支撐材料

支撐材料常用於工程建築中，例如弱剪型中心支撐鋼框架中支撐構件作為抗震的第一道防線，起著“保險絲” 的作用，在較強烈地震作用下首先進入塑性狀態以消耗地震能，並降低結構剛度以減小地震反應，從而保護結構主體。但支撐材料可能存在超強現象，妨礙設計意圖的實現，從而使結構主體遭受較大的地震作用。

基本介紹

• 中文名：支撐材料
• 外文名：Support material
• 廣義：支撐構件材料
• 用途：降低結構剛度以減小地震反應
• 類別：建築學

概念

支撐材料是高層建築中套用十分廣泛的結構。支撐材料中純框架結構的抗側剛度有限，在地震和強風荷載作用下，側向位移較大，限制了它的套用高度。框架一支撐結構在一定程度上解決了結構抗側剛度的問題，但是在強震作用下支撐受壓時易產生屈曲現象，極易造成支撐本身和連線的破壞或失效，同時支撐屈曲後的滯回耗能能力變差，很難有效地耗散地震能量，使結構抗震能力降低。為了解決支撐受壓屈曲的問題，日本、美國等國家以及我國台灣地區的一些學者，經多年研究，提出一種能防止屈曲的支撐材料，稱為屈曲約束耗能支撐(Buckling Restrained Energy-dissipation Braces，簡稱BREB)，也經常被稱為無粘結支撐(Unbonded Braces)、屈曲約束支撐(Buckling-Restrained Braces)、屈服支撐(Yielding Braces)、屈曲防止支撐(Buckling-Inhibited Braces)或不屈曲支撐(Non—Buckling Braces)等。屈曲約束支撐性能穩定，減震效果顯著，因此，在過去的幾十年里，特別是日本神戶地震、美國北嶺地震後，其在日本、美國、加拿大等國家以及我國台灣地區都得到了較好的套用。

屈曲約束耗能支撐

一般而言，屈曲約束耗能支撐由3個部分所組成，即核心單元、約束單元及滑動機制。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，一般由較低強度的鋼板組成，常見的形狀為十字型及一字型；約束單元又稱為側向支撐單元，負責加強核心單元的抗彎剛度，以防止核心單元受軸壓時發生整體或局部屈曲。另外，由於希望該構件在受拉及受壓時儘可能有相似的力學性能，因此必須在核心單元與約束單元間提供一種滑動機制(又稱為脫層單元)，避免核心單元因受壓膨脹後與約束單元間產生握裹或摩擦力而造成受壓承載能力的大量增加。這種滑動單元一般是由一些無粘結材料(Unbond Material)製作而成的。圖1是一個典型BRB阻尼器的構件組成示意圖。

屈曲約束支撐的形式多樣，如圖2所示為經常採用的一些典型的截面形狀。屈曲約束支撐與普通鋼支撐的受力特點區別在於，前者在受拉與受壓時均能達到屈服而不發生屈曲失穩，而後者在軸向壓力加大的過程中會發生整體或局部的屈曲或斷裂。如圖3所示普通鋼支撐和屈曲約束支撐的荷載位移示意，很顯然，普通鋼支撐的受拉和受壓承載力差別很大，但屈曲約束支撐拉壓承載力幾乎相同。

支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架影響的研究

在弱剪型中心支撐鋼框架體系中，支撐作為抗震的第一道防線，在結構經受強震時，要求其進入屈服狀態，以消耗地震能和減小結構剛度削弱地震反應，起到保護整個結構的作用。但由於一般鋼材屈服強度離散性較大，可能會出現支撐屈服強度較明顯高於鋼框架的情況(考慮到這種體系使用的普遍性，這種情況可能大量存在) ，這
時如果支撐在需要屈服的時候由於超強不能屈服則可能會迫使主鋼架進入塑性狀態，從而使鋼框架從第二道防線轉變為第一道防線，本應被保護的系統成了保護者，這樣便與設計意圖大大背離，使結構處於危險狀態，或使得震後加固維修變得極為困難，畢竟拆換支撐構件比修復樑柱體系簡單、 經濟得多。關於支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架影響的研究仍很缺乏，研究以一個簡單的算例探討這個問題，以期拋磚引玉，並建議採用抗震鋼製作支撐構件以避免支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架的不利影響。抗震鋼是特殊性能鋼材中的一種，這種鋼材屈服平台很長、很穩定，非常適合用在需要準確控制鋼材屈服點的部位。

