中国建筑第八工程局有限公司 上海市 200000
摘要：本文介绍了屈曲耗能支撑在核心筒柱为大跨度桁架支撑格构柱中的应用，结合工程案例分析了屈曲支撑在支撑立体中的耗能工作原理及设计方法。结果表明，在地震作用下，屈曲支撑受拉屈服和受压屈服的循环可以达到消耗能量的作用，可以充分发挥钢材的弹塑性性能，使得结构安全有效提高。
关键词：外载荷；节点设计；耗能
A brief introduction to the application of buckling braces（BRB）in long span continuous frame columns
TangWengKe ZhaoWei HuLei YangShiMin ZhangYang
（China Construction Eighth Engineering Division Co.，Ltd.，Shanghai，200000，China）
Abstract：This paper introduces the application of the buckling energy dissipation braces in the core tubular truss braced lattice columns，and analyzes the energy dissipation working principle and design method of the buckling energy dissipation braces in the braced three-dimensional with engineering cases.The results show that under the action of earthquake，the cycle of tensile yield and compression yield of flexural support can achieve the function of energy consumption and give full play to the elastoplastic properties of steel，making the structure safe and effective.
Key words；The load；Node design；Energy consumption
0 前言
近年来地震事故频发，尤其是本工程处在地震多发地带，对于建筑结构的抗震性能研究尤为重要。目前在高层中耗能减震技术发展的较为迅猛。屈曲约束支撑（BRB）就是一种优良的耗能减震构件，根据建筑不同的受力状态，消耗地震能力，达到保护结构不受破坏的目的。
1 屈曲耗能支撑的工作原理
屈曲耗能支撑利用了金属良好的弹塑性性能，是一种在受到一定外载荷作用的条件下拉伸和压缩均能达到屈服强度而不发生弯曲的轴力构件。屈曲耗能支撑结构的构件组成主要分为四部分：
芯材、外套筒、无黏结材料层（位于芯材与填充材料之间）、填充材料（位于无黏结材料层与外套筒之间）。基本组成如图1.1所示。屈曲支撑的轴向载荷全部由芯材承受，根据设计参数及芯材材质，保证芯板在外荷载作用的条件下，拉压状态屈服。当芯板受压或受拉时，芯板收到外部载荷的作用，在载荷逐渐增加的条件下，芯板达到屈服极限，进入弹塑性耗能阶段，由于有约束单元（外套筒及填充材料）的作用，芯板在受力过程中不会发生弯曲。
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图1 屈曲支撑构件图
1-外套筒，2-芯材板，3-填充材料，4-吊耳，5-封头版，6-无粘接材料层
2 深化设计
2.1 设计目的
根据结构整体计算结果及支撑承载力，按照等效截面法选择合适的计算截面；以整体计算指标满足要求为前提，选择合适的截面，保证支撑在地震作用下起到保护结构的目的。
本工程所用BRB支撑有5种型号，如表1所示。
表1 屈曲约束支撑规格表
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2.2 整体稳定分析，约束刚度的计算；
2.2.1 芯材刚度计算
以其中一个BRB1支撑型号为例，设BRB刚度为K，其中BRB1长度L1端刚度为K1，BRB长度L2端刚度为K2，BRB长度L3端刚度为K3。
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图2 BRB支撑构件详图
由公式得
=1610kN/mm≈1600KN/mm
①L1段刚度为K1计算
A1=（220-25+270*3）*25=25125mm2，L1=450mm
②L2刚度为K2计算
A2=（270+220-25）*25=11625mm2，L2=1100mm
③L3刚度为K3计算
A3=（220-25+270*3）*25=25125mm2，L3=450mm
