屈曲约束支撑的研究

地震作为突发性强，破坏力大的自然灾害之一，会在短期内造成大量人员伤亡和财产损失。大量建筑结构遭到破坏甚至倒塌，严重危及人们的生命财产安全。因此必须对建筑物进行抗震设计和加固。传统的抗震体系基于延性设计，通过增大构件截面尺寸，延缓塑性铰的出现等方式进行抗震设计。但是在许多大震现场发现，传统的抗震设计存在很多问题，比如在设计初期允许结构损坏，虽然能够起到一定的抗震作用，但是地震后结构损坏严重，难以修复。同时在地震下，许多设备丧失功能，造成城市瘫痪，医院、学校、指挥中心、网络等无法启用，严重影响城市运作。现代的城市建设对减震防灾技术有了新的要求，要求建筑物中震不坏，大震可修，巨震不倒，形成双保护要求，满足韧性城市规划。目前，防震减灾科技发生较大变化，由硬“抗”震的传统抗震体系转变为近40年来柔“减”震的减震控制体系。其中防屈曲支撑是目前我国应用较多的减震产品之一，具有拉压受力均等，承载力高，延性性能好，耗能能力优良等优点。基于此从BRB结构形式、BRB框架结构以及适用于BRB结构的设计方法3个方面进行综述。1 BRB形式的研究1.1 BRB的结构形式屈曲约束支撑是一种新型的钢支撑形式，由三部分组成，内核芯板，外部套管和中间的填充材料，结构如图1所示。内核芯板有多种形式，一字形、十字形、H形、装配式等；外部套管也有很多样式，方形、圆形等，外部套管的约束作用使得内核芯板在受压时不发生屈曲而达到全截面屈服，从而可以充分利用材料性能，这一点正是屈曲约束支撑与普通支撑的本质差别。传统的填充材料为混凝土或砂浆，但难以摆脱混凝土自重大的缺点。目前常用的为橡胶或硅胶层，填充材料的作用是保证内核芯板与外部套管的相对运动。图1 屈曲约束支撑结构形式示意内核芯板、外部套管、填充材料三部分的共同作用，使得屈曲约束支撑不仅能够提高结构的抗侧力刚度，还具有良好的滞回耗能能力，在地震作用下有良好的消能减震作用。根据BRB的作用不同，可以将BRB分为两类，一类为承载型BRB，主要是改善结构的承载能力，提供抗侧刚度；另一类是耗能型，在反复荷载作用下仍然能够提供足够的刚度和承载力。1.2 内核芯板的研究内核芯板是主要的耗能构件。传统的屈曲约束支撑内核芯板多为一字形或十字形，一字形结构简单，但受压容易产生多波屈曲现象，从而增大与外部套管之间的摩擦力；十字形芯板具有双轴对称性的特点，不易产生多波屈曲，摩擦力也相对较小。Nakamura等的研究表明十字形芯板和一字形芯板相比有较低的低周疲劳性能，并更容易出现扭转效应。贾明明等通过试验得出一字形比十字形截面的试件滞回性能更好的结论。而王永贵等通过在试验中安装防扭转装置，发现芯材截面形式（十字形、T字形和一字形）对BRB的滞回性能和破坏形态没有影响。由于十字形内芯多采用焊接方式，将两块钢板焊接为十字形，在焊接部位会产生残余应力，降低试件低周疲劳性能。张文鑫通过对十字芯采用非连续焊接方式，并进行拟静力试验，发现焊接方式对十字芯BRB失效模式和核心单元的弯曲变形模式有较大的影响。为了改变焊接带来的残余应力应变的影响，郭立行采用4根角钢拼接成无焊十字形截面，通过试验得出其具有较好的低周疲劳性能，有效避免焊接残余应力和残余应变。在加载循环过程中，拼接角钢不会同时断裂而是分段断裂，表现出了良好的分阶段延性特性。内核芯板的材料性能会对BRB的破坏性能产生不同程度的影响，钢板屈服点的高低直接影响试件低周疲劳性能和滞回耗能能力。严红比较了一字形全钢BRB两种不同的内核芯材LY 225和SN 490，发现采用LY 225材料的内核芯材低周疲劳性能和塑性变形能力要比SN 490芯材的好，两种不同材料的破坏形态不同，LY 225为中部疲劳断裂的延性破坏而SN 490为端部加劲肋处的脆性破坏。陈洪剑等对双屈服点一字形全钢BRB进行数值模拟，该构件采用两块低屈服点钢LY 100和一块高屈服点钢SN 490重叠制成，研究表明，构件滞回曲线饱满稳定，在设防烈度下LY 100屈服耗能，SN 490保持弹性提供侧向支撑，在罕遇地震下两种钢均屈服耗能，能够适应不同等级的水平地震作用。