新型带防屈曲支撑钢连梁结构体系

孙维东，李九阳，牛心宇，李 康

（1.长春工程学院土木工程学院；2.吉林省防灾减灾重点实验室，长春130012）

0 引言

混凝土剪力墙结构刚度大、抗侧力能力强，广泛应用于高层建筑结构体系中，其中联肢剪力墙是最典型而又最常用的剪力墙类型。联肢墙中墙肢是主要承重构件，连梁起着连接墙肢、保证联肢墙整体性的作用。联肢墙的墙肢破坏形态有剪切破坏和弯曲破坏2种。剪切破坏属于脆性破坏，会使墙肢很快丧失承载能力，甚至造成结构的突然倒塌。墙肢的弯曲破坏，虽然是一种延性破坏，但墙肢在破坏时变形较小，吸收地震能量的能力有限。对于墙肢可采用增加箍筋、增加斜向钢筋骨架或采用钢骨混凝土等办法改善其延性，但其延性增加幅度有限。连梁的破坏形态也有剪切破坏和弯曲破坏2种形态。连梁发生剪切破坏会丧失对联肢墙各墙肢的约束作用，在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时，联肢墙各墙肢将成为独立的墙片，会使结构的侧向刚度大幅度降低，变形加大，墙肢弯矩剧增，甚至造成结构的倒塌。而连梁另一种弯曲破坏形态，会在连梁破坏前发生塑性转动，在塑性转动过程中可吸收地震能量，改变结构的振动频率，避开地震卓越周期，减弱结构共振响应。此外，从多道抗震设防角度出发，墙肢是主要承重构件，连梁应作为剪力墙抗震设防的第一道防线。

综上所述，连梁是改善联肢剪力墙抗震性能的关键构件。对于抗震设防区联肢墙的设计，既要使连梁在小震及风荷载作用下为墙肢提供较强的约束作用，有效地提高结构的抗侧刚度，还应让连梁在罕遇地震发生时，先于墙肢屈服，通过连梁塑性变形，消耗地震能量，减弱结构的地震响应。这对于防止联肢墙在罕遇地震作用下的整体倒塌，改善联肢墙的抗震性能具有重要的现实意义。

1 联肢墙连梁的国内外研究现状

为改善联肢墙的抗震性能，国内外学者对联肢墙连梁做了大量的研究工作，设计了各种型式的连梁。

普通配筋钢筋混凝土连梁是最早的连梁结构型式，其配筋形式简单、施工方便，是一种极为常见的配筋方式。但对于跨高比小于1的连梁，由于截面太高，刚度过大，会出现脆性剪切破坏。当连梁跨高比大于2.5时，连梁的刚度较小，在侧向荷载作用下，连梁会过早被破坏，联肢墙将变成独立的墙片，对抗震也不利。即使增加连梁的配筋率或配箍率，其性能改善均不明显。

20世纪70年代，新西兰著名学者T.Paulay等提出斜对角交叉暗撑式配筋钢筋混凝土连梁型式，该连梁是在普通配筋连梁中沿连梁两对角线斜向布置柱式钢筋骨架的连梁型式。这类连梁在跨高比为1.3的情况下，延性系数大，耗能性能好，但沿梁宽度方向的纵筋、箍筋层数较多，施工难度大。对于跨高比较大的连梁，对角交叉配筋的倾角过小，抗剪能力提高不明显。

20世纪80年代初期，清华大学学者提出中间开缝连梁型式，即在连梁高度中央开通水平通缝而将其分为上下2根梁，设通缝旨在改变跨高比较小连梁的破坏形态，实现其延性破坏的目的。在使用阶段此型式连梁处于整体截面受力状态，刚度较大，可为墙肢提供较强的约束作用，强震下可变成上下2个构件，由刚变柔，可形成塑性变形区来耗散地震能量。然而，设置通缝的钢筋混凝土连梁使剪力墙刚度降低，施工难度也较大。

20世纪90年代，希腊亚学者G.G.Penelis和I.A.Tegos提出在钢筋混凝土结构的短构件中采用主筋布置成菱形桁架式的配筋形式，此后上海城建学院戴瑞同教授对斜向交叉式配筋连梁的受力性能做了进一步的研究。这种菱形配筋或称之为斜向交叉式配筋的钢筋混凝土连梁在跨高比、纵向配筋率等条件相同的情况下，其受力性能优于普通配筋连梁，构件的位移延性系数有所提高。

