祝倩

摘要：我國是世界上遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，地震頻繁，且震害嚴(yán)重，亟需提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼支撐框架由于結(jié)構(gòu)自重輕，被廣泛應(yīng)用在多高層鋼結(jié)構(gòu)中。普通鋼支撐在中震和大震作用下會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)或局部屈曲，顯著降低結(jié)構(gòu)耗能能力，影響結(jié)構(gòu)的抗震安全性。防屈曲耗能支撐作為一種減震、抗震的新型構(gòu)件，越來越多地應(yīng)用于大型公共建筑中，大大提高了建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

關(guān)鍵詞：鋼支撐；防屈曲耗能支撐：抗震；技術(shù)發(fā)展

1防屈曲耗能支撐技術(shù)概述

防屈曲支撐是一種力學(xué)性能良好，耗能性能穩(wěn)定的新型耗能裝置，又稱無粘結(jié)支撐、挫屈束制支撐、屈曲約束支撐、挫屈防止支撐等，屬于支撐型金屬阻尼器。防屈曲支撐一般由三部分組成：芯材、約束芯材屈曲的套管、位于芯材與套管間的無黏結(jié)材料以及填充材料，無粘結(jié)膨脹材料包括橡膠、聚乙烯、硅膠及乳膠，它們可有效降低或消除核心單元受約柬段和砂漿間的摩擦。其構(gòu)造如圖1所示：

1.1鋼筋混凝土約束防屈曲支撐。鋼筋混凝土約束防屈曲支撐一般為墻板式，即采用鋼筋混凝土墻板來對(duì)內(nèi)藏支撐進(jìn)行側(cè)向約束，這種形式更適用于隔墻比較多的公共與民用建筑。常見的墻板式防屈曲支撐主要包括現(xiàn)澆式和夾板式兩種。前者是指把一字形支撐放在鋼筋混凝土墻板中并與其一同現(xiàn)澆成為一體，這種形式施工稍復(fù)雜，但整體性較好；后者是指采用分塊預(yù)制的鋼筋混凝土墻板對(duì)內(nèi)藏支撐進(jìn)行螺栓夾緊，這種形式施工方便，但約束效果和整體性要稍欠缺一些。

1.2鋼管混凝土約束防屈曲支撐。與鋼筋混凝土相比，鋼管混凝土約束防屈曲支撐無需設(shè)置鋼筋，只需把內(nèi)芯插入鋼管內(nèi)部后整體現(xiàn)澆混凝土或砂漿即可，同時(shí)外包鋼管可充當(dāng)混凝土模板，因此構(gòu)件制作更為簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)更低，也避免了耐久性的問題。此外，由于鋼管混凝土的抗彎承載力和剛度比鋼筋混凝土要好得多，因此能提供更好的側(cè)向約束能力。

1.3鋼構(gòu)件約束（全鋼防屈曲支撐）。與鋼管混凝土約束防屈曲支撐相比，全鋼防屈曲支撐在鋼管內(nèi)不填充砂漿等材料，省去了混凝土澆注等一系列的復(fù)雜工序，構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便。通過外圍約束鋼管抑制內(nèi)芯在受壓時(shí)發(fā)生屈曲破壞，使內(nèi)芯能夠在受拉和受壓的情況下都可以達(dá)到材料屈服，通過內(nèi)芯的塑性變形消耗能量。

全鋼型防屈曲耗能支撐與混凝土約束型防屈曲耗能支撐的主要區(qū)別在于前者的約束構(gòu)件為全鋼構(gòu)件，其核心受力單元截面形式主要有“一”字型、“十”字型、“T”字型、槽型、工字型、管型，約束單元主要有單根圓管或方管、雙鋼管、四鋼管。此類支撐只需通過型鋼或組合鋼構(gòu)件對(duì)內(nèi)芯進(jìn)行夾緊等方式來旋加約束，無需設(shè)置無粘結(jié)材料、粘貼松軟材料和澆注混凝土，構(gòu)件制作更加簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期更短，質(zhì)量更容易控制。

