屈曲约束支撑体系的应用与研究

1、摘要：屈曲约束支撑是一种新型的耗能支撑，克服了传统支撑体系受压屈曲的缺点，其滞回曲线十分饱满，具有较好的抗震能力，可以改善支撑框架结构的承载能力，使结构在罕遇地震作用下通过屈曲约束支撑滞回耗能，降低了主体结构的破坏程度，提高了整体结构的抗震能力，是一种较有应用前景的结构体系。目前，国内外许多学者对这种屈曲约束支撑都有非常浓厚的兴趣。关键词：屈曲约束支撑；支撑框架；屈曲约束支撑框架；屈曲；抗震设计；钢框架The Practice and Research of BucklingRestrained Braced FramesAbstract：The Buckling-RestrainedBrac

2、e is a newtypeofenergy dissipationbraceIt hasovercomethedisadvantagesoftheconventionalbracebecauseofitsbucklinginhabitationItshysteresiscurveisquiteplumpness，moreover,ithasbetterabilityforseismicresistanceThebearing capacityof structuresmaybeimproved throughtheenergy dissipationofbucklingrestrainedb

3、raceundersevereearthquakes；Thedestructionofmainstructurewillbereducted，andtheabilityforseismicresistanceofstructurewillimprove. Therefore，thebracehasbetterapplicationprospectNowadays，thebuckling-restrainedbracehasattractedmanyinterestsforlotsofscholarsathomeandabroadKeywords：buckling-restrained brac

4、es；braced frame；buckling-restrained braced frame；buckling；seismic design；steel frames1. 研究的背景及意义随着科学技术和经济条件的发展，多高层建筑在我国已经得到了大量的兴建。由丁钢材具有一系列优良的特性，钢结构己成为多高层建筑结构的主要结构形式之一。高层钢结构与单层多层结构的突出不同点在于：侧向荷载起控制作用，重力荷载退居为第二位。抗侧力体系成为结构的重要组成部分，在一定程度上影响着结构的用钢量。图1表示平面为5跨的结构在各种不同层数时的用钢量。由图中可见，楼面结构的用钢量几乎与层数无关；柱、墙等竖向构件用钢

5、量随层数缓慢增长；抵抗侧力的用钢量不仅在总用钢量中占很大比重，而且随层数急剧增长。图中还显示出，优化的抗侧力体系比一般抗侧力体系可节约钢材40。支撑是钢结构框架体系的重要抗侧力构件，传统的带支撑框架有中心支撑框架和偏心支撑框架，由于传统支撑在地震作用下极易发生受压屈曲失稳，使结构的抗震能力下降，为了解决这一问题，一些学者经研究提出种新的能避免屈曲的支撑构件，称为屈曲约束支撑。这是一种在受拉和受压情况下都能达到屈服的消能支撑构件，改善了传统支撑在受压时发生屈曲的缺点，提高了结构的抗震性能。使用此屈曲约束支撑的框架体系，不仅具有良好的抗侧性能，而且提高了结构的韧性和抗震性能。此外由于钢材屈服可以吸

6、收大量的能量，因此屈曲约束支撑在进入塑性状态后可以消耗大量的能量，将结构的振动能量转化为热能消散掉，从而起到降低结构动力反应的目的。图1 高层建筑结构抵抗重力和侧向荷载的用钢量2. 屈曲约束支撑简介1.1. 屈曲约束支撑基本原理屈曲约束支撑又称无粘结支撑，是一种新型钢结构支撑，也是一种耗能支撑。屈曲约束支撑的中心是芯材，是用低屈服点钢材制成的，在轴向力作用下允许有较大的塑性变形，通过这种变形可以达到耗能的目的。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，然后在套管内灌注混凝土或砂浆。构件的组成示意图如图2所示。为减小或消除芯材受轴力时传给砂浆或混凝土的力，而

7、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。这样一来，此支撑在受压时亦能达到完全屈服，使支撑受压承载力与受拉承载力相当，克服了传统支撑受压屈曲的缺点，改善了支撑的承载能力，使支撑的滞回曲线饱满(如图3所示)，提高了结构的抗震能力。在约束支撑的设计时，不必考虑失稳，只计算其强度，认为支撑受拉和受压性能完全相同，在受压时不会发生屈曲。图2 屈曲约束支撑构件组成示意图图3 陈正诚纯钢屈曲约束支撑试验数据1.2. 基本截面形式目前可以使用的屈曲约束支撑截面形式是多种多样的，其基本截面形式如图4所示。其中芯材有平板形(如图4a,d,g,J)、十字形(

