抗震構(gòu)件防屈曲支撐的研究進(jìn)展以及應(yīng)用開發(fā)*

赫宇童 丁孫瑋 涂田剛

1.上海第二工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 200120

2.上海材料研究所 200080

3.上海消能減震工程技術(shù)研究中心 200080

引言

防屈曲支撐，又稱屈曲約束支撐（bucklingrestrained brace），簡稱BRB，最早是由日本學(xué)者開發(fā)的墻板式防屈曲耗能支撐，并進(jìn)行了對其加入不同無粘結(jié)材料的拉伸和壓縮試驗(yàn)，驗(yàn)證了其良好的抗震性能。而普通支撐在地震等自然災(zāi)害下，由于反復(fù)受拉受壓，會導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生屈曲現(xiàn)象，為了避免這種安全隱患，在普通支撐外部設(shè)置套管，約束支撐的受壓屈曲，構(gòu)成現(xiàn)如今的防屈曲支撐。

現(xiàn)如今國內(nèi)外對防屈曲支撐的研究取得了突出的進(jìn)展，在傳統(tǒng)的防屈曲支撐基礎(chǔ)上不斷改良結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，在克服傳統(tǒng)防屈曲支撐自重大、端部易產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象以及累計(jì)塑性變形不夠等問題的基礎(chǔ)上，不斷改善防屈曲支撐的滯回耗能性。

此外，許多學(xué)者和工程師在學(xué)術(shù)和研究中，提出了一種分級耗能的思想，并且應(yīng)用于防屈曲支撐的開發(fā)中，利用不同材料的高低屈服點(diǎn)或是利用防屈曲支撐和金屬阻尼器組合，以達(dá)到雙階耗能的特點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。

1 基本構(gòu)造及工作原理

一般來說，防屈曲支撐分別以橫向截面與縱向支撐段來介紹它的基本構(gòu)成和工作原理。橫向構(gòu)成包括核心單元（芯材）、約束單元以及滑動機(jī)制單元（無粘結(jié)層），如圖1 所示［1］。核心單元是主要的屈服耗能單元；約束單元主要由混凝土（或是砂漿等）與鋼套管組合而成，以提供側(cè)向約束力，防止結(jié)構(gòu)受壓時屈曲；無粘結(jié)層是為了減小芯材和約束結(jié)構(gòu)的摩擦力，使結(jié)構(gòu)受力均勻，同時提供一定的間隙。

圖1 防屈曲支撐的橫向構(gòu)成［1］Fig.1 Lateral composition of buckling restrained brace

除了無粘結(jié)可膨脹材料和約束結(jié)構(gòu)之外，縱向構(gòu)成主要是指核心單元各個部分在工作時的作用——分為工作段、連接段和過渡段，如圖2 所示［1，2］。工作段（約束屈服段）是芯材的主要耗能段，由延性較好的鋼材構(gòu)成，使支撐在反復(fù)荷載中屈服耗能。連接段（無約束非屈服段）是指鋼管套外部的部分，利用螺栓或者焊接的方式與節(jié)點(diǎn)板連接，方便安裝。過渡段（約束非屈服段）為避免工作段和連接段直接連接發(fā)生損壞，使其在彈性工作范圍內(nèi)，過渡段緩慢提高截面面積，防止出現(xiàn)集中引力的現(xiàn)象［1］。

圖2 防屈曲支撐的縱向構(gòu)成［1］Fig.2 Longitudinal composition of buckling restrained brace

約束單元（屈曲約束機(jī)構(gòu)）是指承受軸向荷載的中心芯材外套鋼管（管內(nèi)灌注填充料，或完全采用組合鋼構(gòu)件，以使支撐擁有足夠的抗壓強(qiáng)度，從而有效限制受壓時約束屈服段的屈曲位移），避免芯材受壓整體屈曲，即芯材在受拉和受壓時都能達(dá)到屈服［1，3］。

芯材表面與約束單元的鋼套管的無粘結(jié)材料起到減小摩擦的作用，同時留有一定的間隙，能實(shí)現(xiàn)受壓時芯材全截面屈服耗能。為防止外圍套管與鋼芯的摩擦，對鋼芯提供有效的約束［4］。

