邓贞永
深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司南京分公司 210019
摘要：屈曲约束支撑(BRB)由受力单元、侧撑构件，无粘结材料组成。在拉力和压力的作用下都能屈服而不屈曲，因此能达到耗能的性能。本文主要介绍了屈曲约束支撑的要素，以及目前在日本、美国和我国的发展现状。
关键词：屈曲约束支撑；滞回性能；耗能构件；
1 前言
抗弯钢框架结构作为柔性结构，具有良好的抗震性能，但用于高烈度地震区承受较大地震作用时，由于对弯矩的抗力主要由其梁柱的弯矩提供，则没有足够的抗侧刚度来控制结构的层间位移和总体位移，致使非结构构件损伤严重。对于中、高层建筑寻求抗侧刚度适中，且主要靠非结构构件来消耗地震能量载的结构形式，成为学术界和工程界所关注的课题。通常，我们在框架体系中的部分柱之间设置支撑，形成框架——支撑体系，形成了双重抗侧力结构体系。传统的带支撑框架如中心支撑框架(CBF)在中震和强震中会出现受压屈曲和受拉屈服，而屈曲约束支撑BRB(Buckling-Restrained Braced)能克服该缺点，屈曲约束框架（BRBF）概念被提出来，它克服了传统中心支撑框架易屈曲及在延性、耗能上的局限性，拓展了建筑抗震设计的应用范围。
2 屈曲约束支撑(BRB)的工作原理
2.1 BRB的基本构造
屈曲约束支撑的基本构造是：受力单元及侧撑构件之间涂上无粘结可膨胀材料或者不使用任何无粘结材料，并在受力单元及侧撑构件间预留一定的空隙，以便形成滑移界面，同时为了保证轴力只沿受力单元传递，只有受力单元与框架结构连接 (如图1) 。通常用的受力单元是钢板，而侧撑构件是钢管。图2给出了目前使用的几种屈曲约束支撑的截面形式。
2.2 BRB工作原理
滑移界面允许受力单元和侧撑构件之间发生相对滑动。侧撑构件约束了受力单元的横向变形，同时也防止了受力单元受压时的整体屈曲，即在受拉和受压时都达到了屈服。这样使受力单元达到非常高的应力水平，超过了受力单元材料的屈服强下具有良好的滞回耗能性能。
图1 BRB的基本构造
图2 屈曲约束支撑的截面形式
3 BRB的发展历史及应用
3.1日本
日本的Wakabayashi等学者率先开始了对屈曲约束支撑的研究。他们进行了一系列由混凝土包裹钢板的屈曲约束支撑。在钢板和混凝土之间填充了一些脱粘材料，通过拉伸实验，他们检验了各种粘结方式的性能，结果证明外覆硅胶的环氧树脂为最佳方式[2]。
1988年Fujimot等对约束单元为矩形钢管内填砂浆的屈曲约束支撑进行了理论和试验研究[3],在保持内核单元截面尺寸不变的条件下通过改变约束单元的外径和壁厚来模拟不同的约束条件,考察支撑的受力性能。2000年Iwata等对日本四种产品的屈曲约束支撑进行了试验对比。在此基础上，滕本等人进一步研究，形成了目前工程上流行的无粘结支撑。日本屈曲约束支撑厂商主要有新日铁、住友金属、JFE钢铁株式会社等，BRB产品已广泛应用于工程中。
3.2美国
美国在1994年的北岭地震后，开始了对屈曲约束支撑的研究及应用。1999年Clark为建造美国加州大学Davis分校植物与环境科学大楼而进行了三大比例屈曲约束支撑的试验，前两个试件为矩形截面，第三个试十字截面。最后该大楼采用了132根屈曲约束支撑作为抗侧力构件，这也是美国第一次把该技术应用于工程中。
2000年Nakamura H.等对屈曲约束支撑的疲劳性能进行了足尺寸试验研究。受力单元采用一字和十字板形构件。试验证明屈曲约束支撑可以经受多次地震而不必更换。
