防屈曲支撑的研究进展

防屈曲支撑的研究进展

魏小雨

1，2

，沈景凤，徐 斌

12

摘 要：防屈曲支撑是一种性能优良的耗能减震构件，在拉压条件下都能屈服而不屈曲，在工程中应用广泛。本文简要介绍了防屈曲支撑的构成及耗能机理，详细介绍了装配式防屈曲支撑、自复位防屈曲支撑、开孔式或开槽式防屈曲支撑和双钢管或三重钢管防屈曲支撑几类发展和应用比较成熟的防屈曲支撑，以及在理论研究和类型创新方面我国学者所取得的研究成果，最后提出了几个需要进一步研究的问题。 关键词：防屈曲支撑；耗能减震；研究进展

中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）01-0126-03

引言

高层建筑结构中应用比较广泛的结构主要有框架结构和框架－支撑结构。在强震或飓风作用下，框架结构会产生过大的非线性变形，从而造成灾后修复困难，不符合经济要求。而框架－支撑结构在一定程度上解决了结构抗侧刚度的问题，但由于其结构在受压条件下容易屈曲，同时支撑在反复载荷作用下滞回性能变差。为解决传统支撑受压屈曲问题，国外一些学者研究出了一种受压时不发生屈曲的构件，即防屈曲支撑。美国、日本等国家对其研究比较早，设计研制出了许多不同结构的防屈曲支撑，在工程上也实现了广泛应用。我国对防屈曲支撑的研究比较晚，但作为地震多发地区，近些年对其研究正处于快速发展阶段，应用也逐渐增加。

一、防屈曲支撑的构成及耗能机理

防屈曲支撑由三个部分构成，分别为核心单元、约束单元及滑动机制单元[1]，如图1所示。核心单元是支撑的关键构件，主要承受轴力产生屈服耗能，由特定强度的钢材制成，一般采用低屈服点钢材。外部约束单元是对核心单元起约束作用，提高核心单元的抗屈曲能力，多由矩形或圆形钢管填充混凝土构成。滑动机制单元是由一些无粘结材料制作而成，该材料在核心单元与约束单元之间提供了滑动的界面和适当的变形空间，使支撑在受拉与受压条件下尽可能有相似的力学性能，避免核心单元因受压膨胀后与约束单元产生摩擦力而使轴压力增大。图2是目前广泛使用的防屈曲支撑截面形式[2]。

目前研制出的防屈曲支撑的结构形式多种多样，但其耗能机理基本相似。在地震或飓风作用下，内部核心钢板承受全部的轴向力，在轴向拉压作用下屈服耗能；外部约束部件提供给核心钢板弯曲限制，避免核心钢板在受压时发生整体或局部屈曲。在受压情况下，核心钢板会因为泊松效应而膨胀，此时在核心钢板表面涂刷的一层无粘结材料可以确保约束钢管既不传递载荷又能保持对核心钢板的有效约束[3]。

收稿日期：2017-10-10

作者简介：魏小雨（1993-），女，上海理工大学机械工程学院，硕士生，研究方向为金属阻尼器。

图2 防屈曲支撑截面形式

二、防屈曲支撑形式的研究进展

对防屈曲支撑的研究最早可追溯到四十多年以前。1973年，Wakabayashi[4]等人将一块一字形钢板埋入钢筋混凝土中，依靠混凝土的作用约束钢板屈曲，成功研制出墙板式防屈曲支撑。1994年北岭地震后，美国开始了对防屈曲支撑的设计研究。1999年，Clark在加州大学伯克利分校进行了三个大比例防屈曲支撑的实验[5]。

近些年来，随着防屈曲支撑的应用越来越广泛，我国学者对其研究也越加深入。本文对几种典型的防屈曲支撑及其我国学者所取得的成果进行了介绍。

1．装配式防屈曲支撑

装配式防屈曲支撑是指其外围约束构件由型钢或钢板组合而成，约束构件之间通过高强度螺栓连接。与整体式防屈曲支撑相比，装配式防屈曲支撑解决了混凝土与内核钢板间精度控制困难及混凝土湿作业工作量大等问题。由于外围约

图1 防屈曲支撑的横向构成

第1期 魏小雨等：防屈曲支撑的研究进展 127 束构件采用螺栓连接，自重较大构件可拆卸分开运输，且现场安装方便，在震后更换损伤内核钢板简便。装配式防屈曲支撑根据其外围约束构件材料不同，可分为钢筋混凝土装配式、钢管混凝土组合装配式和全钢装配式[6-7]。

图3 型钢装配式防屈曲支撑截面形式

随着对装配式防屈曲支撑的研究越加要求轻型化，全钢装配式应用相对更加广泛，其截面形式也是多样化。2010年起，郭彦林[6]等开始对全钢装配式防屈曲支撑进行研究，并提出了几种新型的型钢装配式防屈曲支撑，如图3所示。2014年，尹绕章[8]