2 防屈曲支撐的研究進(jìn)展及改良方案

2.1 芯材端部易損壞問題的提出及相關(guān)性能的改進(jìn)措施

芯材，也稱作核心單元，是防屈曲支撐主要的受力單元，也是整個支撐的最重要的部分，由特定強(qiáng)度的鋼材制成，一般采用低強(qiáng)度鋼材。核心單元根據(jù)不同的工程需求，設(shè)計(jì)了多種多樣的橫截面，例如圖3 所示的一字型、工字型、十字型、矩形等。

圖3 常見BRB 芯材的橫截面形式Fig.3 Cross sectional form of common BRB core

Alhamaydeh 等［5］利用ABAQUS 仿真軟件對防屈曲支撐進(jìn)行循環(huán)載荷的模擬，結(jié)果顯示：在不同條件的載荷下，芯材局部易發(fā)生頸縮現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致整個支撐的損壞。

現(xiàn)如今，國內(nèi)外學(xué)者開始對于傳統(tǒng)芯材模型進(jìn)行組合、加工和改造，甚至基于傳統(tǒng)芯材開發(fā)出新型的模型，以提高抗震性能或者改善傳統(tǒng)模型的一些存在的問題。

1.開孔式芯材

廣州大學(xué)周云等［6，7］針對傳統(tǒng)防屈曲約束支撐端部易發(fā)生損壞屈曲等問題，提出了定點(diǎn)屈服的理念，設(shè)計(jì)了對于核心單元鋼材進(jìn)行開孔的開孔式三重鋼管防屈曲支撐，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)屈服的效果。為研究這種芯材開孔對于防屈曲支撐減震性的影響，設(shè)計(jì)了4 個不同開孔形式的開孔鋼板裝配式屈曲約束支撐試件，進(jìn)行低周往復(fù)載荷加載試驗(yàn)和性能分析。結(jié)果表明：芯材開孔后可以是支撐較快進(jìn)入屈服耗能階段，同時也可以降低芯材與約束機(jī)構(gòu)的摩擦力。

賈良玖等［8］也研究了一種芯材開孔的新型全鋼屈曲約束支撐（PBRB），通過在芯材上開孔來削弱其軸向剛度和截面強(qiáng)度，使其快速進(jìn)入屈服階段耗能，提高耗能效率。研究結(jié)果表明：PBRB具有滯回性能穩(wěn)定、延性高及累積耗能能力優(yōu)良等特點(diǎn)。

龔晨等［9］則采用ABAQUS 有限元軟件對PBRB模型進(jìn)行模擬分析，研究開孔段截面與未開孔區(qū)域橫截面面積比、開孔段的長寬比、間距比，開孔數(shù)量等參數(shù)對該支撐的相關(guān)性能的影響規(guī)律，得出結(jié)論：PBRB 的開孔設(shè)計(jì)參數(shù)的建議取值范圍為面積比為0.3 ～0.6；長寬比為0 ～10；間距比宜為1 ～1.5。

Piedrafita 等［10］提出了一種新的穿孔芯材式的防屈曲支撐，它的芯材是由等距橫向穩(wěn)定搭橋式連接的兩個側(cè)帶形成的平板，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2.局部強(qiáng)度弱化熱處理

陳志華等［11］提出局部強(qiáng)度弱化熱處理技術(shù)，在不削弱截面尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)定區(qū)域的鋼材強(qiáng)度削弱，從而降低屈服點(diǎn)，是支撐快速進(jìn)入耗能階段，雖然熱加工處理的想法很新穎，但針對端部易屈曲的問題并沒有顯著的改善。

3.芯材的組合、加工和改造

王鵬等［12］針對此類問題，故提出一種新型切削十字型屈曲約束支撐，通過ABAQUS有限元軟件模擬分析，發(fā)現(xiàn)可以通過改變核心的寬厚比來改善端部屈曲的問題。

熊瑛等［13］提出了一種新型的屈曲約束支撐，運(yùn)用傳統(tǒng)的切削工藝將支撐核心削薄，進(jìn)而解決屈曲約束支撐端部易屈曲，自重大的特點(diǎn)。

楊艷敏等［14］則另辟蹊徑，通過組合角鋼相互焊接的方式自主研制了一種組合角鋼改進(jìn)型屈曲約束支撐，設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。通過疲勞試驗(yàn)以及仿真軟件ABAQUS 的數(shù)值模擬，結(jié)構(gòu)表明：組合角鋼改進(jìn)型屈曲約束支撐的滯回曲線飽滿，耗能良好，拉壓差最小，具有較高的應(yīng)用價值。