20世纪90年代，华南理工大学有关学者对劲性钢筋混凝土连梁结构体系进行了研究。劲性钢筋混凝土连梁是在普通钢筋混凝土连梁内配置型钢，提高了构件承载力、变形能力和延性系数，且该型式连梁随着变形的增大，滞回曲线变得十分丰满，表现出很强的抗震耗能能力，但连梁劲性钢材不能充分发挥作用。

21世纪初，哈尔滨工业大学有关学者将开孔软钢耗能构件应用于连梁结构体系，以增强钢筋混凝土连梁的耗能能力，其具有性能稳定、塑性发展明确、滞回环饱满等特点。软钢耗能构件以替换或附着于连梁的方式布设，在保证结构正常使用下刚度要求的同时，大震作用下耗能效果优于原结构，该方法构造简单，施工较方便。

尽管后期研究的钢筋混凝土连梁型式受力性能有所改善，但钢筋混凝土连梁普遍存在自重大、承载力低、延性不足、耗能能力差且震后修复困难的缺点［1－4］。

为了克服钢筋混凝土连梁的各种问题，自20世纪90年代起，美国辛辛那提大学和加拿大麦吉尔大学的研究人员开始转向钢结构领域寻求连梁解决方案，提出将钢连梁的梁端嵌入钢筋混凝土剪力墙的墙肢内，组成带钢连梁混合联肢剪力墙结构。采用钢连梁代替混凝土连梁，可以避免混凝土连梁复杂的配筋及构造措施，降低施工难度与成本，同时提高连梁的抗剪性能与延性。在过去几十年中，美国和加拿大等发达国家进行了大量试验与理论研究，结果表明：合理设计的钢连梁可以发挥良好的受力性能；钢连梁与混凝土墙肢组成的混合联肢墙结构体系可以保证足够的刚度、强度和韧性，表现出良好的抗震性能，非常适合于强烈度设防地震区［4－5］，而且带钢连梁的混合联肢剪力墙和纯钢筋混凝土剪力墙相比经济性较好［6－8］。美国和加拿大等发达国家已推出了相应的设计规范或设计建议［9－10］。

目前我国对组合联肢剪力墙的研究还处于起步阶段，尽管组合联肢剪力墙在我国已有应用，但组合联肢剪力墙抗震设计理论和试验研究还不成熟［4，8］，亟待进一步开展此方面的研究。

2003年广西大学邓志恒教授等提出了一种新型组合连梁控制结构体系［1］，连梁由热轧型钢或焊接型钢组成的桁架构成，在中间支撑上可以设置摩擦耗能阻尼控制装置，而且耗能控制装置可以根据抗震设防要求不同进行参数调节，可以更加有效地实现耗能减震。

新型组合连梁控制结构体系与钢筋混凝土连梁相比，自重轻、延性好，而且受力机理也较钢筋混凝土结构简单清晰，便于设计成延性弯曲破坏连梁；可以更加有效地实现耗能减震，进而提高剪力墙结构体系的整体抗震性能；该结构施工方便，可部分在工厂预制，加快施工速度；结构体系易于补强及震后维修［11－12］。与一般钢结构连梁比较，自重更轻、耗能能力更强。新型组合连梁控制结构体系为钢连梁结构设计提供了一条新的途径。

新型组合连梁控制结构体系尚存在不足。体系中设置的摩擦阻尼器需通过与主体结构串、并联使用，才能获得接近双线性滞回特性的阻尼耗能效果；一般摩擦阻尼器无自复位能力；单一不变的锁紧力有时不能满足不同强度地震的耗能要求；由于螺栓的应力松弛影响，保证紧固力在使用期内始终恒定不变也比较困难；摩擦阻尼器摩擦面的2种材料在恒定的压力作用下，保持长期的静接触，会产生冷粘结或冷凝固，所期望的摩擦系数不能保证；在地震作用时，滑动面产生滑动后摩擦力有一定的退化［13］。

