1、防屈曲支撑构件技术研究张楠 （土木工程学院 土木 065 班 ）李勇 （土木工程学院 土木 064 班 ）张桂俊 （土木工程学院 土木 065 班 ）黄川 （土木工程学院 土木 065 班 ）陈彦霖 （土木工程学院 土木 0712 班 ）青岛理工大学指导教师：徐培蓁 副教授邹建喜 副教授2防屈曲支撑结构摘要本文针对加强土木工程结构减震技术，进行研究和开发，具体设计了一种建筑结构构件，特别是一种用于减震耗能的防屈曲支撑。本实用新型防屈曲耗能支撑结构是在其中增设了固体阻尼材料层，吸收建筑系统外部输入能量的能力大大增强，轴心处钢板的承载状况得到了明显改善， 对外部约束的强度要求大大降低，因此不需要在
2、混凝土层外部设置钢管进行强化约束，极大的简化支撑构件的结构。本项目为科技发明制作，结构简单，减震耗能效果显著，可以广泛应用于采用钢与混凝土组合结构的大型土木工程建筑，特别是高层建筑，它可以有效提高建筑的抗震安全性能，有利于进一步延长建筑的使用寿命，其经济效益与社会效益十分显著。关键字：防屈曲支撑结构；减震技术；阻尼材料层。3Anti-buckling support structureAbstractIn this paper, civil engineering structure to enhance shock absorption technology, research and de
3、velopment, specific design elements of a building structure, in particular, is a shock absorber for the energy of the anti-buckling support. Anti-buckling of the utility model to support the structure of energy consumption is a solid in which the additional layer of damping material to absorb extern
4、al input of energy building systems the ability to greatly enhance, the axis of the bearing plate Office has been marked improvement in the situation, the intensity of external constraints greatly reduce the requirements and therefore do not need to set up the external layer of concrete to strengthe
5、n the bound by steel, which greatly simplified the structure of the support component.The project for the production of scientific and technological inventions, simple structure, effective shock absorption energy can be widely used in steel and concrete composite structure of large civil engineering
6、 construction, especially in high-rise buildings, which can effectively improve the seismic safety performance of construction is conducive to further extend the service life of buildings, the economic and social benefits are very significant.Keywords: Anti-buckling support structure; damping techno
