具有复位功能的支撑研究综述

张爱林，叶全喜1，詹欣欣1，刘学春

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2.北京工业大学北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心，北京 100124）

具有复位功能的支撑研究综述

张爱林1，2，叶全喜1，詹欣欣1，刘学春1，2

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2.北京工业大学北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心，北京 100124）

为解决具有复位功能的防屈曲支撑及附设耗能器支撑构造复杂、施工困难等问题，将具有复位功能支撑按耗能方式分为自复位附设耗能器支撑、自复位防屈曲支撑2种形式，并对这2种支撑的国内外研究现状进行了综述与分析，分析了不足，指出了目前具有复位功能的支撑研究中需要进一步深入研究的关键问题.

防屈曲支撑；附设耗能器支撑；创新设计；预应力损失；高频加载试验

钢支撑作为抗侧力构件，可承担结构中大部分侧向荷载，提高结构的抗侧刚度及水平承载力.钢支撑构件与主体结构结合，作为第一道防线先于主体结构破坏，从而减轻主体结构损伤程度，提高结构的抗倒塌能力.但在1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震中，大量的普通支撑构件发生严重屈曲、断裂.这使得国内外学者开始对普通支撑构件进行大量深入研究并寻找新的支撑形式.

附设耗能器支撑和防屈曲支撑（BRB）是2种改进后的代表性支撑形式.附设耗能器支撑是将耗能器应用到普通钢支撑构件中，由耗能器耗散地震能量而保护钢支撑不发生屈曲破坏.耗能器形式主要有摩擦耗能器、油阻尼耗能器、铅阻尼耗能器、黏弹性耗能器等.其中，摩擦耗能器因其构造简单、耗能稳定，在结构耗能减震中被大量应用［1］；防屈曲支撑的研究始于20世纪70年代的日本，其概念源于内藏钢板支撑［2-5］，北岭地震后在美国得到大量研究及应用，目前已成为工程上广泛使用的支撑形式.防屈曲支撑主要特征为通过外围约束构件防止耗能内核屈曲.约束构件由最初的钢管内填混凝土发展到全钢约束等多种形式［6］.这2种支撑设计理念都是使支撑有较好的耗能能力但不发生屈曲破坏，从而达到保护结构主体、提高结构抗倒塌能力的目的.但是，这2种支撑结构在大震后都会产生较大的残余变形，且不可恢复.

目前对重现期2 500 a的大震，中国、美国、日本及欧盟的抗震设计都是基于防倒塌的设计思想.随着“可恢复功能抗震城市”概念的提出，结构抗震设计重点逐渐由抗倒塌设计向可修复设计转变［7］.文献［8］调查了建筑物残余变形对居民生理及心理的影响.结果表明:居民可以接受的残余变形为0.5％.当残余变形达到1％时，他们会感到头晕及恶心.目前在日本，0.5％的残余变形已成为决定结构重建或者修复方案选择的分割点.针对附设耗能器支撑和防屈曲支撑大震后残余变形过大的缺点，预应力索、记忆合金（SMA）等可提供回复力的材料被应用到这2种支撑中，形成了具有复位功能的自复位附设耗能器支撑和自复位防屈曲支撑.

1 自复位附设耗能器支撑

2008年，Zhu等［9-10］提出了一种自复位摩擦耗能支撑（SFDB），并进行了试验研究.该支撑耗能器为高强螺栓连接的开长孔的摩擦耗能器；由对称布置的多束SMA绞线提供复位所需的回复力.试验研究表明:该支撑能较好地减小结构的残余变形.支撑构造如图1所示.

2008年，Christopoulos等［11］提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼器耗能支撑（SCED）.该支撑将摩擦耗能器置于内外管之间，由高强螺栓连接.预应力索穿过内外管固定在两端.支撑通过内外管的相互错动带动摩擦耗能器及预应力索变形，构造如图2所示.作者对装有SCED及BRB的结构进行了对比试验分析，研究表明:装有SCED的框架比装有BRB的框架在侧向荷载下具有更小的层间位移及更小的残余变形和集中破坏.

2010年，Yang等［12-13］将耗能器与SMA分别安装在2个可以相互错动的钢管内外，形成了一种新的钢-SMA混合装置，构造形式如图3所示.研究表明:在地震荷载下该支撑耗能效果较好，且具有复位功能.

2012年，Osman等［14］将压电片引入摩擦耗能器，利用摩擦板的长孔构造将三组短束的SMA丝连接在摩擦板上，提出了一种新型的自复位可变摩擦支撑，其构造如图4所示.

2014年，谢钦等［15］对拥有内外管构造的自复位摩擦耗能支撑的内外管长度误差引起的多层结构地震响应差异进行了研究分析.结果表明:内外管长度误差会引起支撑初始刚度的折减；结构的最大层间位移角会随支撑初始刚度的折减而增加，但不会影响结构的自复位能力；支撑初始刚度的折减会减小9层SCED框架的层加速度，但对3层SCED框架却没有显著的影响.

