防屈曲耗能支撑研究与应用综述

彭皓琨 杜 斌 何炯辉 何春保

（1 华南农业大学水利与土木工程学院；2 广东顺力智能物流装备股份有限公司）

0 引言

普通结构所布置的支撑构件在承受地震作用时刚度迅速下降，耗能效果差，无法起到保护整体结构的作用，而防屈曲耗能支撑具有性能稳定、制作简单等特点，在正常承载情况下为结构提供抗侧刚度，在地震作用下通过拉压滞回消耗输入结构的能量。防屈曲耗能支撑由内核构件、外包约束和无黏结膨胀材料组成[1]，其构成方式如图1 所示。内核单元可分为约束屈服段（核心段）、约束非屈服段（过渡段）、无约束非屈服段（连接段）三部分（图2）。约束屈服段是整个防屈曲支撑的核心部分，其作用是在地震作用下屈服进而消耗结构承受的能量；约束非屈服段是约束屈服段的延伸部分，主要作用是实现约束屈服段和无约束非屈服段之间的平稳过渡，通常有改变截面宽度和焊接加劲肋两种方法；无约束非屈服段用于连接防屈曲支撑和主体结构，通常采用螺栓、焊接等方式连接。

图1 防屈曲耗能支撑构成图

图2 内核单元组成

防屈曲耗能支撑是利用自身的滞回性能进行耗能，所以其内芯钢材普遍采用低屈服点钢制成，例如屈服强度160MPa 的钢材，并且钢材的强屈比不应小于1.2，伸长率应大于25%且具有一定的韧性。支撑在承受地震作用时，主要由约束屈服段的耗能内芯承受轴向压力，所以内核单元会发生横向位移，由于外包约束限制其侧向变形，使构件具有屈服但不屈曲的效果，其特点是防止构件由于丧失稳定性而降低承载力。

1 发展与分类

1.1 发展历史

1960 年，日本学者Sukenobu 等人[2]提出了一种在钢支撑外部包裹钢筋混凝土板墙的结构形式，此种结构能有效地提高墙体的承载能力，但延性和耗能能力并不理想。1971 年，Yoshino 等人[3]对已有结构进行改进时在支撑与混凝土板墙之间设置间隙并隔离粘结力，增强了结构的延性和耗能能力。1998 年，日本和田章教授与日本新日铁公司技术团队第一次成功研制出真正意义上的防屈曲支撑[4]。美国在2000 年左右开始编写相关防屈曲支撑的设计规范，美国学者主要集中研究防屈曲耗能支撑在结构整体的抗震性能以及其节点连接问题[5]。我国相比于国外来说研究时间稍晚，在2004 年左右开始此类研究，其中郭彦林等人[6,7]利用有限元模拟对防屈曲支撑进行有关稳定性的研究。吴斌等人[8]成功开发出组合钢管混凝土式防屈曲支撑和自复位式防屈曲支撑。胡大柱等人[9]对防屈曲支撑结构进行了振动台试验，通过模拟较为真实地反映了防屈曲耗能支撑的抗震性能。

1.2 截面分类

1.2.1 混凝土约束型截面形式

混凝土约束型防屈曲耗能支撑包括两种结构形式，一种为钢筋混凝土型，其主要截面形式为“十”字形和“工”字形（图3），另一种为钢管混凝土型，其核心单元主要采用“一”字形、双钢管形和四钢管形。（图4）。

图3 钢筋混凝土型截面型式

图4 钢管混凝土型截面型式

1.2.2 全钢约束型截面形式

全钢约束型防屈曲耗能构件具有自重轻、布置灵活等特点，具有饱满的滞回曲线，性能稳定且性价比高。核心截面形式主要有“十”字形、“一”字形、“工”字形、圆管形和四角钢形等，外包约束主要形式有圆管、方管等，如图5 所示，其中“工”字形截面在罕遇地震作用下抗震性能最佳，“十”字形截面造价较高，四角钢形还需考虑端部转动的影响。

图5 全钢防屈曲耗能支撑截面形式

1.2.3 装配式防屈曲支撑截面形式

Inoue 等[22]首先在1993 年提出钢筋混凝土装配式防屈曲支撑，其最大的特点就是方便安装，易于更换。2003 年Tsai 等[23]设计了双内核双套筒约束型装配式防屈曲支撑，Tremblay 等[24]设计了两个方钢管接平板的截面形式，Usami 等[25]提出了双”T”形钢接平板的装配式防屈曲支撑，Genna 等[26]在2012 年提出了加劲槽钢装配式截面。2010 年起，郭彦林等[27]针对纯钢装配式构件提出了多种截面形式。

