屈曲約束支撐:基本原理,產品優點,承載力與剛度分離,承載力高,延性與滯回性能好,保

屈曲約束支撐又稱防屈曲支撐或BRB(Buckling restrained brace),產品技術最早發展於1973年的日本，當時的一批日本學者成功研發了最早的牆板式防屈曲耗能支撐，並對其進行了加入不同無粘結材料的拉壓試驗；1994年北嶺地震後，美國也開始對防屈曲支撐體系進行相應的設計研究和大比例試驗，同時結合理論計算分析了該支撐體系較其他支撐體系的優點。

基本介紹

中文名：屈曲約束支撐
外文名：Buckling-Restrained braced
別名：防屈曲支撐

基本原理,產品優點,承載力與剛度分離,承載力高,延性與滯回性能好,保護主體結構,減小相鄰構件受力,產品性能,芯板材性,產品驗收標準,主要生產廠家,

基本原理

防屈曲支撐可為框架或排架結構提供很大的抗側剛度和承載力(參見圖1

)，採用支撐的結構體系在建築結構中套用十分廣泛。

普通支撐受壓會產生屈曲現象，當支撐受壓屈曲後，剛度和承載力急劇降低。在地震或風的作用下，支撐的內力在受壓和受拉兩種狀態下往復變化。當支撐由壓曲狀態逐漸變至受拉狀態時，支撐的內力以及剛度接近為零。因而普通支撐在反覆荷載作用下滯回性能較差(參見圖2)。

為解決普通支撐受壓屈曲以及滯回性能差的問題，在支撐外部設定套管，約束支撐的受壓屈曲，構成屈曲約束支撐(參見圖3)。

屈曲約束支撐僅芯板與其他構件連線，所受的荷載全部由芯板承擔，外套筒和填充材料僅約束芯板受壓屈曲，使芯板在受拉和受壓下均能進入屈服，因而，屈曲約束支撐的滯回性能優良(參見圖4)。屈曲約束支撐一方面可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷，另一方面具有金屬阻尼器的耗能能力，可以在結構中充當“保險絲”，使得主體結構基本處於彈性範圍內。因此，屈曲約束支撐的套用，可以全面提高傳統的支撐框架在中震和大震下的抗震性能(參見表1-1)。

表1-1屈曲約束支撐框架與普通支撐框架的抗震性能比較

狀態	傳統支撐框架		屈曲約束支撐框架
狀態	主體結構	普通支撐	主體結構	屈曲約束支撐
小震	彈性	彈性	彈性	彈性
中震	彈性或塑性	彈性或屈曲	彈性	塑性（耗能）
大震	塑性	屈曲	彈性或塑性	塑性（耗能）
中、大震後	拆除損壞部分，影響建築使用		檢查屈曲約束支撐，更換不影響建築物使用

產品優點

與普通支撐相比，屈曲約束支撐具有以下優點：

承載力與剛度分離

防屈曲支撐的最大優點是其自身的承載力與剛度的分離。普通支撐因需要考慮其自身的穩定性，使截面和支撐剛度過大，從而導致結構的剛度過大，這就間接地造成地震力過大，形成了不可避免的惡性循環。選用防屈曲支撐，即可避免此類現象，在不增加結構剛度的情況下滿足結構對於承載力的要求。

承載力高

抗震設計中，普通支撐的軸向承載力設計值為：

延性與滯回性能好

屈曲約束支撐在彈性階段工作時，就如同普通支撐可為結構提供很大的抗側剛度，可用於抵抗小震以及風荷載的作用。屈曲約束支撐在彈塑性階段工作時，變形能力強、滯回性能好，就如同一個性能優良的耗能阻尼器，可用於結構抵禦強烈地震作用。

保護主體結構

屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，在大震下可起到“保險絲”的作用，用於保護主體結構在大震下不屈服或者不嚴重破壞，並且大震後，經核查，可以方便地更換損壞的支撐。

減小相鄰構件受力

當支撐為人字形或V字型布置時，由於普通支撐受壓屈曲，受拉與受壓承載力差異可能很大，而普通支撐的截面由受壓承載力控制，但支撐受拉時其內力最大可達到受拉承載力，故與支撐相鄰構件的內力由支撐受拉承載力控制。如採用屈曲約束支撐，支撐受拉與受壓承載力差異很小，可大大減小與支撐相鄰構件的內力（包括基礎），減小構件截面尺寸，降低結構造價。