1.4裝配式防屈曲耗能支撐。根據(jù)外圍約束構(gòu)件的組成方式防屈曲耗能支撐可分為整體式和裝配式。裝配式防屈曲支撐的研究，目前還處于起步階段，主要集中在構(gòu)造、工作性能、原理、應(yīng)用等方面。

整體式耗能支撐的最大缺點(diǎn)在于地震過后不易檢查核心單元的損壞情況，不能針對(duì)性更換損壞部分，因而一旦發(fā)生局部損壞，就必須更換整個(gè)支撐構(gòu)件。為此，有學(xué)者嘗試開發(fā)裝配式防屈曲支撐，利用可拆的特性，在地震后便可直接拆解察看是否破壞，裝配式防屈曲支撐與過去防屈曲支撐的最大差異在于它的側(cè)撐組件是可以拆解的。

2防屈曲耗能支撐發(fā)展歷程

2.1國外發(fā)展歷程。防屈曲支撐的研究起源于日本。1973年，Wakabayashi等首次將一塊一字型鋼板埋入混凝土板中，依靠外包混凝土來約束鋼板的屈曲變形，試驗(yàn)一方面證實(shí)了耗能減震的效果，另一方面也驗(yàn)證了外包混凝土約束的強(qiáng)度大小對(duì)支撐的性能發(fā)揮有重要影響，并提出了防屈曲支撐這一概念，同時(shí)也開創(chuàng)了近40年來各國學(xué)者在該領(lǐng)域的不斷研究。1980年，Mochizuki等在防屈曲支撐的外包混凝土與內(nèi)核鋼板單元之間涂抹上無粘結(jié)涂層，用于消除兩者之間的摩擦力。試驗(yàn)得到的滯回曲線穩(wěn)定且飽滿，提高了支撐的性能，同時(shí)也是“無粘結(jié)防屈曲支撐，研究的開端。1995年阪神地展后，防屈曲支撐體系在日本被大量使用。1994年北嶺地展后，美國也開始對(duì)這種體系進(jìn)行研究。日本是世界上使用防屈曲支撐最多的國家，超過3 00棟的建筑物使用防屈曲支撐。

圖2是1992-2014年全球防屈曲耗能支撐專利申請(qǐng)量的情況，從圖中我們可以看到，防屈曲耗能支撐的專利申請(qǐng)量可以分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段是起步階段（1992-1996），專利申請(qǐng)量較少，這一階段防屈曲耗能支撐多為整體式，專利申請(qǐng)?zhí)攸c(diǎn)多為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一；第二階段是穩(wěn)定成長(zhǎng)階段（1997-2008），隨著生產(chǎn)的發(fā)展以及試驗(yàn)工作的開展、計(jì)算理論的研究、材料及施工技術(shù)的改進(jìn)，防屈曲耗能支撐的芯材、約束形式、約束材料、裝配方式等均向多元化發(fā)展；第三階段是高速成長(zhǎng)階段（2009-2014），該階段全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高層建筑需求膨脹，且由于全球大型地震事件頻發(fā)，對(duì)于建筑的抗震性能要求進(jìn)一步提高，對(duì)于防屈曲耗能支撐的研究熱情也進(jìn)一步高漲，在該階段防屈曲耗能支撐的計(jì)算方法和理論進(jìn)一步完善，專利申請(qǐng)重點(diǎn)是向組合型、優(yōu)化型方向發(fā)展。

在技術(shù)發(fā)展的初期，防屈曲支撐主要是整體式、外圍約束構(gòu)件主要為鋼管混凝土。隨著理論研究和實(shí)驗(yàn)工作的深入，外圍約束構(gòu)件的形式也豐富起來，可拆卸的裝配式防屈曲支撐也逐漸演變產(chǎn)生。第一件防屈曲耗能支撐的專利申請(qǐng)是由Iwata等在1992年在日本提出（JPH0657820 A），該支撐為鋼管混凝土約束防屈曲支撐，核心受力單元采用低屈服點(diǎn)鋼制成，截面形式為一字型或十字型。該耗能支撐安裝在鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接處，以提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力。1996年一家日本鋼管公司在日本提出一種全鋼型的防屈曲耗能支撐（JPH09221830 A），其核心受力單元為“一”字型扁平鋼，約束單元為方形或者圓形鋼管。2003年日本一家公司提出了一種全鋼制成的可拆卸防屈曲耗能支撐（JP2004244833A），其核心構(gòu)件為一字形的長(zhǎng)條狀構(gòu)件；約束構(gòu)件由多個(gè)可拆解的槽鋼及鋼板拼裝構(gòu)成，不填充混凝土。