史庆轩等对全钢装配式屈曲约束支撑进行数值模拟，芯材采用一字形低屈服点钢，研究表明，芯材的宽厚比、间后比对试件滞回性能影响很大，弱轴方向长细比越小，试件进入塑性越快。杨璐等对十字形低屈服点LY 315钢为内芯的全钢装配式BRB进行轴压往复试验研究，发现采用LY 315钢材能够有效防止过早屈曲，力学性能稳定，且试件滞回曲线饱满，耗能能力良好。通过在内核芯板开孔，人为施加薄弱点，可以控制屈服位置。周云等和霍林生等分别对一字形内核芯材和双铝管BRB进行开孔处理，核心单元率先在开孔位置屈服，实现了BRB内核芯板定点屈服耗能。李帼昌等对于内核芯板的开孔方式做进一步研究，发现支撑耗能能力随核心单元横向开孔率减小而提高，随纵向开孔率增加而提高，双排开孔比单排开孔耗能性能略有提升。1.3 填充材料的研究内核芯板和外部套管之间的填充对于BRB性能产生很大的影响，主要影响因素是间隙的大小以及摩擦力的大小。BRB受压时，由于内核芯板产生屈曲变形，会在幅值处与外部套管接触，在外力的作用下内核芯板与外部套管之间产生摩擦力，造成约束构件也承受一定的轴力。有学者研究发现间隙的大小会影响摩擦力的大小，随着间隙增大，摩擦力也相应增大。而间隙太大支撑不能发生高阶屈曲模态，内核变化的幅值较大，影响屈服性能和疲劳性能，间隙太小支撑内核膨胀受限，填充混凝土内力会急剧增大。陈煜通过有限元ANSYS软件研究了摩擦力对于BRB滞回性能的影响，当没有摩擦力时，构件滞回曲线饱满，随着摩擦力的增大，滞回曲线面积缩小，耗能能力降低，因此得出结论，摩擦力破坏了支撑的耗能能力。当采用无粘结材料作为填充间隙时，BRB构件能够具有良好的滞回性能和抗疲劳性能，且无粘结材料能够有效减小核心与外围之间的摩擦力。1.4 外部套管的研究外部套管能够有效地限制内核芯板的变形，使之产生高阶屈曲模态，有利于内核芯板发生屈曲，避免其发生失稳破坏。通过改变外部套管的材料组成、截面形式、组装方式、布置位置可以提高构件的轴压性能和滞回性能。传统的外部套管多为钢管混凝土或钢筋混凝土，自重大，不利于加工。目前多采用拼装等形式，自重轻，安装方便，结构形式逐渐由一体化形式转变为纯钢构造。郭彦林等用高强螺栓把4个外围约束角钢连接成为整体，形成四角刚组合约束机制，并对其进行轴压循环试验，发现构件的承载力主要取决于BRB的约束比。丁婷等通过在外套桶内壁设置不同形式的加劲管形成新型外围约束机制，增强了支撑抗侧刚度，有效约束内核芯板的侧向变形，且通过试验发现纵向加劲方式比横向加劲方式的受力性能更好。吕磊等对比了外部套管不同位置下的抗震性能，将圆钢管约束机制分别放在圆钢管芯材外围和内部，形成外约束和内约束，通过拟静力试验，发现外约束的滞回性能明显好于内约束，且内约束更易发生整体失稳。Mohamad等研究了外部约束套管不连续设置下方形和十字形内芯，确定了约束之间的适合距离，同时可以减轻材料自重，研究发现，十字芯构件可以减少砂浆用量高达64 %。郭彦林等等提出了一种预应力索撑形防屈曲支撑构件，通过引入索撑体系增大外围约束构件的抗弯刚度。结果表明，预应力索撑形防屈曲支撑可有效提高外围约束构件的约束能力。1.5 自复位屈曲约束支撑的研究防屈曲支撑的耗能能力强，能够有效地降低地震对于建筑物的损伤，但是屈服后刚度比较小，没有复位能力，震后一旦产生残余变形，结构难以恢复到初始状态，需要更换BRB才能保证结构的安全可靠，而BRB的更换复杂且成本较高，因此，实现防屈曲支撑的自复位功能成为当前研究的热点。目前主要有3种方式实现BRB的自复位能力。第一种是形状记忆合金，这种材料对于形状有记忆功能，通过控制温度条件可以使得结构恢复到原来形状，同时形状记忆合金能够吸收一定的能量，有着良好的阻尼能力，且随着形状记忆合金直径的增大耗能能力也随之增大。Zhu等将形状记忆合金运用于摩擦型耗能装置中，获得了较好的自复位能力。