屈曲約束支撐國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用

林 泉，彭 偉

(1.成都大學(xué)，四川成都610016;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

屈曲約束支撐是一種新型的無粘結(jié)耗能支撐，屈曲約束支撐中心是用低屈服點(diǎn)鋼材制成的芯材，在軸向力作用下允許有較大的塑性變形，從而達(dá)到耗能的目的，在我國臺(tái)灣地區(qū)稱之為挫屈拘束支撐(Buckling Restrained Braces，簡稱BRB)，在美國和日本則稱之為無粘結(jié)支撐(Unbonded Braces，簡稱UBB)，國內(nèi)一般稱為屈曲約束支撐(Buckling Restrained Energy－dissipation Braces，簡稱 BREB)或者防屈曲耗能支撐。屈曲約束支撐作為耗能構(gòu)件使用在新建和已建的建筑結(jié)構(gòu)中。

1 屈曲約束支撐的形式與分類

目前使用中和正在開發(fā)中的屈曲約束支撐以約束單元的外形來分，主要可以分為兩大類:一種由鋼管或混凝土約束核心支撐的管式屈曲約束支撐;另一類是以墻板為約束單元的墻板式無粘結(jié)屈曲約束支撐［1、2］。

圖1 屈曲約束支撐的分類

墻板式屈曲約束支撐將墻板和支撐有機(jī)地結(jié)合起來主要用于小開間的賓館酒店建筑或者在某些特殊條件下使用。而大量使用在鋼結(jié)構(gòu)中的是管式屈曲約束支撐。這種支撐經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)有了許多種的形式。圖2給出了幾種比較典型的屈曲約束支撐的截面形狀。

圖2 屈曲約束支撐的典型的截面形狀

2 屈曲約束支撐的工作原理

目前BRB形式多樣，但原理基本相似。如圖3所示，支撐的中心是芯材(SteelCore)，為避免芯材受壓時(shí)整體屈曲，即在受拉和受壓時(shí)都能達(dá)到屈服，芯材被置于一個(gè)鋼套管(steelTube)內(nèi)，然后在套管內(nèi)灌注混凝土或砂漿。為減小或消除芯材受軸力時(shí)傳給砂漿或混凝土的力，而且由于泊松效應(yīng)，芯材在受壓情況下會(huì)膨脹，因此在芯材和砂漿之間設(shè)有一層無粘結(jié)材料或非常狹小的空氣層(Gap)。屈曲約束支撐與普通支撐最大的區(qū)別在于解決了普通支撐的受壓屈曲問題，使其受壓性狀與受拉無異。屈曲約束支撐與框架組成的結(jié)構(gòu)體系同樣表現(xiàn)出極佳的耗能性能。在約束支撐的設(shè)計(jì)時(shí)，不必考慮失穩(wěn)，只計(jì)算其強(qiáng)度，認(rèn)為支撐受拉和受壓性能完全相同，在受壓時(shí)不會(huì)發(fā)生屈曲。普通支撐框架中的受壓支撐因?yàn)榍糠滞顺龉ぷ?，降低了結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)剛度，而且框架梁的荷載增加，在同樣載荷作用下，內(nèi)力和撓度將高于屈曲約束支撐框架。

圖3 屈曲約束支撐原理圖

3 約束屈曲體系的特點(diǎn)

與抗彎剛框架和普通支撐框架相比，BRBF有以下特點(diǎn):

(1)與抗彎剛框架相比，小震時(shí)BRBF線彈性剛度高，可以很容易地滿足規(guī)范的變形要求;

(2)由于可以受拉及受壓屈服，BRBF消除了傳統(tǒng)中心支撐框架的支撐屈曲問題，因此在強(qiáng)震時(shí)有更強(qiáng)和更穩(wěn)定的能量耗散能力。

(3)BRB通過螺栓或鉸連接到節(jié)點(diǎn)板，可避免現(xiàn)場焊接及檢測，安裝方便且經(jīng)濟(jì);

(4)支撐構(gòu)件好比結(jié)構(gòu)體系中可更換的保險(xiǎn)絲，既可保護(hù)其他構(gòu)件免遭破壞，并且大震后，可以方便地更換損壞的支撐;

(5)因?yàn)橹蔚膭偠群蛷?qiáng)度很容易調(diào)整，BRBF設(shè)計(jì)靈活。而且，在非彈性分析中可以方便地模擬BRB的滯回曲線;

