防屈曲耗能支撐技術(shù)綜述

祝倩

摘要：我國是世界上遭受地震災害最為嚴重的國家之一，地震頻繁，且震害嚴重，亟需提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼支撐框架由于結(jié)構(gòu)自重輕，被廣泛應用在多高層鋼結(jié)構(gòu)中。普通鋼支撐在中震和大震作用下會發(fā)生整體失穩(wěn)或局部屈曲，顯著降低結(jié)構(gòu)耗能能力，影響結(jié)構(gòu)的抗震安全性。防屈曲耗能支撐作為一種減震、抗震的新型構(gòu)件，越來越多地應用于大型公共建筑中，大大提高了建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

關鍵詞：鋼支撐；防屈曲耗能支撐：抗震；技術(shù)發(fā)展

1防屈曲耗能支撐技術(shù)概述

防屈曲支撐是一種力學性能良好，耗能性能穩(wěn)定的新型耗能裝置，又稱無粘結(jié)支撐、挫屈束制支撐、屈曲約束支撐、挫屈防止支撐等，屬于支撐型金屬阻尼器。防屈曲支撐一般由三部分組成：芯材、約束芯材屈曲的套管、位于芯材與套管間的無黏結(jié)材料以及填充材料，無粘結(jié)膨脹材料包括橡膠、聚乙烯、硅膠及乳膠，它們可有效降低或消除核心單元受約柬段和砂漿間的摩擦。其構(gòu)造如圖1所示：

1.1鋼筋混凝土約束防屈曲支撐。鋼筋混凝土約束防屈曲支撐一般為墻板式，即采用鋼筋混凝土墻板來對內(nèi)藏支撐進行側(cè)向約束，這種形式更適用于隔墻比較多的公共與民用建筑。常見的墻板式防屈曲支撐主要包括現(xiàn)澆式和夾板式兩種。前者是指把一字形支撐放在鋼筋混凝土墻板中并與其一同現(xiàn)澆成為一體，這種形式施工稍復雜，但整體性較好；后者是指采用分塊預制的鋼筋混凝土墻板對內(nèi)藏支撐進行螺栓夾緊，這種形式施工方便，但約束效果和整體性要稍欠缺一些。

1.2鋼管混凝土約束防屈曲支撐。與鋼筋混凝土相比，鋼管混凝土約束防屈曲支撐無需設置鋼筋，只需把內(nèi)芯插入鋼管內(nèi)部后整體現(xiàn)澆混凝土或砂漿即可，同時外包鋼管可充當混凝土模板，因此構(gòu)件制作更為簡單，造價相對更低，也避免了耐久性的問題。此外，由于鋼管混凝土的抗彎承載力和剛度比鋼筋混凝土要好得多，因此能提供更好的側(cè)向約束能力。

1.3鋼構(gòu)件約束（全鋼防屈曲支撐）。與鋼管混凝土約束防屈曲支撐相比，全鋼防屈曲支撐在鋼管內(nèi)不填充砂漿等材料，省去了混凝土澆注等一系列的復雜工序，構(gòu)造簡單，加工方便。通過外圍約束鋼管抑制內(nèi)芯在受壓時發(fā)生屈曲破壞，使內(nèi)芯能夠在受拉和受壓的情況下都可以達到材料屈服，通過內(nèi)芯的塑性變形消耗能量。

全鋼型防屈曲耗能支撐與混凝土約束型防屈曲耗能支撐的主要區(qū)別在于前者的約束構(gòu)件為全鋼構(gòu)件，其核心受力單元截面形式主要有“一”字型、“十”字型、“T”字型、槽型、工字型、管型，約束單元主要有單根圓管或方管、雙鋼管、四鋼管。此類支撐只需通過型鋼或組合鋼構(gòu)件對內(nèi)芯進行夾緊等方式來旋加約束，無需設置無粘結(jié)材料、粘貼松軟材料和澆注混凝土，構(gòu)件制作更加簡單，生產(chǎn)周期更短，質(zhì)量更容易控制。

1.4裝配式防屈曲耗能支撐。根據(jù)外圍約束構(gòu)件的組成方式防屈曲耗能支撐可分為整體式和裝配式。裝配式防屈曲支撐的研究，目前還處于起步階段，主要集中在構(gòu)造、工作性能、原理、應用等方面。

整體式耗能支撐的最大缺點在于地震過后不易檢查核心單元的損壞情況，不能針對性更換損壞部分，因而一旦發(fā)生局部損壞，就必須更換整個支撐構(gòu)件。為此，有學者嘗試開發(fā)裝配式防屈曲支撐，利用可拆的特性，在地震后便可直接拆解察看是否破壞，裝配式防屈曲支撐與過去防屈曲支撐的最大差異在于它的側(cè)撐組件是可以拆解的。

2防屈曲耗能支撐發(fā)展歷程

2.1國外發(fā)展歷程。防屈曲支撐的研究起源于日本。1973年，Wakabayashi等首次將一塊一字型鋼板埋入混凝土板中，依靠外包混凝土來約束鋼板的屈曲變形，試驗一方面證實了耗能減震的效果，另一方面也驗證了外包混凝土約束的強度大小對支撐的性能發(fā)揮有重要影響，并提出了防屈曲支撐這一概念，同時也開創(chuàng)了近40年來各國學者在該領域的不斷研究。1980年，Mochizuki等在防屈曲支撐的外包混凝土與內(nèi)核鋼板單元之間涂抹上無粘結(jié)涂層，用于消除兩者之間的摩擦力。試驗得到的滯回曲線穩(wěn)定且飽滿，提高了支撐的性能，同時也是“無粘結(jié)防屈曲支撐，研究的開端。1995年阪神地展后，防屈曲支撐體系在日本被大量使用。1994年北嶺地展后，美國也開始對這種體系進行研究。日本是世界上使用防屈曲支撐最多的國家，超過3 00棟的建筑物使用防屈曲支撐。