圖4 組合角鋼改進(jìn)型屈曲約束支撐設(shè)計(jì)圖［14］Fig.4 Design drawing of improved buckling restrained brace of composite angle steel

無獨(dú)有偶，周鵬等［15］在十字型芯材的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙室箱形雙內(nèi)核防屈曲支撐，每個箱式各自偏心內(nèi)插T 形內(nèi)核單元，并利用ABAQUS有限元軟件模擬分析，結(jié)果表明：相比于單室十字形防屈曲支撐，其耗能性能更好，端部更不易屈曲變形。

Kim等［16］采用一種填滿方鋼管的H 型鋼防屈曲支撐，對該類支撐進(jìn)行了低周往復(fù)載荷試驗(yàn)，有效地解決了H 型鋼芯材的局部屈曲問題。

2004 年，日本學(xué)者加藤基規(guī)等［17］首先建立了二重鋼管防屈曲支撐模型，并且研究了該類支撐的滯回性能參數(shù)。

Heidary-Torkamani和Maalek［18］提出了一個新穎的全鋼管中管（Tube in Tube）防屈曲支撐，并采用中間環(huán)數(shù)值模擬研究了約束鋼管的強(qiáng)度與剛度，核心管的強(qiáng)度以及兩管之間的間隙對性能的影響。

沈小璞等［19］也設(shè)計(jì)了一種全鋼管中管防屈曲支撐，該防屈曲支撐由內(nèi)圓管和外方管組成，具有重量輕、制作簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。利用有限元軟件ABAQUS，對該支撐構(gòu)件進(jìn)行低周往復(fù)載荷加載模擬分析。結(jié)果表明：防屈曲支撐的承載力與耗能較普通支撐均有較大程度的提高。

Nader Hoveidae和Saeed Radpour［20］介紹了一種新型全鋼管中管防屈曲支撐，該支撐由一個短長度混合芯串接在一個不屈服的堅(jiān)固構(gòu)件上，可以有效減小殘余漂移，提高耗能效率。

Wang 等［21］開發(fā)了竹形屈曲約束支撐，并對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該類支撐有較好的耗能性，低周疲勞性能受其耗能段長度的影響。

Zhang等［22］提出了一種新型的三管重疊防屈曲支撐（three-tube buckling-restrained brace，TTBRB）。在中管上設(shè)置開槽孔以增強(qiáng)其滯回性能，并對開孔比進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

肖邵文等［23］設(shè)計(jì)了一種由三重鋼管組成的防屈曲支撐中防屈曲套管，其由位于中間層的芯材鋼管和分別位于芯材鋼管外側(cè)和內(nèi)側(cè)的防屈曲套管組成，如圖5 顯示，在支撐中芯材鋼管完全屈服后，抗屈曲支柱的彎曲剛度將全部由內(nèi)抗屈曲套管和外側(cè)的防御屈曲套管所供給，以控制芯材整體屈曲。新近幾年也是層出不窮，許多學(xué)者不僅在新型材料的使用上很大程度的解決了傳統(tǒng)屈曲的一些缺點(diǎn)，同時也設(shè)計(jì)出許多新穎的結(jié)構(gòu)，很好的優(yōu)化了支撐本身的性能。

圖5 三重鋼管防屈曲支撐構(gòu)造［23］Fig.5 Structure of three-tube buckling-restrained

郭彥林等［26］提出一種雙矩管帶肋防屈曲支撐，這種支撐的核心部分是一個熱軋H型鋼，外部約束則由2 個帶肋的矩形鋼管組成，鋼管中灌注混凝土提高約束部分的剛度和承載力。

吳繼豐等［27］研究了一種螺旋箍筋約束防屈曲支撐的設(shè)計(jì)方法，該類新型支撐以螺旋箍筋約束混凝土套筒代替鋼管混凝土套筒，如圖6 所示。通過低周往復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)研究其性能，結(jié)果表明：螺旋箍筋約束防屈曲支撐的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能性能。

圖6 螺旋箍筋約束防屈曲支撐［27］Fig.6 buckling restrained brace with spiral stirrup

謝永蘭等［28］提出一種混凝土約束型防屈曲支撐，并通過有限元計(jì)算分析核心受力構(gòu)件與外圍約束構(gòu)件之間的間隙對其受力性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土約束性防屈曲支撐有較好的承載性能，芯材與約束結(jié)構(gòu)間隙為1 ～3mm 時，支撐耗能性最佳。

