杆式防屈曲支撑专利技术发展分析

尹永才 赵灿

摘要：杆式防屈曲支撑作为一种高性能、低成本的新型建筑构件已在很多国家和地区得到广泛应用，其性能主要受到约束单元、芯材和填充物影响。本文主要从申请量年度分布、申请人类型、主要申请人排名等方面对杆式防屈曲支撑的专利申请状况进行分析，探讨杆式防屈曲支撑的专利发展趋势。

关键词：杆式防屈曲支撑;约束;芯材

中图分类号：G306文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）12-0116-08

1 杆式防屈曲支撑概述

杆式防屈曲支撑（Buckling-Restrained Braces，简称BRB），也称屈曲约束支撑，是一种在建筑抗震领域中兼具金属阻尼器和普通支撑功能双重作用的新型支撑。在正常使用状态下，杆式防屈曲支撑起到普通中心支撑的作用，为建筑结构提供抗侧强度;在发生地震时，杆式防屈曲支撑可通过其反复拉压耗散地震输入的能量。

近年来，随着国内外越来越多高层、超高层摩天大楼的兴建，杆式防屈曲支撑以其在地震时具有的良好耗能能力和延性，被越来越多地应用到实际建筑结构中，杆式防屈曲支撑构件的型式和设计理论取得了长足的进步[1-2]。

杆式防屈曲支撑中芯材与节点板主要包括以下三种连接形式：其一，芯材与节点板在杆式防屈曲支撑两端通过焊接方式固定;其二，芯材与节点板在杆式防屈曲支撑两端通过螺栓方式固定;其三，芯材与节点板在杆式防屈曲支撑两端通过销轴方式固定。采用螺栓方式将芯材与节点板连接有利用构件的拆装，而且桿式防屈曲支撑固定于节点板上，有利于增加结构的整体性和抗震性。采用焊接连接便于施工且能够保证节点板的截面受到削弱较小，结构整体性良好，但焊缝的存在会有残余应力造成结构脆性破坏，导致压杆稳定性降低。而采铰接连接，由于搭接长度的减少会造成约束屈服段相应增加，从而导致参与屈服的长度增加，轴向应变减少。

2 杆式防屈曲支撑领域专利申请状况

本文以数据库（CNABS、VEN）中截止到2017年07月26日已经收录的公开专利数据为基础。经检索，有关杆式防屈曲支撑的专利申请共计688件，其中国外申请201件。从申请量年度分布、申请人类型、主要申请人排名等角度对杆式防屈曲支撑的专利申请状况进行分析，其中本文中一级技术分支指的是杆式防屈曲支撑，二级技术分支指的是约束单元、芯材、填充和综合改进。

2.1 杆式防屈曲支撑的领域分布特点

杆式防屈曲支撑装置是多项技术的综合。根据其构造的组成部分不同，可以分为对约束单元、芯材单元和填充单元的改进，其中对约束单元的改进包括对构造形式、材质种类、补强构造和拆卸连接方面的改进，对芯材的改进包括材质种类、形状构造、补强构造和限位构造方面的改进，对填充单元的改进包括材质种类、补强构造和隔离设置方面的改进及约束单元、芯材和填充单元相互之间的改进。

图1和图2给出了杆式防屈曲支撑在全球/国内的专利申请趋势，从全球来看，杆式防屈曲支撑专利申请开始于1979年，在1996之前几乎没有增长，发展平缓。这其中一个原因是，杆式防屈曲支撑作为一种新技术刚诞生存在不足之处，并非主流研究对象。在防屈曲的早期发展中，人们把精力集中在墙板式防屈曲支撑，而杆式防屈曲支撑的发展处于萌芽期。从上图2可以看出，我国在进入21世纪后才开始出现有关杆式防屈曲支撑的申请，在2008年汶川地震之后，2010年开始国内申请量有了较大的增长而在同一时间内国外申请量却保持平稳，随着该领域技术的逐渐成熟，专利申请量出现了明显减少，之后随着技术的突破，专利申请量又开始激增，近些年随着突破技术的逐渐成熟，近年来专利申请量也开始下降。

表1显示出各技术分支中首篇专利的技术信息，从该表中可以看出日本在杆式防屈曲支撑研究比较早，技术领先，这跟日本是地震多发国家，整体国民对抗震减灾比较重视有关，中国起步比较晚。

图3显示了一级技术分支全球、中国申请量的发展趋势，从全球专利申请量来看，对于杆式防屈曲支撑主要集中在约束单元，芯材和综合改进方面，对于填充单元的改进申请量较少，这是由于杆式防屈曲支撑主要由约束单元和芯材组成，在受到外加荷载时，由于外围约束单元的约束作用，作为轴向受力构件的芯材单元在受压时达到全截面屈服，通过屈服滞回有效地保护建筑物。因此，对于杆式防屈曲支撑的改进主要集中于关键的约束单元和芯材及杆式防屈曲支撑各构成部分综合改进，尤其是对于各组成部分的综合改进更是成为研究的热点。

图4—图6显示了约束单元专利申请情况，从图中可以看出，对于约束单元的改进全球和中国主要集中在构造形式和材质种类，对于补强构造和拆卸连接和其他方面改进比较少，这和约束单元所起作用基本吻合。约束单元在杆式防屈曲支撑中主要是通过对芯材的侧向屈曲变形进行约束来防止支撑构件受压时发生整体屈曲或局部屈曲破坏。因此，通过其构造形式和材质种类能够明显改善其对内芯单元的约束性能。

