论文部分内容阅读
摘要：对屈曲约束支撑的基本原理和基本组成进行了总结，分析了屈曲约束支撑区别于普通传统支撑的技术特点。对屈曲约束支撑的研究应用的现状进行了汇总，得到了该类型支撑相对于普通支撑的优势。从布置原则、节点设计等几个方面，讨论了屈曲约束支撑的设计方法与普通支撑的异同。重点讨论了屈曲约束支撑的承载力，包括设计承载力、屈服承载力和极限承载力。对这些承载力分别强调了其计算方法和适用范围。
关键词：屈曲约束支撑；耗能；滞回曲线；屈曲；承载力
1 概述
支撑是钢结构框架体系的重要抗侧力构件，传统的框架-支撑体系中，由于支撑在荷载作用下极易发生受压屈曲失稳，从而导致结构发生破坏。为了解决支撑受压屈曲的问题，能防止屈曲的支撑构件成为研究的热点。而且，屈曲约束支撑可以在进入塑性状态后可以消耗大量的能量，将结构的振动能量转化为热能消散掉，减小主体结构的地震反应，从而避免主体结构的破坏或倒塌。在过去的几十年里，特别是日本神户地震、美国北岭地震后，其在欧美国家以及我国台湾地区都得到了较好应用[1-3]。
屈曲约束支撑实质上是一种新型的金属屈服耗能支撑构件。中心部分是芯材，也称其为主受力构件。为了避免芯材受压时整体屈曲，即在受压受拉时都能达到屈服，芯材被置于一个屈曲约束单元内，在套管内灌注细石混凝土或者高强水泥砂浆。通过在钢芯外设置外围屈曲约束单元，支撑受拉受压时都可以屈服，抑制了压曲现象，可获得饱满的荷载一位移滞回曲线。
屈曲约束支撑的纵向主要由以下五部分组成：约束屈服段，约束非屈服段，无约束非屈服段，无粘结可膨胀材料，屈服约束机构。其中，约束屈服段就是通常称为可屈服的芯材的部分，要求在压力作用下允许有较大塑性变形，通过这种变形来达到耗能的目的。因此需使用延性较好的中等屈服强度钢，同时要求钢材的屈服强度值稳定，这对屈曲约束支撑框架能力的可靠性设计非常重要。
2 研究应用现状
对屈曲约束支撑的早期研究[4-7]是由日本研究者Kimura等人(1976)提出的。早期的屈曲约束支撑是将普通的钢支撑外包在方钢管砂浆中，通过试验，得到了少量的稳定的滞回曲线。Moehizuki(1980)和Wada(1989)等人又进行了相类似的试验，并在混凝土与支撑之间的界面上涂上了一種无粘结漆，使得钢支撑能自由的滑动。试验结果表明，虽然这种支撑也具有较稳定的滞回特性，但在反复荷载作用下，混凝土被压碎，限制支撑屈曲的作用也随之消失。Fujimoto(1988)等人对内核支撑和钢套管间填充砂浆的屈曲约束支撑进行了理论和试验研究，对各种不同铜套管尺寸进行了试验，得到了钢套管的刚度和强度设计准则。为了给美国第一座使用屈曲约束支撑的建筑提供结构设计和施工上的技术支持，Clark(1999)等人进行了三组大比例的屈曲约束支撑的试验。试验的结果显示支撑的滞回性能非常稳定。Black(2000)在1999年试验的基础上进行了两组试验，均为十字形截面，试验的结果显示支撑的滞回性能非常稳定。
国内方面，蔡克铨(2002)等人研制了双管式屈曲约束支撑，针对两种不同截面形式的屈曲约束支撑进行了试验研究。同济大学邓长根(2004)等对普通和新型屈曲约束支撑的力学性能及其应用行了的理论分析[8]。清华大学郭彦林(2005)采用ANSYS程序对截面形式为十字形及矩形，外包钢管混凝土的屈曲约束支进行了有限元分析[9]。哈尔滨工业大学李研(2006)对屈曲约束钢支撑进行了静力往复试验及子结拟动力试验，提出了屈曲约束钢支撑的一些比较合理的构造[10]。同济大学李国强(2007)对屈曲约束支撑的滞回曲线模型和刚度方程的建立作了较深入研究[11]。
