防屈曲耗能支撐研究與應(yīng)用綜述

彭皓琨 杜 斌 何炯輝 何春保

（1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院；2 廣東順力智能物流裝備股份有限公司）

0 引言

普通結(jié)構(gòu)所布置的支撐構(gòu)件在承受地震作用時(shí)剛度迅速下降，耗能效果差，無(wú)法起到保護(hù)整體結(jié)構(gòu)的作用，而防屈曲耗能支撐具有性能穩(wěn)定、制作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在正常承載情況下為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度，在地震作用下通過拉壓滯回消耗輸入結(jié)構(gòu)的能量。防屈曲耗能支撐由內(nèi)核構(gòu)件、外包約束和無(wú)黏結(jié)膨脹材料組成[1]，其構(gòu)成方式如圖1 所示。內(nèi)核單元可分為約束屈服段（核心段）、約束非屈服段（過渡段）、無(wú)約束非屈服段（連接段）三部分（圖2）。約束屈服段是整個(gè)防屈曲支撐的核心部分，其作用是在地震作用下屈服進(jìn)而消耗結(jié)構(gòu)承受的能量；約束非屈服段是約束屈服段的延伸部分，主要作用是實(shí)現(xiàn)約束屈服段和無(wú)約束非屈服段之間的平穩(wěn)過渡，通常有改變截面寬度和焊接加勁肋兩種方法；無(wú)約束非屈服段用于連接防屈曲支撐和主體結(jié)構(gòu)，通常采用螺栓、焊接等方式連接。

圖1 防屈曲耗能支撐構(gòu)成圖

圖2 內(nèi)核單元組成

防屈曲耗能支撐是利用自身的滯回性能進(jìn)行耗能，所以其內(nèi)芯鋼材普遍采用低屈服點(diǎn)鋼制成，例如屈服強(qiáng)度160MPa 的鋼材，并且鋼材的強(qiáng)屈比不應(yīng)小于1.2，伸長(zhǎng)率應(yīng)大于25%且具有一定的韌性。支撐在承受地震作用時(shí)，主要由約束屈服段的耗能內(nèi)芯承受軸向壓力，所以內(nèi)核單元會(huì)發(fā)生橫向位移，由于外包約束限制其側(cè)向變形，使構(gòu)件具有屈服但不屈曲的效果，其特點(diǎn)是防止構(gòu)件由于喪失穩(wěn)定性而降低承載力。

1 發(fā)展與分類

1.1 發(fā)展歷史

1960 年，日本學(xué)者Sukenobu 等人[2]提出了一種在鋼支撐外部包裹鋼筋混凝土板墻的結(jié)構(gòu)形式，此種結(jié)構(gòu)能有效地提高墻體的承載能力，但延性和耗能能力并不理想。1971 年，Yoshino 等人[3]對(duì)已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)在支撐與混凝土板墻之間設(shè)置間隙并隔離粘結(jié)力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力。1998 年，日本和田章教授與日本新日鐵公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)第一次成功研制出真正意義上的防屈曲支撐[4]。美國(guó)在2000 年左右開始編寫相關(guān)防屈曲支撐的設(shè)計(jì)規(guī)范，美國(guó)學(xué)者主要集中研究防屈曲耗能支撐在結(jié)構(gòu)整體的抗震性能以及其節(jié)點(diǎn)連接問題[5]。我國(guó)相比于國(guó)外來(lái)說研究時(shí)間稍晚，在2004 年左右開始此類研究，其中郭彥林等人[6,7]利用有限元模擬對(duì)防屈曲支撐進(jìn)行有關(guān)穩(wěn)定性的研究。吳斌等人[8]成功開發(fā)出組合鋼管混凝土式防屈曲支撐和自復(fù)位式防屈曲支撐。胡大柱等人[9]對(duì)防屈曲支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過模擬較為真實(shí)地反映了防屈曲耗能支撐的抗震性能。

1.2 截面分類

1.2.1 混凝土約束型截面形式

混凝土約束型防屈曲耗能支撐包括兩種結(jié)構(gòu)形式，一種為鋼筋混凝土型，其主要截面形式為“十”字形和“工”字形（圖3），另一種為鋼管混凝土型，其核心單元主要采用“一”字形、雙鋼管形和四鋼管形。（圖4）。

