面向高层建筑结构的屈曲约束支撑减震技术研究

赵一鸣 陈渊鸿 夏巨伟

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心 上海 200080

随着经济和社会的发展，地震工程领域对建筑工程结构抗震设计的认识逐渐加深。传统通过加强结构刚度或加大结构延性来提升结构抗震性能的方式，因其在大幅度提升建造成本的情况下却无法取得预期的抗震减震效果，且结构震后的修复难度极大，已经逐渐无法满足“三水准”设防的要求。

为改变这种状况，工程界开始对可恢复功能结构体系进行研究，主要是通过结构本体的可恢复性以及消能减震装置的可恢复性来提升结构在地震作用下的柔性和延性，使得结构在地震作用下发生大位移变形，从而耗散大量的地震能量，达到尽可能降低地震损伤的目的。

屈曲约束支撑（buckling restrained brace，BRB）是目前用于高层建筑结构的一种主要的消能减震装置。国内外大量研究表明，采用BRB加固的高层建筑结构，其整体抗震性能明显增强；BRB设备呈现出了极好的耗能能力，且影响了结构塑性铰的分布，在非极端地震情况下能够明显避免结构关键构件的损伤，为结构功能可恢复提供了保障。本文将重点对面向高层建筑结构的屈曲约束支撑开展研究，探讨屈曲约束支撑设计原理与应用形式，以及施工工艺、施工要点、施工监控方法等，供有关工程借鉴。

1 屈曲约束支撑设计原理与应用形式

1.1 减震原理

作为近年来广泛采用的消能减震阻尼器装置，屈曲约束支撑由核心的芯材、约束套筒和滑动层装置等3个部分构成，如图1所示。

图1 屈曲约束支撑结构

图1中芯材一般直接作用于建筑结构两侧框架柱之间，起到轴向支撑受力作用。为扩大芯材的耗能范围，应对不同建筑结构减隔震要求，芯材的截面一般可以采用H形、十字形、一字形、T形或管形[1]等，常见的截面形式如图2所示。

图2 屈曲约束支撑常见截面形式

芯材的材料特征为具有较低的屈服点，能够相较主体结构更早地进入屈服状态，替代主体结构发生损伤。约束套筒不参与轴向受力，主要是为芯材在轴向受压状态下的屈曲失稳提供横向约束，防止芯材发生受压失稳后出现弯曲屈服状态，降低其减震耗能效力。而为使芯材在约束套筒的约束下能够发生自动伸缩变形，需要在芯材和约束套筒之间添加滑动层装置，一般可灌入低摩阻的砂浆或混凝土材料，既填充了芯材和约束套筒之间的缝隙，又避免了约束套筒参与轴向受力，使之约束失效。在本质上，屈曲约束支撑通过芯材的弹塑性变形提供耗能能力，而为使得周期往复荷载作用下，屈曲约束支撑不发生横向失稳，设计了约束套筒提供横向约束，这也是屈曲约束支撑区别于常规支撑的主要特点。

一般来说，屈曲约束支撑在往复循环荷载作用下，弹性阶段滞回曲线面积较小，耗能能力较低；而在进入塑性阶段后，内部芯材将发生较大的位移，而荷载随着变形的增大将相应减小，滞回曲线面积较大，耗能能力可以大幅度增加。常见的屈曲约束支撑滞回曲线如图3所示。

图3 屈曲约束支撑滞回曲线示意

1.2 应用形式

用于高层建筑结构，尤其是用于高层框架梁柱式建筑结构时，屈曲约束支撑可根据减震需求及柱间距自由地选择单斜撑、人字形斜撑或V字形斜撑，且均能够取得较好的减震效果。除了简单的靠屈曲约束支撑耗能外，近年来还涌现出了组合式屈曲约束支撑的设计理念[1]。组合式屈曲约束支撑一般在基本的屈曲支撑系统的基础上添加自复位系统，而自复位系统普遍采用弹簧、预应力钢绞线等提供自动化的回复力，如图4（a）所示。通过自复位系统的回复力可以提升屈曲支撑系统的滞回性能，增大其减震的范围。

此外，在可恢复功能结构体系中，也可以采用摇摆框架结构＋屈曲约束支撑共同耗能的方式[2]。该方式通过摇摆框架结构实现地震作用下的主要耗能，并通过屈曲约束支撑实现地震作用下的辅助耗能，如图4（b）所示。摇摆框架结构主要是使部分结构柱的柱脚有小范围的转动，形成柱脚位置的刚度折减，实现耗能。一种较为简单的实现柱脚转动的方式为：将柱脚的固定螺栓孔尺寸做大，使其与固定螺栓之间有微小的间隙，从而为柱脚的转动提供约束释放。

图4 两种组合式应用形式示意

2 屈曲约束支撑施工

2.1 施工工艺流程

屈曲约束支撑的施工工艺并不复杂，但对精度控制的要求较高，较大的安装误差将会严重影响屈曲约束支撑的实际工作性能。其整体施工工艺流程如下：

1）预埋件安装。在需要安装屈曲约束支撑的预定支座位置安装预埋件，预埋件位置偏差应控制在±1 cm以内，以避免斜向受力。一般情况下，预埋件可根据设计要求安装在梁上或柱上。预埋件安装一般在箍筋绑扎之前，并应当在梁柱混凝土浇筑前对预埋件进行精确校正和临时固定约束。