在工程应用方面，到目前为止，美国已经建成或正在建造的使用此支撑的结构达30余栋。日本是世界上建筑物使用屈曲约束支撑为制震组件最多的国家，同时也是发展BRB种类最多的国家，并且也是目前全球拥有专利权的制造厂商最多的国家。中国台湾的使用率也迅速提高，短短三年就建成了许多应用BRB的建筑。中国北京威盛大厦和北京银泰中心大厦也开始使用了屈曲约束支撑，并进行了相关的抽样检测和试验研究。
通过各国研究者大量的试验研究和应用经验，各国研究者普遍认为屈曲约束支撑体系与抗弯刚框架和普通支撑框架相比有以下优点：
(1)小震时屈曲约束支撑体系线弹性刚度高，可以很容易地满足规范的变形要求。(2)屈曲约束支撑可以受拉、受压时都发生屈服，因此在强震时有更强和稳定的能量耗散能力。(3)屈曲约束支撑通过螺栓或铰连接到节点板，可避免现场焊接及检测，安装方便且经济。(4)屈曲约束支撑构件好比结构体系中可更换的“保险丝”，可保护主体结构免遭破坏，可以方便地更换损坏的支撑。(5)因为屈曲约束支撑的刚度和强度很容易调整，所以屈曲约束支撑设计灵活。
但是，屈曲约束支撑也存在着成本较高、现场安装复杂等等缺点。
3屈曲约束支撑的设计
3.1 设计承载力
弹性设计阶段，屈曲约束支撑框架体系与普通框架体系的设计方法基本相同，但在支撑布置、构件验算、节点计算等方面具有不同点。通过综合比较分析，屈曲约束支撑与普通支撑框架结构设计特点如表1所示：
表1 屈曲约束支撑设计特点
设计项目 普通支撑框架 屈曲约束支撑框架
支撑布置 可选用X型支撑布置 不可选用X型支撑布置
构件验算 小震和风荷载下需要进行稳定承载力验算 小震和风荷载下只进行强度验算
节点设计 根据抗拉屈服承载力设计 根据极限承载力设计
弹塑性时程分析 应采用抗压不对称滞回模型 可采用简单双线型滞回模型
设计过程中，屈曲约束支撑有三种承载力，即设计承载力、屈服承载力、极限承载力，在结构设计中适用于不同的情况。其中设计承载力是弹性承载力，用于静力荷载与小震分析设计。支撑的设计承载力是按下式计算得到的：
(1)
式中：A为屈曲约束支撑芯材截面面积； f为芯材强度设计值。
屈服承载力可用于结构的弹塑性分析，为支撑首次进入屈服的轴向力，是按下式计算得到的：
(2)
式中：fy为芯材屈服强度。
极限承载力用于屈曲约束支撑的节点及连接设计。计算屈曲约束支撑极限承载力时应考虑钢材的超强系数，屈曲约束支撑的芯材在地震作用下拉压屈服会产生应变强化效应，考虑应变强化后，支撑的最大承载力为极限承载力，可按下式计算：
(3)
式中：Ry为芯板钢材的超强系数；ω为应变强化调整系数。
3.2 设计要求
3.2.1风载与小震承载力要求
屈曲约束支撑在风荷载或小震与其他静力荷载组合下最大的拉压轴力设计值N应满足下式要求：
(4)
3.2.2支撑外套筒抗弯刚度要求
为保证屈曲约束支撑在地震作用下不发生整体失稳，其套筒抗弯刚度应满足下式要求：
(5)
式中：I—套筒的弱轴惯性矩；E—套筒钢材弹性模量；l—支撑长度。
4结论
通过对屈曲约束支撑的基本原理进行总结分析，得出该类型支撑区别于传统支撑的力学模型。同时对该类支撑的优势及设计方法进行了总结，提出了分别应用于不同设计目标的设计承载力，及滞回模型的确定方法。
[1]蔡克铨,翁崇兴. 双钢管型挫屈束制支撑之耐震性能行为与应用研究[J]．台湾大学地震工程研究中心研究报告, 2002.