高慶水等人［24］通過有限元模擬，研究了內(nèi)、外套鋼管和芯材鋼管之間的空隙，以及芯材鋼管內(nèi)環(huán)外向預(yù)應(yīng)力大小對TTBRB 滯回特性的影響。

吳志平等［25］提出一種鋼棒防屈曲支撐（SBBRB），利用鋼棒作為芯材，進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，研究其受力性能和耗能能力，并采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示：SBBRB具有較好的延性以及十分穩(wěn)定的累積滯回耗能特性。

2.2 約束結(jié)構(gòu)

約束單元，也稱作側(cè)向支撐單元，負(fù)責(zé)提供約束機(jī)制，以防止核心單元受軸壓時發(fā)生整體或局部屈曲。比較常見的約束形式為鋼管填充混凝土或純鋼型結(jié)構(gòu)約束。對于約束結(jié)構(gòu)的開發(fā)和創(chuàng)

1.新材料對于約束機(jī)構(gòu)自重問題的改善

在上一小節(jié)我們提到過傳統(tǒng)防屈曲支撐具有自重大的缺點(diǎn)，許多學(xué)者也根據(jù)這一問題，從約束機(jī)構(gòu)的材料入手，提出了相關(guān)解決辦法，霍林生等［29］本文提出一種鋁管約束輕型防屈曲支撐的設(shè)計(jì)方法，該支撐由兩根圓管嵌套組合而成，核心鋼管為普通Q235 鋼管，約束單元為7075 鋁合金圓管，其耗能性還是通過開孔和間隙等因素決定，但其利用鋁管結(jié)構(gòu)約束有效地解決了自重問題，可適用于輕型結(jié)構(gòu)。近年來，隨著對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP）的推廣和使用，利用該類材料制作防屈曲支撐可以達(dá)到輕質(zhì)高效的性能特點(diǎn)。Sherif等［30］提出利用砂漿塊與碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）組成外約束部件，其也有不俗的力學(xué)性能。錢鵬等［31］也利用CFRP的輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)做了相關(guān)研究，但其發(fā)現(xiàn)CFRP 破壞后呈脆性，無法充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，故提出將CFRP 與鋁合金組合形成CFRP-鋁合金組合管來改善其受力性能和構(gòu)件連接性能。Jia 等［32］將CFRP 與玄武巖組合作為約束結(jié)構(gòu)，不僅改善了自重問題，同時也可以改善支撐的可修復(fù)性和耐腐蝕性。

Dusicka 等［33］設(shè)計(jì)了一種超輕型防屈曲支撐，其利用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）捆綁拉擠管，試驗(yàn)證明；該類設(shè)計(jì)不會影響支撐的耗能性和強(qiáng)度，但可以大大減輕自重。Sun 等［34］也提出了一種采用混凝土填充玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）作為約束單元的防屈曲支撐也具有較好的耗能特性。

胥曉光等［35］提出一種新型的GFRP-鋼屈曲約束支撐，芯材采用十字型截面的低屈服點(diǎn)鋼，外約束部件采用4 根GFRP 拉擠型材管拼接組裝，在支撐外周環(huán)向纏繞GFRP纖維紗，構(gòu)造一種輕質(zhì)高效的屈曲約束支撐，如圖7 所示。此類支撐設(shè)計(jì)極大的減輕了構(gòu)件的自重問題，有利于工業(yè)化生產(chǎn)和抗震方面的研究，其承載力和耗能性并無弱化現(xiàn)象。

圖7 GFRP-鋼屈曲約束支撐構(gòu)造［35］Fig.7 GFRP steel buckling restrained brace structure

蔣海燕等［36］設(shè)計(jì)一種碳纖維布增強(qiáng)鋼-木屈曲約束支撐，將碳纖維布橫向纏繞膠合木側(cè)材并承受核心鋼板局部屈曲引起的橫向拉力，從而保障膠合木-鋼屈曲約束支撐的工作性能。使用木材作為約束結(jié)構(gòu)別出心裁，木材建筑結(jié)構(gòu)有環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，也能改善自重大、與建筑協(xié)調(diào)性等問題。