7、logy; damping material layer.4目录1、技术领域概述5背景52、当前国内外研究水平概述53.1 国外研究53.2 国内研究83、已有试验研究84.1 试验过程84.2 结论与分析114.3 应用与问题114、问题提出145、新型防屈曲支撑结构146.1 发明的目的146.2 设计基本思路146.3 新型防屈曲支撑构件介绍146.3.1 主要组成146.3.2 基本原理146.3.3 试验与研究156.3.4 使用说明176.3.5 创新点186.3.6 优势187、结论19参考文献20附录235防屈曲支撑构件技术研究1、技术领域概述本实用新型属于土木工程结构减震技术
8、领域，具体涉及一种建筑结构构件，特别是一种用于减震耗能的防屈曲支撑。2、背景现代建筑的发展越来越趋向于高大化，因此在设计过程中必须考虑建筑结构的抗震性能，特别是位于地震高发区的建筑，尤其需要注意。除预防地震破坏外，许多建筑的设计还需要考虑抗风性能。钢材由于其良好的材料性能，被广泛用于许多大型土木工程中，目前在建的高层建筑物中，以钢结构或钢与混凝土组合结构应用最为普遍。在这些建筑结构系统中，大多采用抗弯框架体系、 支撑框架体系以及双重结构体系，特别是以抗弯框架体系最为常用。但是对于应用抗弯框架体系的高层建筑物而言，由于框架的负荷很大，结构的变形往往超过规范规定的极限值，因此结构需要提高整体的刚度
9、。另外，在地震等外力的作用下，结构会产生过大的变形，造成震后结构修复困难或修复成本过高，因而不符合经济性要求。传统的支撑钢结构体系在受压或强震时会产生屈曲，往往需要使用较大截面尺寸的钢支撑材料才能满足使用要求，因此经济性也较差。而且，上述结构即使增大了支撑钢构件的断面尺寸，仍然无法保证在强震作用下彻底避免屈曲的发生，因此存在安全隐患。3、当前国内外研究水平概述3.1 国外研究为防止钢支撑受压时的局部和整体失稳，增强低周疲劳性能，部分学者尝试采用外部约束方法。通常采用钢管混凝土或钢筋混凝土作为外包约束（见图 1.1），这种支撑称为防屈曲支撑（Buckling-restrained 6brace,
10、 简称 BRB 支撑），其受力性能与普通支撑的比较如图 1.2 所示。日本学者改进了普通 BRB 支撑构造，在外包约束与核心钢支撑之间设置了无粘结材料，称为无粘结支撑（Unbonded brace，简称 UBB 支撑），进一步提高了 BRB 支撑屈服后的低周疲劳性能，并采用低屈服强度、高延性钢材作为核心钢支撑，使其成为一种位移型耗能阻尼器。1971 年，Yoshino 等人提出防屈曲钢支撑，首先开始以剪力墙为外约束的 BRB 支撑试验 研究。1973 年 Wakabayashi 等人通过 1/5 比例构件试验和 1/2 比例两层钢支撑框架试验 ，研究了无粘结材料和剪力墙配筋的影响。197619
11、79 年 Kimura 首先进行了钢管混凝土约束BRB 支撑研究，对比了核心钢支撑与约束混凝土间有无缝隙的试验结果，指出当外约束钢管混凝土的失稳承载力是核心钢支撑屈服承载力的 1.9 倍时， 钢支撑核心就不会发生失稳破坏。1979 年 Mochizuki直接采用钢筋混凝土包裹钢支撑，并在核心钢支撑与外包钢筋混凝土之间加入了一层弹性模量较低的材料，但发现在低周疲劳试验中，随着混凝土的开裂，外包钢筋混凝土对核心钢支撑的约束效果明显下降。在此基础上， 1988 年 Fujimoto 和 Wada 等人研究和改进了防屈曲支撑的构造，制作了无粘结支撑。此后， Nagao 等人对方钢管混凝土约束 BRB
12、支撑和钢筋混凝土约束 BRB 支撑（ H 型钢核心）进行了试验和理论研究，提出了 BRB 支撑的构造要求。上世纪 90 年代，随着工程应用的发展，出现了多种形式的 BRB 支撑，如表 1.1 所示。UB支 撑 核 心 钢 支 撑 钢 管FC o m p r e s s i o nT e n s i o nN o r m a l B r a c eB R By i e l db u c k l i n gN o r m a l B r a c eB R By i e l d图 1.1 UBB 支撑的构造和基本组成 图 1.2 BRB 支撑与普通支撑受力性能的比较Iwata 对表 1.1 中标识“
13、*” 的 1、7、9、10，4 种 BRB 支撑进行了对比试验，试验 表明 Fujimoto 提出的 BRB 支撑 1（日本称为 UBB 支撑）性能明显优于其他 3 种。这种 BRB 支撑拉压等强，屈服后滞回性能7稳定。目前，日本已有 200 多栋，美国有 13 栋建筑采用了这种支撑。美国钢结构协会（AISC）和加州工程师协会（SEAOC）已经将 BRB 支撑框架的设计写入 AISC/SEAOC(2001)和 AISC(2002)，FEMA368 中也加入了 BRB 支撑框架的设计方法和试验指标BRB 支撑介绍到国内后，开始被我国结构工程师所接受，并已尝试在一些工程中进行了应用，但对 BRB