2014年，Erochko等［16］针对普通自复位支撑变形能力有限的问题，提出了一种新型的高变形能力自复位摩擦支撑（T-SCED），并对带有此支撑的结构进行了足尺的拟静力和动力试验，结构表明该支撑变形能力可达到4％的层间位移角，其构造如图5所示.

2015年，Haque等［17］提出了一种活塞式自复位支撑，该支撑由套管内的活塞板挤压高阻尼橡胶耗能；由支撑杆及记忆合金棒连接活塞板在套管内运动，其构造如图6所示.试验研究表明该支撑具有稳定的耗能能力，复位能力与记忆合金棒直径成正比.

2 自复位防屈曲支撑

2011年，Miller等［18］用SMA绞线与普通钢索相连提供回复力，将其应用于具有3层钢管的软钢耗能防屈曲支撑，从而提出了一种新型的自复位防屈曲支撑（SC-BRB），并对其进行了大比例尺的拟静力试验研究.结构表明该支撑具有良好的延性、耗能及复位能力，其构造形式如图7所示.

2012年，刘璐等［19］将耗能软钢置于等长的内外钢管上下空隙中；将预应力钢绞线穿过内外钢管，固定在钢管两端，形成了一种新型自复位防屈曲支撑（SCBRB），构造形式如图8所示.作者对该支撑的受力机理、滞回模型及设计方法进行了研究，给出了支撑复位的钢绞线预应力与耗能软钢屈服力的比值，并通过拟静力试验研究了其抗震性能.

2012年，周中哲等［20］提出了一种双核心自复位斜撑，其内部双核分别为工字型及方钢管，预应力复位材料贯穿其中，固定在外围构件两端，构造形式如图9所示.作者对加有不同预应力材料的该支撑进行了拟静力试验研究，结果表明:该支撑具有较好的耗能及自复位能力，在达到2％层间位移角前，斜撑未发生破坏.

2013年，曾鹏等［21］将串联的钢绞线引入全钢防屈曲支撑，提出了一种可以有较大位移的自复位防屈曲支撑，称为全钢自复位BRB，按图10（a）（b）（c）（d）（e）（f）顺序组装.对该支撑的数值模拟分析表明:该支撑采用串联钢绞线的形式，达到了增大支撑的变形位移的目的.

2014年，陈云等［22］对目前国内外研究的自复位耗能支撑从复位材料方面进行了分类分析，在总结已有研究的基础上提出了3种基于大尺寸SMA棒或板的自复位支撑，并对其构造进行了简单描述.构造如图11所示.

3 国内外研究现状分析

已有研究表明:具有复位功能的支撑与其他类型支撑相比具有以下显著优点:1）结构残余变形小.具有复位功能的支撑通过预应力索或形状记忆合金（SMA）等复位材料，在结构变形后提供回复力，消除或减小结构的残余变形；2）结构损伤小.具有复位功能的支撑通过附设耗能器或软钢屈服耗散地震能量，从而保护结构主体安全；3）耗能能力强且稳定.耗能器及软钢的力学性能早已被大量研究，二者均具有很强的耗能能力.作为耗能构件，其应用已非常成熟；4）震后结构易于修复.具有复位功能的支撑既可耗散地震能量又能提供结构回复力，使主体结构基本保持在弹性状态，便于结构的震后修复.

目前，国内外关于具有复位功能的支撑的研究主要集中在复位材料、整体构造2方面，研究表明具有复位功能的支撑仍存在以下缺点:1）复位材料方面.关于复位材料，研究最多的是钢绞线索体和形状记忆合金（SMA）棒.其中，钢绞线索体需要在支撑组装完成后预先施加一定的预应力，这无形中加大了施工工作量.由于地震荷载属于偶然荷载，这种支撑安装后，其在长时间放置下的预应力损失无法避免.钢绞线不具备较强的变形能力，这严重限制了支撑的轴向变形.形状记忆合金（SMA）是一种高弹性的新型复合材料，通常经过预张拉使其具有拉压耗能的效果.目前，大直径的SMA棒已能够具有较好的弹性与滞回性能［23-25］.但SMA的材料性能受温度影响较大，造价较高，其推广使用尚不成熟.2）整体构造方面.目前国内外具有复位功能的支撑的构造多采用图8所示的内外管相对错动的构造形式，其构造复杂、施工组装不便.而且内外管长度差值对支撑受力性能有很大影响，因此要求工厂有非常高的加工精度.