張峰［37］也設(shè)計(jì)了一種正交層板膠合木鋼-木屈曲約束支撐，發(fā)現(xiàn)該類支撐有整體性好、質(zhì)量輕便的特點(diǎn)，同時也有較好的耗能性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.純鋼結(jié)構(gòu)

除了越來越多的材料被開發(fā)應(yīng)用到支撐上，傳統(tǒng)防屈曲支撐外部約束結(jié)構(gòu)多為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其弊端也是自重過大，所以越來越多的學(xué)者考慮將純鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到約束結(jié)構(gòu)上，利用螺栓或者焊接工藝，將構(gòu)件拼裝而成，純鋼約束構(gòu)件有輕便，易加工安裝等優(yōu)點(diǎn)。

郭彥林等［38］提出一種四角鋼組合約束型承載屈曲約束支撐，其特點(diǎn)是用高強(qiáng)度螺栓把4 個外圍約束角鋼連接成整體，起到對核心部分的約束作用。他們設(shè)計(jì)了五組不同參數(shù)的四角鋼支撐，在軸壓循環(huán)荷載作用下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，并通過ABAQUS軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：該類支撐的約束比決定了其載荷作用下的承載力與耗能性，調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)可提高其可靠性。

趙俊賢等［39］提出一種全角鋼式防屈曲支撐，以改善傳統(tǒng)屈曲約束支撐部分屈曲問題，該支撐的內(nèi)芯由4 個等邊角鋼通過屈服段無焊接技術(shù)組合而成，約束構(gòu)件則由兩個等邊角鋼沿縱向焊接組合而成。該類支撐也具有較好的延性以及十分穩(wěn)定的累積滯回耗能特性。

丁婷等［40］提出一種新型外圍約束機(jī)制，核心部分為一字型芯材，外圍約束單元為鋼套管結(jié)合橫向加勁和縱向加勁管，ANSYS有限元軟件模擬后，結(jié)果顯示：在滿足構(gòu)造合理的前提下，縱向加勁支撐相較于橫向，初始剛度較大且滯回曲線飽滿，能為結(jié)構(gòu)提供一定的水平剛度并具有良好的耗能能力。

Judd等［41］對防屈曲支撐組件與全鋼腹板約束支撐（WRB）進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，該類支撐在不降低材料性能的情況下具有顯著的延性。

朱博莉等［42］提出一種用波浪腹板連接的雙內(nèi)核防屈曲支撐（Corrugated-Web-Connected Buckling-Restrained Braces 簡稱CW-BRB）。CW-BRB由浪腹板連接兩個內(nèi)置一字板內(nèi)核的全鋼約束矩形鋼管組成，且兩個一字板內(nèi)核在伸出外圍約束構(gòu)件端頭前后均通過肋板加強(qiáng)形成H形截面。其設(shè)計(jì)了1 根單波浪腹板和1 根雙波浪腹板連接的CW-BRB進(jìn)行反復(fù)加載滯回性能試驗(yàn)研究，并進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：滯回曲線仍然飽滿，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

郭彥林等［43］設(shè)計(jì)了一種預(yù)應(yīng)力索撐型防屈曲支撐（pre-tensioned cable stayed BRB，簡稱PCS-BRB），是通過在普通防屈曲支撐的外圍增加索撐體系而形成的一種新形式防屈曲構(gòu)件。如圖8 所示，為單橫隔四撐桿型PCS-BRB，外約束筒與索撐體系形成外圍約束體系，為內(nèi)核提供側(cè)向約束剛度。還介紹了PCS-BRB 的多種類型的組成和構(gòu)造，通過計(jì)算表明：PCS-BRB 具有良好的承載力與滯回耗能性。

圖8 單橫隔四撐桿型PCS-BRB 的組成［43］Fig.8 Composition of single diaphragm four strut PCS-BRB

Jia等［44］提出了一種新型全鋼魚骨形防屈曲支撐，不僅有較好的性能，在芯材損壞之后，芯材和填充板存在的相互作用仍會保持一定的耗能性。

3 防屈曲支撐的實(shí)際應(yīng)用

防屈曲支撐是近幾十年才興起的新型耗能元件，一經(jīng)提出之后，防屈曲支撐以其良好的耗能性能和極大的發(fā)展?jié)摿?，備受國?nèi)外的學(xué)者關(guān)注和研究。在上文中我們以支撐結(jié)構(gòu)本身為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)介紹了防屈曲支撐最近的研究進(jìn)展情況及支撐存在問題的改良，接下來將詳細(xì)舉例一些該類支撐的實(shí)際應(yīng)用情況。

