郑州交通建设投资有限公司 时 松

屈曲约束支撑在工程中的应用

郑州交通建设投资有限公司 时 松

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CBF（Concentrically Braced Frame）和偏心支撑框架EBF（Eccentrically Braced Frame）。中震和强震时，CBF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。EBF通过偏心梁段的屈服，限制支撑的屈曲，可使结构具有较好的耗能性能。但是由于偏心梁段屈服，地震后结构修复较为困难，且支撑的刚度得不到完全发挥。

由于普通支撑受压屈曲不利于能量耗散，传统的中心支撑（钢支撑）在中震和强震时，支撑会受压屈曲，从而限制了支撑作为抗侧力构件的耗能能力，且地震后结构修复困难。因此相对于传统CBF提出了一种新的可以避免支撑屈曲的体系，称为屈曲约束支撑钢框架BRBF（Buckling Restrained Braced Frame），屈曲约束支撑（Buckling Restrained Brace）由芯材、外套筒以及套筒内无黏结材料组成。

一、国内外研究情况

1.国外研究情况。Yoshino是研究屈曲约束支撑的先驱，他对称为“支撑剪力墙”的结构进行了反复荷载试验研究。Wakabayashi将钢板支撑夹在一对预制钢筋混凝土板之间，进行了拉伸、压缩、子系统以及两层框架系统的试验。在Wakabayashi研究的基础上，日本在20世纪80和90年代对芯材加钢管的屈曲约束支撑进行了多次研究。Iwata于2000年对4种在日本商业应用的约束屈曲支撑进行了研究。1999年Clark在加州大学伯克利分校进行了3个大比例约束屈曲支撑的试验，为美国第一座使用屈曲约束支撑的建筑的结构设计和施工提供技术支持。2002年在伯克利加州大学完成了屈曲约束支撑框架的反复荷载试验并取得成功，验证了结构稳定理论，测试了在罕遇地震下的非弹性变形能力，标定了滞回模型。Black等还进行了整体屈曲时的稳定分析、芯材在高阶模态下的屈曲行为和塑性扭转屈曲问题的研究。Higgins和Newell研究了一种用圆钢管充填无黏结材料级配砾石作为屈曲约束机构的约束屈曲支撑。2003—2004年，在圣迭戈加州大学，利用SRMD（结构减震设施）大型试验系统完成了足尺寸屈曲约束支撑构件的拟动力加载试验。SEAOC（美国加州结构工程师学会）与AISC（美国钢结构学会）联合委员会于2001年制定了《屈曲约束支撑推荐规定》，并于2005年1月将这些规定写入了最新的《钢结构建筑抗震规定》。

2.国内研究情况。台湾的陈正诚对用低屈服点钢材（fy=100MPa）制成的屈曲约束支撑恢复力特性进行了研究。台湾的蔡克铨等研究了无黏结材料对屈曲约束支撑滞回反应的影响。清华大学的郭彦林教授对屈曲约束支撑进行了有限元分析和整体稳定性能研究，并分析了约束比、内核板件宽度比、初始缺陷、间隙等参数对支撑性能的影响，同时也简单地给出了初步简化设计方法。同济大学的邓长根教授对屈曲约束支撑的稳定问题做了一定的研究，并提出了一种新型屈曲约束支撑，即压力只由内核钢支撑承担，内核受力构件与侧撑构件之间不填充混凝土而是保留有一定的间隙，外钢管在端部收缩，使两者在端部间隙很小，同时设置一定厚度的挡板并与内钢管焊接，用来限制外钢管的滑移的支撑形式，并对这种新型屈曲约束支撑的稳定问题作了相应的研究。

同济大学多高层钢结构及钢结构抗火研究室研制的TJ型屈曲约束支撑是国内首次实现全面国产化的屈曲约束支撑，且已经产品化。其支撑性能与国外同类型产品相当，而价格仅为国外产品的1/4，且缩短了供货周期。TJ型屈曲约束支撑滞回性能优越，并开发了产品设计手册，为设计人员进行屈曲约束支撑设计提供了方便。

二、屈曲约束支撑的特点

屈曲约束支撑作为一种新型的耗能支撑，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的性能一致，从而大大提高了钢材的利用率。由于屈曲耗能支撑本身没有受压稳定的问题，与相同条件下的普通支撑相比，其截面可大大减小，能够改善结构整体抗震性能。抗震性能是地震区建筑结构设计过程中的一项重要指标，合理的抗震耗能体系不仅可以降低结构的造价，其更大的作用体现在遭受地震时保护结构主体不受破坏与结构使用者的生命不受到威胁。作为抗震耗能性能优越的代表产品之一，屈曲约束支撑在国内外工程中的应用正在逐渐推广。