2 新型带防屈曲支撑的钢连梁结构体系

鉴于目前连梁型式的发展状况，笔者提出在钢桁架连梁中设置防屈曲支撑阻尼器，形成一种新型的设有防屈曲支撑的钢桁架连梁（以下简称防屈曲支撑钢连梁）。

防屈曲支撑的研制始于20世纪70年代的日本。防屈曲支撑的形式有多种，但原理基本相似。防屈曲支撑主要由内核耗能单元和外围约束单元组成。在受到外加轴力时，轴力完全由内核单元承担，外围约束单元主要起着防止内核单元受压失稳的作用。防屈曲支撑既可作为轴向受力构件，又可兼作耗能阻尼装置。由于外围约束单元的作用，内核单元在受压时会达到全截面屈服，通过钢材屈服滞回达到耗能的目的，能充分发挥钢材优越的弹塑性性能。传统防屈曲支撑正面图、剖面图如图1所示。

图1 传统防屈曲支撑正面图、剖面图

防屈曲支撑造价低、耗能好，具有很稳定的滞回特性和很好的低周疲劳特性，如图2～3所示；在连接测试过程中，螺栓皆没有发生滑动现象，螺栓的预拉力没发生太大变化；防屈曲支撑对环境和温度的适应性强，具有长期性能稳定的优点。防屈曲支撑的大量应用是在1995年日本神户地震后，主要应用于体育场馆、写字楼等框架结构中，在已有结构的抗震加固工程中也有应用。目前对于防屈曲支撑的研究已经比较成熟，这一技术已推广到美国、台湾等地［14－16］，我国对于防屈曲支撑的研究和应用也在逐年增多，国内外学者预见它将是一种非常具有应用前景的耗能减震构件［14－18］。

在钢桁架连梁中设置的防屈曲支撑，既可作为连梁在正常使用阶段的受力杆件，又可在大震发生时发挥良好的延性和耗能能力。与新型组合连梁控制结构体系相比，具有新型组合连梁控制结构体系的一般优点，克服新型组合连梁控制结构体系的不足，而且比新型组合连梁控制结构体系杆件刚度大、稳定性好、杆件数量少、构造简单、施工更方便，连梁的耗能能力也可以进一步提高。

图2 双核心防屈曲支撑应力—应变滞回曲线

图3 双核心防屈曲支撑疲劳试验结果

防屈曲支撑钢连梁可全部或部分杆件采用防屈曲支撑。图4为几种防屈曲支撑设置方式示例图，防屈曲支撑钢连梁与墙肢的连接做法，可参考钢连梁及钢桁架连梁与墙肢的连接方式及构造做法［5］，防屈曲支撑与节点板之间可采用高强螺栓连接或焊接连接方式。

图4 防屈曲支撑的几种设置形式示例图

对于联肢墙连梁尺寸较小或对耗能减震要求较高的联肢墙结构，防屈曲支撑钢连梁尺寸可不限于两层洞口之间的实际尺寸，如连梁高度可按层高设计，也可减小剪力墙截面高度，增大连梁跨度，防屈曲支撑钢连梁及墙肢尺寸可根据承载力及抗震需要进行设计，并合理设计连梁杆件支撑形式，建筑洞口可在钢桁架网格处采用填充材料围砌而成（如图4（c））。此时的连梁，可不受建筑洞口实际尺寸的限制，形成“广义联肢墙结构体系”，或称为“剪力墙—桁架结构体系”。

防屈曲支撑种类很多，而且我国也有一些自主知识产权的防屈曲支撑形式，已成功应用于实际工程。对于钢桁架连梁所采用的防屈曲支撑类型，可根据实际需要做多种选择。如考虑方便与节点板连接，可采用双核心防屈曲支撑，如图5所示。亦可采用双核心全钢型防屈曲支撑，可免除灌浆困扰；在条件允许的情况下还可以采用全钢可拆型防屈曲支撑，易于震后拆解查看防屈曲支撑破坏情况。

图5 双核心防屈曲支撑

防屈曲支撑钢连梁与混凝土墙肢构成了新型“带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙”。从以往防屈曲支撑在框架结构中的应用效果推断，这种联肢墙结构可具有良好的抗震性能，避免在罕遇地震发生时结构的倒塌，提高结构的抗震设防目标。这种防屈曲支撑钢连梁也可用于筒体结构，既可以保证筒体结构小震下的抗侧移刚度，又可以改善筒体结构的耗能能力。