14、支撑的试验研究较少，对BRB 支撑的设计方法和构造要求缺乏试验数据和理论研究。以下总结了已有 BRB 支撑的 试验研究和计算方法，并进行了 10 个构件试验研究，结 合理论分析，提出了 BRB 支撑的设计方法和构造要求。表 1.1 现有 BRB 支撑截面形式汇总截面 组成 提出者 截面 组成 提出者1*核心钢支撑，无粘结层，钢管混凝土FujimotoSaeki8 核心钢支撑，预留间隙，钢管Shimizu2 核心钢支撑，无粘结层，钢筋混凝土Nagao 9* 核心钢支撑，预留间隙，钢管Usami3 核心钢支撑，无粘结层，钢纤维混凝土Mase 10* 核心钢支撑，无粘结层，钢套板，螺栓Isoda4
15、核心钢支撑，无粘结层，预制钢筋混凝土，螺栓Inoue 11 核心钢支撑，无粘结层，钢管混凝土，钢连板Koetaka5 核心钢支撑，预留间隙，钢管Suzuki 12 核心钢支撑，无粘结层，钢管混凝土，钢连板Tsai6 核心钢支撑，预留间隙，钢管Kuwahara 13 核心钢支撑，无粘结层，钢管混凝土，钢筋Iwata7*核心钢支撑，预留间隙，钢管Kamiya83.2 国内研究对于我国的防屈曲支撑的研究，台湾地区的研究发展比较迅速，尤以台北的陈正诚和蔡克栓的成果最显著。陈正诚8研制出了利用低屈服点钢材( =100MPa)作为核心构件的防屈曲支撑 (图4)，并对其进行了性能试验和装有这种防屈曲支撑的三
16、层钢框架模拟地震振动台试验研究。蔡克铨7 开发了一种双钢管防屈曲支撑并对其进行了反复载重及疲劳试验研究。这种双钢管防屈曲支撑（图5）所示。其研究结果显示了此种结构具备优良的滞回消能与抗疲劳能力。陆地区的防屈曲支撑研究在国外研究的基础上结合有限元分析得到了较快的发展。清华大学的郭彦林教授对防屈曲支撑进行了有限元分析和整体稳定性能研究，并分析了约束比、内核板件宽度比、初始缺陷、间 隙等参数对支撑性能的影响，同时也简单的给出了初步简化设计方法8。同济大学的邓长根教授对防屈曲支撑的稳定问题做了一定的研究，并提出了一种新型防屈曲支撑，即压力只由内核钢支撑承担，内核受力构件与侧撑构件之间不填充混凝土而是保
17、留有一定的间隙，外 钢管在端部收缩，使两者在端部间隙很小，同时设置一定厚度的挡板并与内钢管焊接，用来限制外钢管的滑移的支撑形式，并对这种新型屈曲约束支撑的稳定问题作了相应的研究9。此外，广州大学的周云教授还提出了新型组合钢防屈曲耗能支撑及组合钢管混凝土防屈曲耗能支撑的概念。4、已有试验研究41 试验过程日本和美国进行了大量的 BRB 支撑试验研究。表 1.2 总结了1988-2006 年不同学者的 27 个和本文进行的 7 个 BRB 支撑试件的参数和试验结果。表中， Pu为最大承载力； Pcr为按欧拉公式计算的稳定承载力； Pr,cr外包约束部分按欧拉公式 计算的 稳定承载力； Py为核心钢
18、支撑截面的屈服承载力计算值。表 1.2 已有 BRB 支撑的试验参数与结果研究者 核心钢 外包 t1(mm) b1(mm) b2(mm) B1(mm) B2(mm) t2(mm) Lt(mm) sc Atube/At PuPyPcr/Py Pr,cr/Py9截面 截面 S 19 90 150 150 4.5 3390 618 0.08 0.12 Y 8.3 8.3 R 19 90 150 100 4.5 3390 618 0.11 0.15 Y 3.0 3.0 R 19 90 150 100 3.2 3390 618 0.11 0.11 Y 2.4 2.4 * R 19 90 150 75 4
19、.5 3390 618 0.15 0.18 N 1.5 1.5 Watanabe229, 230Wada253* R 19 90 150 75 3.2 3390 618 0.15 0.13 N 1.2 1.2 S 22 130 250 250 6 1590 250 0.05 0.10 Y 152.1 152.0 Hasegawa254 S 16 176 210 150 3.2 1750 379 0.09 0.07 Y 20.9 20.8 Iwata255 R 36 250 300 300 6 1980 191 0.10 0.08 Y 58.8 58.5 BCJ256 + S 28 250 25