Miller等采用大直径形状记忆合金提供自恢复力，将其与BRB结合，形成自复位BRB装置，满足大变形自恢复的同时还能提供一定的耗能能力。刘韦华对一种新型SMA绞线–屈曲约束支撑进行研究，发现其具有良好的耗能能力和自复位能力，将这种BRB应用于框架结构中能够减小结构的顶层位移响应和层间位移角，具有明显的减震效果。其次是预应力筋。预应力筋是一种很好的复位材料，不管支撑受拉还是受压，预应力筋始终处于伸长状态。有学者在H型钢BRB中加入预应力索，采用高强螺栓装配，构造简单，且耗能能力和自复位能力较好。王海深等设计了一种三套管自复位屈曲约束支撑装置，在内外套管之间设置预应力钢筋，这种设计可在变形不超过支撑长度的1/200范围内较好工作。刘璐等采用预应力钢绞线作为复位材料应用于BRB中，结果表明自复位屈曲约束支撑基本上消除了防屈曲支撑的残余变形，当预应力与耗能内芯的回复力相等时，达到最优配置；但自复位BRB轴向变形能力受到预应力钢绞线弹性变形极限的限定。为了克服上述的限制，曾鹏等设计了一种串联两束预应力筋作为复位材料，该设计明显增大了构件的轴向变形的能力，且轴向变形是单束预应力钢绞线的两倍，双筋串联预应力筋自复位系统如图2所示。张会等在此基础上对串联双筋预应力钢绞线BRB做进一步的研究，支撑的耗能能力随着核心板面积的增大而增大，极限变形能力随着预应力筋面积的增大而增大，但预应力筋面积不宜过大，否则会造成支撑的轴力过大。初始张拉力影响预应力筋剩余弹性变形，也会影响支撑的弹性变形极限，三者对于支撑的变形能力都产生了一定的影响。图2 双筋串联预应力筋自复位系统示意第三种自复位材料是碟形弹簧，是由薄板弹簧经过钢板冲压形成碟形，简称碟簧。碟簧体积小、承载力大、缓冲和减震能力强、且方便更换。学者们将碟簧作为自复位装置设置在支撑的两端，无论支撑受拉还是受压，碟簧都产生受压变形，提供自恢复能力，结构工作原理如图3所示。在初始状态，碟簧处于放松的状态，碟簧中没有力的作用；当构件受拉或者受压时，内核芯板与外部套管上的卡槽会挤压碟簧，使得碟簧产生受压变形，当外力释放后，碟簧为了回到初始状态，会推动内核芯板与外部套管运动，从而使得BRB结构恢复到原始状态。但碟簧间的摩擦系数会影响碟簧的承载力大小，摩擦力会产生较小的残余变形，使得碟簧的使用数量受到限值，进而影响整个支撑的复位能力。（a）（b）（c）图3 碟簧支撑工作原理示意（a）受拉状态；（b）初始状态；（c）受压状态有学者将多种自复位装置共同组装在BRB构件中，形成组合应用。张超众等将2组预应力钢绞线和组合碟簧串联应用于装配式屈曲约束支撑中，利用钢绞线的伸长变形和组合碟簧的压缩变形提供恢复力。结果表明，碟簧组合压并后，支撑刚度显著增大，能够减小层间变形的集中效应，强震下结构层间变形速度减慢。目前研究的自复位屈曲约束支撑的3种自复位材料各有优缺点。形状记忆合金能够产生很好的自复位能力，但是价格昂贵，且性能会受到温度的影响。预应力钢绞线锚固难度大，且在加工过程中不可避免需要焊接，温度变化会使预应力减小甚至消失。碟簧自复位能力良好，但是碟簧间的摩擦力会影响其自复位能力。2 BRB在框架结构中的应用2.1 BRB框架结构的研究防屈曲支撑可以提高框架结构的抗侧刚度，同时也能够提高结构的抗震性能。在地震作用下，防屈曲支撑相当于“保险丝”的作用，为结构提供第一道防线。BRB屈服以后，结构发生内力重分布，此时框架结构成为第二道防线，仍然具有抗震能力。因此，BRB框架结构是具有双重抗侧力体系的消能减震结构。BRB在布置的时候应该使结构两个主轴方向的动力特性相近，尽量使结构的质量中心与刚度中心重合，减小扭转地震效应。同时，也要尽量避免因局部刚度削弱或突变形成薄弱部位，造成过大的应力集中或塑性变形集中。学者们将BRB安装在框架结构中，能够有效地提高框架结构的抗侧刚度和抗震性能。