[2]谢强,赵亮. 屈曲约束支撑的研究进展及其应用[J]．钢结构．2006
[3]汪家铭,中岛正爱.陆烨,译．屈曲约束支撑体系的应用与研究进展(I)[J]. 建筑钢结构进展, 2005
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：屈曲约束支撑；耗能；滞回曲线；屈曲；承载力
1 概述
支撑是钢结构框架体系的重要抗侧力构件，传统的框架-支撑体系中，由于支撑在荷载作用下极易发生受压屈曲失稳，从而导致结构发生破坏。为了解决支撑受压屈曲的问题，能防止屈曲的支撑构件成为研究的热点。而且，屈曲约束支撑可以在进入塑性状态后可以消耗大量的能量，将结构的振动能量转化为热能消散掉，减小主体结构的地震反应，从而避免主体结构的破坏或倒塌。在过去的几十年里，特别是日本神户地震、美国北岭地震后，其在欧美国家以及我国台湾地区都得到了较好应用[1-3]。
屈曲约束支撑实质上是一种新型的金属屈服耗能支撑构件。中心部分是芯材，也称其为主受力构件。为了避免芯材受压时整体屈曲，即在受压受拉时都能达到屈服，芯材被置于一个屈曲约束单元内，在套管内灌注细石混凝土或者高强水泥砂浆。通过在钢芯外设置外围屈曲约束单元，支撑受拉受压时都可以屈服，抑制了压曲现象，可获得饱满的荷载一位移滞回曲线。
屈曲约束支撑的纵向主要由以下五部分组成：约束屈服段，约束非屈服段，无约束非屈服段，无粘结可膨胀材料，屈服约束机构。其中，约束屈服段就是通常称为可屈服的芯材的部分，要求在压力作用下允许有较大塑性变形，通过这种变形来达到耗能的目的。因此需使用延性较好的中等屈服强度钢，同时要求钢材的屈服强度值稳定，这对屈曲约束支撑框架能力的可靠性设计非常重要。
2 研究应用现状
对屈曲约束支撑的早期研究[4-7]是由日本研究者Kimura等人(1976)提出的。早期的屈曲约束支撑是将普通的钢支撑外包在方钢管砂浆中，通过试验，得到了少量的稳定的滞回曲线。Moehizuki(1980)和Wada(1989)等人又进行了相类似的试验，并在混凝土与支撑之间的界面上涂上了一種无粘结漆，使得钢支撑能自由的滑动。试验结果表明，虽然这种支撑也具有较稳定的滞回特性，但在反复荷载作用下，混凝土被压碎，限制支撑屈曲的作用也随之消失。Fujimoto(1988)等人对内核支撑和钢套管间填充砂浆的屈曲约束支撑进行了理论和试验研究，对各种不同铜套管尺寸进行了试验，得到了钢套管的刚度和强度设计准则。为了给美国第一座使用屈曲约束支撑的建筑提供结构设计和施工上的技术支持，Clark(1999)等人进行了三组大比例的屈曲约束支撑的试验。试验的结果显示支撑的滞回性能非常稳定。Black(2000)在1999年试验的基础上进行了两组试验，均为十字形截面，试验的结果显示支撑的滞回性能非常稳定。
国内方面，蔡克铨(2002)等人研制了双管式屈曲约束支撑，针对两种不同截面形式的屈曲约束支撑进行了试验研究。同济大学邓长根(2004)等对普通和新型屈曲约束支撑的力学性能及其应用行了的理论分析[8]。清华大学郭彦林(2005)采用ANSYS程序对截面形式为十字形及矩形，外包钢管混凝土的屈曲约束支进行了有限元分析[9]。哈尔滨工业大学李研(2006)对屈曲约束钢支撑进行了静力往复试验及子结拟动力试验，提出了屈曲约束钢支撑的一些比较合理的构造[10]。同济大学李国强(2007)对屈曲约束支撑的滞回曲线模型和刚度方程的建立作了较深入研究[11]。
