屈曲约束支撑发展及其在建筑结构中的应用

裴生棠

【摘要】屈曲约束支撑因其良好的滞回耗能能力被广泛应用于建筑结构。介绍了屈曲约束支撑的组成部分、各部分的用途以及整个支撑的工作原理，详细讨论了影响其性能的关键因素。对支撑设计时应综合考虑支撑的耗能和承载力之间的关系，并尽量避免各种不利因素，从而最大限度的发挥屈曲约束支撑的优良性能。

【关键词】屈曲约束支撑；抗震加固；滞回耗能；关键因素

近年来，世界范围内地震频繁发生，大量建筑在地震发生后往往出现较大的非线性变形，无法快速恢复功能。对于遭受地震破坏的建筑，通常的做法是拆除重建或者维修加固，相比拆除重建，结构维修加固更为经济简便。但是传统的支撑钢结构体系在支撑受到较大轴向压力作用时极易产生屈曲变形而退出工作。出于以上原因，一些学者提出了一种压力作用下不发生屈曲的构件[1-4]，称为屈曲约束支撑BRB（Buckling Restrained Braces），其在拉力和压力作用时均能表现出稳定的滞回特征，并表现出良好的耗能能力和延性性能。

此外，屈曲约束支撑便于加工安装，安装到结构上能有效提高结构刚度，支撑的安装不影响建筑物的使用功能和建筑造型，成为了结构消能减震设计的重要方法之一，在新建建筑中使用，也被广泛地应用到结构的加固中。由于屈曲约束支撑仅为耗能构件，而非承重构件，不对结构承载力产生较大的影响，安全、可靠且高效，因此屈曲约束支撑在高层、超高层建筑中得以广泛应用。

1 屈曲约束支撑构造及分类

1.1 屈曲约束支撑构造

屈曲约束支撑本质上是一种位移型金属耗能构件，屈曲约束支撑不仅能够像普通支撑构件起到支撑作用，还具有良好的耗能作用。屈曲约束支撑的优异性能与其特殊的构造密不可分，其主要组成部分包括外钢管套、核心钢板和无粘结材料，如图1所示。

图1 防屈曲支撑组成

核心钢板一般采用低屈服点的钢材制成，为支撑中主要的受力部件，用于承受结构传来轴向拉力和压力。

外套钢管则是用于约束核心钢板的构件，通常在钢管内填入混凝土或者砂浆，从而保证核心钢板不会再较小的轴向压力作用下就失稳而丧失承载力。无粘结材料用于给内芯和外套钢管之间提供可以滑动的界面，保证二者可以自由滑动，防止二者之间产生摩擦力而增大核心钢板的内力；该无粘结材料的选取也是屈曲约束支撑构件中的关键，经常选用摩擦系数较小的乳胶和聚乙烯等材料。

1.2 屈曲約束支撑分类

核心钢板一般采用屈服点较低的钢材制成，不仅能起到一定的支撑补强作用，还具有优良的耗能能力。核心钢板可以被制作成多种形式，常见的有“一”字形、“十”字形、“工”字型等，外套钢管也可以制作成矩形、菱形和圆形等不同形式，如图2。

图2屈曲约束支撑不同截面形式

2 屈曲约束支撑影响因素

2.1 间隙影响

外套钢管与内核钢板之间的缝隙决定着屈曲约束支撑构件正常工作与否，因此合理地设置间隙可以确保内核钢板在较高阶模态下仍然能够达到屈曲，起到耗能作用。

内核单元在受压状态下由于材料的泊松效应会发生截面横向膨胀，这时要合理地设置内核与外围约束部分之间的间隙，防止内核单元受压产生膨胀变形而受到外围单元的约束产生套箍效应或者内核单元横向变形过大而减小防屈曲支撑疲劳寿命[5]。

当间隙设置的太小时，内核钢板会由于泊松效应在达到全截面压曲前就产生侧向变形并与外套钢管接触，出现三向受压应力状态而不容易屈服，无法表现出内核钢板屈服强度低的特点，与此同时，外套钢管内的混凝土或砂浆极容易被压溃，在外套钢管内产生空腔而影响屈曲约束支撑的性能。

当间隙设置太大时，外套钢管则对内核钢板无法起到较好的约束作用，核心钢板在达到其屈服强度前就提前屈服，或者，核心钢板可能只有在很大的半波失稳变形后才会进入屈服阶段，从而无法很好的起到保护结构的作用。

综上所述，屈曲约束支撑核心单元与外围约束单元之间的间隙设计应以不影响往复荷载下支撑的耗能性能作为最小间隙的原则；对于防屈曲支撑框架结构在罕遇地震下弹塑性位移角限值为1/80，为保证罕遇地震下支撑不失去工作能力，在检测中要求每个支撑都需要有相应于层间位移角1/50的延性[6]。

2.2初始缺陷影响

实际工程中，任何构件本身都难以避免地存在着不同程度的初始缺陷，支撑构件对初始弯曲缺陷的影响也极为敏感。实际构件的初始弯曲形状有着多种形式，实际初始缺陷可以简化成正弦半波曲线来表示。

屈曲约束支撑所能承受的跨中弯矩随着初始缺陷率的增大而降低。对于初始缺陷一定的支撑构件，为保证受压的核心钢板能够达到全截面屈服状态，核心钢板刚度与其抗弯承载力之间成反比。

2.3集中因子影响

屈曲约束支撑是由三个截面面积不同的部件所组成的，其截面面积从核心钢板到连接部件是逐渐增大的。由于各组成部件的截面面积存在较大差异，因此，在截面面积相对较小的部位容易出现应力集中的现象，该现象主要发生在核心钢板部位，往往对整个构件的耗能能力产生负面影响。台湾蔡克铨[7]等学者提出了集中因子α来表示应力集中现象的影响：

（1）

式中 和 分别表示核心钢板的长度和支撑两端连接点的距离。

核心钢板的长度和支撑两端连接点的距离决定了集中因子的大小，进而通过集中因子大小来反映整个支撑构件的刚度大小及耗能能力优劣。在进行屈曲约束支撑设计时，就可以通过调整构件集中因子的大小来控制构件的性能，例如对构件设计较小的集中因子α，核心钢板一出现塑性变形，构件就开始耗能，而此时整个支撑的连接点只需要出现微小的相对位移即可。

3 结语

屈曲约束支撑各组成部分只有经过合理的设计和布置才能使整个构件发挥最佳的耗能作用，成为结构抵御地震作用的有力防线，避免结构出现严重破坏。随着人们对结构安全性需求的日益提高，屈曲约束支撑将会得到更为广泛的应用。

参考文献

[1] 陈骥. 钢结构稳定理论与设计（第三版）[M]. 北京：科学出版社，2006.

[2] 周云，金属耗能减震结构设计[M].武汉： 武汉理工大学出版社， 2006.

[3] 汪家铭，中岛正爱.陆烨（译）.屈曲约束支撑体系的应用和研究进展[I].建筑钢结构进展，第7卷第2期，2005年4月

[4] 蔡克铨，黄彦智，翁崇兴.双管式挫屈束制（屈曲约束）支撑之耐震行为与应用[J].建筑钢结构进展，2005.