產品性能

屈曲約束支撐一般由3部分構成，即核心單元、約束單元及滑動機制單元，其中核心單元即芯材，又稱為主受力單元，是構件中主要的受力元件，由特定強度的鋼板製成。常見的截面形式為十字形、T形、雙T形和一字形等，分別適用於不同的剛度要求和耗能需求。約束單元又稱側向支撐單元，負責提供約束機制，以防止核心單元受軸壓時發生整體或餘部屈曲。比較常見的約束形式為鋼管填充混凝土或純鋼型結構約束。滑動機制單元又稱為脫層單元，是在核心單元與約束單元間提供滑動的界面，使支撐在受拉和受壓時儘可能有相似的力學性能，避免核心單元因受壓膨脹後與約束單元間產生摩擦力而造成軸壓力的大量增加，這種滑動單元一般是由一些無粘結材料製作而成的。

如前所述，常見的屈曲約束支撐包括兩種類型——灌漿型和純鋼型（圖3-1），灌漿型指約束材料為混凝土材料，而純鋼型則指整個產品僅使用鋼材的情況，灌漿型產品為早期產品，在各國使用較為廣泛，而純鋼型則相對發展較晚，但由於其自身優勢明顯，已開始在各國大面積使用。

灌漿型與純鋼型屈曲約束支撐有如下優缺點：1、灌漿型由於使用混凝土做為填充材料，與純鋼型相比，其質量較為難以控制，而純鋼型則可直接使用成熟的鋼結構加工方式進行加工，質量可嚴格控制到機械產品的精度；2、灌漿型由於產品本身使用混凝土灌漿料，而純鋼型一般內部為空心結構，因此灌漿型自重要比純鋼型大很多；3、灌漿型由於受其自身產品結構的限制，很難將截面做的很小，而同樣噸位下，純鋼型則形式更為自由，體積更小。　防屈曲約束的承載力由其自身芯材的截面和使用的鋼材型號來進行控制，根據對於產品承載力的不同要求，芯板材料通常可採用低屈服點鋼材（屈服強度160MPa和225MPa）、普通低碳鋼（Q235鋼）或其他高強鋼（Q345鋼、Q390鋼、Q420鋼），也就是在同一種屈服力的情況下，我們可以使用很多的組合來達到這個目的，如需要的屈服力為235MPa，則如果使用Q235鋼，取其芯材截面為1，而使用Q160鋼則為了達到這個屈服力，其芯材截面就需要取到1*235/160=1.46，因此通常情況下只要在進行產品設計時選擇合理的芯材截面，則不同的鋼材屈服力將完全無法對產品的性能產生影響。

芯板材性

《碳素結構鋼》（GB-T700-2006）及《低合金強度鋼》（GB-T1591-1994）兩個國家標準中對於鋼材的質量分為A、B、C、D四種質量等級，主要區別為對於不同質量等級A類不需要做衝擊試驗，而B、C、D類均需在不同溫度下進行衝擊試驗。國家規定中對於鋼材僅要求其屈服度不低於某個數值，如Q235鋼材的屈服力應不低於235MPa，而沒有要求其屈服力不高於某個數值，這樣造成的情況就是如果Q235鋼材的屈服力為300MPa，則也是滿足要求的。由於在進行防屈曲支撐的產品設計時，產品本身對與芯板材料的屈服力較為敏感，因此所使用的芯材鋼板均需進行相關的試驗來確定其真實屈服力之後才能用於產品生產加工。

通常我們所說的低屈服點鋼的概念來源於日本，主要指代其屈服強度在某一個狹小範圍內（±20N/mm2）的鋼材，而不是我們所說的如Q100、Q160或Q225之類屈服點較低的鋼材，因為國家規範中沒有對於鋼材屈服度的上限控制標準，因此主要使用低屈服點鋼來指代性能較為穩定的鋼材；但國內的鋼材加工水平仍然要低於日本，因此即使被稱為低屈服鋼，在國內也仍然只能認為是屈服點較低的鋼而已，而鋼材實際的屈服點仍然需要使用試驗的方法來進行檢驗，其產品的性能並不能完全與日本的低屈服點鋼進行等價。

產品驗收標準

對於防屈曲支撐產品的驗收標準，僅在我國的2010版《建築抗震設計規範》（GB 50011-2010）和《高層民用建築鋼結構技術規程》（JGJ99-2010）送審稿中有所提及，但標準仍然較低：