陳鋒［45］針對建橋合一的高鐵站房結(jié)構(gòu)，提出采用防屈曲支撐的站房結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)方案。通過有限元軟件對有無BRB 的站房結(jié)構(gòu)在地震作用下，進(jìn)行特征值分析、反應(yīng)譜分析以及彈塑性時程分析。結(jié)果表明：設(shè)置BRB 的站房結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性。

祝培杰［46］考慮到山東省臨沂市某婦幼保健中心門診樓建設(shè)項(xiàng)目位于高烈度區(qū)，原方案設(shè)計(jì)無法滿足相關(guān)抗震要求規(guī)范，故在該工程設(shè)置防屈曲支撐，提高了建筑的抗震性能。

艾威等［47］設(shè)計(jì)烏魯木齊奧體中心田徑館時，為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)并滿足節(jié)能減震要求，田徑館需設(shè)置支撐。選用無支撐、混凝土支撐與BRB這3種支撐模型進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：BRB支撐更能有效控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，同時也具有優(yōu)良的耗能性。

陳越等［48］在設(shè)計(jì)北京某公共建筑的改造加固中，也采用了防屈曲支撐。在低級地震下，BRB可為建筑結(jié)構(gòu)提供附加剛度，在中高級地震下，BRB進(jìn)入塑性耗能階段。

名古屋朗訊塔是位于日本名古屋的40 層摩天大樓，其抗震系統(tǒng)由一系列鋼管混凝土柱和防屈曲支撐組成，以抵御日本的長期地震災(zāi)害［49］。

威爾希爾大廈位于洛杉磯，有73 層，為了提供一定的橫向剛度的強(qiáng)度，該建筑設(shè)置了170個防屈曲支撐結(jié)構(gòu)，以抵抗風(fēng)和地震帶來的影響［50］。

天津高銀117 大廈結(jié)構(gòu)高度為584m，是目前國內(nèi)在建的結(jié)構(gòu)高度最高、最細(xì)柔的超高層建筑之一。包聯(lián)進(jìn)等［51］針對該塔樓的鋼筋混凝土核心筒、巨型支撐筒及巨型框架組成的多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系（如圖9 所示），采用巨型防屈曲支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)支撐，利用其特點(diǎn)解決了超長巨型支撐在強(qiáng)震作用下易發(fā)生屈曲的問題，提高了支撐筒的剛度和承載力。

圖9 塔樓抗側(cè)力 結(jié)構(gòu)體系［51］Fig.9 Lateral force resistant structural system of tower

181 弗里蒙特大廈位于舊金山中心地區(qū)，其使用了雙重地震系統(tǒng)，將防屈曲支撐使用到高層公寓二級支撐系統(tǒng)的荷載路徑中［52］。

汪大綏等［53］結(jié)合世博中心工程，對世博中心耗能減震支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，包括結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)、防屈曲支撐的設(shè)置、支撐節(jié)點(diǎn)布局以及產(chǎn)品驗(yàn)收指標(biāo)的確定。并采用擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證其滯回耗能性是否符合標(biāo)準(zhǔn)，其滯回環(huán)均飽滿和穩(wěn)定，結(jié)果表明：采用的防屈曲耗能支撐產(chǎn)品具有穩(wěn)定的滯回耗能性，具有良好應(yīng)用效果。

邢秀琪等［54］以某醫(yī)院框架結(jié)構(gòu)為例，研究了防屈曲支撐和粘性阻尼器的組合效應(yīng)，并且與單一的防屈曲支撐的減震結(jié)構(gòu)通過在地震作用下的響應(yīng)分析進(jìn)行對比，從而得到BRB 與粘滯阻尼器聯(lián)合的減震設(shè)計(jì)的可行性。

姜麗等［55］結(jié)合原合肥市第六中學(xué)辦公樓擬改造為學(xué)生宿舍的實(shí)例，提出利用防屈曲支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)支撐的方案比單純增加支撐橫截面的方案更加經(jīng)濟(jì)有效，耗能性也有顯著的提高。

