防屈曲支撑现状与研究进展综述

胡 泊，白玉星

(北方工业大学 土木工程学院，北京 100144)

0 前 言

防屈曲支撑是一种兼顾普通支撑和金属阻尼器双重功能的新型支撑。因其具有良好的延性性能及稳定的滞回性能，在各国的建筑中均作为一种有效的抗震方式进行使用。防屈曲支撑耗能机制明显，减震效果明显且安装方便可以一体化生产，在汶川大地震后我国对于防屈曲支撑的应用和研究越来越多。通过防屈曲支撑的外围构件约束，使支撑在拉压状态下实现屈服耗能且不会失稳破坏，同时在小震下给予框架提供抗侧刚度，在中震和大震下利用内芯的塑性变形耗能，因此，其成为目前主体结构抗震减震的一种重要方法。

在地震作用下结构的刚度越大，地震作用就越大，因此，当满足强度要求时减小结构刚度可以有效削弱地震作用。布置防屈曲支撑是较好的方法，在耗能减震方面有广阔的发展前景[1]。

1 防屈曲支撑工作原理

1.1 基本组成

防屈曲支撑通过内核构件与外围约束构件组成，其中内核构件采用组合焊接构件，热轧型钢板或者低屈服点高延性的钢板，可以直接承受轴向荷载作用；外围约束构件不直接承受轴力，主要承受内核侧向变形引起的弯矩。内核构件与外围约束构件通过无黏结填充材料连接，如硅胶，聚乙烯等[2]，如图1所示。在填充材料与芯材中间需要留有空隙以保证芯材在受压时膨胀，同时防止内核钢材由于泊松效应进而引起横向接触。

图1 防屈曲支撑构造示意图

通过外围约束构件的材料区分，可以将防屈曲支撑构件划分为混凝土约束性，全钢约束性和钢管混凝土约束性。通过外围约束构件组成方式不同也可以区分为整体式和装配式防屈曲支撑。

1.2 截面形式与组合方式

常见的防屈曲支撑的截面形式有十余种，一般根据工程背景常采用H型截面，一字型截面和十字型截面[3]。防屈曲支撑的内核构件若沿纵向分类可以分为核心段、过渡段和连接段，如图2所示。核心段为内核构件的中心部分，当地震发生时即通过核心段区域进行屈服耗能。连接段为内核与框架节点板连接区域，由于无外围约束构件的保护，因而其截面尺寸应大于核心段，保证刚度与稳定性满足工作要求。过渡段为核心段与连接段的过渡区域，与核心段相连接的部分被包裹在外围构件内，同时可以通过焊接加劲肋的方式保证工作状态为弹性阶段。

图2 防屈曲支撑内芯纵向组成

在防屈曲支撑的组合方式方面，国内外学者一直在做相关研究来提升防屈曲支撑的性能。在国外方面，日本学者Twata[4]针对钢管混凝土约束性防屈曲支撑构件加工难度大的问题，研发了钢-砂浆板式防屈曲支撑，避免了一体化浇筑引起的加工问题。国内方面，李妍等[5]学者设计了6根方管约束一字型的防屈曲支撑构件，通过拟静力试验表明内芯屈服段外露时，会造成外露部分发生局部弯曲与局部撕裂，因此，在钢管段设计了环箍形式防止钢管端部局部破坏。

1.3 工作机理

宏观上防屈曲支撑是一种利用钢材发生轴向塑性变形的耗能减震装置，与普通支撑相比较不会发生屈曲的钢支撑构件。在地震作用下，水平地震力主要通过内芯承担，约束构件限制钢支撑发生屈曲，使支撑在拉压方向的受力形式接近二力杆受力。

防屈曲支撑在弹性阶段可以提升结构的抗侧移刚度，可用于抵抗风荷载作用下的水平力。在弹塑性阶段中随着芯材的屈曲变形，约束单元始终侧向约束核心单元，防止支撑发生屈曲破坏，而只在轴向发生拉压的受力状态[6]。因此，采用低屈服点的钢材先于主体结构屈服，消耗结构中的地震能量。同时防屈曲支撑的受力特性可以解决由于强度和刚度的削弱易发生疲劳断裂等性能问题，拉压两个方向的强度与刚度一致，滞回曲线稳定。

2 国内研究现状

2007年，李俞谕等[7]学者在相同截面积的条件下，通过普通支撑框架与防屈曲支撑框架分别进行试验，将结构变形图和单向水平加载下的荷载-位移曲线对比，说明了防屈曲支撑在减震方面的优势。

2010年，Zhao JX等[8]学者针对十字型截面防屈曲支撑由于焊接热应力的影响而产生残余变形，研发出一种全角钢式防屈曲支撑，如图3所示，内芯材料采用角钢组合而成同时并不焊接，外围约束构件采用角钢相扣焊接，进行低周反复试验后标明这种组合方式可以将内芯初始几何缺陷控制在千分之一内，因此，使构件具有良好的低周疲劳性能。

图3 全角钢式防屈曲支撑组成

2010年，梅洋等[9]学者针对内芯板无粘结性材料的耐久性问题，提出了内芯分段组合解决方案，外围构件由两根独立的钢管混凝土组成，从而内芯板和外围钢板直接接触，可以更好地解决无粘结问题。同时这种组装方式可以使内芯板制作与钢管混凝土浇筑分开进行，降低生产成本，如图4所示。

图4 组合钢管混凝土防屈曲支撑

2010年，赵瑛等[10]学者研究了影响防屈曲支撑框架的抗震性能因素，分析了支撑和框架的刚度分配和支撑的屈服条件。研究表明在大震下的防屈曲支撑框架层间位移，随抗侧刚度比的增大而减小，建议抗侧刚度比选取在0.5～2.0。同时对于屈服位移仅由支撑与框架的夹角，内芯材料强度和框架层高决定。

2006年，Kiggins S等[11]针对加入抗弯钢框架的防屈曲支撑双重结构体系进行研究，并分别对一个3层和6层支撑框架进行地震反应分析，研究结果表明，抗弯框架的弹性变形可以有效减少支撑框架的最大变形和残余变形，同时增加了抗弯钢框架，并不影响原结构的自振周期。

3 待解决的问题

近年来我国关于防屈曲支撑的研究取得了很大进步，但是随着研究的进行仍需要解决以下问题。

1)由于在实际工程中的屈服位置和试验屈服位置会存在偏差，因此，设计的防屈曲支撑会和实际状态有出入。

2)由于防屈曲支撑的内芯主要由低屈服点的钢材焊接而成，因此，造成防屈曲支撑的加工困难，同时由于多数防屈曲支撑采用无粘结材料，且支撑组成方式和截面形式多样，因此，加工制造和组装相对麻烦。

3)目前防屈曲支撑的研究虽然有很大进展，但是很少使用在工程项目上，因此，未来需要加强产学研一体化，将研究应用于实践中。

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