4 具有复位功能的支撑需要深入研究的关键问题

综合目前已有研究以及结构抗震设计向以可修复为重点转变的新趋势，具有复位功能的支撑仍需深入研究的关键问题如下:

1）创新简单的支撑形式，消除加工精度对支撑力学性能的影响.研究统计发现，目前很多双管式自复位防屈曲支撑的试验中初始刚度远小于理论值［26-27］.文献［28］研究认为内外管的长度加工误差是造成这一问题的主要原因.笔者在已有研究基础上，提出了一种具有复位功能的装配式零初始索力摩擦耗能复位支撑（FZFDRB），该支撑构造简单、支撑整体可现场装配、与框架连接方便易行，并通过外管固定、内传力杆伸缩运动的形式避免了加工精度对支撑力学性能的影响，其构造形式如图12、13所示.这种通过创新出构造简单、施工组装方便的新型构造形式，消除加工精度对支撑力学性能影响的方式，将是今后需要深入研究的一个方面.

2）减小复位材料的预应力损失.目前具有复位功能的支撑基本都需要对复位材料预先施加预应力，使支撑具有一定的复位能力.而这种支撑在长期放置及加载过程中的预应力损失不可避免.研究表明:加载过成中，张拉后索体的预应力损失可到10％左右［29］.笔者所提出的FZFDRB中，索体无需预张拉，用2组钢丝绳索体在支撑拉、压状态下依次受力的形式解决了以往索体需要预张拉以及索体张拉后的预应力损失问题.类似这种采用新构造或新形式来避免复位材料预应力损失的方法也是今后需进一步深入研究的方面.

3）提高具有复位功能的支撑变形能力.具有复位功能的支撑变形能力主要受复位材料延伸率及破断力的限制.文献［19］对多种弹性材料进行了拉伸试验，结果如表1所示，试验的材料中只有钢绞线性能满足使用要求.但钢绞线的延伸率不高，很难满足结构大震1/50的变形要求.目前研究中，自复位支撑首先要克服支撑自身的复位阻力（如软钢塑性变形的残余力或者摩擦耗能器的摩擦阻力）才能提供给结构回复力，因此，索体需要预张拉，但是，索体的预张拉会进一步减小其变形能力.索体串联使用可提高其变形能力，但索体刚度会减半.因此，研发出高强度、高延伸率材料，提高具有复位功能的支撑变形能力也将成为今后需要深入研究的一个方面.

4）创新具有复位功能的支撑设计理念.目前，具有复位功能的支撑设计理念均要求支撑自复位.这种设计理念使得支撑普遍采用双管，甚至三管的复杂构造形式.其实，具有复位支撑不必严格要求其自复位.笔者提出的FZFDRB形式，可以通过震后人为放松摩擦耗能器的高强螺栓，打破索体与摩擦耗能器的受力平衡状态，给支撑提供一个较大的回复力.这种震后通过人为调节实现复位功能的的方式，可以避免严格要求支撑自复位带来的技术难点.

表1　材料属性Table 1 Material property

5）对具有复位功能的支撑开展高频加载试验研究和理论分析.具有复位功能的支撑作为耗能减震构件，目前相关研究集中在拟静力试验和有限元抗震模拟方面.而地震是一种短时间的高频率能量耗散.支撑的耗能部分在高频率荷载下的受力性能亦不尽相同.尤其附设耗能器支撑中的某些油阻尼耗能器，其高频率耗能时温度急剧升高，甚至可能出现油体汽化爆炸的危险情况.因此，对具有复位功能的支撑进行高频率加载试验和有限元模拟分析是非常必要的.

总之，具有复位功能的装配式支撑兼具耗能及消除或减小结构残余变形的特点.其构造及受力特征符合建筑工业化［30］及结构设计重点由抗倒塌向可修复转变的新型设计理念.创新研发出构造简单，施工方便、抗震性能优越的支撑形式，必将为今后现代钢结构的发展提供有力支撑.

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（责任编辑 郑筱梅）

Review on Brace With Re-centering Function

ZHANG Ailin1，2，YE Quanxi1，ZHAN Xinxin1，LIU Xuechun1，2
（1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Beijing Engineering Research Center of High-rise and Large-span Prestressed Steel Structure，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

To solve the problems of complex structure and difficult construction et al of buckling restrained brace and attached energy dissipator brace，the authors divided re-centering function brace into self-centering additional energy dissipative brace，self-centering buckling-restrained brace according to the way of energy dissipation.The authors also provided a literature review and analyzed the deficiencies of the 2 kinds of braces above.The key problems of re-centering function brace，which need to be further investigated，were addressed.

buckling-restrained brace；attached energy dissipator brace；innovation design；loss of prestress；high frequency toad test

TU 391

A

0254-0037（2016）09-1338-07

10.11936/bjutxb2015120032

2015-12-14

国家自然科学基金资助项目（51278009）；北京市自然科学基金重点资助项目（8131002）

叶全喜（1984—），男，博士研究生，主要从事工业化装配式钢结构方面的研究，E-mail:yequanxi45@163.com

张爱林（1961—），男，教授，博士生导师，主要从事现代预应力钢结构、工业化装配式钢结构方面的研究，E-mail: zhangal@bjut.edu.cn