8、如图4c,h,1)、工字形(如图4b,e,i)、圆管形(如图4f)和方管形(如图4k)等。其中e-k中的芯材仅由型钢包围，在芯材与套管之间没有填充混凝土或砂浆。图4 基本截面形式1.3. 屈曲约束支撑（BRB）的基本构成屈曲约束支撑主要由以下5个部分构成(图5)：约束屈服段；约束非屈服段；无约束非屈服段；无粘结可膨胀材料；屈曲约束机构。图5 屈曲约束支撑的基本构成1.1.1 约束屈服段(Restrained Yielding Segment)该部分的截面可为多种形式，由于要求支撑在反复荷载下屈服，因此需使用延性较好的中等屈服强度钢，有时也可用高强度低合金钢。同时要求钢材的屈服强度值稳定，这对B

9、RB的能力设计的可靠性非常重要。1.1.2 约束非屈服段(Restrained Nonyielding Segment)该部分也包在套管和砂浆内，通常是约束屈服段的延伸部分。为确保其在弹性阶段工作，因此需要增加构件截面积。可以通过增加约束屈服段的截面宽度实现(截面的转换需要平缓过渡以避免应力集中)，也可通过焊接加劲肋来增加截面积。1.1.3 无约束非屈服段(Unrestrained Nonyielding Segment)该部分通常是约束非屈服段的延伸部分，它穿出套管和砂浆，与框架连接。为便于现场安装，通常为螺栓连接，也可采用焊接连接。这部分的设计需考虑：1)安装公差以便安装和拆卸；2)防止局

10、部屈曲。1.1.4 无粘结可膨胀材料(Unbonding Agent andExpansion Material)橡胶、聚乙烯、硅胶、乳胶这些材料可以有效减少或消除芯材受约束段与砂浆之间的剪力。由于约束机构的作用，约束屈服段可能会在高阶模态发生微幅屈曲，此外，还需要足够的空间容许芯材在受压时膨胀，否则由于芯材与约束机构接触而引起的摩擦力会迫使约束机构承受轴向力，因而，填充材料和芯材问需要留一定的问隙。但另一方面，如果间隙太大，约束屈服段的屈曲变形和相关曲率会非常大，这会减小屈服段的低周疲劳寿命确定间隙宽度时，需要考虑泊松比(弹性阶段和屈服阶段0.5)，问隙宽度是最大设计应变的函数。如果约束屈服

11、段和约束非屈服段的截面宽度有变化，还需要在加宽的非屈服段前设内部预留空间(图6)，以避免钢构件和砂浆直接接触。这种接触会增加支撑的抗压承载力，使之超过预计的设计强度。图6中还标出了为避免节点板与约束机构接触而设的外部预留空问。图6 约束屈曲部分与砂浆之间的间隙1.4. 屈曲约束支撑套管的基本原理芯材不和套管接触，荷载施加在芯材上。在荷载作用下，芯材产生弯曲并挤压套管的内表面，使套管产生弯曲应力。如果套管内的弯曲应力低于其材料的屈服强度，可以使芯材达到非常高的应力水平，远远超过芯材材料的屈服强度。图7为其的基本原理。如果钢套管没有足够的刚度和强度，在受到挤压时会发生局部鼓屈(如图8所示)。图7

12、屈曲约束支撑套管的基本原理图8 钢套管的鼓曲为避免钢套管的整体屈曲，Watanabe建议钢套管应该按如下公式设计，使之具有足够的弯曲刚度：式中，是约束屈服段的屈服强度;是钢套管的弹性屈曲强度：式中，是杨氏模量；是钢套管的抗弯模量；是支撑长度；在式(1.2)中，偏安全地忽略了砂浆对钢套管弯曲刚度的贡献，也没有考虑应变强化作用的影响。如果假设应变强化效应会增加支撑30的抗压强度，并在分子中加入085的系数，则有：或者 (1.1)该公式与Watanabe提出的完全一致。Watanabe对类似图（4a）外套方钢管和矩形钢管的BRB的整体屈曲行为进行了研究，一共测试了5个试件，表1是的值。后两个试件被设

13、计成。每个试件按层间位移2进行反复加载，试件4和5在受压时整体屈曲，前三个试件在受拉和受压状态下均表现出稳定和对称的滞回性能。该研究证实设计需要满足式(1.1)以避免整体屈曲。尽管试件3的值为103，但根据数值计算，如果构件的几何初始缺陷比较严重，仍然可能发生整体屈曲。Watanabe建议实际应用时不小于151.5. 屈曲约束支撑框架（BRBF）的优缺点与抗弯刚框架和普通支撑框架相比，屈曲约束支撑框架有以下优点：1)与抗弯刚框架相比，小震时BRBF线弹性刚度高,可以很容易地满足规范的变形要求；2)由于可以受拉及受压屈服，BRBF消除了传统中心支撑框架的支撑屈曲问题，因此在强震时有更强和更稳定的

