屈曲约束耗能支撑在抗震加固项目中的应用

屈曲约束耗能支撑在抗震加固项目中的应用
摘要：本文阐述了防屈曲耗能支撑的原理，介绍了其类型、性能以及应用防屈曲耗能支撑进行抗震加固的设计方法，给出了典型应用实例，提出了防屈曲耗能支撑应用于抗震工程领域中的特点及发展趋势。

关键词：屈曲约束耗能支撑；抗震；应用
一．屈曲约束耗能支撑原理
支撑是一种最为经济的抗侧力构件，它既能提高结构的刚度和承载力，又不影响建筑采光以及内部空间的分割，且施工方便。

传统的带支撑框架有中心支撑框架CBF(Concentrically Braced Frame)和偏心支撑框架EBF(Eccentrically Braced Frame)。

中震和强震时，CBF中的支撑会受压屈曲和受拉屈服，而屈曲会使受压承载力降低，从而限制了支撑作为抗侧力构件的耗能能力，因而大多数抗震规范都对中心支撑的抗震承载力进行调低。

EBF通过偏心梁段的屈服，限制支撑的屈曲，可是结构具有较好的耗能性能。

但是由于偏心梁段屈服，地震后结构修复较为困难，且支撑的刚度得不到完全发挥。

由于支撑屈曲不利于能量耗散，因此相对于传统CBF提出了一种新的可以避免支撑屈曲的体系，称为屈曲约束耗能支撑框架BRBF(Buckling Restrained Braced Frame)，屈曲约束耗能支撑（Buckling-restrained Brace）由芯材，外套筒以及套筒内无粘结材料组成（如图1所示）。

虽然BRB形式多样，但原理基本相似，利用刚度较大的外套筒拟制中心芯板的屈曲。

支撑的中心是芯材(Steel Core)，采用性能优越的钢材制作。

为避免芯材受压时整体屈曲，即在受拉和受压时都能达到屈服，芯材被置于一个钢套管(Steel Tube)内，然后在套管内灌注填充材料，该填充材料具有一定的强度，又有较好的密实性，且耐久性优越。

为减小或消除芯材受轴力时传给填充材料的力，而且由于泊松效应，芯材在受压情况下会膨胀，因此在芯材和填充材料之间设有一层无粘结材料，屈曲约束耗能支撑在日本应用较多，在美国、加拿大和我国台湾地区也有使用，我国大陆地区也在推广这种支撑体系，并且在北京、上海、西安等在建建筑中已经开始使用。

屈曲约束耗能支撑的发明解决了普通钢支撑的失稳破坏的问题，使钢结构支撑在受拉和受压时候性能一致（如图2所示），从而大大提高了钢材的利用率。

屈曲约束耗能支撑成为了结构的耗能元件，起到结构“保险丝”的作用。

屈曲约束耗能支撑结构延性性能好，耗能能力增强，且屈曲约束耗能支撑施工方法与普通钢结构支撑相同，施工进度快，质量可靠。

屈曲约束耗能支撑作为一种金属阻尼器，解决了粘滞阻尼器温度敏感性强、耐久较差的缺点，经预测，屈曲约束耗能支撑在100年的使用周期内，耗能性能仅下降4%，而粘滞阻尼器在50年使用周期内耗能能力将下降20%。

图1屈曲约束耗能支撑的基本构成图
图2普通支撑、屈曲约束耗能支撑、粘滞阻尼器滞回曲线
从上图的比较可以看出，屈曲约束耗能支撑与粘滞阻尼器的耗能性能接近（试验曲线越饱满，耗能能力越优越）。

但是它可以给结构提供较大的抗侧刚度和承载力，从而减小其他抗侧力构件尺寸。

采用屈曲约束支撑和阻尼器的结构性能对比如图3所示，图中横坐标代表结构水平位移、纵坐标代表结构水平承载力，曲线的斜率代表结构刚度，从图中可以看出，采用屈曲约束支撑后，结构刚度和承载力都有提高，
图 3 屈曲约束耗能支撑与阻尼器结构体系比较
当结构采用屈曲约束耗能支撑后，建筑物经强烈地震后，主体结构将不会破坏，从而保护建筑物内人员安全和财产安全。