陳寅等［56］研究了張北可再生能源柔性直流閥廳采用鋼排架柱作為承重構(gòu)件，認(rèn)為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件可選擇傳統(tǒng)抗震支撐或防屈曲支撐。防屈曲支撐方案在罕遇地震作用下，防屈曲支撐進(jìn)入塑性并出現(xiàn)塑性鉸，并且滿足罕遇地震性能目標(biāo)層間位移角要求，表明結(jié)構(gòu)設(shè)置了防屈曲支撐后，結(jié)構(gòu)具有了良好的抗震耗能性，保證了建筑的安全，達(dá)到了一定的目標(biāo)。

溫艷芳等［57］以某幼兒園工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用為實(shí)例，詳細(xì)闡述了防屈曲支撐的施工安裝技術(shù)要點(diǎn)，得出結(jié)論：BRB 具有經(jīng)濟(jì)高效的特性，其良好的抗震性具有良好的應(yīng)用前景。

范華冰等［58］對于層數(shù)多、柱跨度大的超長結(jié)構(gòu)，提出采用設(shè)置防屈曲支撐的框架結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用在中國（淮安）國際食品博覽中心（B區(qū)）中。采用YJK，ETABS軟件對支撐結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能分析，結(jié)果表明：防屈曲支撐的減震耗能性使建筑結(jié)構(gòu)在中強(qiáng)型地震中表現(xiàn)出優(yōu)越的穩(wěn)定性。

王貴珍等［59］發(fā)現(xiàn)北京CBD 文化中心建筑存在局部樓板開大洞、局部大懸挑等情況，結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)薄弱處，進(jìn)而影響整個建筑的抗震情況。為了提高結(jié)構(gòu)性能，故使用防屈曲支撐這種支撐結(jié)構(gòu)，以使其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于傳統(tǒng)普通支撐，防止支撐的屈曲變形。

董蘇媛等［60］以曲靖地區(qū)某宿舍樓工程為例，研究設(shè)置防屈曲耗能支撐前后，通過對比相關(guān)因素的變化，以及結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)情況。

4 雙階段防屈曲支撐的開發(fā)與應(yīng)用

雖然防屈曲支撐在工程中應(yīng)用非常普及，但是防屈曲支撐也存在著不足之處：為避免發(fā)生低周疲勞破壞，防屈曲支撐在小震的作用處于彈性階段，沒有辦法使芯材進(jìn)入屈服階段從而減震耗能。為此許多學(xué)者將支撐引入雙階段，目前多為兩種形式，一種是利用兩種屈服點(diǎn)不同的鋼材做成芯材以達(dá)到分段屈服的特征；另一種則是防屈曲支撐與其他的阻尼器進(jìn)行搭配。

4.1 雙階段防屈曲支撐的開發(fā)

陳洪劍等［61］對一種雙屈服點(diǎn)一字形全鋼防屈曲支撐的耗能性能進(jìn)行了研究。雙屈服點(diǎn)一字形全鋼防屈曲支撐的內(nèi)核單元采用兩塊低屈服點(diǎn)軟鋼（LY100）與一塊高屈服點(diǎn)鋼（SN490）重疊制成，采用雙腹板工字鋼作為約束結(jié)構(gòu)，薄橡膠作為無黏結(jié)材料，如圖10 所示。在使用有限元軟件ABAQUS對其進(jìn)行分析之后，其滯回曲線飽滿穩(wěn)定，有明顯的分階段耗能特征。

圖10 雙屈服點(diǎn)一字形全鋼防屈曲支撐的組成［61］Fig.10 Composition of double yield point slotted all steel buckling restrained brace

Ben等［62］也利用兩種不同屈服點(diǎn)的鋼材設(shè)計(jì)了一種雙階防屈曲支撐，該支撐具有兩個低屈服點(diǎn)芯材LY225，以及一個高屈服點(diǎn)芯材SA440B，如圖11 所示，小震時軟鋼耗散能量，高屈服點(diǎn)鋼提供彈性恢復(fù)力；強(qiáng)震時高屈服點(diǎn)鋼提高整個支撐的耗能性。

圖11 雙階防屈曲支撐設(shè)計(jì)圖［62］Fig.11 Design drawing of double order buckling restrained brace

孫瑛志等［63］提出了一種將金屬套管阻尼器與屈曲約束支撐組合形成的雙階屈服屈曲約束支撐，彌補(bǔ)了防屈曲支撐在小型地震的情況下處于彈性狀態(tài)而無法耗能的不足。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證其具有良好、穩(wěn)定的小震及中大震下的滯回特性。

