屈曲约束支撑国内外研究现状及工程应用

林 泉，彭 伟

(1.成都大学，四川成都610016;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

屈曲约束支撑是一种新型的无粘结耗能支撑，屈曲约束支撑中心是用低屈服点钢材制成的芯材，在轴向力作用下允许有较大的塑性变形，从而达到耗能的目的，在我国台湾地区称之为挫屈拘束支撑(Buckling Restrained Braces，简称BRB)，在美国和日本则称之为无粘结支撑(Unbonded Braces，简称UBB)，国内一般称为屈曲约束支撑(Buckling Restrained Energy－dissipation Braces，简称 BREB)或者防屈曲耗能支撑。屈曲约束支撑作为耗能构件使用在新建和已建的建筑结构中。

1 屈曲约束支撑的形式与分类

目前使用中和正在开发中的屈曲约束支撑以约束单元的外形来分，主要可以分为两大类:一种由钢管或混凝土约束核心支撑的管式屈曲约束支撑;另一类是以墙板为约束单元的墙板式无粘结屈曲约束支撑［1、2］。

图1 屈曲约束支撑的分类

墙板式屈曲约束支撑将墙板和支撑有机地结合起来主要用于小开间的宾馆酒店建筑或者在某些特殊条件下使用。而大量使用在钢结构中的是管式屈曲约束支撑。这种支撑经过多年的发展已经有了许多种的形式。图2给出了几种比较典型的屈曲约束支撑的截面形状。

图2 屈曲约束支撑的典型的截面形状

2 屈曲约束支撑的工作原理

目前BRB形式多样，但原理基本相似。如图3所示，支撑的中心是芯材(SteelCore)，为避免芯材受压时整体屈曲，即在受拉和受压时都能达到屈服，芯材被置于一个钢套管(steelTube)内，然后在套管内灌注混凝土或砂浆。为减小或消除芯材受轴力时传给砂浆或混凝土的力，而且由于泊松效应，芯材在受压情况下会膨胀，因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层(Gap)。屈曲约束支撑与普通支撑最大的区别在于解决了普通支撑的受压屈曲问题，使其受压性状与受拉无异。屈曲约束支撑与框架组成的结构体系同样表现出极佳的耗能性能。在约束支撑的设计时，不必考虑失稳，只计算其强度，认为支撑受拉和受压性能完全相同，在受压时不会发生屈曲。普通支撑框架中的受压支撑因为屈曲而部分退出工作，降低了结构的水平抗侧刚度，而且框架梁的荷载增加，在同样载荷作用下，内力和挠度将高于屈曲约束支撑框架。

图3 屈曲约束支撑原理图

3 约束屈曲体系的特点

与抗弯刚框架和普通支撑框架相比，BRBF有以下特点:

(1)与抗弯刚框架相比，小震时BRBF线弹性刚度高，可以很容易地满足规范的变形要求;

(2)由于可以受拉及受压屈服，BRBF消除了传统中心支撑框架的支撑屈曲问题，因此在强震时有更强和更稳定的能量耗散能力。

(3)BRB通过螺栓或铰连接到节点板，可避免现场焊接及检测，安装方便且经济;

(4)支撑构件好比结构体系中可更换的保险丝，既可保护其他构件免遭破坏，并且大震后，可以方便地更换损坏的支撑;

(5)因为支撑的刚度和强度很容易调整，BRBF设计灵活。而且，在非弹性分析中可以方便地模拟BRB的滞回曲线;

(6)在抗震加固中，BRBF比传统的支撑系统更有优越性，因为能力设计会使后者的地基费用更贵。

4 国内外研究现状

4.1 国外研究现状

关于屈曲约束支撑的设想最早可以追溯到1971年。Yoshino等人做了几组名为“带支撑的剪力墙”的实验，其中一组试件是由剪力墙内设置钢板支撑且两种材料间布置无粘结材料，该剪力墙与周边梁柱设置15 mm的间隙，这一试验第一次将屈曲约束支撑的概念运用于结构中。对屈曲约束支撑的开拓性研究来自日本若林实等研究者［3］。他们系统地研究了一种由混凝土包裹钢板的屈曲约束支撑。对于由填充砂浆的钢管作为约束单元，用钢板作轴力单元的屈曲约束支撑的研究集中在日本。藤本等人对此类支撑进行了深入地研究形成了目前在工程上广泛应用的无粘结支撑。在wakabayashi研究的基础上，日本在20世纪80年代和90年代对芯材加钢管的屈曲约束支撑进行了多次研究。Nakamura等人对屈曲约束支撑的疲劳特性做了研究。在美国，1999年Clark在加州大学伯克利分校进行了3个大比例约束屈曲支撑的试验，为美国第一座使用约束屈曲支撑的建筑的结构设计和施工提供技术支持。SEAOC(美国加州结构工程师学会)与AISC(美国钢结构学会)联合委员会与2001年制定了“屈曲约束支撑推荐规定”并于2005年将这些规定写入了最新的AISC(钢结构抗震规定)。