圖3 鋼筋混凝土型截面型式

圖4 鋼管混凝土型截面型式

1.2.2 全鋼約束型截面形式

全鋼約束型防屈曲耗能構(gòu)件具有自重輕、布置靈活等特點(diǎn)，具有飽滿的滯回曲線，性能穩(wěn)定且性價(jià)比高。核心截面形式主要有“十”字形、“一”字形、“工”字形、圓管形和四角鋼形等，外包約束主要形式有圓管、方管等，如圖5 所示，其中“工”字形截面在罕遇地震作用下抗震性能最佳，“十”字形截面造價(jià)較高，四角鋼形還需考慮端部轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。

圖5 全鋼防屈曲耗能支撐截面形式

1.2.3 裝配式防屈曲支撐截面形式

Inoue 等[22]首先在1993 年提出鋼筋混凝土裝配式防屈曲支撐，其最大的特點(diǎn)就是方便安裝，易于更換。2003 年Tsai 等[23]設(shè)計(jì)了雙內(nèi)核雙套筒約束型裝配式防屈曲支撐，Tremblay 等[24]設(shè)計(jì)了兩個(gè)方鋼管接平板的截面形式，Usami 等[25]提出了雙”T”形鋼接平板的裝配式防屈曲支撐，Genna 等[26]在2012 年提出了加勁槽鋼裝配式截面。2010 年起，郭彥林等[27]針對(duì)純鋼裝配式構(gòu)件提出了多種截面形式。

圖6 純鋼裝配式防屈曲支撐截面形式

防屈曲耗能支撐的種類較多，且每一種構(gòu)件的特點(diǎn)差異較為顯著，以上四種主要類型的防屈曲支撐特點(diǎn)對(duì)比如表1 所示。

2 主要性能

防屈曲耗能支撐的突出優(yōu)點(diǎn)包括良好的耗能能力、減小結(jié)構(gòu)位移、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度等幾個(gè)方面。

2.1 耗能性能

防屈曲耗能支撐通過其內(nèi)芯鋼材的軸向拉壓使得截面屈服來(lái)達(dá)到耗能效果，當(dāng)構(gòu)件承受地震作用時(shí)，水平荷載首先通過框架梁柱傳遞至構(gòu)件端部的無(wú)約束非屈服段，然后經(jīng)過約束非屈服段過渡，最終作用于約束屈服段，但由于約束單元的存在，內(nèi)核單元的側(cè)向變形被約束，進(jìn)而可以使構(gòu)件承擔(dān)更多的外部荷載，防屈曲構(gòu)件具有飽滿的滯回性能和良好的延性使結(jié)構(gòu)在地震作用下具備一定的耗能能力，其耗能性能主要與支撐布置方式、內(nèi)芯鋼材種類和內(nèi)芯寬厚比相關(guān)。

表1 四種防屈曲耗能支撐的特點(diǎn)

2.1.1 布置方式

防屈曲耗能支撐布置位置不同對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能具有重要影響，選擇最優(yōu)方法布置既可達(dá)到有效的耗能又能節(jié)約經(jīng)濟(jì)，例如黃彥智[31]使用三個(gè)雙“T”型核心板雙管約束的防屈曲支撐對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，其中第一個(gè)BRB（buckling-restrained brace）為非對(duì)稱布置（NSYMF），第二個(gè)BRB 的設(shè)置為對(duì)稱形式(SYMF)，第三個(gè)布置方式與第二個(gè)相同，但構(gòu)件中耗能端比例占整總長(zhǎng)度偏低(SYMSCF)；之后分別對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 三種結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果匯總

試驗(yàn)表明：①雙“T”型核心板雙管約束防屈曲支撐可以吸收總輸入能量的90%以上；②BRB 對(duì)稱布置可使結(jié)構(gòu)吸收更多的能量；③耗能梁段占比減少可提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。

2.1.2 內(nèi)芯鋼材

內(nèi)核單元是防屈曲構(gòu)件主要的耗能部件，選擇合適的內(nèi)芯鋼材對(duì)構(gòu)件耗能大小也非常重要。汪家銘等[32]利用屈服強(qiáng)度為100MPa 的鋼材制作“一”字形防屈曲耗能支撐并進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明低屈服點(diǎn)鋼材應(yīng)用于防屈曲耗能支撐具有良好的耗能效果，在結(jié)構(gòu)位移很小的時(shí)候便已經(jīng)屈服并提前發(fā)揮耗能能力。王佼姣等[33]采用內(nèi)芯低屈服鋼外包雙腹板H 形構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，以層間位移角作為加載限制條件，得到四組構(gòu)件吸收地震能量的比例為50%～80%之間，其耗能性能較好，塑性變形能力較強(qiáng)。