在工程应用方面，到目前为止，美国已经建成或正在建造的使用此支撑的结构达30余栋。日本是世界上建筑物使用屈曲约束支撑为制震组件最多的国家，同时也是发展BRB种类最多的国家，并且也是目前全球拥有专利权的制造厂商最多的国家。中国台湾的使用率也迅速提高，短短三年就建成了许多应用BRB的建筑。中国北京威盛大厦和北京银泰中心大厦也开始使用了屈曲约束支撑，并进行了相关的抽样检测和试验研究。
通过各国研究者大量的试验研究和应用经验，各国研究者普遍认为屈曲约束支撑体系与抗弯刚框架和普通支撑框架相比有以下优点：
(1)小震时屈曲约束支撑体系线弹性刚度高，可以很容易地满足规范的变形要求。(2)屈曲约束支撑可以受拉、受压时都发生屈服，因此在强震时有更强和稳定的能量耗散能力。(3)屈曲约束支撑通过螺栓或铰连接到节点板，可避免现场焊接及检测，安装方便且经济。(4)屈曲约束支撑构件好比结构体系中可更换的“保险丝”，可保护主体结构免遭破坏，可以方便地更换损坏的支撑。(5)因为屈曲约束支撑的刚度和强度很容易调整，所以屈曲约束支撑设计灵活。
但是，屈曲约束支撑也存在着成本较高、现场安装复杂等等缺点。
3屈曲约束支撑的设计
3.1 设计承载力
弹性设计阶段，屈曲约束支撑框架体系与普通框架体系的设计方法基本相同，但在支撑布置、构件验算、节点计算等方面具有不同点。通过综合比较分析，屈曲约束支撑与普通支撑框架结构设计特点如表1所示：
表1 屈曲约束支撑设计特点
设计项目 普通支撑框架 屈曲约束支撑框架
支撑布置 可选用X型支撑布置 不可选用X型支撑布置
构件验算 小震和风荷载下需要进行稳定承载力验算 小震和风荷载下只进行强度验算
节点设计 根据抗拉屈服承载力设计 根据极限承载力设计
弹塑性时程分析 应采用抗压不对称滞回模型 可采用简单双线型滞回模型
设计过程中，屈曲约束支撑有三种承载力，即设计承载力、屈服承载力、极限承载力，在结构设计中适用于不同的情况。其中设计承载力是弹性承载力，用于静力荷载与小震分析设计。支撑的设计承载力是按下式计算得到的：
(1)
式中：A为屈曲约束支撑芯材截面面积； f为芯材强度设计值。
屈服承载力可用于结构的弹塑性分析，为支撑首次进入屈服的轴向力，是按下式计算得到的：
(2)
式中：fy为芯材屈服强度。
极限承载力用于屈曲约束支撑的节点及连接设计。计算屈曲约束支撑极限承载力时应考虑钢材的超强系数，屈曲约束支撑的芯材在地震作用下拉压屈服会产生应变强化效应，考虑应变强化后，支撑的最大承载力为极限承载力，可按下式计算：
(3)
式中：Ry为芯板钢材的超强系数；ω为应变强化调整系数。
3.2 设计要求
3.2.1风载与小震承载力要求
屈曲约束支撑在风荷载或小震与其他静力荷载组合下最大的拉压轴力设计值N应满足下式要求：
(4)
3.2.2支撑外套筒抗弯刚度要求
为保证屈曲约束支撑在地震作用下不发生整体失稳，其套筒抗弯刚度应满足下式要求：
(5)
式中：I—套筒的弱轴惯性矩；E—套筒钢材弹性模量；l—支撑长度。
4结论
通过对屈曲约束支撑的基本原理进行总结分析，得出该类型支撑区别于传统支撑的力学模型。同时对该类支撑的优势及设计方法进行了总结，提出了分别应用于不同设计目标的设计承载力，及滞回模型的确定方法。
[1]蔡克铨,翁崇兴. 双钢管型挫屈束制支撑之耐震性能行为与应用研究[J]．台湾大学地震工程研究中心研究报告, 2002.
[2]谢强,赵亮. 屈曲约束支撑的研究进展及其应用[J]．钢结构．2006
[3]汪家铭,中岛正爱.陆烨,译．屈曲约束支撑体系的应用与研究进展(I)[J]. 建筑钢结构进展, 2005
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。