等提出了一种新型钢板装配式防屈曲支

撑，其支撑端部采用嵌入式构造，降低了由于核心单元耗能段和连接段之间形成的薄弱区域，易导致支撑端部屈曲的可能性。2016年，屠义新[9]等鉴于传统的防屈曲支撑是依靠核心单元的弹塑性变形屈服耗能，提出了一种依靠核心单元的剪切变形耗散能量的新型剪切型全装配式防屈曲支撑。

2．双钢管、三重钢管防屈曲支撑

双钢管防屈曲支撑是由核心管和外套管组成，三重钢管防屈曲支撑是由核心管和内外套管组成，如图4所示，核心管和套管均采用圆钢管且其间留有间隙，工作原理是核心管承受压力而套管抵抗弯曲。这两种支撑在核心管与套管之间都不需要填充混凝土或砂浆，因而自重较小，便于加工、安装，更适合于在网架或网壳等大跨结构中使用。支撑的连接段是圆管形截面，便于与网架或网壳结构中的球形结点相连

[10-11]

。

1-核心管；2-外套管；3-间隙；4-内套管 图4 双钢管、三重钢管防屈曲支撑截面简图 2010年，殷占忠等在对双钢管防屈曲支撑进行有限元分析时，发现间隙值的合理选择对支撑的耗能能力和滞回性能等影响较大[10]。随后，殷占忠等又针对双钢管防屈曲支撑由于存在间隙而导致施工难度加大、支撑与结构连接部位容易发生局部屈曲等问题，对支撑进行改进，在核心管上中部和端部增设接触环，形成了带接触环双钢管防屈曲支撑。端部接触环的设臵使其端部刚度加强，避免了端部连接处发生局部屈曲，

中部接触环为核心管在中点提供了侧向支撑点[12]。

3．自复位防屈曲支撑

防屈曲支撑是利用钢材的弹塑性来耗能的，在大震作用下，支撑结构会产生较大的残余变形。为了解决防屈曲支撑结构存在残余变形的问题，各国学者开始考虑将自复位系统引入到防屈曲支撑体系，提出了自复位防屈曲支撑。其中自复位系统由具有较大可恢复应变和承载力的预应力复位材料组成的称之为预应力自复位防屈曲支撑，其复位材料一般为

高强钢绞线、各种高性能纤维材料和形状记忆合金。图5为自复位系统组装图[13]。在地震作用下，预应力自复位防屈曲支撑的核心单元负责屈服耗能，复位部分将耗能内芯的残余变形消除。影响复位效果的关键因素在于预应力是否按设计

值成功施加且完好保持[14]。

图5 自复位系统组装图

考虑到预先施加预应力的复位材料在长期放臵及加载过程中，会出现预应力损失的问题。2015年，王涛等[15]提出了一种新型的弹簧式自复位防屈曲支撑，由方钢管型防屈曲支撑与复位弹簧组成，没有预应力施加问题。通过与预应力防屈曲支撑的对比分析得出，弹簧式防屈曲支撑能够更好的减小结构体系的残余变形。

2017年，张爱林等[16]将自复位系统引入装配式防屈曲支撑，提出一种新型装配式钢结构预应力自复位防屈曲支撑，该支撑的核心钢芯采用H型钢，外部约束结构由钢板和型钢组合装配成H型截面。相较于一字型和十字型，采用H型钢作为耗能内芯，其截面惯性矩大，稳定性好。装配式钢结构，解决了传统防屈曲支撑由于混凝土外包所产生的精度控制困难与湿作业等方面的问题。再结合由预应力钢绞线构成的自复位系统，使得这种新型的支撑结构不仅耗能能力好，更有较好的复位能力。

4．开孔式或开槽式防屈曲支撑

基于防屈曲支撑存在屈服位臵的随机性、端部需要加强等问题，周云[17]等人提出“核心单元局部削弱相当于其他部分加强”的新型防屈曲支撑设计思想。“开孔式”“开槽式”防屈曲支撑是将核心单元局部开孔或开槽，局部削弱部分在工作时率先屈服耗能，使核心单元分成了屈服段和非屈服段，开孔和开槽的位臵可以根据设计者的需要预先设定，实现了定点屈服的功能，用普通钢材实现了低屈服点钢的性能。这种设计不仅避免了核心单元使用低屈服点钢与普通钢焊接及焊接带来的问题，同时避免了核心单元端部加强及其带来的问题[18]。

128 中 国 水 运 第18卷 为了验证这种新型防屈曲支撑设计思想的可行性，周云，邓雪松等[18-19]设计出开孔式和开槽式三重钢管防屈曲支撑，通过与普通三重钢管防屈曲支撑进行加载试验和有限元模拟分析对比，证明其具有更加优良的性能，避免了普通三重钢管防屈曲支撑端部需要加强、加工复杂等不足。图6为开孔 式三重钢管防屈曲支撑的构造图[18]。2015年，邓雪松[20]等又提出了一种核心单元为开孔的一字形钢板、约束套管采用版社，2006.

