防屈曲耗能支撑技术综述

祝倩

摘要：我国是世界上遭受地震灾害最为严重的国家之一，地震频繁，且震害严重，亟需提高建筑结构的抗震性能。钢支撑框架由于结构自重轻，被广泛应用在多高层钢结构中。普通钢支撑在中震和大震作用下会发生整体失稳或局部屈曲，显著降低结构耗能能力，影响结构的抗震安全性。防屈曲耗能支撑作为一种减震、抗震的新型构件，越来越多地应用于大型公共建筑中，大大提高了建筑结构抗震性能。

关键词：钢支撑；防屈曲耗能支撑：抗震；技术发展

1防屈曲耗能支撑技术概述

防屈曲支撑是一种力学性能良好，耗能性能稳定的新型耗能装置，又称无粘结支撑、挫屈束制支撑、屈曲约束支撑、挫屈防止支撑等，属于支撑型金属阻尼器。防屈曲支撑一般由三部分组成：芯材、约束芯材屈曲的套管、位于芯材与套管间的无黏结材料以及填充材料，无粘结膨胀材料包括橡胶、聚乙烯、硅胶及乳胶，它们可有效降低或消除核心单元受约柬段和砂浆间的摩擦。其构造如图1所示：

1.1钢筋混凝土约束防屈曲支撑。钢筋混凝土约束防屈曲支撑一般为墙板式，即采用钢筋混凝土墙板来对内藏支撑进行侧向约束，这种形式更适用于隔墙比较多的公共与民用建筑。常见的墙板式防屈曲支撑主要包括现浇式和夹板式两种。前者是指把一字形支撑放在钢筋混凝土墙板中并与其一同现浇成为一体，这种形式施工稍复杂，但整体性较好；后者是指采用分块预制的钢筋混凝土墙板对内藏支撑进行螺栓夹紧，这种形式施工方便，但约束效果和整体性要稍欠缺一些。

1.2钢管混凝土约束防屈曲支撑。与钢筋混凝土相比，钢管混凝土约束防屈曲支撑无需设置钢筋，只需把内芯插入钢管内部后整体现浇混凝土或砂浆即可，同时外包钢管可充当混凝土模板，因此构件制作更为简单，造价相对更低，也避免了耐久性的问题。此外，由于钢管混凝土的抗弯承载力和刚度比钢筋混凝土要好得多，因此能提供更好的侧向约束能力。

1.3钢构件约束（全钢防屈曲支撑）。与钢管混凝土约束防屈曲支撑相比，全钢防屈曲支撑在钢管内不填充砂浆等材料，省去了混凝土浇注等一系列的复杂工序，构造简单，加工方便。通过外围约束钢管抑制内芯在受压时发生屈曲破坏，使内芯能够在受拉和受压的情况下都可以达到材料屈服，通过内芯的塑性变形消耗能量。

全钢型防屈曲耗能支撑与混凝土约束型防屈曲耗能支撑的主要区别在于前者的约束构件为全钢构件，其核心受力单元截面形式主要有“一”字型、“十”字型、“T”字型、槽型、工字型、管型，约束单元主要有单根圆管或方管、双钢管、四钢管。此类支撑只需通过型钢或组合钢构件对内芯进行夹紧等方式来旋加约束，无需设置无粘结材料、粘贴松软材料和浇注混凝土，构件制作更加简单，生产周期更短，质量更容易控制。

1.4装配式防屈曲耗能支撑。根据外围约束构件的组成方式防屈曲耗能支撑可分为整体式和装配式。装配式防屈曲支撑的研究，目前还处于起步阶段，主要集中在构造、工作性能、原理、应用等方面。

整体式耗能支撑的最大缺点在于地震过后不易检查核心单元的损坏情况，不能针对性更换损坏部分，因而一旦发生局部损坏，就必须更换整个支撑构件。为此，有学者尝试开发装配式防屈曲支撑，利用可拆的特性，在地震后便可直接拆解察看是否破坏，装配式防屈曲支撑与过去防屈曲支撑的最大差异在于它的侧撑组件是可以拆解的。

2防屈曲耗能支撑发展历程

2.1國外发展历程。防屈曲支撑的研究起源于日本。1973年，Wakabayashi等首次将一块一字型钢板埋入混凝土板中，依靠外包混凝土来约束钢板的屈曲变形，试验一方面证实了耗能减震的效果，另一方面也验证了外包混凝土约束的强度大小对支撑的性能发挥有重要影响，并提出了防屈曲支撑这一概念，同时也开创了近40年来各国学者在该领域的不断研究。1980年，Mochizuki等在防屈曲支撑的外包混凝土与内核钢板单元之间涂抹上无粘结涂层，用于消除两者之间的摩擦力。试验得到的滞回曲线稳定且饱满，提高了支撑的性能，同时也是“无粘结防屈曲支撑，研究的开端。1995年阪神地展后，防屈曲支撑体系在日本被大量使用。1994年北岭地展后，美国也开始对这种体系进行研究。日本是世界上使用防屈曲支撑最多的国家，超过3 00栋的建筑物使用防屈曲支撑。