乔金丽等研究安装人字形屈曲约束支撑和不安装支撑的框架结构的受力机理和传力机制，发现安装屈曲约束支撑的混凝土框架滞回性能和耗能能力比普通混凝土框架有明显提高。苗杰将弹簧式自复位屈曲约束支撑应用于框架结构中，进行OpenSees有限元分析，发现此种BRB能够有效地将框架结构的残余位移降低到可以忽略的范围内。李帼昌等将BRB应用于高层混凝土结构中，建立屈曲约束支撑框架–核心筒混合结构模型。研究结果表明，通过合理布置BRB装置可以增加结构抗扭刚度，减小结构地震反应。BRB不同形式会影响框架结构的抗震加固性能。顾炉忠等研究3种BRB形式框架结构的抗震性能，分别为普通梁单斜撑、宽扁梁单斜撑、普通梁人字撑，通过分析裂缝发展状况可知，框架梁柱具有良好的屈服机制，且宽扁梁单斜撑和普通梁人字撑的受力机理要更加合理。王永贵等研究了倒V形和单斜两种支撑布置方式下框架结构的抗震性能，发现倒V形布置的抗震性能能够优于单斜向布置的抗震性能。吴徽等研究两种加固方式——植筋加固和抗剪键加固下的框架结构的抗震性能。通过拟静力抗震试验和Perform–3D软件的非线性模拟，分析该结构的变形性能、承载能力和耗能能力。结果表明，两种加固方式都能够提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能，植筋方式的稳定性更好。2.2 BRB框架结构节点的研究地震作用下框架结构的柱端及梁柱节点处极易发生破坏，使得结构丧失承载力而发生倒塌，可采用增加剪力墙的方式加固，但会影响建筑采光性能。将BRB应用于混凝土框架结构中，可避免因剪力墙导致的建筑采光问题。在国内多次地震中，有相当一部分混凝土框架结构的震害发生在柱与梁节点核心区，违背了设计理念中的强节点、强锚固的设计初衷。因此，在BRB框架结构中，节点的设计与加固成为不可避免的研究方向。吴克川等研究了不同刚度比下防屈曲支撑钢筋混凝土框架抗震性能，发现刚度比越大，构件节点破坏越严重。有学者对普通梁柱节点和带支撑梁柱节点进行分析。通过有限元软件分析顶点位移和转角的变化趋势。由于设计中考虑了节点的转动能力，因此带支撑梁柱节点的抗震性能低于普通梁柱节点的抗震性能，但更接近于实际。王静峰等研究了整体式和暗钢托座式两种不同的梁柱节点，发现暗钢托座式梁柱节点的框架结构整体性能优于整体式梁柱节点。还有学者设计了一种屈曲约束支撑与混凝土连接的T形连接节点。结果表明，新型T形钢锚固节点使得塑性铰向节点区域外的梁柱区域转移，连接节点稳定可靠，传力明确。朱江等研究BRB混凝土框架结构边节点在不同受力状态下节点裂缝和变形发展过程，明确节点的极限状态和破坏状态。结果表明，梁纵向钢筋配筋率、梁柱线刚度比对节点的弹塑性性能影响显著，而轴压比对节点性能影响很小。马传政等研究带BRB的方钢管高强混凝土柱，H型钢削弱节点的受力性能。结果表明，削弱型节点的梁端塑性铰出现在削弱部位，梁端翼缘的削弱起到塑性铰外移的作用，减小了节点区域应力集中，有利于实现“强柱弱梁，强节点”的抗震设计目标。Bai等提出了一种新型BRB与框架结构的连接方式，将角撑板和RC组件完全通过剪切连接器连接，以便在新的框架结构中实现更可靠的BRB–to–RC连接。这种连接方式抗震性能良好，具有稳定的能量耗散性能。3 设计方法的研究初步设计的设防目标：多遇地震作用下主体结构和加固框架处于弹性状态；设防烈度地震作用下防屈曲支撑消耗地震能量，主体结构可开裂，但不屈服，罕遇地震作用下结构不倒塌。两阶段设计和三水准的设防目标是目前常用的抗震设计方法，但由于不能很好地预测和判断地震的发生时间和地震能量大小，所以传统的抗震设计不能对资源的利用做到经济有效，也不能很好地达到预定的设防强度，因此需要对现有的抗震理论进行进一步的完善，探索新的结构抗震或者抵挡地震能量的方法。张家广等提出了一种基于最弱塑性铰的钢筋混凝土框架层间变形能力简化计算方法。该设计方法可以实现在增设BRB的同时避免对构造措施不满足要求的主体结构构件逐个进行局部抗震加固。李小龙等根据刚度补