屈曲約束支撐又稱防屈曲支撐或BRB(Buckling restrained brace),產(chǎn)品技術(shù)最早發(fā)展于1973年的日本，當(dāng)時的一批日本學(xué)者成功研發(fā)了最早的墻板式防屈曲耗能支撐，并對其進行了加入不同無粘結(jié)材料的拉壓試驗；1994年北嶺地震后，美國也開始對防屈曲支撐體系進行相應(yīng)的設(shè)計研究和大比例試驗，同時結(jié)合理論計算分析了該支撐體系較其他支撐體系的優(yōu)點。
基本概況
防屈曲支撐可為框架或排架結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度和承載力(參見圖1
)，采用支撐的結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。
普通支撐受壓會產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象，當(dāng)支撐受壓屈曲后，剛度和承載力急劇降低。在地震或風(fēng)的作用下，支撐的內(nèi)力在受壓和受拉兩種狀態(tài)下往復(fù)變化。當(dāng)支撐由壓曲狀態(tài)逐漸變至受拉狀態(tài)時，支撐的內(nèi)力以及剛度接近為零。因而普通支撐在反復(fù)荷載作用下滯回性能較差(參見圖2)。
為解決普通支撐受壓屈曲以及滯回性能差的問題，在支撐外部設(shè)置套管，約束支撐的受壓屈曲，構(gòu)成屈曲約束支撐(參見圖3)。
屈曲約束支撐僅芯板與其他構(gòu)件連接，所受的荷載全部由芯板承擔(dān)，外套筒和填充材料僅約束芯板受壓屈曲，使芯板在受拉和受壓下均能進入屈服，因而，屈曲約束支撐的滯回性能優(yōu)良(參見圖4)。屈曲約束支撐一方面可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷，另一方面具有金屬阻尼器的耗能能力，可以在結(jié)構(gòu)中充當(dāng)“保險絲”，使得主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍內(nèi)。因此，屈曲約束支撐的應(yīng)用，可以全面提高傳統(tǒng)的支撐框架在中震和大震下的抗震性能(參見表1-1)。
表1-1屈曲約束支撐框架與普通支撐框架的抗震性能比較
產(chǎn)品優(yōu)點
與普通支撐相比，屈曲約束支撐具有以下優(yōu)點：
承載力與剛度分離
防屈曲支撐的最大優(yōu)點是其自身的承載力與剛度的分離。普通支撐因需要考慮其自身的穩(wěn)定性，使截面和支撐剛度過大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度過大，這就間接地造成地震力過大，形成了不可避免的惡性循環(huán)。選用防屈曲支撐，即可避免此類現(xiàn)象，在不增加結(jié)構(gòu)剛度的情況下滿足結(jié)構(gòu)對于承載力的要求。
承載力高
抗震設(shè)計中，普通支撐的軸向承載力設(shè)計值為：
延性與滯回性能好
屈曲約束支撐在彈性階段工作時，就如同普通支撐可為結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度，可用于抵抗小震以及風(fēng)荷載的作用。屈曲約束支撐在彈塑性階段工作時，變形能力強、滯回性能好，就如同一個性能優(yōu)良的耗能阻尼器，可用于結(jié)構(gòu)抵御強烈地震作用。
保護主體結(jié)構(gòu)
屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，在大震下可起到“保險絲”的作用，用于保護主體結(jié)構(gòu)在大震下不屈服或者不嚴重破壞，并且大震后，經(jīng)核查，可以方便地更換損壞的支撐。
減小相鄰構(gòu)件受力
當(dāng)支撐為人字形或V字型布置時，由于普通支撐受壓屈曲，受拉與受壓承載力差異可能很大，而普通支撐的截面由受壓承載力控制，但支撐受拉時其內(nèi)力最大可達到受拉承載力，故與支撐相鄰構(gòu)件的內(nèi)力由支撐受拉承載力控制。如采用屈曲約束支撐，支撐受拉與受壓承載力差異很小，可大大減小與支撐相鄰構(gòu)件的內(nèi)力（包括基礎(chǔ)），減小構(gòu)件截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)造價。
