[科普中国]-支撑材料

支撑材料常用于工程建筑中，例如弱剪型中心支撑钢框架中支撑构件作为抗震的第一道防线，起着“保险丝” 的作用，在较强烈地震作用下首先进入塑性状态以消耗地震能，并降低结构刚度以减小地震反应，从而保护结构主体。但支撑材料可能存在超强现象，妨碍设计意图的实现，从而使结构主体遭受较大的地震作用。

概念支撑材料是高层建筑中应用十分广泛的结构。支撑材料中纯框架结构的抗侧刚度有限，在地震和强风荷载作用下，侧向位移较大，限制了它的应用高度。框架一支撑结构在一定程度上解决了结构抗侧刚度的问题，但是在强震作用下支撑受压时易产生屈曲现象，极易造成支撑本身和连接的破坏或失效，同时支撑屈曲后的滞回耗能能力变差，很难有效地耗散地震能量，使结构抗震能力降低。为了解决支撑受压屈曲的问题，日本、美国等国家以及我国台湾地区的一些学者，经多年研究，提出一种能防止屈曲的支撑材料，称为屈曲约束耗能支撑(Buckling Restrained Energy-dissipation Braces，简称BREB)，也经常被称为无粘结支撑(Unbonded Braces)、屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Braces)、屈服支撑(Yielding Braces)、屈曲防止支撑(Buckling-Inhibited Braces)或不屈曲支撑(Non—Buckling Braces)等。屈曲约束支撑性能稳定，减震效果显著，因此，在过去的几十年里，特别是日本神户地震、美国北岭地震后，其在日本、美国、加拿大等国家以及我国台湾地区都得到了较好的应用。1

屈曲约束耗能支撑一般而言，屈曲约束耗能支撑由3个部分所组成，即核心单元、约束单元及滑动机制。核心单元，即芯材，又称为主受力单元，是构件中主要的受力元件，一般由较低强度的钢板组成，常见的形状为十字型及一字型；约束单元又称为侧向支撑单元，负责加强核心单元的抗弯刚度，以防止核心单元受轴压时发生整体或局部屈曲。另外，由于希望该构件在受拉及受压时尽可能有相似的力学性能，因此必须在核心单元与约束单元间提供一种滑动机制(又称为脱层单元)，避免核心单元因受压膨胀后与约束单元间产生握裹或摩擦力而造成受压承载能力的大量增加。这种滑动单元一般是由一些无粘结材料(Unbond Material)制作而成的。图1是一个典型BRB阻尼器的构件组成示意图。

屈曲约束支撑的形式多样，如图2所示为经常采用的一些典型的截面形状。屈曲约束支撑与普通钢支撑的受力特点区别在于，前者在受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲失稳，而后者在轴向压力加大的过程中会发生整体或局部的屈曲或断裂。如图3所示普通钢支撑和屈曲约束支撑的荷载位移示意，很显然，普通钢支撑的受拉和受压承载力差别很大，但屈曲约束支撑拉压承载力几乎相同。1

支撑材料超强对弱剪型支撑钢框架影响的研究在弱剪型中心支撑钢框架体系中，支撑作为抗震的第一道防线，在结构经受强震时，要求其进入屈服状态，以消耗地震能和减小结构刚度削弱地震反应，起到保护整个结构的作用。但由于一般钢材屈服强度离散性较大，可能会出现支撑屈服强度较明显高于钢框架的情况(考虑到这种体系使用的普遍性，这种情况可能大量存在) ，这
时如果支撑在需要屈服的时候由于超强不能屈服则可能会迫使主钢架进入塑性状态，从而使钢框架从第二道防线转变为第一道防线，本应被保护的系统成了保护者，这样便与设计意图大大背离，使结构处于危险状态，或使得震后加固维修变得极为困难，毕竟拆换支撑构件比修复梁柱体系简单、 经济得多。关于支撑材料超强对弱剪型支撑钢框架影响的研究仍很缺乏，研究以一个简单的算例探讨这个问题，以期抛砖引玉，并建议采用抗震钢制作支撑构件以避免支撑材料超强对弱剪型支撑钢框架的不利影响。抗震钢是特殊性能钢材中的一种，这种钢材屈服平台很长、很稳定，非常适合用在需要准确控制钢材屈服点的部位。