(6)在抗震加固中，BRBF比傳統(tǒng)的支撐系統(tǒng)更有優(yōu)越性，因?yàn)槟芰υO(shè)計(jì)會(huì)使后者的地基費(fèi)用更貴。

4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

4.1 國外研究現(xiàn)狀

關(guān)于屈曲約束支撐的設(shè)想最早可以追溯到1971年。Yoshino等人做了幾組名為“帶支撐的剪力墻”的實(shí)驗(yàn)，其中一組試件是由剪力墻內(nèi)設(shè)置鋼板支撐且兩種材料間布置無粘結(jié)材料，該剪力墻與周邊梁柱設(shè)置15 mm的間隙，這一試驗(yàn)第一次將屈曲約束支撐的概念運(yùn)用于結(jié)構(gòu)中。對屈曲約束支撐的開拓性研究來自日本若林實(shí)等研究者［3］。他們系統(tǒng)地研究了一種由混凝土包裹鋼板的屈曲約束支撐。對于由填充砂漿的鋼管作為約束單元，用鋼板作軸力單元的屈曲約束支撐的研究集中在日本。藤本等人對此類支撐進(jìn)行了深入地研究形成了目前在工程上廣泛應(yīng)用的無粘結(jié)支撐。在wakabayashi研究的基礎(chǔ)上，日本在20世紀(jì)80年代和90年代對芯材加鋼管的屈曲約束支撐進(jìn)行了多次研究。Nakamura等人對屈曲約束支撐的疲勞特性做了研究。在美國，1999年Clark在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了3個(gè)大比例約束屈曲支撐的試驗(yàn)，為美國第一座使用約束屈曲支撐的建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持。SEAOC(美國加州結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì))與AISC(美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì))聯(lián)合委員會(huì)與2001年制定了“屈曲約束支撐推薦規(guī)定”并于2005年將這些規(guī)定寫入了最新的AISC(鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)定)。

4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

(1)中國建筑科學(xué)研究院的孫建華等以一個(gè)實(shí)際工程為例［4］對含屈曲約束耗能支撐的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)及抗震性能進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明小震作用下，屈曲約束支撐處于彈性狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供支撐剛度;中震作用下，部分屈曲約束支撐達(dá)到屈服狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供耗能能力。

(2)蘭州理工大學(xué)的王秀麗等對設(shè)有屈曲約束支撐的單層柱殼，K6型球面網(wǎng)殼進(jìn)行了有限元分析，研究了屈曲約束支撐對以上結(jié)構(gòu)的減震效果，比較了不同布置形式對結(jié)構(gòu)抗震的影響，并對支撐的布置形式提出了設(shè)計(jì)建議。并對屈曲約束支撐在靜力往復(fù)荷載作用下的受力性能進(jìn)行了模擬，得到支撐滯回曲線以及內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，通過對不同縫隙和不同摩擦系數(shù)的約束屈曲支撐進(jìn)行計(jì)算，得出縫隙和摩擦力對屈曲約束支撐內(nèi)力的影響。

蘭州理工大學(xué)的李曉東等對具有側(cè)向支撐的屈曲約束支撐的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。提出了一種新型的屈曲約束支撐，即在內(nèi)核構(gòu)件和外包構(gòu)件之間不在灌注砂漿，而是設(shè)置鋼板側(cè)向支撐，并建立基于歐拉屈曲理論的力學(xué)模型，對臨界荷載，外包構(gòu)件的剛度及側(cè)向支撐的數(shù)量得到了解析公式［5］，并在此基礎(chǔ)上利用解析法對純鋼型和混凝土型屈曲約束支撐的動(dòng)力穩(wěn)定性做了研究［6～8］。

(3)同濟(jì)大學(xué)的李國強(qiáng)等根據(jù)其反復(fù)載荷作用下的滯回特征，提出了一種滯回模型，并建立了屈曲約束支撐的彈塑性剛度方程。并根據(jù)這種模型編制程序模擬繪制了屈曲約束支撐的滯回曲線，與試驗(yàn)所得曲線比較，基本符合試驗(yàn)結(jié)果［9］。

(4)同濟(jì)大學(xué)的謝強(qiáng)等采用穩(wěn)定性理論，對帶有側(cè)向約束的理想軸心壓桿和帶有初始變形的屈曲約束支撐進(jìn)行了分析，提出了一種約束支撐設(shè)計(jì)的合理性的強(qiáng)度和剛度條件的表達(dá)式，可校核設(shè)計(jì)的合理性［10］。