產(chǎn)品性能
屈曲約束支撐一般由3部分構(gòu)成，即核心單元、約束單元及滑動機制單元，其中核心單元即芯材，又稱為主受力單元，是構(gòu)件中主要的受力元件，由特定強度的鋼板制成。常見的截面形式為十字形、T形、雙T形和一字形等，分別適用于不同的剛度要求和耗能需求。約束單元又稱側(cè)向支撐單元，負責(zé)提供約束機制，以防止核心單元受軸壓時發(fā)生整體或余部屈曲。比較常見的約束形式為鋼管填充混凝土或純鋼型結(jié)構(gòu)約束。滑動機制單元又稱為脫層單元，是在核心單元與約束單元間提供滑動的界面，使支撐在受拉和受壓時盡可能有相似的力學(xué)性能，避免核心單元因受壓膨脹后與約束單元間產(chǎn)生摩擦力而造成軸壓力的大量增加，這種滑動單元一般是由一些無粘結(jié)材料制作而成的。
如前所述，常見的屈曲約束支撐包括兩種類型——灌漿型和純鋼型（圖3-1），灌漿型指約束材料為混凝土材料，而純鋼型則指整個產(chǎn)品僅使用鋼材的情況，灌漿型產(chǎn)品為早期產(chǎn)品，在各國使用較為廣泛，而純鋼型則相對發(fā)展較晚，但由于其自身優(yōu)勢明顯，已開始在各國大面積使用。
灌漿型與純鋼型屈曲約束支撐有如下優(yōu)缺點：1、灌漿型由于使用混凝土做為填充材料，與純鋼型相比，其質(zhì)量較為難以控制，而純鋼型則可直接使用成熟的鋼結(jié)構(gòu)加工方式進行加工，質(zhì)量可嚴格控制到機械產(chǎn)品的精度；2、灌漿型由于產(chǎn)品本身使用混凝土灌漿料，而純鋼型一般內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，因此灌漿型自重要比純鋼型大很多；3、灌漿型由于受其自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，很難將截面做的很小，而同樣噸位下，純鋼型則形式更為自由，體積更小。防屈曲約束的承載力由其自身芯材的截面和使用的鋼材型號來進行控制，根據(jù)對于產(chǎn)品承載力的不同要求，芯板材料通常可采用低屈服點鋼材（屈服強度160MPa和225MPa）、普通低碳鋼（Q235鋼）或其他高強鋼（Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼），也就是在同一種屈服力的情況下，我們可以使用很多的組合來達到這個目的，如需要的屈服力為235MPa，則如果使用Q235鋼，取其芯材截面為1，而使用Q160鋼則為了達到這個屈服力，其芯材截面就需要取到1*235/160=1.46，因此通常情況下只要在進行產(chǎn)品設(shè)計時選擇合理的芯材截面，則不同的鋼材屈服力將完全無法對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。
芯板材性
《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB-T700-2006）及《低合金強度鋼》（GB-T1591-1994）兩個國家標準中對于鋼材的質(zhì)量分為A、B、C、D四種質(zhì)量等級，主要區(qū)別為對于不同質(zhì)量等級A類不需要做沖擊試驗，而B、C、D類均需在不同溫度下進行沖擊試驗。國家規(guī)定中對于鋼材僅要求其屈服度不低于某個數(shù)值，如Q235鋼材的屈服力應(yīng)不低于235MPa，而沒有要求其屈服力不高于某個數(shù)值，這樣造成的情況就是如果Q235鋼材的屈服力為300MPa，則也是滿足要求的。由于在進行防屈曲支撐的產(chǎn)品設(shè)計時，產(chǎn)品本身對與芯板材料的屈服力較為敏感，因此所使用的芯材鋼板均需進行相關(guān)的試驗來確定其真實屈服力之后才能用于產(chǎn)品生產(chǎn)加工。