图7—图9显示了芯材单元专利申请情况，从图中可以看出，对于芯材单元的改进全球和中国主要集中在形状改变和材质选择，对于补强构造和限位构造和其他方面改进比较少，这和芯材单元所起作用基本吻合。芯材单元在杆式防屈曲支撑中主要起到承担支撑轴力，实现在拉压状态下全截面屈服而不发生构件屈曲。对于其形状改变，比如设置不同耗能段能明显提高其耗能能力，不同的材料对于提高芯材单元的耗能性能也是十分显著，而限位构造和补强构造和其他技术手段作为辅助手段的研究并不是太活跃。

图10—图12显示了填充单元专利申请情况，从图中可以看出，对于填充单元的改进全球和中国主要集中在材质选择，且占据绝对优势，对于隔离设置、内部补强构造和和其他方面改进比较少，这和填充单元所起作用基本吻合。填充单元在杆式防屈曲支撑中主要起到填充约束单元与芯材单元之间的缝隙，以释放支撑芯材单元受压时所产生的膨胀变形。因此，在填充技术分支中，对于填充材质的选择显得尤为重要，这和填充材质在全球和中国的专利申请量相吻合。

图13—图15显示了综合改进专利申请情况，从图中可以看出，对于杆式防屈曲支撑的综合改进，全球和中国主要集中在约束单元和芯材单元综合改进，约束单元、芯材单元和填充单元三者综合改进，对于约束单元和填充单元方面综合改进比较少，这和杆式防屈曲支撑基本原理吻合。杆式防屈曲支撑主要起作用的是约束单元和芯材单元，填充单元只是起到填充约束单元与芯材单元之间的缝隙以释放支撑芯材单元受压时所产生的膨胀变形，这也体现在全球和中国对于杆式防屈曲支撑综合改进的申请量中约束单元和芯材单元综合改进，约束单元、芯材单元和填充单元三者综合改进差别不是太明显。因此，对于杆式防屈曲支撑的申请量主要集中在约束单元和芯材单元，约束单元、芯材单元和填充单元三者综合改进，这和杆式防屈曲支撑所发挥的作用密切相关。

2.2 国内外各代表申请人的重点专利

大和房屋工业株式会社1955年成立于大阪，是日本最大的住宅建筑商，公司专门从事预制房屋设计制作。图16显示了大和房屋工业株式会社杆式防屈曲支撑技术发展路线图。

从图16可以看出，大和房屋工业株式会社对于杆式防屈曲支撑的改进分为对约束单元、芯材单元、填充单元及综合改进方面的研究。对于约束单元的改进主要集中在设置组合式约束单元，达到方便拆卸的目的，比较有代表的专利为JP2012246675A、JP2014001505A等。对于芯材单元的改进，主要集中在材质、形状和构造，比较有代表的专利为JP2008150842A、JP2009138411A、JP2009019

436A等。对于杆式防屈曲支撑组成部分的综合改进主要集中在约束单元和芯材单元、约束单元和填充单元、芯材单元和填充单元和三者的综合改进，比较有代表的专利有JP2008308937A、JP2009249833A、JP2013032701A、JP2014020091A，JP2014043723A等。

從图17可以看出，北京工业大学对于杆式防屈曲支撑的改进分为对约束单元、芯材单元、填充单元及综合改进方面的研究。对于约束单元的改进主要集中在设置组合式约束单元，达到方便拆卸的目的，比较有代表的专利为CN103711217A。对于芯材单元的改进，主要集中在材质、形状和构造，比较有代表的专利为CN200992750Y、CN1963061A、CN103938749A等。对于填充单元的改进主要集中在材质、隔离设置和补强设置，比较有代表的专利为CN102605873A、CN103382745A和CN103711217A等。对于杆式防屈曲支撑组成部分的综合改进主要集中在约束单元和芯材单元、约束单元和填充单元、芯材单元和填充单元和三者的综合改进，比较有代表的专利为CN201358521Y、CN103104050A、CN203716323U、CN1031174229A、CN202519808U等。

从图18可以看出，东南大学对于杆式防屈曲支撑的改进分为对约束单元、芯材单元、填充单元及综合改进方面的研究。对于约束单元的改进主要集中在设置组合式约束单元，达到方便拆卸的目的，比较有代表的专利为CN106760838A、CN106639463A、CN106703244A、CN103362232A等。对于芯材单元的改进，主要集中在材质、形状和构造，比较有代表的专利为CN102852245A、CN203145227U、CN106284727A。对于填充单元的改进主要集中在材质、隔离设置和补强设置，比较有代表的专利为CN203230060U、CN103382745A和CN103981975A等。对于杆式防屈曲支撑组成部分的综合改进主要集中在约束单元和芯材单元、约束单元和填充单元、芯材单元和填充单元和三者的综合改进，比较有代表的专利为CN103397711A等。

3 结语

目前，杆式防屈曲支撑作为一种高性能、低成本的新型建筑构件已在很多国家和地区得到广泛应用，我国在2008年汶川地震之后，减隔震技术得到高度重视，杆式防屈曲支撑的应用研究也得到井喷式发展，杆式防屈曲支撑构件的型式和设计理论取得了长足的进步。

参考文献：

[1] 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（9）.

[2] 吴徽，张艳霞，张国伟，等.防屈曲支撑作为可替换耗能元件抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2013（11）.