图6 纯钢装配式防屈曲支撑截面形式

防屈曲耗能支撑的种类较多，且每一种构件的特点差异较为显著，以上四种主要类型的防屈曲支撑特点对比如表1 所示。

2 主要性能

防屈曲耗能支撑的突出优点包括良好的耗能能力、减小结构位移、增强结构抗侧刚度等几个方面。

2.1 耗能性能

防屈曲耗能支撑通过其内芯钢材的轴向拉压使得截面屈服来达到耗能效果，当构件承受地震作用时，水平荷载首先通过框架梁柱传递至构件端部的无约束非屈服段，然后经过约束非屈服段过渡，最终作用于约束屈服段，但由于约束单元的存在，内核单元的侧向变形被约束，进而可以使构件承担更多的外部荷载，防屈曲构件具有饱满的滞回性能和良好的延性使结构在地震作用下具备一定的耗能能力，其耗能性能主要与支撑布置方式、内芯钢材种类和内芯宽厚比相关。

表1 四种防屈曲耗能支撑的特点

2.1.1 布置方式

防屈曲耗能支撑布置位置不同对结构的抗震性能具有重要影响，选择最优方法布置既可达到有效的耗能又能节约经济，例如黄彦智[31]使用三个双“T”型核心板双管约束的防屈曲支撑对框架结构进行加固设计，其中第一个BRB（buckling-restrained brace）为非对称布置（NSYMF），第二个BRB 的设置为对称形式(SYMF)，第三个布置方式与第二个相同，但构件中耗能端比例占整总长度偏低(SYMSCF)；之后分别对三种结构进行低周反复试验，试验结果如表2 所示。

表2 三种结构试验结果汇总

试验表明：①双“T”型核心板双管约束防屈曲支撑可以吸收总输入能量的90%以上；②BRB 对称布置可使结构吸收更多的能量；③耗能梁段占比减少可提高结构的耗能能力。

2.1.2 内芯钢材

内核单元是防屈曲构件主要的耗能部件，选择合适的内芯钢材对构件耗能大小也非常重要。汪家铭等[32]利用屈服强度为100MPa 的钢材制作“一”字形防屈曲耗能支撑并进行试验研究，结果表明低屈服点钢材应用于防屈曲耗能支撑具有良好的耗能效果，在结构位移很小的时候便已经屈服并提前发挥耗能能力。王佼姣等[33]采用内芯低屈服钢外包双腹板H 形构件进行试验，以层间位移角作为加载限制条件，得到四组构件吸收地震能量的比例为50%～80%之间，其耗能性能较好，塑性变形能力较强。

2.1.3 内芯宽厚比

内芯宽厚比是影响构件耗能能力的重要因素之一，不合理的宽厚比会降低构件的抗震性能并使构件发生局部屈曲。张浩飞等[34]利用开孔十字形全钢防屈曲支撑进行不同宽厚比的耗能研究并得到表3 数据，结果表明：①五种不同宽厚比的构件的耗能系数均不低于2.979，说明都具备良好的耗能性能；②阻尼比相差均小于3.14%，说明构件拉、压受力均衡；③十字形截面构件的内芯宽厚比在5～10 之间其耗能能力最佳。

表3 开孔十字型构件不同内芯宽厚比耗能能力

2.2 减少位移

结构在地震作用下其侧向位移显著增大，作为耗能构件的防屈曲支撑可以先于结构进入非弹性状态，通过自身的耗能能力消耗一部分输入结构的能量，延迟结构进入非弹性状态的时间，有效减少结构的层间位移以及层间位移角，减少结构由于位移增加而发生破坏，降低了结构层的地震响应，减少结构位移的因素包括场地类别、地震强度和防屈曲构件布置的位置等。

2.2.1 场地类别

不同场地类别对于防屈曲支撑减少结构位移的效果不同，比如贾明明等[35]建立了防屈曲耗能支撑钢框架体系在不同场地类别下采用静力弹塑性分析方法进行研究，结果表明：①pushover 方法对于分析含有防屈曲耗能支撑框架体系行之有效；②防屈曲耗能支撑的设置使得结构顶部位移明显下降25%～70%；③防屈曲耗能支撑对于一类场地结构顶部位移减少最明显，对四类场地减少效果最差。

2.2.2 地震强度

结构承受地震强度的大小是位移减少多少的重要因素之一，地震强度越大，防屈曲构件对于结构位移的约束效果越明显，马宁等[36]利用软件建模等方法对北京某办公楼工程采用十字形全钢防屈曲支撑进行抗震分析。如图7 所示，通过对比框架结构设置全钢防屈曲耗能支撑（BRB）与普通钢支撑（OBF）在不同地震强度作用下的位移角，表明此种全钢防屈曲耗能支撑能够有效减小结构在地震作用下的位移，并且随着地震动强度的增大，防屈曲支撑对于每层位移角的控制幅度增大。