[4] Wakabayashi M，Nakamura T，Kashibara A，et al. Experimen

tal study of elasto-plastic properties of precast concrete wall panels with built-insulating braces[A].Summar ies of Technical Papers of Annual Meeting，Architectural Institute of Japan，1973.

[5] Clark P，Aiken I，Kasai K，et al. Design procedures for

钢板焊接而成的开孔板式防屈曲支撑。2016年，张东彬[21]等设计了一种开长孔式叠层钢管防屈曲支撑，研究了不同的开孔率和开孔数量对破坏形态、低周疲劳性能、支撑承载力和滞回性能的影响。

图6 开孔式三重钢管防屈曲支撑的构造图 三、结语及展望

防屈曲支撑作为一种新型的耗能支撑构件，具有滞回性能好、支撑承载力高的特点，解决了传统支撑受压屈曲的问题。本文通过对几种典型的防屈曲支撑及其研究进展的介绍可以看出，防屈曲支撑正朝着材料更加轻型化、加工安装更简便、支撑性能更加优越的方向发展。

现今我国对防屈曲支撑的研究已经取得了一些成就，其应用也在不断扩大，但是为了使防屈曲支撑结构得到更加广泛的应用，以下问题需要进一步研究。

（1）根据我国的钢材料类型，设计出符合我国抗震性能的防屈曲支撑结构形式。

（2）制定出关于防屈曲支撑的国家标准、行业标准和地方标准等，使其向规范化方向发展。

（3）防屈曲支撑与主体结构的接合部分是抗震中的薄弱环节，除了确保防屈曲支撑具有优良的耗能减震性能，对其结点的设计和连接方式的选择同样至关重要。

参考文献

[1] 周云.防屈曲耗能支撑结构设计与应用[M].北京：中国建

筑工业出版社，2007.

[2] Xie Q.State of the Art of Buckling-Restrained Braces in

Asia[J].Journal of Constructional Steel Research，2005，61（6）：727-748.

[3]

周云.金属耗能减震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出

buildings incorporating hysteretic damping devices：Proceeding of 69th Annual Convention of SEAOC[C]. Sacramento.CA：SEAOC，1999.

[6] 郭彦林，王小安，江磊鑫.装配式防屈曲支撑构件及框架

设计理论[J].结构工程师，2010，26（6）：164-176. [7] 郭彦林，童精中，周鹏.防屈曲支撑的型式、设计理论与

应用研究进展[J].工程力学，2016，33（9）：1-14. [8] 尹绕章，邓雪松，周云.新型钢板装配式屈曲约束支撑有

限元分析[J].地震研究，2014，37（2）：288-292. [9] 屠义新，袁波，易金刚.新型剪切型全装配式防屈曲耗能

支撑的耗能性能分析[J].贵州大学学报（自然科学版），2016，33（6）：77-82.

[10] 殷占忠，王秀丽，李晓东.双钢管约束屈曲支撑的有限元

分析[J].甘肃科学学报，2010，22（1）：109-113.

[11] 王树和，刘官印，张举兵.新型三重钢管防屈曲耗能支撑

的力学性能[J].北京科技大学学报，2014，36（3）：406-413.

[12] 殷占忠，陈伟，陈生林等.改进型双钢管约束屈曲支撑试

验研究[J].建筑结构学报，2014，35（9）：90-97. [13] 刘璐.自复位防屈曲支撑结构抗震性能及设计方法[D].

哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[14] 刘璐，吴斌，李伟等.一种新型自复位防屈曲支撑的拟静

力试验[J].东南大学学报（自然科学版），2012，42（3）：36-41.

[15] 王涛，黄俊奎，孟丽岩等.弹簧式自复位防屈曲支撑的抗

震性能[J].黑龙江科技大学学报，2015，25（5）：557-564. [16] 张爱林，封晓龙，刘学春.H型钢芯自复位防屈曲支撑抗

震性能研究[J].工业建筑，2017，47（3）：25-30. [17] 周云，钱洪涛，褚洪民等.新型防屈曲耗能支撑设计原理

与性能研究[J].土木工程学报，2009，42（4）：64-71. [18] 周云，邓雪松，钱洪涛等.开孔式三重钢管防屈曲耗能支

撑性能试验研究[J].土木工程学报，2010，43（9）：77-87. [19] 邓雪松，邹征敏，周云.开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑

试验研究与有限元模拟[J].土木工程学报，2010，43（12）：41-49.

[20] 邓雪松，纪宏恩，张文鑫等.开孔板式屈曲约束支撑拟静

力滞回性能试验研究[J].土木工程学报，2015，48（1）：49-55.

[21] 张东彬，潘鹏，王萌资等.开长孔式叠层钢管屈曲约束支

撑试验研究[J].土木工程学报，2016，49（12）：9-16.