圖2是1992-2014年全球防屈曲耗能支撐專利申請量的情況，從圖中我們可以看到，防屈曲耗能支撐的專利申請量可以分為三個階段，第一個階段是起步階段（1992-1996），專利申請量較少，這一階段防屈曲耗能支撐多為整體式，專利申請?zhí)攸c多為結(jié)構(gòu)簡單、功能單一；第二階段是穩(wěn)定成長階段（1997-2008），隨著生產(chǎn)的發(fā)展以及試驗工作的開展、計算理論的研究、材料及施工技術(shù)的改進，防屈曲耗能支撐的芯材、約束形式、約束材料、裝配方式等均向多元化發(fā)展；第三階段是高速成長階段（2009-2014），該階段全球經(jīng)濟快速發(fā)展，高層建筑需求膨脹，且由于全球大型地震事件頻發(fā)，對于建筑的抗震性能要求進一步提高，對于防屈曲耗能支撐的研究熱情也進一步高漲，在該階段防屈曲耗能支撐的計算方法和理論進一步完善，專利申請重點是向組合型、優(yōu)化型方向發(fā)展。

在技術(shù)發(fā)展的初期，防屈曲支撐主要是整體式、外圍約束構(gòu)件主要為鋼管混凝土。隨著理論研究和實驗工作的深入，外圍約束構(gòu)件的形式也豐富起來，可拆卸的裝配式防屈曲支撐也逐漸演變產(chǎn)生。第一件防屈曲耗能支撐的專利申請是由Iwata等在1992年在日本提出（JPH0657820 A），該支撐為鋼管混凝土約束防屈曲支撐，核心受力單元采用低屈服點鋼制成，截面形式為一字型或十字型。該耗能支撐安裝在鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接處，以提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力。1996年一家日本鋼管公司在日本提出一種全鋼型的防屈曲耗能支撐（JPH09221830 A），其核心受力單元為“一”字型扁平鋼，約束單元為方形或者圓形鋼管。2003年日本一家公司提出了一種全鋼制成的可拆卸防屈曲耗能支撐（JP2004244833A），其核心構(gòu)件為一字形的長條狀構(gòu)件；約束構(gòu)件由多個可拆解的槽鋼及鋼板拼裝構(gòu)成，不填充混凝土。

22國內(nèi)發(fā)展歷程。我國防屈曲耗能支撐的起步較晚，臺灣地區(qū)在2000年左右開始展開防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，大陸地區(qū)則大概從2004年前后開始關注此類支撐的研究和應用，尤其是2008年汶川大地震之后，建筑物的抗震要求進一步提高，防屈曲耗能支撐的理論研究和試驗研究工作都在我國得到了極為迅速的發(fā)展，許多方面已達到或接近于國際先進水平。

圖3是我國防屈曲耗能支撐專利申請量情況，從圖中可以看出，2008年以前我國關于防屈曲耗能支撐的專利申請量較少，增長也較為緩慢；2008年以后，一大批大學和科研院所針對梁柱節(jié)點開始大量投入相關研究工作，專利申請量急劇增長。

圖4是我國防屈曲耗能支撐專利主要申請人分布情況，從圖中可以看出，防屈曲耗能支撐專利的申請人主要集中在高校申請人，可見該領域的學術(shù)性很強，研發(fā)核心力量在高校，研究熱度很高。專利申請量最大的為北京工業(yè)大學，清華大學、東南大學、同濟大學、哈爾濱工業(yè)大學的專利申請量也較多，為推動該領域的進步起著重大作用。

3防屈曲耗能支撐存在的問題與發(fā)展方向

雖然我國針對防屈曲耗能支撐已開展了許多研究，并取得一些成果，但仍存在以下問題：

（1）根據(jù)我國鋼結(jié)構(gòu)材料類型，開發(fā)適合我國國情的防屈曲耗能支撐形式，開發(fā)研究必須堅持構(gòu)造簡單和便于設計、制造和施工的原則，并進行系統(tǒng)的性能試驗和分析研究，進行產(chǎn)品定型。

（2）加快防屈曲支撐相關規(guī)范編寫：目前，由于中國防屈曲支撐有不同的種類，研究方法不盡相同，設計時亦無標準可依；對防屈曲支撐的試驗研究缺少統(tǒng)一的加載標準，這就給各種試驗結(jié)果的橫向比較帶來困難，因此，防屈曲支撐各種標準的制定已成為當前緊迫任務。

（3）加強對防屈曲支撐與主體結(jié)構(gòu)的連接問題研究：防屈曲支撐對裝配偏心造成的誤差很敏感，稍有不對中就會加劇其在變形過程中的偏心，大大削弱其耗能能力。一方面應提高施工工藝，減少安裝偏差；另一方面進一步研究平面鉸接和球絞連接方式，對防止節(jié)點屈曲和連接部位破壞很有意義。

（4）加強防屈曲支撐應用于大跨、超高以及網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)上的研究：隨著這類結(jié)構(gòu)形式的大量應用，對防屈曲支撐也提出了更高要求，一方面要保證其原有的耗能能力；另一方面也要保證超長防屈曲支撐的整體穩(wěn)定性。