图7 不同地震强度下结构各层位移角

2.2.3 布置位置

不同位置布置防屈曲构件对于结构位移减小的效果不同，程琳等[37]利用有限元软件分别对六层四跨钢支撑结构体系和防屈曲支撑结构体系进行了地震作用下的非线性时程分析，计算结果如表4 所示。

表4 不同布置下框架地震响应结果

研究表明防屈曲支撑的层间位移在结构低层反而大于普通钢支撑的层间位移，但随着层数的增加防屈曲支撑的层间位移迅速减小并最终小于普通支撑的层间位移，说明在高层中普通支撑已经失稳，因此防屈曲耗能支撑布置的位置处于结构上部效果更佳。

2.3 增强刚度

传统的结构中设置的普通支撑不具有自我调节和控制能力，而防屈曲耗能支撑在风荷载或者小震作用下同普通钢支撑一样提供刚度，在大震下起到保护结构的作用。防屈曲耗能支撑在工程应用中凸显增强结构刚度的作用主要是针对已有建筑的改造，在提高刚度的同时减少结构的位移，并且使结构具有更优良的抗震性能，达到一举多得的效果，以下主要介绍防屈曲构件的布置方法和刚度变化对抗震性能的影响。

2.3.1 布置方法

增强建筑结构刚度需要进行合理的防屈曲耗能支撑的布置，为了探索最合适的设置方案，贾明明等[38]对工程中三种BRB 布置原则对结构整体抗震性能的影响进行研究，三种布置原则分别为：基于结构层间位移分布布置，基于支撑与框架刚度比布置，基于支撑与层间剪力比布置。其中基于支撑与框架刚度比布置防屈曲耗能支撑可以有效提高框架结构的抗侧刚度，并且具有良好的耗能性能。台中的国泰世华大楼[39]在完工之后遭遇“921”大地震，之后该地区对于抗震规范进行了修改，原本满足要求的抗震性能需要进一步提高。故该建筑共计安装80 根纯钢防屈曲耗能支撑，以提高整体结构的刚度和强度，防屈曲构件均布置于结构2/3 的高度，其分布如图8 所示，安装后的构件如图9 所示。

图8 国泰世华大楼防屈曲分布图[39]

图9 国泰世华大楼防屈曲构件布置图[39]

2.3.2 抗震影响

防屈曲耗能支撑在增强刚度的同时使结构具备更优秀的抗震性能，不同刚度比对结构抗震性能的增强效果不同。赵瑛等[40]基于弹塑性时程分析，建立框架结构在大震作用下层间位移角随刚度比变化的曲线，分析了抗侧刚度分配对于结构抗震效果的影响，试验结果如图10 所示，结果可知：大震作用下结构位移角随着刚度比增加而减小，如果防屈曲耗能支撑设置太少则抗侧刚度偏小，结构位移偏大，但设置太多会造成资源浪费，因此，建议抗侧刚度比取0.5＜k＜2.0 最为合理。

图10 大震作用下结构时程分析[40]

3 未来研究重点

虽然目前防屈曲耗能支撑在结构型式、耗能效果、布置位置、选材等方面的研究取得了一定的成果，但仍然在许多方面存在不足：

⑴目前进行防屈曲耗能支撑的设计必须进行端部加强的设计，且外包约束单元与内芯钢材之间产生的相对滑动会影响构件的整体抗震效果。

⑵防屈曲耗能构件的屈服位置具有一定的随机性，需要通过具体的试验得到准确位置，不易进行抗震分析与构件设计。

⑶大部分防屈曲耗能构件均申请了专利，此技术具体的生产制造技术得不到大面积推广，所以其发展受到很大的限制。

目前我国在防屈曲耗能构件的研究方面已经有所收获，并且国际上也有很多经验可循，但是，为了进一步提高我国建筑的抗震性能，仍然需要进行一些方面的研究与突破：

⑴设计构造相对简单的防屈曲耗能构件，以便于流水生产与施工安装，并且结合我国钢材的具体情况，研究开发出适合我国建筑应用的产品。

⑵制定有关的国家规范、地区规范以及企业标准，提供标准化生产的建议，针对不同形式的构件绘制构造详图等图集。

⑶加强防屈曲支撑的检测与维护，注重构件在地震作用之后部件替换的简便性。

⑷侧重实际工程的应用，探索不同的设计方案，累计施工经验，体现防屈曲构件对于整体结构的作用。

4 结语

防屈曲耗能构件支撑由于其优秀的抗震性能被广泛应用于建筑结构当中，但在我国的使用比例仍需提高。针对不同类型的防屈曲耗能构件在工程中的实际效果，还须进行具体的实验测试，验证不同材料、不同结构形式情况下防屈曲支撑构件的耗能效果，并在实际工程中进行推广应用。