为满足建筑设计的要求，TJ型屈曲约束耗能支撑具有多种形式，如图4所示，例如长方形截面、正方形截面、圆形截面等。

其中正方形截面应用最广，长方形截面适用于墙体宽度有限，且需要将支撑埋于墙体内的情形。

圆形截面适用于支撑外露于建筑空间内的情形。

图4TJ型屈曲约束耗能支撑断面形式
二．屈曲约束耗能支撑在地震重灾区某体育馆重建项目中的应用
1．工程概况
本工程地上一层，建筑总高度（屋脊）15.952m，采用钢筋混凝土框架结构，并加设屈曲约束支撑作为消能减震系统。

2．抗震参数
建筑抗震设防分类重点设防一类抗震设防烈度八度
设计地震分组第一组设计基本地震加速度0.20g
水平地震影响系数最大值amax 多遇地震0.16 确定抗震措施烈度九度
罕遇地震 1.90 场地类别Ⅱ类
框架抗震等级一级场地特征周期0.35s
3．屈曲约束支撑布置如下图5、图6所示
图5：标高5.6m以下的支撑布置图
图6：标高11.5m之下的支撑布置图图7：TJ型屈曲约束耗能支撑建成效果图
4. 该项目TJ型屈曲约束耗能支撑安装建成后，如图7所示。

通过建筑物结构抗震模拟试验，TJ型屈曲约束耗能支撑系统是一种无论受拉还是受压都能达到承载全截面屈服的轴向受力构件较之传统的支撑构件它具有更稳定的力学行为与普通支撑相比屈曲约束耗能支撑具有以下优点：1）承载能力高：受压受拉都能达到全截面屈曲的轴向载荷，普通支撑受压能力受失稳的限制不能达到受拉载荷支撑受压能力受支撑长度影响很大。

2）延性与滞回性能好：屈曲约束耗能支撑在弹性阶段工作时，就如同普通支撑可为结构提供很大的抗侧刚度，可用于抵抗小震，屈曲约束耗能支撑在弹塑性阶段工作时，变形能力强滞回性能好，就如同一个性能优良的耗能阻尼器，可由于抵抗大震。

3）保护主体结构：屈曲约束耗能支撑具有明确的屈服承载力，在大震中可起到保险丝的作用，用于保护主体结构在大震下不屈服，并且在大震后，可以方便地更换损坏的支撑4）减小相邻构件受力：由于普通支撑受压屈服受压与受拉承载力差异很大，截面由受压承载力控制，但支撑受拉时其内力可达到受拉承载力，固与支撑相邻构件的内力由支撑受拉承载力控制，如采用屈曲约束支撑，支撑受拉与受压承载力差异很小，可以大大减小与支撑相邻构件的内力（包括基础），减小构件截面尺寸降低结构造价。

屈曲约束耗能支撑框架体系既能满足了结构对侧向刚度的要求，又改善了普通支撑受压发生屈曲的缺点，具有良好的滞回耗能能力。

三．屈曲约束耗能支撑系统在国内工程项目上的应用及发展趋势
屈曲约束耗能支撑系统已在上海世博中心、上海虹桥交通枢纽磁浮车站、东方体育中心、上海恒丰中学加固改造、北京嘉士堂药业物流仓库、兰州云天皇冠酒店等、上海三林体育中心、山东郯城县医院加固改造多个重大工程中应用的成熟产品。

TJ型屈曲约束耗能支撑通过多年的发展，已经形成了一套完整、成熟的设计、加工、安装体系，且已通过ISO9001质量管理体系论证。

建设部于2007年和2009年分别对两种类型的TJ型屈曲约束耗能支撑进行了专家论证会，两次论证会分别形成论证意见如下：
“TJI型屈曲约束耗能支撑具有独立知识产权，其性能达到国际先进水平。

”
“TJII型屈曲约束耗能支撑满足上海市标准《高层建筑钢结构技术规程》（DG/TJ08-32-2008）和中国工程建设标准化协会标准《端板式半刚性连接钢结构技术规程》报批稿中关于屈曲约束耗能支撑的技术要求。

该成果具有创新性，总体上达到国际先进水平，可以在实际工程中推广应用。

并建议在实际工程应用中深入总结、研究和提升，并进一步标准化。

”
参考文献：
1.《TJ型屈曲约束支撑设计手册》(2009年版)
2. 褚洪民、钱洪涛、邓雪松、同云.应用防屈曲耗能支撑进行抗震加固的研究及应用《四川建筑科学研究》2007.12
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。