屈曲約束支撐發(fā)展及其在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)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(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)。介紹了屈曲約束支撐的組成部分、各部分的用途以及整個(gè)支撐的工作原理，詳細(xì)討論了影響其性能的關(guān)鍵因素。對支撐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮支撐的耗能和承載力之間的關(guān)系，并盡量避免各種不利因素，從而最大限度的發(fā)揮屈曲約束支撐的優(yōu)良性能。

【關(guān)鍵詞】屈曲約束支撐；抗震加固；滯回耗能；關(guān)鍵因素

近年來，世界范圍內(nèi)地震頻繁發(fā)生，大量建筑在地震發(fā)生后往往出現(xiàn)較大的非線性變形，無法快速恢復(fù)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(jié)構(gòu)維修加固更為經(jīng)濟(jì)簡便。但是傳統(tǒng)的支撐鋼結(jié)構(gòu)體系在支撐受到較大軸向壓力作用時(shí)極易產(chǎn)生屈曲變形而退出工作。出于以上原因，一些學(xué)者提出了一種壓力作用下不發(fā)生屈曲的構(gòu)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(shí)均能表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回特征，并表現(xiàn)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(jié)構(gòu)上能有效提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)的重要方法之一，在新建建筑中使用，也被廣泛地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的加固中。由于屈曲約束支撐僅為耗能構(gòu)件，而非承重構(gòu)件，不對結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)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(yīng)用。

1 屈曲約束支撐構(gòu)造及分類

1.1 屈曲約束支撐構(gòu)造

屈曲約束支撐本質(zhì)上是一種位移型金屬耗能構(gòu)件，屈曲約束支撐不僅能夠像普通支撐構(gòu)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(yōu)異性能與其特殊的構(gòu)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(jié)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(diǎn)的鋼材制成，為支撐中主要的受力部件，用于承受結(jié)構(gòu)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(gòu)件，通常在鋼管內(nèi)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(wěn)而喪失承載力。無粘結(jié)材料用于給內(nèi)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(chǎn)生摩擦力而增大核心鋼板的內(nèi)力；該無粘結(jié)材料的選取也是屈曲約束支撐構(gòu)件中的關(guān)鍵，經(jīng)常選用摩擦系數(shù)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(diǎn)較低的鋼材制成，不僅能起到一定的支撐補(bǔ)強(qiáng)作用，還具有優(yōu)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(nèi)核鋼板之間的縫隙決定著屈曲約束支撐構(gòu)件正常工作與否，因此合理地設(shè)置間隙可以確保內(nèi)核鋼板在較高階模態(tài)下仍然能夠達(dá)到屈曲，起到耗能作用。

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

當(dāng)間隙設(shè)置的太小時(shí)，內(nèi)核鋼板會由于泊松效應(yīng)在達(dá)到全截面壓曲前就產(chǎn)生側(cè)向變形并與外套鋼管接觸，出現(xiàn)三向受壓應(yīng)力狀態(tài)而不容易屈服，無法表現(xiàn)出內(nèi)核鋼板屈服強(qiáng)度低的特點(diǎn)，與此同時(shí)，外套鋼管內(nèi)的混凝土或砂漿極容易被壓潰，在外套鋼管內(nèi)產(chǎn)生空腔而影響屈曲約束支撐的性能。

當(dāng)間隙設(shè)置太大時(shí)，外套鋼管則對內(nèi)核鋼板無法起到較好的約束作用，核心鋼板在達(dá)到其屈服強(qiáng)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(wěn)變形后才會進(jìn)入屈服階段，從而無法很好的起到保護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)應(yīng)以不影響往復(fù)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(jié)構(gòu)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(gè)支撐都需要有相應(yīng)于層間位移角1/50的延性[6]。

2.2初始缺陷影響

實(shí)際工程中，任何構(gòu)件本身都難以避免地存在著不同程度的初始缺陷，支撐構(gòu)件對初始彎曲缺陷的影響也極為敏感。實(shí)際構(gòu)件的初始彎曲形狀有著多種形式，實(shí)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(gòu)件，為保證受壓的核心鋼板能夠達(dá)到全截面屈服狀態(tài)，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(gè)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(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要發(fā)生在核心鋼板部位，往往對整個(gè)構(gòu)件的耗能能力產(chǎn)生負(fù)面影響。臺灣蔡克銓[7]等學(xué)者提出了集中因子α來表示應(yīng)力集中現(xiàn)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(diǎn)的距離。

核心鋼板的長度和支撐兩端連接點(diǎn)的距離決定了集中因子的大小，進(jìn)而通過集中因子大小來反映整個(gè)支撐構(gòu)件的剛度大小及耗能能力優(yōu)劣。在進(jìn)行屈曲約束支撐設(shè)計(jì)時(shí)，就可以通過調(diào)整構(gòu)件集中因子的大小來控制構(gòu)件的性能，例如對構(gòu)件設(shè)計(jì)較小的集中因子α，核心鋼板一出現(xiàn)塑性變形，構(gòu)件就開始耗能，而此時(shí)整個(gè)支撐的連接點(diǎn)只需要出現(xiàn)微小的相對位移即可。

3 結(jié)語

屈曲約束支撐各組成部分只有經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)和布置才能使整個(gè)構(gòu)件發(fā)揮最佳的耗能作用，成為結(jié)構(gòu)抵御地震作用的有力防線，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。隨著人們對結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳驥. 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)（第三版）[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 周云，金屬耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢： 武漢理工大學(xué)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(yīng)用和研究進(jìn)展[I].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yīng)用[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005.