消能減震技術——屈曲約束支撐

【摘要】屈曲約束支撐是新近發明并逐漸得到應用的一種抗
震框架體系。因為屈曲約束支撐（BRB）在受拉和受壓時都可屈服
而不屈曲，因此克服了傳統支撐體系的缺點。本文分兩部分，第
一部分介紹了該體系在各國家和地區應用和研究的進展情況，第
二部分主要介紹其基本原理和各組成部分的概況、BRBF 的特點。
【關鍵詞】屈曲約束支撐；屈曲約束支撐框架；屈曲；抗震
設計

1 國內外現狀
20 世紀70 年代，國際土木工程界首次提出了結構振動控制的
概念。美國是開展消能減震（振）技術研究較早的國家之一。早
在1972 年竣工的紐約世界貿易中心大廈就安裝了10000 個粘彈性
阻尼器（減小風振）。日本是結構控制技術應用發展最快的國家，
特別是1995 年神戶地震發生后，采用結構控制技術的建筑如雨后
春筍般涌現出來。在加拿大，Pall 型摩擦阻尼器已被應用于許多
新建建筑和抗震加固工程中，在減小結構的振動作用時，還取得
較好的經濟效益。
20 世紀80 年代初，我國土木工程界王光遠院士首先引入了結
構振動控制的概念，隨后國內土木工程界的廣大學者、研究人員
深入展開了結構隔震、消能減震、吸振減震、主動控制、半主動
控制和混合控制等方向的研究，理論和試驗研究、方案設計、結
合實際工程分析研究、試點工程和應用等工作逐步推進，并朝著
標準化、規范化、產業化的方向邁進。從90 年代以來，我國學者
和工程技術人員也致力于該技術的研究與工程實用。
2 效能減震產品的分類
消能減震裝置的分類方法有多種。按其與位移、速度的相關
性可分為位移相關型消能減震器（如摩擦阻尼器、金屬屈服阻尼
器和屈曲約束支撐）、速度相關型消能減震器（如粘滯阻尼器）和
速度位移相關型消能減震器（如粘彈性阻尼器）；按其制造材料可
分為金屬消能減震器、粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器；按其消能減
震機理可分為摩擦消能減震器、彈塑性消能減震器、粘滯阻尼器
（粘彈性阻尼器）。
2.1 屈曲約束支撐概述
屈曲約束支撐（Buckling Restrained Brace——簡稱BRB）
主要由內芯耗能單元，外圍約束單元與兩者之間的縫隙或無粘結
材料組成。內芯單元為鋼芯，截面形式多為“一”形、“十”形、
“H”形等多種形式：外圍約束單元多為純鋼構件或鋼管混凝土構
件；無粘結材料有硅膠板，橡膠板等多種材料。屈曲約束支撐體
系主要由內芯單元承受軸力，外圍約束單元為內芯單元提供側向
剛度，防止內芯單元在軸向壓力作用下發生屈曲，在軸向拉伸、
壓縮受力狀態下，屈曲約束支撐比普通鋼支撐能夠表現出更加飽
滿的滯回曲線，體現優良的滯回耗能性能，因此被廣泛的應用于
實際工程項目中。
2.2 屈曲約束支撐的分類
屈曲約束支撐根據構造形式分成純鋼型和填充型兩種類型。
按照使用功能分類，屈曲約束支撐有阻尼型支撐、耗能型支撐，
承載型支撐三種類型。
1）阻尼型防屈曲支撐。在小震階段即開始屈服耗能的屈曲約
束支撐為阻尼型屈曲約束支撐其芯板一般采用低屈服點鋼材。由
于鋼材屈服后彈性模量僅為屈服前的2%，因此其剛度相對較小（為
割線剛度，也即等效剛度）。當主體結構剛度較大，需要附加阻尼
比提高結構抗震性能時，應需用阻尼型屈曲約束支撐。
2）耗能型屈曲約束支撐。在中震或大震階段才開始屈服耗能
的屈曲約束支撐為耗能型屈曲約束支撐。當屈曲約束支撐既要提
高結構剛度、承載力，又要在中、大震作用下屈服耗能時，應選
用耗能型屈曲約束支撐。一般情況下，設計中應保證支撐在中震
階段進入屈服。
3）承載型屈曲約束支撐。大震階段支撐仍保持彈性的屈曲約
束支撐為承載型屈曲約束支撐，但支撐僅用于提高結構的剛度及
承載力時，應選用承載型屈曲約束支撐。
2.3 屈曲約束支撐構造
眾所周知，在受彎構件中，桁架的材料效率比實腹式構件高
很多，因此其經濟性也很更好。框架-支撐結構實際上是“豎起來
的桁架”。因此，框架-支撐結構是一種高效的結構形式。但是，
普通支撐受壓會產生屈曲，屈曲后支撐的剛度和承載力突然急劇
下降。這種脆性破壞無征兆，是必須要避免的破壞形式，也正因
此普通支撐的滯回性能很差，這也限制了框架-支撐結構的應用和
發展。為解決普通支撐受壓屈曲以及滯回性能差的問題，在支撐
外部設置套管，抑制支撐的受壓屈曲，形成屈曲約束支撐。屈曲
約束支撐由約束單元約束內核鋼支撐，以防止內核鋼支撐在壓力
作用下發生屈曲。內核鋼支撐與約束單元之間可以自由相對滑動，
工作時僅內核鋼支撐受力。防屈曲支撐的常用截面形式“一”形、
“十”形、“H”形。屈曲約束支撐在拉力和壓力作用下均可達到
強度屈服。經過合理設計的防屈曲約束支撐具有良好的延性和穩
定飽滿的滯回特性，可作為減震阻尼器和抗震構件使用。
2.4 芯板鋼材的材性要求
對芯板鋼材的材料性能要求為：
（a） 芯板鋼材應有明顯的屈服臺階，屈服強度不宜大于
235N/mm2 （承載型防屈曲約束支撐不受限制），伸長率不應小于25%；
（b） 鋼管的彈性屈曲承載力應大于屈曲約束支撐極限承載
力計算1.2 倍；
（c） 屈曲約束支撐應能在2 倍設計層間位移角的情況下，限
制芯材的局部和整體屈曲。
2.5 屈曲約束支撐的適用范圍
只要不影響建筑使用功能，屈曲約束支撐適用任何建筑。當
由于門、窗等原因不宜布置屈曲約束支撐時，可以考慮采用防屈
曲鋼板墻。屈曲約束支撐主要有兩個作用；提高結構抗側剛度和
消耗地震能量減小主體結構損傷。
從提高結構抗側剛度來看，屈曲約束支撐適用于；高烈度地
區、大跨度、高柔及高聳等對結構抗側剛度要求較高的建筑。與
增加梁柱截面和采用鋼筋混凝土墻對比，其經濟優勢明顯，且有
利于結構裂縫防治。
從消耗地震能量角度來看，由于支撐兩端相對變形越大，支
撐內力越大，消能減震效果就越顯著，因此，屈曲約束支撐適用
于高烈度地區及層間變形較大的建筑。
屈曲約束支撐不僅可以用于新建建筑，還可用于既有建筑的
抗震加固和地震后真損結構的加固，一方面由于屈曲約束支撐的
抗側剛度較大，使得需要加固的構件數量大幅減少。另一方面，
屈曲約束支撐的耗能作用，減少了主體結構的地震內力，提高了
抗震性能。因此，無論從剛度還是能量角度來看，采用屈曲約束
支撐均能減少加固構件數量，提高結構性能，節省材料和施工成
本。