通常我們所說的低屈服點鋼的概念來源于日本，主要指代其屈服強度在某一個狹小范圍內(nèi)（±20N/mm2）的鋼材，而不是我們所說的如Q100、Q160或Q225之類屈服點較低的鋼材，因為國家規(guī)范中沒有對于鋼材屈服度的上限控制標準，因此主要使用低屈服點鋼來指代性能較為穩(wěn)定的鋼材；但國內(nèi)的鋼材加工水平仍然要低于日本，因此即使被稱為低屈服鋼，在國內(nèi)也仍然只能認為是屈服點較低的鋼而已，而鋼材實際的屈服點仍然需要使用試驗的方法來進行檢驗，其產(chǎn)品的性能并不能完全與日本的低屈服點鋼進行等價。
產(chǎn)品驗收標準
對于防屈曲支撐產(chǎn)品的驗收標準，僅在我國的2010版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-2010）送審稿中有所提及，但標準仍然較低：
1、[GB50011-2010]屈曲約束支撐應(yīng)按照同一工程中支撐的構(gòu)造形式、約束屈服段材料和屈服承載力分類進行抽樣試驗檢驗，構(gòu)造形式和約束屈服段材料相同且屈服承載力在50%至150%范圍內(nèi)的屈曲約束支撐劃分為同一類別。每種類別抽樣比例為2%，且不少于一根。試驗時，依次在1/300，1/200，1/150，1/100支撐長度的拉伸和壓縮往復(fù)各3次變形。試驗得到的滯回曲線應(yīng)穩(wěn)定、飽滿，具有正的增量剛度，且最后一級變形第3次循環(huán)的承載力不低于歷經(jīng)最大承載力的85%，歷經(jīng)最大承載力不高于屈曲約束支撐極限承載力計算值的1.1倍。
2、[GB50011-2010]金屬屈服位移相關(guān)型消能器等不可重復(fù)利用的消能器，在同一類型中抽檢數(shù)量不少于2個，抽檢合格率為100%，抽檢后不能用于主體結(jié)構(gòu)。型式檢驗和出廠檢驗應(yīng)由第三方完成。
3、[JGJ99-2010]E.5.1屈曲約束支撐的設(shè)計應(yīng)基于試驗結(jié)果，試驗至少應(yīng)有兩組：一組為組件試驗，考察支撐連接的轉(zhuǎn)動要求；另一組為支撐的單軸試驗，以檢驗支撐的工作性狀，特別是在拉壓反復(fù)荷載作用下的滯回性能。
4、[JGJ99-2010]E.5.2屈曲約束支撐的試驗加載應(yīng)采取位移控制，對構(gòu)件試驗時控制軸向位移，對組件試驗時控制轉(zhuǎn)動位移。
5、[JGJ99-2010]E.5.3耗能型屈曲約束支撐試驗應(yīng)按以下加載幅值及順序進行：依次在1/300、1/200、1/150、1/100支撐長度的拉伸和壓縮往復(fù)各3次變形，實現(xiàn)軸向累計非彈性變形至少為屈服變形的200倍（組件試驗不做此要求）
6、[JGJ99-2010]
E.5.4屈曲約束支撐的試驗檢驗要求
1）同一工程中，屈曲約束支撐應(yīng)按照支撐的構(gòu)造形式、核心鋼支撐材料和屈服承載力分類別進行試驗檢驗。抽樣比例為2%，每種類別至少有一根試件。構(gòu)造形式和核心鋼支撐材料相同且屈服承載力在試件承載力的50%至150%范圍內(nèi)的屈曲約束支撐劃分為同一類別。
2）宜采用足尺試件進行試驗。如果試驗裝置無法滿足足尺試驗要求，可以減小試件的長度。
3）屈曲約束支撐試件及組件的制作應(yīng)反映設(shè)計實際情況，包括材料、尺寸、截面構(gòu)成及支撐端部連接等情況。
4）應(yīng)按照相關(guān)的國家標準，對屈曲約束支撐核心鋼支撐的每一批鋼材進行材性試驗。
5）當(dāng)屈曲約束支撐試件的試驗結(jié)果滿足下列要求時，試件檢驗合格：
a）材性試驗結(jié)果滿足E.3.8條第1款的要求；
b）屈曲約束支撐試件的滯回曲線表現(xiàn)穩(wěn)定、飽滿，剛度穩(wěn)定增長，沒有剛度退化現(xiàn)象；
c）屈曲約束支撐沒有出現(xiàn)斷裂和連接部位破壞現(xiàn)象；
d）屈曲約束支撐試件每一加載循環(huán)核心單元屈服后的最大拉、壓承載力均不低于屈服荷載，且最大壓力和最大拉力之比不大于1.3。
針對于傳統(tǒng)減震設(shè)計的規(guī)范已在評審中，未發(fā)布，為《建筑減震消能規(guī)范》送審稿，其中對于產(chǎn)品的檢測標準為：
主要生產(chǎn)廠家
3.中國建研院
參考資料 >