桿式防屈曲支撐專利技術發展分析

尹永才 趙燦

摘要：桿式防屈曲支撐作為一種高性能、低成本的新型建筑構件已在很多國家和地區得到廣泛應用，其性能主要受到約束單元、芯材和填充物影響。本文主要從申請量年度分布、申請人類型、主要申請人排名等方面對桿式防屈曲支撐的專利申請狀況進行分析，探討桿式防屈曲支撐的專利發展趨勢。

關鍵詞：桿式防屈曲支撐;約束;芯材

中圖分類號：G306文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）12-0116-08

1 桿式防屈曲支撐概述

桿式防屈曲支撐（Buckling-Restrained Braces，簡稱BRB），也稱屈曲約束支撐，是一種在建筑抗震領域中兼具金屬阻尼器和普通支撐功能雙重作用的新型支撐。在正常使用狀態下，桿式防屈曲支撐起到普通中心支撐的作用，為建筑結構提供抗側強度;在發生地震時，桿式防屈曲支撐可通過其反復拉壓耗散地震輸入的能量。

近年來，隨著國內外越來越多高層、超高層摩天大樓的興建，桿式防屈曲支撐以其在地震時具有的良好耗能能力和延性，被越來越多地應用到實際建筑結構中，桿式防屈曲支撐構件的型式和設計理論取得了長足的進步[1-2]。

桿式防屈曲支撐中芯材與節點板主要包括以下三種連接形式：其一，芯材與節點板在桿式防屈曲支撐兩端通過焊接方式固定;其二，芯材與節點板在桿式防屈曲支撐兩端通過螺栓方式固定;其三，芯材與節點板在桿式防屈曲支撐兩端通過銷軸方式固定。采用螺栓方式將芯材與節點板連接有利用構件的拆裝，而且桿式防屈曲支撐固定于節點板上，有利于增加結構的整體性和抗震性。采用焊接連接便于施工且能夠保證節點板的截面受到削弱較小，結構整體性良好，但焊縫的存在會有殘余應力造成結構脆性破壞，導致壓桿穩定性降低。而采鉸接連接，由于搭接長度的減少會造成約束屈服段相應增加，從而導致參與屈服的長度增加，軸向應變減少。

2 桿式防屈曲支撐領域專利申請狀況

本文以數據庫（CNABS、VEN）中截止到2017年07月26日已經收錄的公開專利數據為基礎。經檢索，有關桿式防屈曲支撐的專利申請共計688件，其中國外申請201件。從申請量年度分布、申請人類型、主要申請人排名等角度對桿式防屈曲支撐的專利申請狀況進行分析，其中本文中一級技術分支指的是桿式防屈曲支撐，二級技術分支指的是約束單元、芯材、填充和綜合改進。

2.1 桿式防屈曲支撐的領域分布特點

桿式防屈曲支撐裝置是多項技術的綜合。根據其構造的組成部分不同，可以分為對約束單元、芯材單元和填充單元的改進，其中對約束單元的改進包括對構造形式、材質種類、補強構造和拆卸連接方面的改進，對芯材的改進包括材質種類、形狀構造、補強構造和限位構造方面的改進，對填充單元的改進包括材質種類、補強構造和隔離設置方面的改進及約束單元、芯材和填充單元相互之間的改進。

圖1和圖2給出了桿式防屈曲支撐在全球/國內的專利申請趨勢，從全球來看，桿式防屈曲支撐專利申請開始于1979年，在1996之前幾乎沒有增長，發展平緩。這其中一個原因是，桿式防屈曲支撐作為一種新技術剛誕生存在不足之處，并非主流研究對象。在防屈曲的早期發展中，人們把精力集中在墻板式防屈曲支撐，而桿式防屈曲支撐的發展處于萌芽期。從上圖2可以看出，我國在進入21世紀后才開始出現有關桿式防屈曲支撐的申請，在2008年汶川地震之后，2010年開始國內申請量有了較大的增長而在同一時間內國外申請量卻保持平穩，隨著該領域技術的逐漸成熟，專利申請量出現了明顯減少，之后隨著技術的突破，專利申請量又開始激增，近些年隨著突破技術的逐漸成熟，近年來專利申請量也開始下降。

表1顯示出各技術分支中首篇專利的技術信息，從該表中可以看出日本在桿式防屈曲支撐研究比較早，技術領先，這跟日本是地震多發國家，整體國民對抗震減災比較重視有關，中國起步比較晚。

圖3顯示了一級技術分支全球、中國申請量的發展趨勢，從全球專利申請量來看，對于桿式防屈曲支撐主要集中在約束單元，芯材和綜合改進方面，對于填充單元的改進申請量較少，這是由于桿式防屈曲支撐主要由約束單元和芯材組成，在受到外加荷載時，由于外圍約束單元的約束作用，作為軸向受力構件的芯材單元在受壓時達到全截面屈服，通過屈服滯回有效地保護建筑物。因此，對于桿式防屈曲支撐的改進主要集中于關鍵的約束單元和芯材及桿式防屈曲支撐各構成部分綜合改進，尤其是對于各組成部分的綜合改進更是成為研究的熱點。

圖4—圖6顯示了約束單元專利申請情況，從圖中可以看出，對于約束單元的改進全球和中國主要集中在構造形式和材質種類，對于補強構造和拆卸連接和其他方面改進比較少，這和約束單元所起作用基本吻合。約束單元在桿式防屈曲支撐中主要是通過對芯材的側向屈曲變形進行約束來防止支撐構件受壓時發生整體屈曲或局部屈曲破壞。因此，通過其構造形式和材質種類能夠明顯改善其對內芯單元的約束性能。

