屈曲约束支撑概论与原理

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1、屈曲约束支撑概论与原理摘要：屈曲约束支撑是一种效果良好的减震装置，简称BRB，其在钢框架和既有建筑物的减震加固方面有较多应用。本文对屈曲约束支撑的基本构成和工作原理进行详细阐述，揭示其在工程应用中的巨大前景。关键词：屈曲约束支撑；基本构成；工作原理中图分类号：TU973+.1文献标识码：A前言结构抗震一直是建筑结构工程研究的重点，近几十年，一种新型的耗能减震装置得到了普遍应用，它就是屈曲约束支撑。对于屈曲约束支撑的相关理论、模拟、实验、应用目前已有了很多成果。屈曲约束支撑是一种效果良好的减震装置，简称BRB，其一方面

2、避免了普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，另一方面具有金属阻尼器的耗能能力，在多遇地震作用下一般不屈服，只提供附加刚度，在罕遇地震作用下进入屈服状态，耗散地震能量，保护主体结构免遭严重破坏。一、屈曲约束支撑的基本构成6屈曲约束支撑一般由三部分组成（图1）：核心单元、屈曲约束单元和无粘结膨胀材料。核心单元是主受力单元，又可进一步细分为无约束非屈服段（连接段）、约束非屈服段（过渡段）、约束屈服段（核心段）三部分。屈曲约束支撑仅核心单元和其他主体构件（如梁、柱）连接，其所受的全部荷载均由核心单元承担，核心单元外套屈曲约束单元

3、，然后在套管内灌注砂浆或混凝土，以保证核心单元在受拉和受压时均能进入屈服从而具有良好的滞回性能。图1屈曲约束支撑的典型构成屈曲约束单元主要是由中空钢套管和砂浆组成。砂浆需由适当的配合比来保证足够的抗压强度,否则无法有效地限制屈曲段的屈曲位移，例如会导致钢套管的鼓曲。若设计恰当、构造合理，钢套管不承受任何轴力。为避免屈曲约束支撑发生受压屈曲，Watanabe于1988年在第九届世界地震工程研讨会时发表的文章中建议外部钢套管按以下公式进行设计:（1）式中,是外部钢套管的弹性屈曲强度；是约束屈服段的屈服强度。考虑到应变强化

4、效应及构件的几何初始缺陷，Watanabe建议实际应用时/不小于1.5。（2）6式中,E是材料弹性模量；I是外部钢套管抗弯模量；是支撑的长度。约束屈服段作为核心段，其截面形式有多种，通常采用一字型、十字型、工字型和T字型等截面形式（图2），适用于不同的刚度和耗能要求。由于要求支撑在反复荷载作用下必须屈服，因此要求使用低强度钢或中等屈服强度钢，有时也可用高强度低合金钢，并且要求钢材必须有稳定的屈服强度值，这是保证屈曲约束支撑工作性能的必要条件。图2屈曲约束支撑常用截面形式约束非屈服段作为核心段的外延部分，同样包在套管和

5、填充材料内。此部分截面面积需加大来确保其始终在弹性阶段工作。一般通过增加约束屈服段截面宽度(截面的转换应平缓过渡以避免应力集中)或者焊接加劲肋的方法实现。无约束非屈服段穿出套管,与主体结构构件连接，其连接方式有螺栓连接、销轴连接（铰接连接）、焊接连接、法兰连接，前三种连接方式较为常见。值得一提的是，虽然螺栓连接方法提出最早也是使用相当多的一种形式，但一般建议只用于支撑屈服力不太大的情况，因为支撑轴力过大就会造成过长的螺栓连接长度从而导致连接段容易发生平面外屈曲，此时可以采用焊接连接方式或者带销轴的铰接连接，从而减少连

6、接长度。6无粘结膨胀材料，主要采用橡胶，聚乙烯，硅胶，乳胶等，可以有效地减小或消除约束屈服段与砂浆之间的剪力。此外填充材料和芯材之间还需预留一定的空气层，这样芯材在受压膨胀时就不会与约束机构接触而引起摩擦，从而不会迫使约束机构承受轴力。不过预留间隙也不能过大,否则约束屈服段产生的屈曲变形和相关曲率过大就会降低屈服段的低周疲劳寿命。二、屈曲约束支撑的基本原理屈曲约束支撑的问世解决了传统的普通支撑受压易屈曲的问题，这种新型支撑在风或小震作用下处于弹性状态，具有足够的初始刚度，对整体结构提供一定的抗侧刚度；在中震或大震时，

7、支撑屈服而不屈曲，率先进入耗能状态，通过消耗输入结构中的地震能量，从而保护主体结构及构件免遭破坏。在弹塑性动力分析时，屈曲约束支撑可采用简单的双线性滞回模型，而普通钢支撑应采用拉压不对称的滞回模型。屈曲约束支撑与普通支撑的区别见图3。图3普通支撑与屈曲约束支撑工作原理图6在正常工作状态下，支撑内芯屈服段承受较大压力后将呈现小幅度多波失稳的形式，但这种趋势是有一定的演变过程的，如图4所示（为清晰表示变形,图中空隙部分作放大处理,并忽略外包约束单元的弯曲变形）：首先，由于支撑内芯屈服强度低，在较小轴向压力下支撑内芯就会产

8、生一个正弦半波的屈曲模态(图4(a))，随着轴力增大，支撑内芯中段部分很快便与约束单元内侧壁接触，中段弯曲变形受到约束,从而能够继续承载(图4(b))；轴力持续增大，接触区域面积也逐渐增大(图4(c))，当轴力达到某一临界值时屈曲模态将由一阶突变为三阶(图4(d))。同理类推，随着支撑内芯与约束单元接触点个数从中间一个不断向两端增多，内芯屈服段