屈曲约束支撑钢桁架结构的研究进展及在抗震加固中的应用

鲍镇 梁田 王金涛

摘要: 屈曲约束支撑钢桁架结构克服了传统支撑体系受压屈曲的缺点,抗震耗能能力优异。通过介绍屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Braces 简称BRB)的概况及最新研究进展，结合国内外研究资料对屈曲约束支撑钢桁架结构的应用、抗震性能及其加固改造作简要探讨，为下一步更加深入研究屈曲约束支撑钢桁架结构并使其应用到实际工程中提供一定的依据。

Abstract: Buckling-Restrained Braces steel truss could overcome the disadvantages of the conventional braced frame system and its seismic-resistance and energy-dissipation is excellent. This paper is devoted to the general situation and the latest process of BRB system. Also we will simply discuss the application, earthquake-proofing capacity and strengthening of BRB steel truss to provide some basis for its practical engineering application.

关键词:屈曲约束支撑;钢桁架; 耗能;抗震加固

Keyword: Buckling-Restrained Braces; Steel structure truss; energy-dissipation; anti-seismic strengthening

0 引言

目前传统框架结构由实腹式的梁、柱刚接而成，具有自重轻、延性好、布置灵活等优点，是现代建筑中最基本的主体结构形式。框架结构的跨度较小，当跨度较大时，如果仍然采用实腹式钢梁显然不经济。桁架结构则是格构化的一种梁式结构，具有跨度大、自重轻等优点，主要应用于大跨度屋盖结构。随着现代建筑物高度、跨度的不断增加以及使用功能的日趋复杂，传统结构形式已不能完全满足人们的需求，各类杂交及新型结构不断涌现，将上述两种结构杂交到一起，即用钢桁架来代替传统框架结构中的实腹式钢梁（桁架两端与柱刚接），就是其中一种。普通桁框结构应用于抗震设防地区时，问题也是显而易见的。一方面，传统框架结构是利用在强烈水平地震作用下框架梁两端形成塑性铰来耗能，而桁框结构则不同，当水平荷载较大时承担桁架剪力的多数腹件容易发生失稳和破坏，导致结构强度和刚度剧烈退化，滞回性能很差，延性较低，同时产生较大的层间侧移，影响结构的安全，因此需要特别保证桁架的抗震能力。

1 屈曲约束支撑简介

屈曲约束支撑[1]又称无粘结支撑,是一种新型钢结构支撑,也是一种耗能支撑。屈曲约束支撑一般有以下4个基本部分组成：轴力构件单元（支撑）、屈曲约束单元、连接单元和隔离单元。轴力构件单元用来承受轴向荷载；屈曲约束单元环抱在其周围防止轴力单元屈曲；连接单元在轴力单元的两端并且伸出屈曲约束单元，用来连接屈曲约束支撑和框架结构；隔离单元用以分离轴力构件和屈曲约束单元，一般是用脱粘结的材料。在国内外关于屈曲约束支撑方面有大量成熟的研究文献可供参考查阅。

2 屈曲约束支撑钢桁架简介

2009 年由美国学者Pekcan 和Itani 等[2]提出了一种新型钢桁架结构形式（见图1）：采用屈曲约束支撑（Buckling Restrained Braces，BRB）作为钢桁架延性区段的斜腹杆；桁架杆件为双槽钢组合截面，延性区段的弦杆两端断开并采用铰轴连接，利用屈曲约束支撑的拉伸或压缩屈服来耗散能量，与其他延性区段做法相比，分工更加明确。Pekcan 和Itani 等学者通过弹塑性动力分析研究[3]，探讨了地震作用下的结构反应（层间位移、层剪力和倾覆力矩、破坏模式等），结果发现：与其他延性区段做法相比，设置屈曲约束支撑有效降低了结构地震反应，推迟了柱脚的屈服；由于延性区段弦杆两端采用理想铰接，显著降低了桁架杆件的内力，最大幅度可达50%；另外，屈曲约束支撑可以被设计成在层间位移角达到0.001rad 时就开始屈服，有利于实现地震作用下的早期耗能，而且各层屈曲约束支撑几乎同步发生屈服，这一点很可贵。