2）节点板焊接安装。现场加工节点板或采用屈曲约束支撑配置的节点板进行现场安装。节点板与预埋件精确焊接安装。在焊接前，可采用激光定位方式进行屈曲约束支撑两侧节点板的精确定位，微调节点板位置。

3）支撑起吊和临时固定。采用手拉葫芦吊进行屈曲约束支撑的起吊操作，吊索穿入屈曲约束支撑两侧吊耳中，采用两侧不等高方式进行起吊。起吊后，先人工牵引屈曲约束支撑下部节点，并与下部节点临时固定；然后起吊屈曲约束支撑上部节点到达上部节点板位置，可通过临时支架进行就位和临时固定。

4）支撑校正和焊接固定。支撑校正需保证支撑沿轴向受力，即支撑的中轴线、节点板的中轴线、两端固定的柱/梁的中轴线应尽可能在同一直线上，且应满足设计对受力路径的要求。校正完毕后，将支撑的两端进行焊接固定，并将芯材与节点板进行焊接安装。

5）约束套筒内灌浆。在屈曲约束支撑的约束套筒两端用盖板封住[3]，并在盖板上开孔用于灌浆。灌浆应当分批次进行，可从上下同时灌入，确保内部混凝土浆灌送均匀，并具有一定的密实度。

2.2 施工工艺要点

在预埋件安装过程中，为避免预埋件影响到正常钢筋骨架的绑扎成形，可先进行局部箍筋的绑扎，后进行预埋件的定位放置和临时固定，再进行主筋安装和整体箍筋的绑扎。钢筋骨架安装后，应预留空间用于混凝土浇筑前预埋件的微调。

预埋件上应给出中轴线定位标记，使屈曲约束支撑两端节点的预埋件基本达到对中状态。混凝土浇筑前，采用方木或钢筋进行预埋件的临时固定，混凝土浇筑和振捣过程中，尽量避免预埋件位置发生大幅度移动。

屈曲约束支撑安装之前应当进行进场检验验收，包括芯材材质、钢结构外形状态、涂层状态、零件状态等，当发现与实际设计图纸不符合时，应及时反馈生产厂家作出调整。如屈曲约束支撑套件中未包含节点板，则应当根据实际情况进行节点板的现场加工及涂装。

屈曲约束支撑安装过程中，由于上下节点板尺寸未必一致，且零配件众多，为提升安装效率，可对所有的节点板、屈曲约束支撑构配件进行事先编号，并根据编号进行现场安装时的匹配。

某工程中采用基于二维码/RFID的检索/查询措施，通过二维码/RFID等技术提供详细的安装信息供现场使用，取得了较好的成效，大幅度提升了现场安装的效率，其扫码记录信息格式如表1所示。此外，如屈曲支撑安装过程中发现上下梁柱节点板出现偏差，影响支撑芯材的安装时，应当及时进行节点板的纠偏操作。

表1 扫码后读取信息

屈曲约束支撑安装完成后，需要进行焊缝探伤检测以及防锈漆的处理，并根据需要进行防火处理。焊缝探伤检测可通过目测＋超声波探伤的方式进行，其中抽检超声波探伤的通过率需达到100%。检查合格后的焊缝位置，喷涂防锈漆、面漆，厚度不小于屈曲约束支撑的出厂涂装厚度。防火处理时，采用与主体结构相同的处理措施。

2.3 施工监控方法

本文设计了一种基于激光定位和激光测距方式的屈曲约束支撑空间定位方法，用于辅助屈曲约束支撑的三维空间定位和节点板定位。该方法有利于提高定位精度和定位效率。

通过2个激光探头A、B，实现激光测距功能，通过高精度的距离测量，实现对于屈曲约束支撑中轴线和两侧立柱中轴线空间位置是否相符的有效评估；基于芯柱的长度测量结果，并考虑重力效应下的长度与受力的换算，直接计算得到屈曲约束支撑的初始内力，并对剩余的弹性耗能能力进行计算。

1）将设备放置在屈曲约束支撑下方节点板位置，设备的中轴线与屈曲约束支撑的中轴线对齐，采用激光探头B，沿屈曲约束支撑的中轴线向上发射，记录B探头打入上部固定耳板的位置。

2）采用激光探头A沿重力方向测量，测量屈曲约束支撑上部固定耳板到地面的距离，在地面的点位放置靶点，获取垂直距离。

3）调节激光探头A对准靶点，对准位置应当在水平方向与柱中心线一致，激光探头B对准屈曲约束支撑的中轴线，分别获取水平距离和斜向距离。

如屈曲约束支撑中轴线与柱中轴线一致，则水平距离、斜向距离、垂直距离应当是完整的三角函数关系。在无法满足三角函数关系的情况下，应当认定屈曲约束支撑安装中轴线与柱中轴线有一定程度的偏离，影响了屈曲约束支撑功能实现。

芯柱初始耗能内力有可能对芯柱的整体耗能能力造成不利影响。产生初始耗能内力的原因主要是安装空间位置不当，导致芯柱被人为地拉长或缩短，从而减少了其可用弹性范围。因此，可以通过水平距离、斜向距离、垂直距离的偏差对屈曲约束支撑现有的耗能能力进行评估。

3 结语

高层建筑中的屈曲约束支撑可以有效耗散地震能量，在抗震工程中发挥着日益重要的作用。本文研究探讨了屈曲约束支撑的技术原理、应用形式和施工方法等，为屈曲约束支撑的高效高质安装提供支撑。