22國內(nèi)發(fā)展歷程。我國防屈曲耗能支撐的起步較晚，臺(tái)灣地區(qū)在2000年左右開始展開防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，大陸地區(qū)則大概從2004年前后開始關(guān)注此類支撐的研究和應(yīng)用，尤其是2008年汶川大地震之后，建筑物的抗震要求進(jìn)一步提高，防屈曲耗能支撐的理論研究和試驗(yàn)研究工作都在我國得到了極為迅速的發(fā)展，許多方面已達(dá)到或接近于國際先進(jìn)水平。

圖3是我國防屈曲耗能支撐專利申請(qǐng)量情況，從圖中可以看出，2008年以前我國關(guān)于防屈曲耗能支撐的專利申請(qǐng)量較少，增長(zhǎng)也較為緩慢；2008年以后，一大批大學(xué)和科研院所針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)開始大量投入相關(guān)研究工作，專利申請(qǐng)量急劇增長(zhǎng)。

圖4是我國防屈曲耗能支撐專利主要申請(qǐng)人分布情況，從圖中可以看出，防屈曲耗能支撐專利的申請(qǐng)人主要集中在高校申請(qǐng)人，可見該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)性很強(qiáng)，研發(fā)核心力量在高校，研究熱度很高。專利申請(qǐng)量最大的為北京工業(yè)大學(xué)，清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利申請(qǐng)量也較多，為推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)步起著重大作用。

3防屈曲耗能支撐存在的問題與發(fā)展方向

雖然我國針對(duì)防屈曲耗能支撐已開展了許多研究，并取得一些成果，但仍存在以下問題：

（1）根據(jù)我國鋼結(jié)構(gòu)材料類型，開發(fā)適合我國國情的防屈曲耗能支撐形式，開發(fā)研究必須堅(jiān)持構(gòu)造簡(jiǎn)單和便于設(shè)計(jì)、制造和施工的原則，并進(jìn)行系統(tǒng)的性能試驗(yàn)和分析研究，進(jìn)行產(chǎn)品定型。

（2）加快防屈曲支撐相關(guān)規(guī)范編寫：目前，由于中國防屈曲支撐有不同的種類，研究方法不盡相同，設(shè)計(jì)時(shí)亦無標(biāo)準(zhǔn)可依；對(duì)防屈曲支撐的試驗(yàn)研究缺少統(tǒng)一的加載標(biāo)準(zhǔn)，這就給各種試驗(yàn)結(jié)果的橫向比較帶來困難，因此，防屈曲支撐各種標(biāo)準(zhǔn)的制定已成為當(dāng)前緊迫任務(wù)。

（3）加強(qiáng)對(duì)防屈曲支撐與主體結(jié)構(gòu)的連接問題研究：防屈曲支撐對(duì)裝配偏心造成的誤差很敏感，稍有不對(duì)中就會(huì)加劇其在變形過程中的偏心，大大削弱其耗能能力。一方面應(yīng)提高施工工藝，減少安裝偏差；另一方面進(jìn)一步研究平面鉸接和球絞連接方式，對(duì)防止節(jié)點(diǎn)屈曲和連接部位破壞很有意義。

（4）加強(qiáng)防屈曲支撐應(yīng)用于大跨、超高以及網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)上的研究：隨著這類結(jié)構(gòu)形式的大量應(yīng)用，對(duì)防屈曲支撐也提出了更高要求，一方面要保證其原有的耗能能力；另一方面也要保證超長(zhǎng)防屈曲支撐的整體穩(wěn)定性。