对于采用了屈曲约束支撑的结构而言，屈曲约束支撑成为了结构的耗能元件，起到结构“保险丝”的作用。屈曲约束耗能支撑结构延性性能好，耗能能力强，在强烈地震作用下，由于屈曲约束支撑消耗了大量地震能量，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。同时，由于屈曲耗能支撑便于拆卸维修，从而能够实现结构整体大震易修的目的。

屈曲约束耗能支撑技术的应用，不仅提高了结构整体的抗震性能，特别是提高结构在大震作用下性能，同时由于能够消耗地震能量，因此能够减轻主体结构所受的地震作用，减小主体结构的材料用量，因此具有很好的经济效益。

1.承载力高。由于芯材不受长细比控制，抗震设计中，屈曲约束支撑的轴向承载力设计值为：Nb=Af，因此可以大大提高钢材的利用效率，节省钢材的用量，从而能够带来显著的经济效益，节省投资。统计数据表明，采用屈曲约束支撑结构体系与普通支撑结构体系相比，能够节省20%～30%的钢材。同时另一方面也将带来节能环保和减少污染的社会效益。

2.减小相邻构件受力。当支撑为人字形或V字型布置时，由于普通支撑受压屈曲，受拉与受压承载力差异可能很大，而普通支撑的截面由受压稳定承载力控制，但支撑受拉时其内力最大可达到受拉承载力，故与支撑相邻构件的内力由支撑受拉承载力控制。如采用屈曲约束支撑，支撑受拉与受压承载力差异很小，可大大减小与支撑相邻构件的内力（包括基础），减小构件截面尺寸，降低结构造价（平均造价节约为10%～20%）。

3.延性性能好。屈曲约束支撑在弹性阶段工作时，就如同普通支撑可为结构提供很大的抗侧刚度，可用于抵抗小震以及风荷载的作用。在弹塑性阶段工作时，变形能力强、滞回性能好，就如同一个性能优良的耗能阻尼器，可用于结构抵御强烈地震作用，大大提高了结构的抗震性能。

4.保护主体结构。在建筑工程中，尤其是我国的《抗震设防分类标准》中属于重点设防类建筑，在地震时其功能不能中断或者需要尽快恢复，在强震作用下保护主体结构的不破坏和降低人员伤亡显得更为重要。

屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力，在大震下可起到“保险丝”的作用，用于保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏，将地震情况下的经济损失与人员伤亡降低到最小程度。并且大震后，可以方便地更换损坏的支撑，大大缩短了震后修复重新投入使用的时间，避免震后进一步的经济损失，因此在该建筑中采用屈曲约束支撑能够带来显著的社会效益。

三、屈曲约束支撑的应用

1.国外的应用。屈曲约束支撑在日本应用较多，在美国、加拿大和我国台湾地区也有使用。

1995年神户地震后，屈曲约束支撑体系在日本被大量使用。1994年北岭地震后，美国也开始接受这种体系。目前日本已有250栋建筑、美国有50栋已建和在建的建筑使用了这种体系。

1999年台湾集集地震以后，正在建设中的台中县政府大楼就进行了重新的抗震验算，最后采取给结构中增加屈曲约束支撑来提高结构的抗震等级；台北101国际金融中心大楼也采用了屈曲约束支撑技术。

2.国内的应用。我国大陆地区也在推广这种支撑体系，目前该支撑形式应用前景很好，已经在北京、上海、西安等在建建筑中开始使用。上海世博中心、上海虹桥交通枢纽、上海申虹办公楼、东方体育中心等一批地标性建筑物中得到应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

北京通用国际时代广场是103m的钢结构建筑，考虑地处8度设防，设计中采用了延性较好的框筒结构，偏心钢支撑及首次在大陆使用的屈曲约束支撑。上海世博中心为中国2010年世博会四大永久场馆之一，总建筑面积约14万m2。地下1层，地上7层，在结构关键部位采用500多根屈曲约束支撑，大幅度降低了结构用钢量，提高了抗震性能。

目前屈曲约束支撑主要有国外厂家与国内同济大学研发的专利产品，国外产品在与国内产品同等质量水平下价格较贵；而为了在我国推广应用这种具有良好抗震性能的体系，国产化屈曲约束支撑的应用与研究需要进一步开展。