防屈曲耗能支撑研究综述.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 144 防屈曲耗能支撑研究综述 李瑾如 西安工业大学，陕西 西安 710021 摘要：摘要：在设防地震或罕遇地震作用下，传统的支撑构件在循环往复荷载作用下，支撑构件的中部位置与端部位置容易发生屈曲破坏，使支撑构件的承载能力显著减弱。因此提出了防屈曲耗能支撑这一种新的支撑形式，防屈曲耗能支撑能够有效提高支撑杆的耗能能力，避免支撑发生失稳破坏导致结构滞回性能迅速劣化。综述了防屈曲支撑的构造及受力原理，介绍了近年来国内的相关研究进展与成果，并总结了仍需要进一步研究的问题。关键词：关键词：防屈曲耗能支撑；滞回性能；承载力 中图分类号：中图分类号：TU3 0 引言 近年来，强震频发，一些传统混凝土结构未能经受住“大震不倒”的考验，造成了重大损失。与传统的混凝土结构相比，钢结构自重轻，在抗震性能上较混凝土结构优势明显。但由于钢结构建筑中，在框架结构中增加支撑构件提高钢框架的抗侧刚度。传统框架支撑结构体系的设计理念是将支撑做强，以使结构能承担更大的地震力，以支撑“硬扛”地震。实际地震作用和试验模拟中发现，传统的强支撑结构体系中支撑受到反复拉压作用后容易发生屈曲，屈曲后将地震力转移给框架，导致框架发生较大程度的破坏。这使得越来越多的科研人员倾向于将传统的“抗震”理念变为“减震”理念，将框架支撑结构体系中的支撑做弱，变“强支撑”抗震机制为“弱支撑”耗能减震机制，即控制支撑先于主体结构屈服，通过塑性变形吸收地震能量，保护主体结构安全。“弱支撑”理念，将结构损伤集中在支撑上，而支撑便于修复和更换，避免了主体结构难以修复的问题1。“弱支撑”的核心思想利用支撑屈服后的变形耗能，而普通支撑难以保证其屈服前不发生屈曲，因此“弱支撑”的概念通过结合防屈曲支撑实现。防屈曲支撑主要由核心单元、约束单元及滑动机制单元构成。其中内核承受轴向力作用，常用截面形式有十字形、T 形和一字形等；约束单元为内核提供约束，以保证内核屈服前不发生整体或局部屈曲。防屈曲支撑兼备了普通支撑和金属耗能阻尼器的功能，在多遇地震下增加了结构的侧向刚度；在罕遇地震下可在拉压两个方向屈服，利用塑性变形进行耗能。防屈曲支撑的滞回曲线与普通支撑的对比，如图 1 所示，呈现出饱满无退化的特点。防屈曲支撑以其良好的性能，在日本、美国广泛应用，在我国也备受关注24。图 1 防屈曲支撑与普通支撑滞回曲线对比 1 防屈曲耗能支撑 在设防地震或罕遇地震作用下，传统的支撑构件在循环往复荷载作用下，支撑构件的中部位置与端部位置容易发生屈曲破坏，使支撑构件的承载能力显著减弱。屈曲后的支撑将地震力传给框架，该层极易形成软弱层。为了提高支撑构件的承载力，并在一定程度上提高耗能能力，防止在低周往复荷载作用下支撑发生屈曲破坏，提出设计一种新型钢支撑，将“强支撑”的抗震机制转化为“弱支撑”的耗能减震机制，从“抗震”转变为“减震”。地震作用下耗能减震机制与结构共同受力，耗能减震机制作为“第一道防线”首先屈服耗能，使得主体结构受力大体在弹性范围内5、6。中国科技期刊数据库 工业 A 145 防屈曲耗能支撑是一种利用金属低屈服点这一特性，使支撑在地震作用下，通过金属的塑性变形耗散地震能量的支撑。由于普通支撑破坏通常发生在中间，防屈曲支撑则是通过对支撑两侧增加约束构件，能够有效防止支撑发生中间屈曲，并对支撑端部进行加强，使防屈曲支撑能够更好的发挥作用。防屈曲支撑在支撑处于弹性阶段时，能够有效提高框架的抗侧刚度。随着位移增加，当防屈曲支撑处于弹塑性阶段时，防屈曲支撑核心单元发生屈曲变形，耗散地震能量。约束单元在核心单元发生屈曲变形时，能够有效的约束核心单元发生屈曲变形，并增加防屈曲支撑的承载力和耗能能力。因此，核心单元一般采用低屈服点的钢材，使核心单元先于主体结构屈服。使防屈曲支撑发生塑性变形，耗散地震能量79。2 全钢约束型防屈曲支撑 防屈曲支撑主要由核心单元、约束单元以及无粘结构造层或空气间隙层组成。在正常使用状态及小震下，防屈曲支撑作为支撑能为主体框架结构提供抗侧刚度，而在大震作用下，防屈曲支撑有较强的塑性变形能力来消耗地震能量，并不会发生受压失稳10、11。全钢约束型防屈曲支撑不仅有效避免混凝土浇筑工艺复杂、养护周期长及拼装难等问题，还避免了混凝土灌浆不均匀及加劲肋端部预留间隙等问题。全钢约束型防屈曲支撑的内芯与外包约束构件均采用钢材，自重显著降低，是否设置无粘结层关系不大，内芯与外包约束构件之间的空隙大小也易于准确控制加工方便，质量易于保证1215。