3 防屈曲支撑钢连梁应用前景分析

近年来高层建筑的数量和层数不断增加，对剪力墙承载力、刚度及耗能能力要求逐渐提高。在超高层建筑中，钢骨混凝土剪力墙、带暗支撑钢筋混凝土剪力墙、钢板混凝土剪力墙、钢管混凝土剪力墙等新型剪力墙结构型式的出现，对连梁的承载力、刚度、耗能能力也提出了更高的要求。钢结构连梁承载力高、延性好、耗能能力强，将成为层数较多、对抗震设防要求较高建筑的首选连梁型式［4－8］。在高层联肢剪力墙中，根据结构的刚度和耗能需要，部分或全部采用钢结构连梁，形成混合联肢墙结构体系，是剪力墙结构体系的发展趋势。

结构振动控制是近年来地震工程和结构工程领域最具前沿性的热点问题和发展方向之一［13，20］。结构振动控制方法中的被动消能减震技术，是通过在结构中设置被动耗能装置，消耗本来由结构构件消耗的地震能量，以减轻结构的变形和损伤。由于被动消能减震技术的耗能装置制作简单、施工方便、造价低廉，因此在实际工程中有大量应用。2010年2月27日在南美洲智利发生8.8级大地震，位于智利首都Santiago的Titaniun Tower大楼（52层、181m），在结构横向设置了被动消能减震装置，震后该建筑未见任何可见的结构性裂缝及破坏，仅在结构短轴方向40层处出现玻璃幕墙脱落的非结构性破坏。实例证明，消能减震装置可以很好地消耗地震动能量，保护结构主体不发生破坏。国外消能减震技术的研究开展较早，许多国家已经或正在制定结构被动耗能的设计指南或设计规范［19］。在联肢墙的连梁中设置阻尼装置，即是一种被动消能减震做法，符合结构振动控制的发展方向。

最近10年来，基于结构性能的抗震设计思想（（Performance Based Seismic即PBSD）受到了世界各国学者的广泛关注［13，20］。基于性能的抗震设计思想是根据地震作用的不确定性及结构抗力的不确定性，在不同风险水平的地震作用下，使结构满足不同的性能水平要求。这种设计思想，突破了基于承载力抗震设计理论框架的限制，逐渐成为抗震设计的新趋势。把基于性能的抗震设计思想与结构消能减震技术结合起来，是建筑抗震领域一项新的研究课题。这一做法可满足不同建筑业主的需求，具有个性化的特点。对于设置阻尼装置的联肢墙，可根据建筑业主的需要，调整阻尼装置的数量及参数，控制结构的变形能力和耗能水平，以满足不同业主的抗震设防目标要求。

自21世纪初，有关学者和专家将机械设计领域“可更换”设计思想引入建筑结构设计领域，设计了一些可更换部分杆件的结构。其中美克莱姆大学的Fortney和辛辛那提大学的Shahrooz在2006年将钢连梁的部分区段设计为可更换区段，如图6所示，可更换区段具有较强的耗能能力，以此区段充分耗散地震能量，以保证整体墙不至于损坏，震后损坏的耗能区段可进行更换［21］。这种可更换设计理念也是连梁型式未来的发展趋势。防屈曲支撑钢连梁与实体钢梁相比，用钢量省、自重轻，同样可做到“可更换”，符合连梁未来的发展趋势。

图6 可更换部分区段的钢连梁

4 带防屈曲支撑钢连梁结构体系有待研究的主要问题

防屈曲支撑钢连梁是一种新型连梁型式，该型式连梁与混凝土墙肢构成新型混合联肢墙结构。对于这种新型连梁及其混合联肢墙，需要做如下几方面的研究。

4.1 防屈曲支撑钢连梁抗震性能研究

分析防屈曲支撑钢连梁的合理组成，分析防屈曲支撑在结构系统中适应变形的能力，分析影响防屈曲支撑钢连梁延性、耗能的各种因素，明确防屈曲支撑钢连梁滞回性能、延性、破坏机理，是分析带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙抗震性能的基础。

4.2 带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙的抗震性能研究

了解带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙结构在地震作用下的全受力过程，考查结构在地震作用下弹性和弹塑性阶段的地震反应、抗震性能和屈服机制，分析带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙结构的耗能能力、减震效果及影响其延性及耗能能力的各种因素，确定防屈曲支撑与钢桁架、墙肢刚度和强度的合理匹配，是研究带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙抗震性能的重要内容。