4.2 国内研究现状

(1)中国建筑科学研究院的孙建华等以一个实际工程为例［4］对含屈曲约束耗能支撑的高层建筑钢结构的地震作用效应及抗震性能进行了有限元分析。结果表明小震作用下，屈曲约束支撑处于弹性状态，为结构提供支撑刚度;中震作用下，部分屈曲约束支撑达到屈服状态，为结构提供耗能能力。

(2)兰州理工大学的王秀丽等对设有屈曲约束支撑的单层柱壳，K6型球面网壳进行了有限元分析，研究了屈曲约束支撑对以上结构的减震效果，比较了不同布置形式对结构抗震的影响，并对支撑的布置形式提出了设计建议。并对屈曲约束支撑在静力往复荷载作用下的受力性能进行了模拟，得到支撑滞回曲线以及内部应力分布状态，通过对不同缝隙和不同摩擦系数的约束屈曲支撑进行计算，得出缝隙和摩擦力对屈曲约束支撑内力的影响。

兰州理工大学的李晓东等对具有侧向支撑的屈曲约束支撑的整体稳定性进行了研究。提出了一种新型的屈曲约束支撑，即在内核构件和外包构件之间不在灌注砂浆，而是设置钢板侧向支撑，并建立基于欧拉屈曲理论的力学模型，对临界荷载，外包构件的刚度及侧向支撑的数量得到了解析公式［5］，并在此基础上利用解析法对纯钢型和混凝土型屈曲约束支撑的动力稳定性做了研究［6～8］。

(3)同济大学的李国强等根据其反复载荷作用下的滞回特征，提出了一种滞回模型，并建立了屈曲约束支撑的弹塑性刚度方程。并根据这种模型编制程序模拟绘制了屈曲约束支撑的滞回曲线，与试验所得曲线比较，基本符合试验结果［9］。

(4)同济大学的谢强等采用稳定性理论，对带有侧向约束的理想轴心压杆和带有初始变形的屈曲约束支撑进行了分析，提出了一种约束支撑设计的合理性的强度和刚度条件的表达式，可校核设计的合理性［10］。

(5)同济大学研制出的TJI型屈曲约束支撑是具有我国自主知识产权的屈曲约束支撑。其芯板的约束屈服段采用“一”字形，约束套筒采用方形或矩形钢管，套筒与芯板之间无填充材料，芯板用材选用国产低碳钢Q235/Q195/和宝钢集团Q160低屈服点钢。

(6)同济大学等进一步研制出了适用于大吨位的TJII型屈曲约束支撑，并确定了其承载力设计方法和刚度，节点设计准则。采用了宝钢新研制的BLY225低屈服点钢制作了两根屈服承载力为650 t，长度为8 m的足尺试件，进行了往复加载试验，试验结果表明TJII型屈曲约束支撑的累积塑性变形能力远超过美国抗震规范设计规程中的要求［11］。

5 国内外工程应用

5.1 在国外的应用实例

(1)屈曲约束支撑在日本的工程应用较早，特别是在阪神大地震后，这种支撑作为阻尼器大量应用在工程中。目前全球拥有专利权的制造厂商，几乎都集中在日本。日本大阪国际会议中心大楼，总高100 m，抗侧力系统选用了数百个此种支撑。

(2)日本丰田市的巨蛋体育场，高度92 m的斜张屋顶，使用了许多屈曲约束支撑作为耗能构件。日本设计者根据日本规范(BRB)承担总水平力外力的20% ～30%，这也是日本区别于其他国家设计方法的显著不同之处。

(3)日本竹中公司广岛分公司办公楼建成于1970年，由于日本规范的修订，使该建筑不满足抗震设防标准。因此，在1998年采取利用低屈服点钢制成的屈曲约束支撑进行了加固［14］。