張哲等［64］也是提出將屈曲約束支撐和鋼阻尼器組成雙階段防屈曲支撐，如圖12 所示，具有良好的分段耗能性，來彌補(bǔ)單階支撐對于小型地震處理的不足。

圖12 雙階屈服屈曲約束支撐構(gòu)造［63］Fig.12 Double-level-yielding buckling restrained brace structure

4.2 雙階段防屈曲支撐的應(yīng)用

何軍［65］介紹了林芝雅江賓館結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程及抗震性能研究，本工程采用粘滯阻尼墻和防屈曲支撐組合方式作為消能減震元件，在小震作用下，粘滯阻尼墻增加結(jié)構(gòu)附加阻尼，同時利用BRB線彈性剛度高特性，控制結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)；在強(qiáng)震作用下，粘滯阻尼墻繼續(xù)發(fā)揮耗能性能，而BRB受拉和受壓均進(jìn)入屈服，在強(qiáng)震時有較強(qiáng)和較穩(wěn)定的耗能能力。從而實(shí)現(xiàn)雙階耗能的效果。

徐彥峰等［66］在分析?？跈C(jī)場綜合交通中心的結(jié)構(gòu)抗震性能時，也考慮到防屈曲支撐的一個短板，就是在結(jié)構(gòu)頂層的地震作用較小，用普通防屈曲支撐可能不會屈服，達(dá)不到耗能的效果，故文章采用了一種漸進(jìn)式防屈曲支撐，其為具有兩個屈服階段和三折線的本構(gòu)模型。其芯材由兩種屈服強(qiáng)度鋼材組成，可通過修改兩種芯材用鋼的面積比進(jìn)行屈服力調(diào)節(jié)，從而達(dá)到雙階屈服的效果。

5 結(jié)語

1.傳統(tǒng)防屈曲約束支撐端部易發(fā)生損壞屈曲等問題，廣州大學(xué)周云老師首先提出了定點(diǎn)屈服的理念，芯材開孔后可以使支撐較快進(jìn)入屈服耗能階段，有效改善端部屈曲問題。PBRB 的開孔設(shè)計(jì)參數(shù)的建議取值范圍為面積比為0.3 ～0.6；長寬比為0 ～10；間距比宜為1 ～1.5。

2.陳志華提出的強(qiáng)度弱化熱處理技術(shù)以替代開孔方式，可以改善耗能問題，但對于端部屈曲問題無明顯改善。

3.熊瑛和王鵬等提出的新型防屈曲支撐都是通過改變芯材寬厚比來改善端部屈曲問題，芯材寬厚比在5 ～10 之間為宜。

4.鋼管與鋼棒類的芯材具有重量輕、制作簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。尤其是二重鋼管防屈曲耗能支撐滯回曲線飽滿，對稱性、規(guī)律性、穩(wěn)定性好，耗能能力強(qiáng)。相較于普通支撐性能有大幅度提高。

5.按照約束單元來劃分，屈曲約束支撐包括兩種類型——灌漿型和純鋼型，純鋼型以其自身體積小、輕便、易加工安裝等優(yōu)勢已逐漸普及。

6.使用新型的約束材料如鋁管、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及木材等，可以有效改善傳統(tǒng)防屈曲支撐的自重大的問題，并且在合理的設(shè)計(jì)條件下，承載力和耗能性都沒有明顯的弱化現(xiàn)象。

7.純鋼型支撐除了有改善自重問題的優(yōu)點(diǎn)之外，純鋼型則可直接使用成熟的鋼結(jié)構(gòu)加工方式進(jìn)行加工，質(zhì)量可嚴(yán)格控制到機(jī)械產(chǎn)品的精度，因此可以滿足各種設(shè)計(jì)方案的加工要求，有著良好的應(yīng)用前景。

8.雙階防屈曲支撐的耗能型以及對建筑結(jié)構(gòu)件的保護(hù)性都優(yōu)于單階，雙階防屈曲支撐可以在小震下快速進(jìn)入屈服耗能階段，增加耗能效率，提高延性和累計(jì)塑性變形。目前許多工程師已經(jīng)將分級耗能的思想應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，來滿足工程設(shè)計(jì)的要求，而且成效斐然。