2.2.2 套筒刚度计算
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图3 套筒外形尺寸图
I=（3004-2844）/12=1328841≥1.2Nyscl2/2E）=1.2*1.15*3000000*11002/（3.142*210000）=6694331.27
3.芯材屈服承载计算
A2=（270+220-25）*25=11625mm2
Nysc=ηyfA2=1.15*235*11625=3141kN≈3100kN
3 屈曲支撑在高层建筑中应用的实例
3.1工程概况
某钢结构办公楼独立塔柱总层数为16层，各层层高均为3.900m，不计入屋顶构架和出屋面楼电梯间，房屋高度60.165m，钢框架平面布置呈田字型，框架抗震等级为二级，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度为0.3g，场地类别为Ⅲ类。共采用128根屈曲支撑，最大屈服承载力达3000kN，采用Q235制成，分布在独立塔柱的L1~L15层，结构平面图如图4所示。
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图4 独立塔柱布置图
3.2试验检测
3.2.1屈曲耗能支撑力学性能试验方法
试验采用力-位移混合控制加载制度。试件屈服前，采用力控制并分级加载，接近屈服荷载前宜减小级差加载，每级荷载反复一次；试件屈服后采用位移控制，每级位移加载幅值取屈曲位移的倍数为级差进行，每级加载可反复三次【1】。试验数据如下表所示。
表2 屈曲支撑力学性能表
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实测值偏差在产品设计值的±15%以内。
3.2.2屈曲耗能支撑耐久性试验方法
屈曲耗能支撑的基本特性需通过滞回曲线的试验结果确定。
采用固定位移循环荷载试验，位移采用屈曲支撑所在位置相应的设计位移。试验中所采用的极限状态包括：1）发生断裂破坏；2）最大承载力下降；3）能量吸收量减少；4）丧失稳定的滞回曲线形状。将最大承载力下降了15%的次数确定为疲劳循环次数Nf。
本工程采用的屈曲支撑为耗能型，在位移为1/150耗能器长度下进行30周拉伸和压缩往复疲劳试验，Nf为30。
实测滞回曲线光滑，无异常，在相同荷载条件下，循环滞回曲线包络面积实测值与设计值的偏差在±15%以内，如下图所示，
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图5 BRB1位移-力滞回曲线
由图5可知，屈曲约束支撑在试验模拟条件作用下保持在弹性范围内，BRB为主体结构抗震提供合适的抗侧移刚度，并且主体结构中的BRB在设防地震作用下已开始屈服耗能，但此时BRB耗能不充分。
3.3屈曲支撑连接
BRB构件与主体节点板的连接形式采用焊接方式与两端三块加劲板连接。见图。利用塔吊及手拉葫芦等工具将屈曲支撑吊装并牵拉到位。由于屈曲约束支撑重量均在1t以内，所以采用单点葫芦倒链进行吊装，约束屈曲支撑的布置形式为单斜杆，下吊点为对应支撑偏上段吊耳处，支撑起吊为不等高起吊，葫芦牵拉中上端，吊装过程要保持构件平稳，现牵拉构件一端就位，临时焊接限位板，再调整另一端就位，焊接临时固定【2】。
焊接时，需保证屈曲支撑的王字接头与连接节点板的王字接头完全对称，校正无误后方可进行熔透焊接。焊接顺序依次为焊接支撑的下端节点→焊接支撑的上端节点。节点焊接顺序如图所示，节点板由加工厂完成焊接，现场焊接顺序按①→②→④→③顺序进行，节点板与节点板之间采用双面熔透焊，开K型坡口，焊接质量检验等级均为二级。
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①-腹板；②-加劲板；③-下翼缘板；④-上翼缘板
4 结束语
通过对屈曲约束耗能支撑的研究及试验结果，表明BRB屈曲约束支撑能代替普通支撑，满足支撑对结构的强度及刚度要求，耗能支撑与普通支撑相比有以下特点：1）BRB支撑受压后能保持稳定，受压后能继续耗能；2）在地震作用下，BRB支撑在受拉与受压情况下均能快速屈服，提高结构阻尼，有效地消耗传入结构的地震能量【3】；3）BRB耗能支撑变形能力强，滞回性能好；4）由于BRB耗能支撑在受压时不存在失稳的问题，在与普通支撑相同承载力条件下，截面更小，建筑的整体刚度也更小，充分、合理利用得到更好的经济效益。
参考文献：
[1] JG/T209-2012建筑消能阻尼器[S]，中华人民共和国住房和城乡建设部：中国标准出版社，2012.
[2] 梁怀刚.BRB防屈曲支撑在超高层建筑中的应用[J]，铁道建筑技术1009-4539（2018）01-0114-04.
[3] 胡少波.防屈曲支撑（BRB）在工程中的应用[S]，施工技术与应用：中国建筑工业出版社出版，2009.
作者简介：
汤文科，男。