20、0 300 300 6 1785 34 0.15 0.08 Y 56.4 47.8 S 19 153 250 250 6 4500 820 0.05 0.10 Y 18.7 18.7 S 19 204 250 250 6 4500 820 0.06 0.10 Y 14.0 14.0 + S 19 145 145 300 300 6 4500 146 0.06 0.08 Y 20.2 19.7 + S 19 197 197 300 300 6 4500 109 0.08 0.08 Y 15.0 14.2 UCBerkeley237, 257+ S 19 197 197 300 300 6 450
21、0 109 0.08 0.08 Y 15.0 14.2 * R 16 176 206.4 68 3.2 2351 509 0.20 0.23 N 0.9 * R 16 176 206.4 88 3.2 2351 509 0.16 0.19 Y 1.6 R 12 104 134.4 94 3.2 2351 679 0.10 0.21 Y 2.5 R 12 132 162.4 94 3.2 2351 679 0.10 0.20 Y 2.3 R 16 104 134.4 102 3.2 2351 509 0.12 0.20 Y 2.3 R 16 138 168.4 108 3.2 2351 509
22、0.12 0.18 Y 2.4 R 16 176 206.4 108 3.2 2351 509 0.13 0.17 Y 2.3 R 22 88 118.4 114 3.2 2351 370 0.14 0.19 Y 2.4 R 22 104 134.4 114 3.2 2351 370 0.15 0.18 Y 2.3 R 16 176 206.4 118 3.2 2351 509 0.12 0.15 Y 3.2 R 16 104 134.4 134 3.2 2351 509 0.09 0.17 Y 4.6 R 16 138 168.4 138 3.2 2351 509 0.10 0.15 Y 4
23、.5 Iwata251 R 22 80 118.4 144 3.2 2351 370 0.10 0.17 Y 4.4 续表 1.2 已有 BRB 支撑的试验参数与结果研究者 核心钢 截面 外包截面 t1(mm) b1(mm) b2(mm) B1(mm) B2(mm) t2(mm) Lt(mm) sc Atube/At PuPy Pcr/Py Pr,cr/Py+ S 10 170 170 270 270 2600 74 0.05 Y 30.9 29.1 + S 10 170 170 270 270 2600 74 0.05 Y 30.9 29.1 + S 35 100 100 215 215 1
24、300 56 0.12 Y 29.7 26.5 + S 35 165 165 290 290 2000 55 0.12 Y 23.9 20.6 S 20 165 265 265 2600 450 0.05 Y 27.3 27.3 - S 20 165 265 265 2600 450 0.05 Y 27.3 27.3 本文- S 35 80 150 150 1000 99 0.12 Y 23.2 22.2 10注：1、S 表示 square，R 表示 rectangle。2、本文试验外部约束均为钢筋混凝土。3、表中， t1、 b1、 b2、 B1、 B2、 t2、 Lt见图 1.3； 为核心钢
25、支撑的弱轴长细比； sc 为核心钢支撑截面的含钢率， sc=Acore/At；A core 为核心钢支撑截面面积；A tube 为外包钢管截面面积；A t 为总截面面积（ At= B1B2） 。B21t1b1 t1b11B2t1b21BtType ype Type 3t2 Lct图 1.3BRB 支撑截面BRB 支撑按欧拉公式计算的稳定承载力 Pcr为：2corercr 2tEIIPL1-1式中： Lt为 BRB 支撑的长度； Ecore和 Icore分别为核心钢支撑部分的弹性模量和惯性矩； Er和 Ir分别为外包约束部分的弹性模量和惯性矩，按下式确定： contubetr s II外包钢管混凝土外包钢筋混凝土1-2其中： Econ、 Etube和 Es分别为外包混凝土、钢管和钢筋的弹性模量；Icon、 Itube和 Is分别为外包混凝土、钢管和钢筋的截面惯性矩。外包约束部分 Pr,cr按欧拉公式计算的稳定承载力为： 2rr,ctEIL1-3BRB 支撑核心钢支撑截面的屈服承载力 Py按下式计算：ycorePfA1-4
