J］.工程抗震與加固改造，2009(12)

［13］Dorian L，Adams P E，Corebrace LLC.Company Profile［M］.Modern Steel Construction，2005

［14］許秀珍，崔鴻超.北京通用國際時代廣場1#樓防屈曲耗能支撐設計［C］//高層建筑抗震技術交流會論文集(第十屆).廣州:2005

［15］Xie Q.State－of－the－Art of Buckling－Restrained Braces in A-sia.［J］.Journal of Construction Steel Research，2005，61(6):727－748

［16］NAKAMURA HIROSHI，etc.Fatigue Properties of Practical －Scale Unbonded Braces.shinnittetsu Giho(1999)

［17］王仁華，俞銘華.屈曲約束支撐極限承載力研究方法探討［J］.鋼結構，2007(1)

［18］汪家銘，中島正愛，陸燁.屈曲約束支撐體系的應用與研究進展(Ⅰ)［J］.建筑鋼結構進展，2005(1)

［19］汪家銘，中島正愛，陸燁.屈曲約束支撐體系的應用與研究進展(II)［J］.建筑鋼結構進展，2005(2)