1、[GB 50011-2010]屈曲約束支撐應按照同一工程中支撐的構造形式、約束屈服段材料和屈服承載力分類進行抽樣試驗檢驗，構造形式和約束屈服段材料相同且屈服承載力在50%至150%範圍內的屈曲約束支撐劃分為同一類別。每種類別抽樣比例為2%，且不少於一根。試驗時，依次在1/300，1/200，1/150，1/100 支撐長度的拉伸和壓縮往復各3 次變形。試驗得到的滯回曲線應穩定、飽滿，具有正的增量剛度，且最後一級變形第3 次循環的承載力不低於歷經最大承載力的85%，歷經最大承載力不高於屈曲約束支撐極限承載力計算值的1.1 倍。

2、[GB 50011-2010]金屬屈服位移相關型消能器等不可重複利用的消能器，在同一類型中抽檢數量不少於2 個，抽檢合格率為100%，抽檢後不能用於主體結構。型式檢驗和出廠檢驗應由第三方完成。

3、[JGJ99-2010]E.5.1 屈曲約束支撐的設計應基於試驗結果，試驗至少應有兩組：一組為組件試驗，考察支撐連線的轉動要求；另一組為支撐的單軸試驗，以檢驗支撐的工作性狀，特別是在拉壓反覆荷載作用下的滯回性能。

4、[JGJ99-2010]E.5.2 屈曲約束支撐的試驗載入應採取位移控制，對構件試驗時控制軸向位移，對組件試驗時控制轉動位移。

5、[JGJ99-2010]E.5.3 耗能型屈曲約束支撐試驗應按以下載入幅值及順序進行：依次在1/300、1/200、1/150、1/100 支撐長度的拉伸和壓縮往復各3 次變形，實現軸向累計非彈性變形至少為屈服變形的200 倍（組件試驗不做此要求）

6、[JGJ99-2010]

E.5.4 屈曲約束支撐的試驗檢驗要求

1）同一工程中，屈曲約束支撐應按照支撐的構造形式、核心鋼支撐材料和屈服承載力分類別進行試驗檢驗。抽樣比例為2%，每種類別至少有一根試件。構造形式和核心鋼支撐材料相同且屈服承載力在試件承載力的50%至150%範圍內的屈曲約束支撐劃分為同一類別。

2）宜採用足尺試件進行試驗。如果試驗裝置無法滿足足尺試驗要求，可以減小試件的長度。

3）屈曲約束支撐試件及組件的製作應反映設計實際情況，包括材料、尺寸、截面構成及支撐端部連線等情況。

4）應按照相關的國家標準，對屈曲約束支撐核心鋼支撐的每一批鋼材進行材性試驗。

5）當屈曲約束支撐試件的試驗結果滿足下列要求時，試件檢驗合格：

a）材性試驗結果滿足E.3.8 條第1 款的要求；

b）屈曲約束支撐試件的滯回曲線表現穩定、飽滿，剛度穩定增長，沒有剛度退化現象；

c）屈曲約束支撐沒有出現斷裂和連線部位破壞現象；

d）屈曲約束支撐試件每一載入循環核心單元屈服後的最大拉、壓承載力均不低於屈服荷載，且最大壓力和最大拉力之比不大於1.3。

針對於傳統減震設計的規範已在評審中，未發布，為《建築減震消能規範》送審稿，其中對於產品的檢測標準為：

常規性能	序號	項目	性能要求
	1	屈服荷載	在設計值的±15%以內；在設計值的±10%以內。
	2	屈服位移	在設計值的±15%以內；屈服位移設計值的±10%以內。
	3	屈服後剛度	在設計值的±15%以內；在設計值的±10%以內
	4	極限荷載	在設計值的±15%以內；在設計值的±10%以內。
	5	極限位移	每個實測產品極限位移值不應小於設計極限位移值。
	6	滯回曲線面積	任一循環中滯回曲線包絡面積實測值偏差應在產品設計值的±15%以內；實測值偏差的平均值應在產品設計值的±10%以內。
疲勞性能	1	阻尼力	實測產品在罕遇地震作用時的設計位移下連續載入30圈，任一個循環的最大、最小阻尼力應在所有循環的最大、最小阻尼力平均值的±15%以內。
	2	滯回曲線	1) 實測產品在罕遇地震作用時的設計位移下連續載入30 圈，任一個循環中位移為零時的最大、最小阻尼力應在所有循環中位移為零時的最大、最小阻尼力平均值的±15%以內。 2) 實測產品在罕遇地震作用時的設計位移下，任一個循環中阻尼力為零時的最大、最小位移應在所有循環中阻尼力為零時的最大、最小位移平均值的±15%以內。
	3	滯回曲線面積	實測產品在罕遇地震作用時的設計位移下連續載入30圈，任一個循環的滯回曲線面積應在所有循環的滯回曲線面積平均值的±15%以內。

屈曲約束支撐