Kuwahara 16等人较早提出了全钢防屈曲支撑的概念，设计了双圆管防屈曲支撑，通过外侧钢管耗能，内侧钢管约束其变形。Haginoya17 等提出了一种三重钢管防屈曲支撑，支撑能够给耗能内芯提供内、外侧两个面的约束，可有效控制内芯的局部屈曲，但对支撑的整体稳定承载力和加工精度要求较高。Young18等人通过对防屈曲耗能支撑构件的约束管厚度和无约束芯端长度等不同设计参数进行试验，研究了不同设计参数对防屈曲耗能支撑最大强度和耗能能力的影响。Oda19等人设计了一种新型装配式 H 型钢防屈曲支撑，构造如图 2 所示。与普通的防屈曲支撑不同，装配式防屈曲支撑施工更加方便，约束构件与核心单元装配成型，通过螺栓进行固定，当核心单元发生屈曲破坏时，能够及时进行修复和更换，避免了主体结构难以修复的问题；另一方面，能够对已有的结构进行加固，在已有结构上增加约束构件，使普通支撑成为防屈曲支撑，提高支撑的耗能能力，大大降低了施工成本；李伟20等提出新型的 H 型钢防屈曲支撑，将 H 型钢作为内芯，由高强螺栓将 U 形钢与钢板组合成外围约束。这种支撑加强了内芯的约束，解决了内芯过早失稳破坏的问题。图 2 传统 H 型钢防屈曲支撑构造 2.1 支撑端部破坏 防屈曲支撑外伸段的屈曲破坏通常发生在外伸段与外围约束构件的交界面处，这是由于防屈曲支撑两端的连接段处于无约束状态。使得防屈曲支撑连接段末端（过渡段处）成为薄弱部位，此处由于外围约束构件的弯曲变形而产生横向剪力，致使该部位形成塑性铰，这是防屈曲外伸段屈曲破坏的原因之一21、22。殷占忠23等针对双钢管防屈曲支撑间隙分布不均匀、易产生局部屈曲等问题，提出了在内核钢管上增设接触环，形成带接触环的改进型双钢管约束屈曲支撑，该类型支撑在受压时，保证内核构件充分发挥耗能作用，提高了防屈曲支撑的耗能能力和抗侧刚度，防止端部发生局部屈曲，外套钢管的刚度及其与内核钢管间隙对支撑性能的影响较大。吴克川22针对防屈曲支撑外伸连接段在试验中出现屈曲破坏的情况，提出并非是设计方法的缺陷，而是端部构造处理上的缺陷导致的，并根据全钢防屈曲支撑外伸连接段的屈曲破坏特点，提出了一种改善外伸连接段稳定性的构造措施。2.2 支撑核心单元开孔 对于防屈曲支撑在往复荷载作用下，支撑核心单元与约束单元相接处容易发生破坏，可对核心单元进行开孔，削弱核心单元的刚度，使被削弱的部分最早屈服开始耗能，将支撑薄弱部位从连接处转移到开孔位置2427。周云7等人解决防屈曲支撑不易判断屈服位置的问题，提出了“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。周云、邓雪松28等中国科技期刊数据库 工业 A 146 人基于此理论进行了开孔式和开槽式三重钢管防屈曲耗能支撑的抗震性能分析。研究结果表明，通过对核心钢管开孔或开槽使支撑的薄弱部位由端部转移到开孔或开槽部位，具有定点屈服的功能，降低了支撑的屈服点，提高了支撑的延性。尹绕章、周云29等提出了一种钢板装配式屈曲约束支撑，通过对一字型核心板开孔实现多点屈服，耗能能力稳定，对外约束构件进行局部加强防止端部发生局部屈曲，其中端部嵌入式构造的加强作用最为明显。龚晨30等深入研究了不同开孔形式和开孔参数对开孔钢板装配式防屈曲支撑抗震性能的影响，开孔核心板建议选用单排开孔形式，其开孔面积比取值范围建议为 0.30.6，长宽比建议取 010，间距比建议取 11.5。2.3 支撑连接件 除了依靠核心单元耗能，通过改进连接件可以增强防屈曲支撑的耗能能力。李真真8提出了连接板件弯曲屈服耗能支撑，耗能部分为十字形截面，通过连接板件弯曲变形来耗能。孙筱玮9提出了腹板开孔耗能支撑并给出相应的设计方法。轴力作用下的开孔腹板的孔间板件最早屈服达到塑性阶段耗散地震输入的能量，孔间板件破坏时，整个耗能支撑的极限承载力仍然比屈曲荷载低，因此不会发生整体失稳。曾鑫31分析了新型腹板开孔屈服耗能支撑框架结构的滞回性能，加载过程中耗能支撑没有发生失稳，支撑框架结构具有较好的耗能能力。2.4 防屈曲支撑框架 防屈曲支撑可以采用焊接、板铰连接、螺栓连接方式连接至框架结构中，提高结构的抗震性能或对结构进行加固。Mohammad Naghavi32等对比分析了 4 种相同支撑布置方式的中心支撑框架（CBF）和防屈曲支撑框架（BRBF）的性能，防屈曲支撑框架耗散的能量更多，地震响应修正因子远高于中心支撑框架。Clark33等将3 层防屈曲支撑框架和抗弯框架、中心支撑框架和偏心支撑框架进行了比较。结果表明，防屈曲支撑框架可以显著减小用钢量，在层间位移和底部剪力方面有着明显优势。