图1 屈曲约束支撑钢桁架及延性区段详图

3 屈曲约束支撑和屈曲约束支撑钢桁架在抗震[4]加固方面的应用及前景

屈曲约束支撑是一种新型钢结构支撑,小震下像普通支撑一样工作,并且没有受屈曲问题；大震下滞回耗能性能优越,像耗能构件一样工作。鉴于屈曲约束支撑良好的抗震性能和耗能性能,该种支撑在日本、美国、加拿大、我国台湾等地得到了越来越广泛的应用[5]。日本在1995年的神户地震后就广泛采用了这种叫做屈曲约束支撑的新型钢结构支撑,它的减震机理明确、减震效果显著、安全可靠、经济合理，可以用于不同地震烈度和抗震要求的结构。国外应用情况举例[6]：日本横滨伊势佐木町华盛顿酒店中采用了平板钢无粘结支撑体系, 塔库马本部办公大楼(高43米)中采用了H型钢无粘结支撑体系，广岛绿色大厦（地下2层、地上9层)抗震加固工程中采用了H型钢无粘结支撑体系。在国内应用起步比较晚也比较少见，中国台湾的台北101国际金融中心大楼也采用了屈曲约束支撑技术，北京通用国际时代广场由于考虑其8度抗震设防而首次使用屈曲约束支撑来耗能。

屈曲支撑巧妙的应用于钢桁架中组成一种新的结构体系，这种屈曲约束支撑钢桁架结构的研究目前仅在国外文献中看到，国内的研究还没有起步。用钢桁架取代传统框架结构中的实腹式钢梁是一种杂交结构，它具有抗侧刚度大、跨度大、竖向承载能力高、用钢量低等优点，在多高层民用建筑中应用可以实现大跨度，在工业厂房中应用可以实现多层化，从而丰富建筑功能、节约用地、降低成本。通过在桁架跨中设置延性区段，让其在地震作用下进入塑性耗能，而其余构件仍处于弹性状态， 可以显著提高结构的耗能能力， 是一种新型抗震结构体系， 具有广泛的应用前景。

4 国外对建筑抗震、防震的要求

日本是世界上地震最多最频繁的国家，世界上20%的6级以上的地震都发生在日本。长期抗震，日本在防震减灾、抗震救灾方面积累了大量技术人才和宝贵经验，值得我们借鉴、思考。日本的《建筑标准法》规定，建筑物的抗震标准要遵循两点，第一，建筑物遭遇多次地震，即使受到一定损害，但在修复后依然能够满足继续使用的要求；第二，不管建筑物是否会遭遇地震，即使建筑物被破坏无法继续使用，也不至于在地震时顷刻间倒塌。日本规定2013年有抗震功能的建筑物要占到90%。由此可见日本在建筑抗震防震、震后修复加固方面是非常重视的。智利于2010年2月27日发生8.8级强地震，但是震区的许多高层建筑依然完好无损，这要归功于智利的建筑拥有全球最好的防震功能。智利房屋的防震设计理念不是建造坚不可摧的建筑，而是尽可能地缓冲、释放地震能量，并最大限度地保全建筑物。

5 结论

国内外研究表明,屈曲约束支撑是一种十分有效的的耗能构件,具有很稳定的滞回性能和抗震性能，已广泛应用于新建结构和已有结构的加固中。推广这种支撑以及研究带此支撑的钢桁架在我国工程中的应用和发挥其优秀的性能是工程技术人员面临的一个机遇与挑战。

参考文献

[1] 谢强,赵亮. 屈曲约束支撑的研究进展及其在结构抗震加固中的应用[J]. 地震工程与工程振动,2006,26(3):100-103.

[2] Pekcan G., Linke C. and Itani A. Damage avoidance design of special truss moment frames with energy dissipating devices [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2009, 65(6): 1374-1384.

[3] Linke, Christin, M.S. Damage avoidance design of special truss girder frames with energy dissipation devices [D]. Civil and Environmental Engineering, University of Nevada, Reno, 2009.

[4]Itani A. and Goel S.C. Earthquake resistant design of open web framing systems [R]. Research Report

No. UMCE 91-21, University of Michigan, Department of Civil and Environmental Engineering, Ann

Arbor, MI, 1991.

[5] 胡宝琳,李国强,孙飞飞.屈曲约束支撑体系的研究现状及其国内外应用[J]. 四川建筑科学研究,2007,33(4):9-13.

[6] 李玉亭.日本的防震减灾进展述评灾[J].灾害学,2007,22(1):125-128.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。