時程分析

（1）地震波選取

選取El Centro 地震波(如圖4所示)進行計算，輸入地震波峰值加速度，按照設防烈度為8度的罕遇地震取值，即將地震記錄的峰值調整為0.4g(400 cm/s²) ，取地震時間歷程的前30s， 在計算中時間積分步長取為△t = 0.02 s。在支撐框架的水平方向輸入地震波加速度。

圖4 El Centro 地震波 3. 2 時程計算結果及對比分析

（2）時程計算結果及對比分析

抗震鋼支撐框架地震波作用下框架承受的基底剪力要小於強剪型，框架更早進入塑性階段後，對塑性變形的需求較大，滯迴環飽滿穩定，曲線所包圍的面積大，表明其具有良好的耗能能力。普通鋼支撐框架在地震荷載作用下，產生的基底剪力較大，雖然也有屈服現象發生，但其滯迴環封閉部分所包絡面積明顯小於抗震鋼支撐框架，表示耗能能力遠小於抗震鋼支撐框架，由此可見鋼材性能離散性造成的超強對弱剪型中心支撐框架的抗震性能是不利的，如果採用抗震鋼來製作支承構件，就能可靠地避免這種現象，很好地實現設計意圖。

兩種框架中心支撐滯迴環都能達到對應的鋼材屈服強度，表明強震作用下，中心支撐都進入了屈服階段，結構的塑性耗能能力主要來自中心支撐的塑性發展(由兩種框架中心支撐滯迴環與基底剪力—柱頂位移相似性也可看出此點)。但兩種支撐進入屈服狀態的時間不同，造成了滯迴環封閉程度和包絡面積的不同，使得耗能能力有明顯差異。在強震作用下抗震鋼支撐框架的支撐及時地按設計意圖進入了塑性狀態，滯迴環飽滿穩定，包絡面積大；普通鋼支撐框架的支撐由於超強推遲了對塑性狀態的進入，在更大的地震荷載作用下才進入塑性，因而滯迴環封閉程度有限，包絡面積明顯小於抗震鋼支撐框架，使普通鋼支撐框架未能很好地貫徹設計意圖，其抗震能力明顯減弱。

在 El Centro 波作用下，抗震鋼支撐框架和普通鋼支撐框架右柱頂部水平位移時程反應曲線形狀相似，在數值上則是普通鋼支撐框架水平位移為64.9mm，大於抗震鋼支撐框架51.6 mm。可見普通鋼支撐框架局部( 支撐構件) 強度大了，而地震反應也增加了。這是由於採用抗震鋼作支撐的鋼框架在較大地震作用下忠實地按設計意圖及時地進入塑性狀態，靠材料的塑性消耗地震能，並通過剛度的減小削弱地震反應；而普通鋼框架由於支撐鋼材的超強，當地震使支撐材料達到屈服強度時未能進入屈服流動平台，從而延長了結構的彈性狀態，結構剛度未能及時下降，故而地震反應較大，這對保護框架主體是不利的，偏離了設計初衷。當地震烈度更大時，可能會導致框架樑柱的最不利位置先於支撐進入塑性狀態，從而使框架保護了支撐，而不是支撐保護了框架，結構的兩道抗震防線次序顛倒，不能發揮支撐的抗震和耗能作用，增加了結構地震危險性。

研究結論

（1）Pushover 和時程分析的計算表明，在弱剪型中心支撐框架中採用普通鋼材製作鋼支撐可能因鋼材超強使支撐未能按設計意圖及時進入塑性狀態，不能充分支撐塑性耗能能力，以減小地震反應，保護主體結構，從而使得鋼框架遭受較大破壞，不能擔負第一道防線的作用，增大了結構在地震中的危險性。

（2）採用抗震鋼作弱剪型中心支撐框架的支撐可以很好地貫徹設計意圖，使支撐構件在預定地震強度作用下進入塑性狀態，通過鋼材的塑性屈服流動消耗地震能，降低結構剛度減小地震反應，使得中心支撐構件成功地擔負起第一道抗震防線的作用，起到“保險絲” 的作用，有效地保證框架主體的安全。雖然抗震鋼價格較高，但支撐
構件占結構整體比重很小，由此增加的造價是很有限的，與安全性和抗震能力的提高相比可以說是性價比極高的舉措。