3 现有研究中存在的不足 从国内外研究的现状来看，学者对防屈曲耗能支撑已进行了一系列相关研究，但也存在一些问题：防屈曲支撑设计工艺复杂，施工难度大。当内芯和外围约束构件的刚度设计不合理时，防屈曲支撑会出现明显的侧向变形并导致整个支撑构件承载力下降，发生整体失稳；针对单根防屈曲耗能支撑的研究较多，缺少对防屈曲耗能支撑框架结构的研究。参考文献 1王佼姣.低屈服点钢防屈曲支撑及其框架抗震性能研究D.北京:清华大学,2015.2王正东,沈景凤,丁孙玮.金属阻尼器的发展现状J.中国水运(下半月),2019,19(01):115-116,119.3孙筱玮.新型腹板开孔屈服耗能支撑滞回性能分析D.苏州:苏州科技大学,2019.4曾鑫.腹板开孔屈服耗能支撑滞回性能试验研究及有限元分析D.苏州:苏州科技大学.2020.5沈小璞,胡元超.全钢Tin-T防屈曲支撑抗震性能研究J.建筑钢结构进展,2019,21(4):28-36.6Yan-Lin Guo,Jing-Zhong Tong,Xiao-An Wang,Peng Zhou.Subassemblage tests and design of steel channels assembled buckling-restrained bracesJ.Bulletin of Earthquake Engineering,2018,16(9):4191-4224.7周云,钱洪涛,褚洪民,邹征敏.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(04):64-71.8李真真.连接板件弯曲屈服耗能支撑滞回性能试验研究及有限元分析D.苏州:苏州科技大学,2020.9孙筱玮,赵宝成,沈晓明.新型腹板开孔屈服耗能支撑 滞 回 性 能 分 析 J.工 程 抗 震 与 加 固 改造,2019,41(03):15-25.10顾晨姣.装配式槽钢开孔耗能支撑滞回性能试验研究及有限元分析D.苏州:苏州科技大学,2021.11黄晨凯,赵宝成.装配式 H 型钢腹板开孔耗能支撑的 滞 回 性 能 J.土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英文),2022(1):1-12.12Suzuki N,Kono R,Higasibata Y,et al.Experimental study on the H-section steel brace en cased in RC or steel tubeC/Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,1994:1621-1622.13Shimizu T,Fujisawa K,Uemura K,et al.Design method to prevent buckling of low yield strength 中国科技期刊数据库 工业 A 147 steel tube brace and fracturing of joints(Part 1:design method and test plan of braced braces)C/Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,Architectural Instit ute of Japan,1997(9):781782.14Usami T,Kaneko H.Strength of H-shaped brace constrained flexural buckling having unc onstrained area at both ends.Both ends simply supportedJ.Journal of Structural and Co nstruction Engineering,2001(542):171177.15朱博莉,郭彦林,袁野.波浪腹板连接的双核防屈曲支撑承载力及滞回性能研究 J.