圖7—圖9顯示了芯材單元專利申請情況，從圖中可以看出，對于芯材單元的改進全球和中國主要集中在形狀改變和材質選擇，對于補強構造和限位構造和其他方面改進比較少，這和芯材單元所起作用基本吻合。芯材單元在桿式防屈曲支撐中主要起到承擔支撐軸力，實現在拉壓狀態下全截面屈服而不發生構件屈曲。對于其形狀改變，比如設置不同耗能段能明顯提高其耗能能力，不同的材料對于提高芯材單元的耗能性能也是十分顯著，而限位構造和補強構造和其他技術手段作為輔助手段的研究并不是太活躍。

圖10—圖12顯示了填充單元專利申請情況，從圖中可以看出，對于填充單元的改進全球和中國主要集中在材質選擇，且占據絕對優勢，對于隔離設置、內部補強構造和和其他方面改進比較少，這和填充單元所起作用基本吻合。填充單元在桿式防屈曲支撐中主要起到填充約束單元與芯材單元之間的縫隙，以釋放支撐芯材單元受壓時所產生的膨脹變形。因此，在填充技術分支中，對于填充材質的選擇顯得尤為重要，這和填充材質在全球和中國的專利申請量相吻合。

圖13—圖15顯示了綜合改進專利申請情況，從圖中可以看出，對于桿式防屈曲支撐的綜合改進，全球和中國主要集中在約束單元和芯材單元綜合改進，約束單元、芯材單元和填充單元三者綜合改進，對于約束單元和填充單元方面綜合改進比較少，這和桿式防屈曲支撐基本原理吻合。桿式防屈曲支撐主要起作用的是約束單元和芯材單元，填充單元只是起到填充約束單元與芯材單元之間的縫隙以釋放支撐芯材單元受壓時所產生的膨脹變形，這也體現在全球和中國對于桿式防屈曲支撐綜合改進的申請量中約束單元和芯材單元綜合改進，約束單元、芯材單元和填充單元三者綜合改進差別不是太明顯。因此，對于桿式防屈曲支撐的申請量主要集中在約束單元和芯材單元，約束單元、芯材單元和填充單元三者綜合改進，這和桿式防屈曲支撐所發揮的作用密切相關。

2.2 國內外各代表申請人的重點專利

大和房屋工業株式會社1955年成立于大阪，是日本最大的住宅建筑商，公司專門從事預制房屋設計制作。圖16顯示了大和房屋工業株式會社桿式防屈曲支撐技術發展路線圖。

從圖16可以看出，大和房屋工業株式會社對于桿式防屈曲支撐的改進分為對約束單元、芯材單元、填充單元及綜合改進方面的研究。對于約束單元的改進主要集中在設置組合式約束單元，達到方便拆卸的目的，比較有代表的專利為JP2012246675A、JP2014001505A等。對于芯材單元的改進，主要集中在材質、形狀和構造，比較有代表的專利為JP2008150842A、JP2009138411A、JP2009019

436A等。對于桿式防屈曲支撐組成部分的綜合改進主要集中在約束單元和芯材單元、約束單元和填充單元、芯材單元和填充單元和三者的綜合改進，比較有代表的專利有JP2008308937A、JP2009249833A、JP2013032701A、JP2014020091A，JP2014043723A等。

從圖17可以看出，北京工業大學對于桿式防屈曲支撐的改進分為對約束單元、芯材單元、填充單元及綜合改進方面的研究。對于約束單元的改進主要集中在設置組合式約束單元，達到方便拆卸的目的，比較有代表的專利為CN103711217A。對于芯材單元的改進，主要集中在材質、形狀和構造，比較有代表的專利為CN200992750Y、CN1963061A、CN103938749A等。對于填充單元的改進主要集中在材質、隔離設置和補強設置，比較有代表的專利為CN102605873A、CN103382745A和CN103711217A等。對于桿式防屈曲支撐組成部分的綜合改進主要集中在約束單元和芯材單元、約束單元和填充單元、芯材單元和填充單元和三者的綜合改進，比較有代表的專利為CN201358521Y、CN103104050A、CN203716323U、CN1031174229A、CN202519808U等。

從圖18可以看出，東南大學對于桿式防屈曲支撐的改進分為對約束單元、芯材單元、填充單元及綜合改進方面的研究。對于約束單元的改進主要集中在設置組合式約束單元，達到方便拆卸的目的，比較有代表的專利為CN106760838A、CN106639463A、CN106703244A、CN103362232A等。對于芯材單元的改進，主要集中在材質、形狀和構造，比較有代表的專利為CN102852245A、CN203145227U、CN106284727A。對于填充單元的改進主要集中在材質、隔離設置和補強設置，比較有代表的專利為CN203230060U、CN103382745A和CN103981975A等。對于桿式防屈曲支撐組成部分的綜合改進主要集中在約束單元和芯材單元、約束單元和填充單元、芯材單元和填充單元和三者的綜合改進，比較有代表的專利為CN103397711A等。

3 結語

目前，桿式防屈曲支撐作為一種高性能、低成本的新型建筑構件已在很多國家和地區得到廣泛應用，我國在2008年汶川地震之后，減隔震技術得到高度重視，桿式防屈曲支撐的應用研究也得到井噴式發展，桿式防屈曲支撐構件的型式和設計理論取得了長足的進步。

參考文獻：

[1] 郭彥林，童精中，周鵬.防屈曲支撐的型式、設計理論與應用研究進展[J].工程力學，2016（9）.

[2] 吳徽，張艷霞，張國偉，等.防屈曲支撐作為可替換耗能元件抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2013（11）.