屈曲約束支撐發展及其在建筑結構中的應用

裴生棠

【摘要】屈曲約束支撐因其良好的滯回耗能能力被廣泛應用于建筑結構。介紹了屈曲約束支撐的組成部分、各部分的用途以及整個支撐的工作原理，詳細討論了影響其性能的關鍵因素。對支撐設計時應綜合考慮支撐的耗能和承載力之間的關系，并盡量避免各種不利因素，從而最大限度的發揮屈曲約束支撐的優良性能。

【關鍵詞】屈曲約束支撐；抗震加固；滯回耗能；關鍵因素

近年來，世界范圍內地震頻繁發生，大量建筑在地震發生后往往出現較大的非線性變形，無法快速恢復功能。對于遭受地震破壞的建筑，通常的做法是拆除重建或者維修加固，相比拆除重建，結構維修加固更為經濟簡便。但是傳統的支撐鋼結構體系在支撐受到較大軸向壓力作用時極易產生屈曲變形而退出工作。出于以上原因，一些學者提出了一種壓力作用下不發生屈曲的構件[1-4]，稱為屈曲約束支撐BRB（Buckling Restrained Braces），其在拉力和壓力作用時均能表現出穩定的滯回特征，并表現出良好的耗能能力和延性性能。

此外，屈曲約束支撐便于加工安裝，安裝到結構上能有效提高結構剛度，支撐的安裝不影響建筑物的使用功能和建筑造型，成為了結構消能減震設計的重要方法之一，在新建建筑中使用，也被廣泛地應用到結構的加固中。由于屈曲約束支撐僅為耗能構件，而非承重構件，不對結構承載力產生較大的影響，安全、可靠且高效，因此屈曲約束支撐在高層、超高層建筑中得以廣泛應用。

1 屈曲約束支撐構造及分類

1.1 屈曲約束支撐構造

屈曲約束支撐本質上是一種位移型金屬耗能構件，屈曲約束支撐不僅能夠像普通支撐構件起到支撐作用，還具有良好的耗能作用。屈曲約束支撐的優異性能與其特殊的構造密不可分，其主要組成部分包括外鋼管套、核心鋼板和無粘結材料，如圖1所示。

圖1 防屈曲支撐組成

核心鋼板一般采用低屈服點的鋼材制成，為支撐中主要的受力部件，用于承受結構傳來軸向拉力和壓力。

外套鋼管則是用于約束核心鋼板的構件，通常在鋼管內填入混凝土或者砂漿，從而保證核心鋼板不會再較小的軸向壓力作用下就失穩而喪失承載力。無粘結材料用于給內芯和外套鋼管之間提供可以滑動的界面，保證二者可以自由滑動，防止二者之間產生摩擦力而增大核心鋼板的內力；該無粘結材料的選取也是屈曲約束支撐構件中的關鍵，經常選用摩擦系數較小的乳膠和聚乙烯等材料。

1.2 屈曲約束支撐分類

核心鋼板一般采用屈服點較低的鋼材制成，不僅能起到一定的支撐補強作用，還具有優良的耗能能力。核心鋼板可以被制作成多種形式，常見的有“一”字形、“十”字形、“工”字型等，外套鋼管也可以制作成矩形、菱形和圓形等不同形式，如圖2。

圖2屈曲約束支撐不同截面形式

2 屈曲約束支撐影響因素

2.1 間隙影響

外套鋼管與內核鋼板之間的縫隙決定著屈曲約束支撐構件正常工作與否，因此合理地設置間隙可以確保內核鋼板在較高階模態下仍然能夠達到屈曲，起到耗能作用。

內核單元在受壓狀態下由于材料的泊松效應會發生截面橫向膨脹，這時要合理地設置內核與外圍約束部分之間的間隙，防止內核單元受壓產生膨脹變形而受到外圍單元的約束產生套箍效應或者內核單元橫向變形過大而減小防屈曲支撐疲勞壽命[5]。

當間隙設置的太小時，內核鋼板會由于泊松效應在達到全截面壓曲前就產生側向變形并與外套鋼管接觸，出現三向受壓應力狀態而不容易屈服，無法表現出內核鋼板屈服強度低的特點，與此同時，外套鋼管內的混凝土或砂漿極容易被壓潰，在外套鋼管內產生空腔而影響屈曲約束支撐的性能。

當間隙設置太大時，外套鋼管則對內核鋼板無法起到較好的約束作用，核心鋼板在達到其屈服強度前就提前屈服，或者，核心鋼板可能只有在很大的半波失穩變形后才會進入屈服階段，從而無法很好的起到保護結構的作用。

綜上所述，屈曲約束支撐核心單元與外圍約束單元之間的間隙設計應以不影響往復荷載下支撐的耗能性能作為最小間隙的原則；對于防屈曲支撐框架結構在罕遇地震下彈塑性位移角限值為1/80，為保證罕遇地震下支撐不失去工作能力，在檢測中要求每個支撐都需要有相應于層間位移角1/50的延性[6]。

2.2初始缺陷影響

實際工程中，任何構件本身都難以避免地存在著不同程度的初始缺陷，支撐構件對初始彎曲缺陷的影響也極為敏感。實際構件的初始彎曲形狀有著多種形式，實際初始缺陷可以簡化成正弦半波曲線來表示。

屈曲約束支撐所能承受的跨中彎矩隨著初始缺陷率的增大而降低。對于初始缺陷一定的支撐構件，為保證受壓的核心鋼板能夠達到全截面屈服狀態，核心鋼板剛度與其抗彎承載力之間成反比。

2.3集中因子影響

屈曲約束支撐是由三個截面面積不同的部件所組成的，其截面面積從核心鋼板到連接部件是逐漸增大的。由于各組成部件的截面面積存在較大差異，因此，在截面面積相對較小的部位容易出現應力集中的現象，該現象主要發生在核心鋼板部位，往往對整個構件的耗能能力產生負面影響。臺灣蔡克銓[7]等學者提出了集中因子α來表示應力集中現象的影響：

（1）

式中 和 分別表示核心鋼板的長度和支撐兩端連接點的距離。

核心鋼板的長度和支撐兩端連接點的距離決定了集中因子的大小，進而通過集中因子大小來反映整個支撐構件的剛度大小及耗能能力優劣。在進行屈曲約束支撐設計時，就可以通過調整構件集中因子的大小來控制構件的性能，例如對構件設計較小的集中因子α，核心鋼板一出現塑性變形，構件就開始耗能，而此時整個支撐的連接點只需要出現微小的相對位移即可。

3 結語

屈曲約束支撐各組成部分只有經過合理的設計和布置才能使整個構件發揮最佳的耗能作用，成為結構抵御地震作用的有力防線，避免結構出現嚴重破壞。隨著人們對結構安全性需求的日益提高，屈曲約束支撐將會得到更為廣泛的應用。

參考文獻

[1] 陳驥. 鋼結構穩定理論與設計（第三版）[M]. 北京：科學出版社，2006.

[2] 周云，金屬耗能減震結構設計[M].武漢： 武漢理工大學出版社， 2006.

[3] 汪家銘，中島正愛.陸燁（譯）.屈曲約束支撐體系的應用和研究進展[I].建筑鋼結構進展，第7卷第2期，2005年4月

[4] 蔡克銓，黃彥智，翁崇興.雙管式挫屈束制（屈曲約束）支撐之耐震行為與應用[J].建筑鋼結構進展，2005.