图2是1992-2014年全球防屈曲耗能支撑专利申请量的情况，从图中我们可以看到，防屈曲耗能支撑的专利申请量可以分为三个阶段，第一个阶段是起步阶段（1992-1996），专利申请量较少，这一阶段防屈曲耗能支撑多为整体式，专利申请特点多为结构简单、功能单一；第二阶段是稳定成长阶段（1997-2008），随着生产的发展以及试验工作的开展、计算理论的研究、材料及施工技术的改进，防屈曲耗能支撑的芯材、约束形式、约束材料、装配方式等均向多元化发展；第三阶段是高速成长阶段（2009-2014），该阶段全球经济快速发展，高层建筑需求膨胀，且由于全球大型地震事件频发，对于建筑的抗震性能要求进一步提高，对于防屈曲耗能支撑的研究热情也进一步高涨，在该阶段防屈曲耗能支撑的计算方法和理论进一步完善，专利申请重点是向组合型、优化型方向发展。

在技术发展的初期，防屈曲支撑主要是整体式、外围约束构件主要为钢管混凝土。随着理论研究和实验工作的深入，外围约束构件的形式也丰富起来，可拆卸的装配式防屈曲支撑也逐渐演变产生。第一件防屈曲耗能支撑的专利申请是由Iwata等在1992年在日本提出（JPH0657820 A），该支撑为钢管混凝土约束防屈曲支撑，核心受力单元采用低屈服点钢制成，截面形式为一字型或十字型。该耗能支撑安装在钢结构的梁柱连接处，以提高钢结构的抗震能力。1996年一家日本钢管公司在日本提出一种全钢型的防屈曲耗能支撑（JPH09221830 A），其核心受力单元为“一”字型扁平钢，约束单元为方形或者圆形钢管。2003年日本一家公司提出了一种全钢制成的可拆卸防屈曲耗能支撑（JP2004244833A），其核心构件为一字形的长条状构件；约束构件由多个可拆解的槽钢及钢板拼装构成，不填充混凝土。

22国内发展历程。我国防屈曲耗能支撑的起步较晚，台湾地区在2000年左右开始展开防屈曲支撑框架结构稳定性的研究，大陆地区则大概从2004年前后开始关注此类支撑的研究和应用，尤其是2008年汶川大地震之后，建筑物的抗震要求进一步提高，防屈曲耗能支撑的理论研究和试验研究工作都在我国得到了极为迅速的发展，许多方面已达到或接近于国际先进水平。

图3是我国防屈曲耗能支撑专利申请量情况，从图中可以看出，2008年以前我国关于防屈曲耗能支撑的专利申请量较少，增长也较为缓慢；2008年以后，一大批大学和科研院所针对梁柱节点开始大量投入相关研究工作，专利申请量急剧增长。

图4是我国防屈曲耗能支撑专利主要申请人分布情况，从图中可以看出，防屈曲耗能支撑专利的申请人主要集中在高校申请人，可见该领域的学术性很强，研发核心力量在高校，研究热度很高。专利申请量最大的为北京工业大学，清华大学、东南大学、同济大学、哈尔滨工业大学的专利申请量也较多，为推动该领域的进步起着重大作用。

3防屈曲耗能支撑存在的问题与发展方向

虽然我国针对防屈曲耗能支撑已开展了许多研究，并取得一些成果，但仍存在以下问题：

（1）根据我国钢结构材料类型，开发适合我国国情的防屈曲耗能支撑形式，开发研究必须坚持构造简单和便于设计、制造和施工的原则，并进行系统的性能试验和分析研究，进行产品定型。

（2）加快防屈曲支撑相关规范编写：目前，由于中国防屈曲支撑有不同的种类，研究方法不尽相同，设计时亦无标准可依；对防屈曲支撑的试验研究缺少统一的加载标准，这就给各种试验结果的横向比较带来困难，因此，防屈曲支撑各种标准的制定已成为当前紧迫任务。

（3）加强对防屈曲支撑与主体结构的连接问题研究：防屈曲支撑对装配偏心造成的误差很敏感，稍有不对中就会加剧其在变形过程中的偏心，大大削弱其耗能能力。一方面应提高施工工艺，减少安装偏差；另一方面进一步研究平面铰接和球绞连接方式，对防止节点屈曲和连接部位破坏很有意义。

（4）加强防屈曲支撑应用于大跨、超高以及网壳等结构上的研究：随着这类结构形式的大量应用，对防屈曲支撑也提出了更高要求，一方面要保证其原有的耗能能力；另一方面也要保证超长防屈曲支撑的整体稳定性。