4.3 带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙分析方法研究

带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙的结构体系组成复杂，导致其计算模型和材料恢复力模型十分复杂，建立比较准确的计算力学模型和提出合理的简化恢复力模型，对剪力墙结构体系进行弹性和弹塑性分析，是对带防屈曲支撑钢连梁混合联肢墙结构体系研究的关键问题。

4.4 带防屈曲支撑钢连梁结构体系实用工程设计方法研究

在试验和理论分析的基础之上，探讨简便准确且适合工程应用的实用设计方法，是带防屈曲支撑钢连梁结构体系推广应用的关键。

［1］邓志恒，潘峰，陶晓光，等.新型组合连梁控制结构体系［J］.世界地震工程，2003，9（3）：6－11.

［2］井晓娟.型钢混凝土连梁受力性能的研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2009.

［3］滕军，马伯涛，周正根，等.提高联肢墙抗震性能的连梁耗能构件关键技术［J］.工程抗震与加固改造，2007（5）：1－6.

［4］伍云天，李英民，刘立平.美国组合联肢剪力墙抗震设计方法探讨［J］.建筑结构学报，2011，32（12）：137－144.

［5］叶振.钢连梁混凝土墙肢节点抗震性能研究［D］.长沙：中南大学，2009.

［6］潘超，翁大根.耗能剪力墙结构体系研究进展［J］.结构工程师，2011，27（2）：160－167.

［7］阎奇武，武建辉.带钢连梁混合联肢剪力墙的研究与发展［J］.中国西部科技，2010，9（2）：1－3.

［8］董宏英，蒋峰，曹万林.钢—混凝土组合剪力墙抗震研究与发展［J］.地震工程与工程振动，2012，3（1）：54－61.

［9］EI－TawilS，Harries K A，Fortmey P J，et a1.Recommendations for seismic design of hybrid coupled wall systems［M］.Reston，VA.USA：American Society of Civil Engineers，2010.

［10］EI－Tawil S，Fortney P J，Harries K A，et a1.Seismic design of hybrid coupled wall systems：state of the art［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2010，136（7）：755－769.

［11］邓志恒，林倩，胡强，等.新型钢桁架连梁的抗震性能试验研究［J］.振动与冲击，2012，31（1）：76－81.

［12］刘其舟，林倩，徐冬晓，等.钢桁架连梁非线性有限元分析［J］.四川建筑科学研究，2012，38（4）：19－22.

［13］李波.消能减震结构基于性能的抗震设计理论与方法研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2007.

［14］Tsai Keh－Chyuan，Hsiao Po－Chien，Wang Kung－Juin，et al.Pseudo－dynamic Tests of a Full－scale CFT／BRB Frame—Part I：Specimen Design，Experiment and Analysis［J］.Earthquake Engineering ＆ Structural Dynamics，2008，37（7）：1081－1098.

［15］Tsai Keh－Chyuan，Hsiao Po－Chien.Pseudo－dynamic Tests of a Full－scale CFT／BRB Frame—Part II：Seismic Performance of Buckling－restrained Braces and Connections［J］.Earthquake Engineering ＆Structural Dynamics，2008，37（7）：1099－1115.

［16］胡宝琳，李国强，孙飞飞.屈曲约束支撑体系的研究现状及其国内外应用［J］.四川建筑科学研究，2007，33（4）：9－13.

［17］李国强，胡宝琳，孙飞飞，等.国产TJI型屈曲约束支撑的研制与试验［J］.同济大学学报：自然科学版，2011，39（5）：631－636.

［18］贾明明，张素梅，吕大刚，等.抑制屈曲支撑布置原则对钢框架抗震性能的影响［J］.工程力学，2009，26（7）：140－146.

［19］ASCE.Minimum design loads for buildings and other structures［M］.Rston：American Society Civil Engineers，2006.

［20］张毅刚，杨大彬，吴金志.基于性能的空间结构抗震设计研究现状与关键问题［J］.建筑结构学报，2010，31（6）：145－152.

［21］吕西林，陈云，毛苑君.结构抗震设计的新概念——可恢复功能结构［J］.同济大学学报：自然科学版，2011，39（7）：981－948.