土木工程学报,2018,21(2):41-53.16Kuwahara S,Tada M,Yoneyama T,et al.A Study on Stiffening Capacity of Double-Tube MembersJ.Journal of Structural and Construction Engineering,Architectural Institute of Japan,1993,445(3):151-158.17Haginoya M,Nagao T,Taguchi T,et al.Studies on Buckling-Restrained Bracing using Triple Steel Tubes(Part 1 and Part 2)C.Summaries of Technical Papers of Annual Meeting,Architectural Institute of Japan,2005(9):1011-1014.18Ju,Y.K.,Kim,M.-H.,Kim,J.,&Kim,S.-D.(2009).Component tests of buckling-restrained braces with unconstrained length.Engineering Structures,31(2):507-516.19Oda H,Usami T.Fabricating buckling-restrained braces from existing H-section bracing membersexperimental studyJ.Journal of Structural Engineering,ASCE,2010,56(A):499-510.20李伟.新型H型钢防屈曲支撑的抗震性能D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.21李妍,吴斌,王倩颖,欧进萍.防屈曲钢支撑阻尼器的试验研究J.土木工程学报,2006(07):9-14.22吴克川.端部改进型防屈曲支撑抗震性能及其框架结构耗能减震机理研究D.昆明:昆明理工大学,2017.23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):90-97.24X.CahisaE,SimonaD,PiedrafitaaA,Catalanb.Core behavior and low-cycle fatigue estimatithe Perforated Core Buckling-Restrained BraceJ.Engineering Structures,2018(174):126-138.25田时雨,邓雪松,周云,龚晨.开孔双核心钢板装配式 屈 曲 约 束 支 撑 性 能 分 析 研 究 J.建 筑 科学,2019,35(07):8-13 26张坚.开孔型防屈曲支撑耗能减震性能及应用研究D.淮南:安徽理工大学,2018.27郭世杰,李飞,胡孔国.新型开槽三重钢管防屈曲耗 能 支 撑 有 限 元 分 析 J.工 程 抗 震 与 加 固 改造,2022,44(02):70-77.28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):41-49.29周云,尹绕章,张文鑫,纪宏恩,邓雪松,韩素玲.钢板装配式屈曲约束支撑性能试验研究J.建筑结构学报,2014,35(08):37-43.30龚晨,周云,钟根全,田时雨.开孔参数对装配式开孔钢板屈曲约束支撑性能影响研究J.建筑结构学报,2018,39(S2):328-335.31曾鑫,赵宝成.耗能支撑框架结构滞回性能分析J.建筑钢结构进展,2021,23(04):9-19.32Naghavi,M.,Rahnavard,R.,Thomas,R.J.,&Malekinejad,M.Numerical evaluation of the hysteretic behavior of concentrically braced frames and buckling restrained brace frame systemsJ.Journal of Building Engineering.2018.33Clark P,Aiken I,Kasai K,et al.Design procedures for buildings incorporating hysteretic damping devicesC/Proceedings of the 68th Annual Convention.Structural Engineers Association of California,Sacramento,California,1999.作者简介：作者简介：李瑾如（1996），女，汉族，硕士，结构工程，陕西省西安市未央区西安工业大学。