2.1.3 內(nèi)芯寬厚比

內(nèi)芯寬厚比是影響構(gòu)件耗能能力的重要因素之一，不合理的寬厚比會(huì)降低構(gòu)件的抗震性能并使構(gòu)件發(fā)生局部屈曲。張浩飛等[34]利用開孔十字形全鋼防屈曲支撐進(jìn)行不同寬厚比的耗能研究并得到表3 數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：①五種不同寬厚比的構(gòu)件的耗能系數(shù)均不低于2.979，說明都具備良好的耗能性能；②阻尼比相差均小于3.14%，說明構(gòu)件拉、壓受力均衡；③十字形截面構(gòu)件的內(nèi)芯寬厚比在5～10 之間其耗能能力最佳。

表3 開孔十字型構(gòu)件不同內(nèi)芯寬厚比耗能能力

2.2 減少位移

結(jié)構(gòu)在地震作用下其側(cè)向位移顯著增大，作為耗能構(gòu)件的防屈曲支撐可以先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，通過自身的耗能能力消耗一部分輸入結(jié)構(gòu)的能量，延遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)的時(shí)間，有效減少結(jié)構(gòu)的層間位移以及層間位移角，減少結(jié)構(gòu)由于位移增加而發(fā)生破壞，降低了結(jié)構(gòu)層的地震響應(yīng)，減少結(jié)構(gòu)位移的因素包括場(chǎng)地類別、地震強(qiáng)度和防屈曲構(gòu)件布置的位置等。

2.2.1 場(chǎng)地類別

不同場(chǎng)地類別對(duì)于防屈曲支撐減少結(jié)構(gòu)位移的效果不同，比如賈明明等[35]建立了防屈曲耗能支撐鋼框架體系在不同場(chǎng)地類別下采用靜力彈塑性分析方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明：①pushover 方法對(duì)于分析含有防屈曲耗能支撐框架體系行之有效；②防屈曲耗能支撐的設(shè)置使得結(jié)構(gòu)頂部位移明顯下降25%～70%；③防屈曲耗能支撐對(duì)于一類場(chǎng)地結(jié)構(gòu)頂部位移減少最明顯，對(duì)四類場(chǎng)地減少效果最差。

2.2.2 地震強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)承受地震強(qiáng)度的大小是位移減少多少的重要因素之一，地震強(qiáng)度越大，防屈曲構(gòu)件對(duì)于結(jié)構(gòu)位移的約束效果越明顯，馬寧等[36]利用軟件建模等方法對(duì)北京某辦公樓工程采用十字形全鋼防屈曲支撐進(jìn)行抗震分析。如圖7 所示，通過對(duì)比框架結(jié)構(gòu)設(shè)置全鋼防屈曲耗能支撐（BRB）與普通鋼支撐（OBF）在不同地震強(qiáng)度作用下的位移角，表明此種全鋼防屈曲耗能支撐能夠有效減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移，并且隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，防屈曲支撐對(duì)于每層位移角的控制幅度增大。

圖7 不同地震強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)各層位移角

2.2.3 布置位置

不同位置布置防屈曲構(gòu)件對(duì)于結(jié)構(gòu)位移減小的效果不同，程琳等[37]利用有限元軟件分別對(duì)六層四跨鋼支撐結(jié)構(gòu)體系和防屈曲支撐結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了地震作用下的非線性時(shí)程分析，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 不同布置下框架地震響應(yīng)結(jié)果

研究表明防屈曲支撐的層間位移在結(jié)構(gòu)低層反而大于普通鋼支撐的層間位移，但隨著層數(shù)的增加防屈曲支撐的層間位移迅速減小并最終小于普通支撐的層間位移，說明在高層中普通支撐已經(jīng)失穩(wěn)，因此防屈曲耗能支撐布置的位置處于結(jié)構(gòu)上部效果更佳。

2.3 增強(qiáng)剛度

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中設(shè)置的普通支撐不具有自我調(diào)節(jié)和控制能力，而防屈曲耗能支撐在風(fēng)荷載或者小震作用下同普通鋼支撐一樣提供剛度，在大震下起到保護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。防屈曲耗能支撐在工程應(yīng)用中凸顯增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的作用主要是針對(duì)已有建筑的改造，在提高剛度的同時(shí)減少結(jié)構(gòu)的位移，并且使結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)良的抗震性能，達(dá)到一舉多得的效果，以下主要介紹防屈曲構(gòu)件的布置方法和剛度變化對(duì)抗震性能的影響。