(5)同濟(jì)大學(xué)研制出的TJI型屈曲約束支撐是具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的屈曲約束支撐。其芯板的約束屈服段采用“一”字形，約束套筒采用方形或矩形鋼管，套筒與芯板之間無填充材料，芯板用材選用國產(chǎn)低碳鋼Q235/Q195/和寶鋼集團(tuán)Q160低屈服點(diǎn)鋼。

(6)同濟(jì)大學(xué)等進(jìn)一步研制出了適用于大噸位的TJII型屈曲約束支撐，并確定了其承載力設(shè)計(jì)方法和剛度，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。采用了寶鋼新研制的BLY225低屈服點(diǎn)鋼制作了兩根屈服承載力為650 t，長度為8 m的足尺試件，進(jìn)行了往復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明TJII型屈曲約束支撐的累積塑性變形能力遠(yuǎn)超過美國抗震規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)程中的要求［11］。

5 國內(nèi)外工程應(yīng)用

5.1 在國外的應(yīng)用實(shí)例

(1)屈曲約束支撐在日本的工程應(yīng)用較早，特別是在阪神大地震后，這種支撐作為阻尼器大量應(yīng)用在工程中。目前全球擁有專利權(quán)的制造廠商，幾乎都集中在日本。日本大阪國際會(huì)議中心大樓，總高100 m，抗側(cè)力系統(tǒng)選用了數(shù)百個(gè)此種支撐。

(2)日本豐田市的巨蛋體育場，高度92 m的斜張屋頂，使用了許多屈曲約束支撐作為耗能構(gòu)件。日本設(shè)計(jì)者根據(jù)日本規(guī)范(BRB)承擔(dān)總水平力外力的20% ～30%，這也是日本區(qū)別于其他國家設(shè)計(jì)方法的顯著不同之處。

(3)日本竹中公司廣島分公司辦公樓建成于1970年，由于日本規(guī)范的修訂，使該建筑不滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。因此，在1998年采取利用低屈服點(diǎn)鋼制成的屈曲約束支撐進(jìn)行了加固［14］。

(4)美國在1995年Northridge地震以后，對于屈曲約束支撐的鋼結(jié)構(gòu)體系也進(jìn)行了研究和應(yīng)用。2000年美國加州大學(xué)Davis分校植物與環(huán)境科學(xué)大樓建成，該結(jié)構(gòu)采用了132根屈曲約束支撐作為抗側(cè)力構(gòu)件，成為美國第一棟使用屈曲約束支撐的結(jié)構(gòu)。美國最新修訂的《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》(2005版)已經(jīng)公布，對屈曲約束支撐的設(shè)計(jì)、計(jì)算、試驗(yàn)方法以及連接做法都作了詳細(xì)的規(guī)定。美國Core Brace公司將屈曲約束支撐運(yùn)用于以下工程［14］。

①UCSF QB3 Institute for Bioengineering Biotechnology and Quantitative Biomedical Research(5層框架)，位于UCSF Misson Bay Campus，San Francisco，California，共用了 101 根屈曲約束支撐，支撐所受最大軸力5106.34 kN。

②Intermountain Health Care，Intermountain Medical Center(15層框架)，位于 Murray，Utah共用了646根屈曲約束支撐，支撐所受最大軸力5604.48 kN。

③VA D＆T Building Seismic Upgrade(6層框架)，位于Seattle，WA。共用了58根屈曲約束支撐，支撐所受最大軸力5782.4 kN。

④Kaiser Permanente(5 層框架)，位于 Vallejo，CA，共用了168根屈曲約束支撐，支撐所受軸力2001.6－5471.04 kN。

5.2 在國內(nèi)的工程應(yīng)用實(shí)例

(1)在大陸地區(qū)，威盛大廈［4］是我國大陸地區(qū)第一棟采用屈曲約束耗能支撐進(jìn)行設(shè)計(jì)的高層建筑，位于北京中關(guān)村清華科技園B5地塊(清華大學(xué)南門的東南角)，地下2層，地上12層，總高度55 m，作為辦公樓使用。該建筑的抗側(cè)力體系主要由兩部分組成，即中心區(qū)域的屈曲約束耗能支撐框架和沿周邊布置的普通鋼框架組成的一個(gè)類似與框架－核心筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系。

(2)北京通用國際時(shí)代廣場是103 m的鋼結(jié)構(gòu)建筑，考慮地處8度設(shè)防，設(shè)計(jì)中采用了延性較好的框架結(jié)構(gòu)，偏心鋼支撐及屈曲約束支撐［14］。