现今，美国已经有应用该技术的建筑达30栋，而至少有三种专利BRB。屈曲约束支撑对已有结构的抗震加固并不仅仅局限于钢结构体系，对于混凝土结构的加固也可使用。美国盐湖城Bennett联邦大楼抗震加固工程中使用了344根屈曲约束支撑。该工程获得犹他州2002年度优秀工程奖。鉴于屈曲约束支撑钢结构在美国的快速发展，最新修订的《钢结构建筑抗震设计规程》（2005版）已经公布。新版规程对于屈曲约束支撑的设计、计算、试验方法以及连接的做法等均作了较详细的规定。
3.3我国
1999年我国台湾在集集地震后，为加固尚为完工的台北县政府行政大楼，而安装了屈曲约束支撑，达到了提高抗震消能性能。
台湾科技大学陈正诚教授,所研究的平板状芯材,钢筋混凝土为侧撑构件的挫屈束制斜撑,称为韧性斜撑构材。还进行了装有这种支撑的三层钢框架模拟地震振动台试验研究。
2003年Field C. J.用有限元LS-DYNA的隐式求解方法对屈曲约束支撑试验进行了模拟。数值结果与试验数据吻合得很好,验证了有限元分析的可靠性,说明可以用数值模拟部分代替实际试验,减少试验的试件数目。
目前，国内对这种新型支撑进行了广泛地研究，并在工程中大量运用，取得了很好的社会效益。哈尔滨工业大学的对7个一字形内芯外包钢管的防屈曲钢支撑阻尼器进行静力往复试验和子结构拟动力试验研究。为研究装有防屈曲钢支撑阻尼器的框架在地震作用下的动力反应，对一个单自由度框架结构进行子结构拟动力试验。子结构拟动力试验表明地震作用下钢支撑阻尼器结构的抗震能力得到了很大的提高，有效地降低结构的最大位移。用 ANSYS软件计算得到的和试验得到的钢支撑阻尼器结构的地震反应吻合得很好，说明 ANSYS计算时所用的阻尼器恢复力模型及参数的确定是合理的。
近年来，国内涌现了一些屈曲约束支撑构件产品设计专利，由于国内技术手段和规范的不完善，应用有限，大部分产品设计专利还停留在技术环节，没有转化为产品。
2011年，同济大学主编的DBJ/CT105-2011 TJ屈曲约束支撑应用技术规程发布，对屈曲约束支撑设计、施工、材料、验收等作了具体规定，GB50011-2010(2016版）建筑抗震设计规范总也已体现先关内容，消能减震结构的抗震性能明显提高时，主体结构的抗震构造可以适当降低，最大可降低1度，这对于现有建筑结构的加固改造具有十分重要的意义。
4 结语
屈曲约束支撑是经济、有效、实用、可靠的耗能构件，“小震经济”、“中震不坏”、“大震易修”是屈曲约束支撑的特点，完全达到了现行国家标准规定的抗震设防三水准“小震不坏、大震不倒、中震可修”，而且在此基础上更上一层楼。国内对抗震安全问题高度重视，屈曲约束支撑作为一种高效与经济的耗能减震手段，其发展潜力将十分巨大。
目前屈曲约束支撑设计理论和方法日趋完善，常规结构设计软件（如ETABS、SAP2000、SATWE等）均可进行工程运用，相关规程也已颁布。屈曲约束支撑作为一种高效与经济的耗能减震手段，技术和市场前景非常值得我们关注。科研单位、生产厂家、设计人员、施工企业等应积极推广和应用。
参考文献：
[1]谢强.屈曲约束支撑的研究进展及其应用[J].钢结构,2006,21(1):46-48.
[2]蔡克铨,翁崇兴.双钢管型挫屈束制消能支撑之耐震行为与应用研究[R].台湾大学地震工程研究中心研究报告,2002,CEER R91-02
[3] 李妍,吴斌,王倩颖等.防屈曲钢支撑阻尼器的试验研究[J].土木工程学报,2006,39(7):9-14.
[4] GB50011-2010(2016版）建筑抗震设计规范
[5]DBJ/CT105-2011 TJ屈曲约束支撑应用技术规程
论文作者:邓贞永
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/21
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