时程分析（1）地震波选取

选取El Centro 地震波(如图4所示)进行计算，输入地震波峰值加速度，按照设防烈度为8度的罕遇地震取值，即将地震记录的峰值调整为0.4g(400 cm/s2) ，取地震时间历程的前30s， 在计算中时间积分步长取为△t = 0.02 s。在支撑框架的水平方向输入地震波加速度。

（2）时程计算结果及对比分析

抗震钢支撑框架地震波作用下框架承受的基底剪力要小于强剪型，框架更早进入塑性阶段后，对塑性变形的需求较大，滞回环饱满稳定，曲线所包围的面积大，表明其具有良好的耗能能力。普通钢支撑框架在地震荷载作用下，产生的基底剪力较大，虽然也有屈服现象发生，但其滞回环封闭部分所包络面积明显小于抗震钢支撑框架，表示耗能能力远小于抗震钢支撑框架，由此可见钢材性能离散性造成的超强对弱剪型中心支撑框架的抗震性能是不利的，如果采用抗震钢来制作支承构件，就能可靠地避免这种现象，很好地实现设计意图。

两种框架中心支撑滞回环都能达到对应的钢材屈服强度，表明强震作用下，中心支撑都进入了屈服阶段，结构的塑性耗能能力主要来自中心支撑的塑性发展(由两种框架中心支撑滞回环与基底剪力—柱顶位移相似性也可看出此点)。但两种支撑进入屈服状态的时间不同，造成了滞回环封闭程度和包络面积的不同，使得耗能能力有明显差异。在强震作用下抗震钢支撑框架的支撑及时地按设计意图进入了塑性状态，滞回环饱满稳定，包络面积大；普通钢支撑框架的支撑由于超强推迟了对塑性状态的进入，在更大的地震荷载作用下才进入塑性，因而滞回环封闭程度有限，包络面积明显小于抗震钢支撑框架，使普通钢支撑框架未能很好地贯彻设计意图，其抗震能力明显减弱。

在 El Centro 波作用下，抗震钢支撑框架和普通钢支撑框架右柱顶部水平位移时程反应曲线形状相似，在数值上则是普通钢支撑框架水平位移为64.9mm，大于抗震钢支撑框架51.6 mm。可见普通钢支撑框架局部( 支撑构件) 强度大了，而地震反应也增加了。这是由于采用抗震钢作支撑的钢框架在较大地震作用下忠实地按设计意图及时地进入塑性状态，靠材料的塑性消耗地震能，并通过刚度的减小削弱地震反应；而普通钢框架由于支撑钢材的超强，当地震使支撑材料达到屈服强度时未能进入屈服流动平台，从而延长了结构的弹性状态，结构刚度未能及时下降，故而地震反应较大，这对保护框架主体是不利的，偏离了设计初衷。当地震烈度更大时，可能会导致框架梁柱的最不利位置先于支撑进入塑性状态，从而使框架保护了支撑，而不是支撑保护了框架，结构的两道抗震防线次序颠倒，不能发挥支撑的抗震和耗能作用，增加了结构地震危险性。

研究结论（1）Pushover 和时程分析的计算表明，在弱剪型中心支撑框架中采用普通钢材制作钢支撑可能因钢材超强使支撑未能按设计意图及时进入塑性状态，不能充分支撑塑性耗能能力，以减小地震反应，保护主体结构，从而使得钢框架遭受较大破坏，不能担负第一道防线的作用，增大了结构在地震中的危险性。

（2）采用抗震钢作弱剪型中心支撑框架的支撑可以很好地贯彻设计意图，使支撑构件在预定地震强度作用下进入塑性状态，通过钢材的塑性屈服流动消耗地震能，降低结构刚度减小地震反应，使得中心支撑构件成功地担负起第一道抗震防线的作用，起到“保险丝” 的作用，有效地保证框架主体的安全。虽然抗震钢价格较高，但支撑
构件占结构整体比重很小，由此增加的造价是很有限的，与安全性和抗震能力的提高相比可以说是性价比极高的举措。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所