2.3.1 布置方法

增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)剛度需要進(jìn)行合理的防屈曲耗能支撐的布置，為了探索最合適的設(shè)置方案，賈明明等[38]對(duì)工程中三種BRB 布置原則對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響進(jìn)行研究，三種布置原則分別為：基于結(jié)構(gòu)層間位移分布布置，基于支撐與框架剛度比布置，基于支撐與層間剪力比布置。其中基于支撐與框架剛度比布置防屈曲耗能支撐可以有效提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，并且具有良好的耗能性能。臺(tái)中的國(guó)泰世華大樓[39]在完工之后遭遇“921”大地震，之后該地區(qū)對(duì)于抗震規(guī)范進(jìn)行了修改，原本滿足要求的抗震性能需要進(jìn)一步提高。故該建筑共計(jì)安裝80 根純鋼防屈曲耗能支撐，以提高整體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，防屈曲構(gòu)件均布置于結(jié)構(gòu)2/3 的高度，其分布如圖8 所示，安裝后的構(gòu)件如圖9 所示。

圖8 國(guó)泰世華大樓防屈曲分布圖[39]

圖9 國(guó)泰世華大樓防屈曲構(gòu)件布置圖[39]

2.3.2 抗震影響

防屈曲耗能支撐在增強(qiáng)剛度的同時(shí)使結(jié)構(gòu)具備更優(yōu)秀的抗震性能，不同剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的增強(qiáng)效果不同。趙瑛等[40]基于彈塑性時(shí)程分析，建立框架結(jié)構(gòu)在大震作用下層間位移角隨剛度比變化的曲線，分析了抗側(cè)剛度分配對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示，結(jié)果可知：大震作用下結(jié)構(gòu)位移角隨著剛度比增加而減小，如果防屈曲耗能支撐設(shè)置太少則抗側(cè)剛度偏小，結(jié)構(gòu)位移偏大，但設(shè)置太多會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此，建議抗側(cè)剛度比取0.5＜k＜2.0 最為合理。

圖10 大震作用下結(jié)構(gòu)時(shí)程分析[40]

3 未來(lái)研究重點(diǎn)

雖然目前防屈曲耗能支撐在結(jié)構(gòu)型式、耗能效果、布置位置、選材等方面的研究取得了一定的成果，但仍然在許多方面存在不足：

⑴目前進(jìn)行防屈曲耗能支撐的設(shè)計(jì)必須進(jìn)行端部加強(qiáng)的設(shè)計(jì)，且外包約束單元與內(nèi)芯鋼材之間產(chǎn)生的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)影響構(gòu)件的整體抗震效果。

⑵防屈曲耗能構(gòu)件的屈服位置具有一定的隨機(jī)性，需要通過具體的試驗(yàn)得到準(zhǔn)確位置，不易進(jìn)行抗震分析與構(gòu)件設(shè)計(jì)。

⑶大部分防屈曲耗能構(gòu)件均申請(qǐng)了專利，此技術(shù)具體的生產(chǎn)制造技術(shù)得不到大面積推廣，所以其發(fā)展受到很大的限制。

目前我國(guó)在防屈曲耗能構(gòu)件的研究方面已經(jīng)有所收獲，并且國(guó)際上也有很多經(jīng)驗(yàn)可循，但是，為了進(jìn)一步提高我國(guó)建筑的抗震性能，仍然需要進(jìn)行一些方面的研究與突破：

⑴設(shè)計(jì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的防屈曲耗能構(gòu)件，以便于流水生產(chǎn)與施工安裝，并且結(jié)合我國(guó)鋼材的具體情況，研究開發(fā)出適合我國(guó)建筑應(yīng)用的產(chǎn)品。

⑵制定有關(guān)的國(guó)家規(guī)范、地區(qū)規(guī)范以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的建議，針對(duì)不同形式的構(gòu)件繪制構(gòu)造詳圖等圖集。

⑶加強(qiáng)防屈曲支撐的檢測(cè)與維護(hù)，注重構(gòu)件在地震作用之后部件替換的簡(jiǎn)便性。

⑷側(cè)重實(shí)際工程的應(yīng)用，探索不同的設(shè)計(jì)方案，累計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)防屈曲構(gòu)件對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

防屈曲耗能構(gòu)件支撐由于其優(yōu)秀的抗震性能被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，但在我國(guó)的使用比例仍需提高。針對(duì)不同類型的防屈曲耗能構(gòu)件在工程中的實(shí)際效果，還須進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證不同材料、不同結(jié)構(gòu)形式情況下防屈曲支撐構(gòu)件的耗能效果，并在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。