14、能量耗散能力。图6是BRB和传统中心支撑的性能对比；图9 BRB和传统中心支撑的性能对比3)BRB通过螺栓或铰连接到节点板，可避免现场焊接及检测，安装方便且经济；4)支撑构件好比结构体系中可更换的保险丝，既可保护其他构件免遭破坏，并且大震后，可以方便地更换损坏的支撑；5)因为支撑的刚度和强度很容易调整，BRBF设计灵活。而且，在非弹性分析中可以方便地模拟BRB的滞回曲线；6)在抗震加固中，BRBF比传统的支撑系统更有优越性，因为能力设计会使后者的地基费用更贵。BRBF的不利之处有：1)很多BRB技术都属于私人拥有并且不对外公开。2)如果控制不好，芯材的屈服强度变化范围会很宽。3)现场安装公差一

15、般比传统支撑框架小。4)强震时的永久变形会比较大，因为这种体系和其他一些体系一样，屈服后不能自动回到初始位置。5)需要制定检验和更换受损支撑的准则。1.6. 普通支撑与屈曲约束支撑性能相比较屈曲约束支撑与普通支撑相比，其最大区别也是最大优点是它解决了普通支撑的受压屈曲问题，使受压性能与受拉性能相同。蒙特利尔工学院曾经做过相同截面面积的普通支撑和屈曲约束支撑框架的对比试验，实测的支撑滞回曲线如图10所示。从图10中可以看出，普通支撑受压时由于失稳而退出工作，滞回环不饱满；而屈曲约束支撑在受压时与受拉时性能基本相同，滞回环非常饱满，抗震性能较好。图10 普通支撑与屈曲约束支撑性能比较1.7. 普通

16、支撑框架与屈曲约束支撑框架性能比较屈曲约束支撑框架体系的承载能力和抗震性能均优下普通支撑框架体系。当普通支撑框架和屈曲约粜支撑框架顶点位移为层高的1/50时，其结构变形图(放大)如图11所示。从图11可以看出普通支撑框架中的受压支撑图为屈曲失稳而部分退出了工作，不仅降低了结构的水平抗侧刚度。而且框架梁的荷载增加，在同样荷载作用下，内力和挠度均高于屈曲约束支撑框架。纯框架、普通支撑框架和屈曲约束支撑框架三种体系在单向水平加载下的荷载一位移曲线如图12所示，从图12可知一纯框架结构的初始刚度明显低于支撑框架：随着荷载的增加，普通支撑框架中的受压支撑困为屈曲失稳而退出工作，结构的刚度下降，极限承载力

17、明显低于屈曲约束支撑框架体系。图11 结构在层间位移角1/50时的变形图12 三种结构体系受力性能示意图1.8. 屈曲约束支撑应用的经济性根据资料统计，采用屈曲约束支撑能降低结构总用钢量的510。上海某一工程因采用屈曲约束支撑结构用钢量降低了2000吨。台湾大学蔡克铨教授对一个六层框架结构进行了对比分析，使用屈曲约束支撑结构比其它结构可以降低用钢量吨，大约节约了162。3. 屈曲约束支撑框架设计方法与传统支撑框架设计方法的比较普通支撑框架是支撑和柱框架共同抵抗地震作用，在大震情况下支撑和梁、柱都要受损伤。这样一来，大震后建筑物再利用已不可能，修复费用很高。而屈曲约束支撑框架则不一样，它在罕遇地

18、震作用下，屈曲约束支撑进入塑性进行耗能，其它主体结构仍保持弹性状态或进入塑性耗能，即使主体结构进入塑性状态，它的变形量也比普通支撑框架要小，可大大降低震后的维修费用。屈曲约束支撑框架设计方法与传统支撑框架设计方法的比较可简要说明如表2所示。表2 屈曲约束支撑框架设计方法与传统支撑框架设计方法的比较4. 国内外应用情况虽然国内外建筑界对屈曲约束支撑框架设计缺乏系统的理论分析和相关规范的指导，但很多工程已经开始使用了这种结构。1995年神户地震后，约束屈曲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。这种结构体系还被使用在钢筋混凝土结构的抗震加固中。5. 存在的问题1.9. 产品标准问题尽管屈曲约束支撑是种性