(4)美国在1995年Northridge地震以后，对于屈曲约束支撑的钢结构体系也进行了研究和应用。2000年美国加州大学Davis分校植物与环境科学大楼建成，该结构采用了132根屈曲约束支撑作为抗侧力构件，成为美国第一栋使用屈曲约束支撑的结构。美国最新修订的《钢结构建筑抗震设计规程》(2005版)已经公布，对屈曲约束支撑的设计、计算、试验方法以及连接做法都作了详细的规定。美国Core Brace公司将屈曲约束支撑运用于以下工程［14］。

①UCSF QB3 Institute for Bioengineering Biotechnology and Quantitative Biomedical Research(5层框架)，位于UCSF Misson Bay Campus，San Francisco，California，共用了 101 根屈曲约束支撑，支撑所受最大轴力5106.34 kN。

②Intermountain Health Care，Intermountain Medical Center(15层框架)，位于 Murray，Utah共用了646根屈曲约束支撑，支撑所受最大轴力5604.48 kN。

③VA D＆T Building Seismic Upgrade(6层框架)，位于Seattle，WA。共用了58根屈曲约束支撑，支撑所受最大轴力5782.4 kN。

④Kaiser Permanente(5 层框架)，位于 Vallejo，CA，共用了168根屈曲约束支撑，支撑所受轴力2001.6－5471.04 kN。

5.2 在国内的工程应用实例

(1)在大陆地区，威盛大厦［4］是我国大陆地区第一栋采用屈曲约束耗能支撑进行设计的高层建筑，位于北京中关村清华科技园B5地块(清华大学南门的东南角)，地下2层，地上12层，总高度55 m，作为办公楼使用。该建筑的抗侧力体系主要由两部分组成，即中心区域的屈曲约束耗能支撑框架和沿周边布置的普通钢框架组成的一个类似与框架－核心筒结构的抗侧力体系。

(2)北京通用国际时代广场是103 m的钢结构建筑，考虑地处8度设防，设计中采用了延性较好的框架结构，偏心钢支撑及屈曲约束支撑［14］。

(3)2010年世博会将在我国上海举行，世博中心工程将应用我国自行研制的TJI型屈曲约束支撑。上海磁悬浮工程虹桥站结构设计中也运用了同济大学自行研制的屈曲约束支撑。

(4)上海市恒丰中学教学楼建于十多年前，为混凝土框架结构体系，需要在现有五层建筑的基础上再增加一层。汶川地震后的新规范要求:学校教学楼建筑应提高安全等级，根据该要求，抗震设防烈度由7度(0.10g)提高至7度半(0.15g)，框架抗震等级提高至二级。为此，采用屈曲约束支撑进行抗震加固，提高结构抗侧刚度以及耗能能力［13］。

6 结语与展望

屈曲约束支撑是一种十分有效的耗能构件，具有良好的滞回性能和良好的低轴疲劳特性。这种支撑必然会在工程界大量使用，但这种支撑的技术还部分掌握在私人手中不予公开，使得此种支撑的应用受到了一定的制约。要想进一步推广使用，就必须进一步研究，更加完善理论体系和设计方法。

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［2］胡宝琳.屈曲约束支撑的研究现状及国内外的应用［J］.四川建筑科学研究，2007(4)

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［4］孙建华.含屈曲约束耗能支撑的高层建筑地震作用效应分析［J］.工程抗震与加固改造，2007(8)

［5］李晓东，王秀丽.具有侧向支撑的屈曲约束支撑整体稳定性分析［J］.甘肃科学学报，2008(9)

［6］王秀丽.约束屈曲支撑在单层柱壳振动控制中的应用研究［J］.建筑科学，2007(7)

［7］王秀丽.约束屈曲支撑对K6型球面网壳减震效果的分析［J］.甘肃科学学报，2007(3)

［8］王秀丽，苏成江.约束屈曲支撑受力性能及高阶模态分析［J］.兰州理工大学学报，2007(10)

［9］李国强，胡宝琳.屈曲约束支撑滞回曲线模型和刚度方程的建立［J］.地震工程与工程振动，2007(4)

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［11］李国强，孙飞飞.大吨位国产TJII型屈曲约束支撑研制与试验研究［J］.建筑钢结构进展，2009(8)

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