(3)2010年世博會(huì)將在我國上海舉行，世博中心工程將應(yīng)用我國自行研制的TJI型屈曲約束支撐。上海磁懸浮工程虹橋站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也運(yùn)用了同濟(jì)大學(xué)自行研制的屈曲約束支撐。

(4)上海市恒豐中學(xué)教學(xué)樓建于十多年前，為混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，需要在現(xiàn)有五層建筑的基礎(chǔ)上再增加一層。汶川地震后的新規(guī)范要求:學(xué)校教學(xué)樓建筑應(yīng)提高安全等級，根據(jù)該要求，抗震設(shè)防烈度由7度(0.10g)提高至7度半(0.15g)，框架抗震等級提高至二級。為此，采用屈曲約束支撐進(jìn)行抗震加固，提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度以及耗能能力［13］。

6 結(jié)語與展望

屈曲約束支撐是一種十分有效的耗能構(gòu)件，具有良好的滯回性能和良好的低軸疲勞特性。這種支撐必然會(huì)在工程界大量使用，但這種支撐的技術(shù)還部分掌握在私人手中不予公開，使得此種支撐的應(yīng)用受到了一定的制約。要想進(jìn)一步推廣使用，就必須進(jìn)一步研究，更加完善理論體系和設(shè)計(jì)方法。

［1］謝強(qiáng)，趙亮.屈曲約束支撐的研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2001(1)

［2］胡寶琳.屈曲約束支撐的研究現(xiàn)狀及國內(nèi)外的應(yīng)用［J］.四川建筑科學(xué)研究，2007(4)

［3］若林實(shí)，中村武，原章雄，等.返し水平力を受けゐ絕緣ブレ－ス內(nèi)藏PC壁板の彈塑性性狀に關(guān)すゐ 實(shí)驗(yàn)的研究(その1)，(その2)［C］//日本建築學(xué)會(huì)大會(huì)學(xué)術(shù)講演梗概集.1973:1041－1044

［4］孫建華.含屈曲約束耗能支撐的高層建筑地震作用效應(yīng)分析［J］.工程抗震與加固改造，2007(8)

［5］李曉東，王秀麗.具有側(cè)向支撐的屈曲約束支撐整體穩(wěn)定性分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2008(9)

［6］王秀麗.約束屈曲支撐在單層柱殼振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究［J］.建筑科學(xué)，2007(7)

［7］王秀麗.約束屈曲支撐對K6型球面網(wǎng)殼減震效果的分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3)

［8］王秀麗，蘇成江.約束屈曲支撐受力性能及高階模態(tài)分析［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(10)

［9］李國強(qiáng)，胡寶琳.屈曲約束支撐滯回曲線模型和剛度方程的建立［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2007(4)

［10］謝強(qiáng)，嚴(yán)承涌，趙亮.屈曲約束支撐設(shè)計(jì)的剛度與強(qiáng)度準(zhǔn)則［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(1)

［11］李國強(qiáng)，孫飛飛.大噸位國產(chǎn)TJII型屈曲約束支撐研制與試驗(yàn)研究［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2009(8)

［12］胡大柱，尤毓慧.屈曲約束耗能支撐在教學(xué)樓加固工程中的應(yīng)用［J］.工程抗震與加固改造，2009(12)

［13］Dorian L，Adams P E，Corebrace LLC.Company Profile［M］.Modern Steel Construction，2005

［14］許秀珍，崔鴻超.北京通用國際時(shí)代廣場1#樓防屈曲耗能支撐設(shè)計(jì)［C］//高層建筑抗震技術(shù)交流會(huì)論文集(第十屆).廣州:2005

［15］Xie Q.State－of－the－Art of Buckling－Restrained Braces in A-sia.［J］.Journal of Construction Steel Research，2005，61(6):727－748

［16］NAKAMURA HIROSHI，etc.Fatigue Properties of Practical －Scale Unbonded Braces.shinnittetsu Giho(1999)

［17］王仁華，俞銘華.屈曲約束支撐極限承載力研究方法探討［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2007(1)

［18］汪家銘，中島正愛，陸燁.屈曲約束支撐體系的應(yīng)用與研究進(jìn)展(Ⅰ)［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005(1)

［19］汪家銘，中島正愛，陸燁.屈曲約束支撐體系的應(yīng)用與研究進(jìn)展(II)［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005(2)