黄国良

1 防屈曲耗能支撑简介

支撑是一种最为经济的抗侧力构件，它既能提高结构的刚度和承载力，又不影响建筑采光以及内部空间的分割，且施工方便。传统的带支撑框架有中心支撑框架和偏心支撑框架。中震和强震时，中心支撑框架中的支撑会受压屈曲和受拉屈服，而屈曲会使受压承载力降低，从而限制了支撑作为抗侧力构件的耗能能力，因而大多数抗震规范都对中心支撑的抗震承载力进行调低［1］。偏心支撑框架通过偏心梁段的屈服从而限制支撑的屈曲，可使结构具有较好的耗能性能。但是偏心梁段屈服，地震后结构修复较为困难，且支撑的刚度得不到充分发挥。

由于支撑屈曲不利于能量耗散，因此相对于传统的中心支撑框架，提出了一种新的可以避免支撑屈曲的体系，称为防屈曲耗能支撑钢框架。防屈曲耗能支撑由芯材，外套筒以及套筒内无粘结材料组成(见图1)。虽然防屈曲耗能支撑形式多样，但原理基本相似，利用刚度较大的外套筒拟制中心芯板的屈曲［2］。支撑的中心是芯材，为避免芯材受压时整体屈曲，即在受拉和受压时都能达到屈服，芯材被置于一个钢套管内，然后在套管内灌注填充材料，该填充材料具有一定的强度，又有较好的密实性，且耐久性优越。为减小或消除芯材受轴力时传给填充材料的力，而且由于泊松效应，芯材在受压情况下会膨胀，因此在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常狭小的空气层［3］。

防屈曲耗能支撑解决了普通钢支撑的失稳破坏的问题，使钢结构支撑在受拉和受压时候性能一致，从而大大提高了钢材的利用率。防屈曲耗能支撑成为了结构的耗能元件，起到结构“保险丝”的作用［4］。防屈曲耗能支撑结构延性好，耗能能力增强，且防屈曲耗能支撑施工方法与普通钢结构支撑相同，施工进度快，质量可靠。结构采用防屈曲耗能支撑时，建筑物在遭遇强烈地震后，主体结构将不会破坏，从而保护建筑物内人员安全和财产安全。

2 工程实例

2.1 项目概况

某石油化工项目的多层钢结构平台，高约18 m。各层平台无铺板，设置水平支撑以保证结构水平方向的整体刚度;竖向采用普通钢支撑(V形及人字形中心支撑)作为主要抗侧力构件，其截面主要由稳定控制，而强度有很大富余。结构所处地理位置的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，场地类别为Ⅳ类。由于防屈曲耗能支撑具有承载能力高、耗能能力好、充分发挥钢材性能的优点，本文将主要对防屈曲耗能支撑方案的可行性进行分析。防屈曲耗能支撑在弹性状态下的承载力比普通支撑提高3倍～10倍，其截面可大大减小，从而节省用钢量［5］。此外，强地震作用下，防屈曲耗能支撑可起到结构阻尼器的作用，采用防屈曲耗能支撑后，能保护主体结构在大震下不破坏。

原设计方案采用普通支撑作为抗侧力构件，结构的三维图以及支撑的布置位置如图2所示。现采用防屈曲耗能支撑代替原截面为HW250×250×9×14的普通H型钢截面支撑，一共24根。防屈曲耗能支撑截面选用热轧H型钢HW100×100×6×8。

2.2 结构动力特性

结构在采用防屈曲耗能支撑方案后，结构各阶周期明显增大(见表1)，虽然第二阶振型仍为扭转振型，但第三阶振型以平动振型为主，而普通支撑方案第三阶振型以扭转振型为主，可见新方案对结构整体布置更为有利。此外，总质量减小，也可减小地震作用，对上部结构及基础都有利。

表1 结构动力特性列表

2.3 结构位移验算

结构位移验算结果见表2。

表2 结构位移列表

2.4 经济指标

采用防屈曲耗能支撑方案后，结构抗震安全性能得以提高，梁柱构件强度可以得到更充分的利用;此外，由于支撑刚度降低，结构地震作用减小，也对梁柱受力有利。两种结构方案的用钢量比较见表3。

表3 原方案未调整截面时结构总用钢量

3 结语

采用防屈曲耗能支撑方案后，结构性能和经济性等都得以提高。本可行性分析中，除将普通钢支撑改为防屈曲耗能支撑外，未修改结构其余构件。

1)采用防屈曲耗能支撑后，被改造支撑的总用钢量减少5.6 t，支撑用钢量比原结构节省约76%。其余构件内力也基本保持不变或稍有降低，可见结构总体用钢量得到了有效降低。另外由于结构变轻，地震作用减小，也可降低结构基础造价。2)采用防屈曲耗能支撑后，结构弹性性能满足规范要求，由于刚度变柔，结构周期增大，位移响应增大，因此可大大减轻结构的地震作用。结构扭转效应、结构竖向承载能力及刚度变化规律与原结构基本保持不变。3)采用防屈曲耗能支撑后，结构在大震下的抗震性能可得到较大改善，结构的耗能能力增强，且可达到保护主体结构构件的目的，震后修复方便。采用防屈曲耗能支撑的结构在大震下的性能可通过静力及动力弹塑性分析得以验证。4)采用防屈曲耗能支撑后，结构抗震安全性能得以提高，梁柱构件强度可以得到更充分的利用;此外，由于支撑刚度降低，结构地震作用减小，也对梁柱受力有利。采用防屈曲耗能支撑并对结构进行整体优化后，总用钢量比原方案少近50 t，节省用钢量约38%。

［1］张志阳.防屈曲支撑框架结构的设计与分析［J］.城市轨道交通研究，2007，10(7):49-53.

［2］王华琪，丁洁民，何志军.防屈曲支撑的应用与设计［J］.结构工程师，2007，23(4):6-11.

［3］李国强，孙飞飞，陈素文，等.大吨位国产TJⅡ型屈曲约束支撑的研制与试验研究［J］.建筑钢结构进展，2009，11(4):22-26.

［4］谢 强，赵 亮.带有屈曲约束支撑双重结构体系的抗震性能［J］.沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2008，24(2):221-225.

［5］刘晴云，闫 锋，汪大绥，等.屈曲约束支撑在磁浮虹桥站结构设计中的应用［J］.建筑钢结构进展，2009，11(4):27-34.