防屈曲支撑结构的专利技术发展概况Word格式文档下载.docx

1、专利技术 防屈曲支撑，也叫屈曲约束支撑，是建筑结构抗震领域的一种兼具金属阻尼器和普通支撑功能双重作用的新型支撑。在小震作用下，可为结构提供足够的侧向刚度，在中震或大震作用下，支撑内芯通过拉压屈服耗散地震能量，可以有效减轻梁、柱等主体结构的损伤。 典型的防屈曲支撑由钢支撑内芯、外包约束构件以及两者之间所设置的无粘结层或间隙三部分所构成，其中钢支撑内芯只承受轴力和发生轴向变形，而约束构件则只通过其抗弯刚度和抗弯承载力来防止钢支撑受压侧向屈曲。 防屈曲支撑技术的发展脉络如图1所示，前期是按照线性的脉络发展的，主要由日本的学者对原有的钢骨混凝土结构SRC进行抗震结构的研究1，进而产生了在剪力墙结构中设

2、置无粘结材料的技术方案23，此后经过一系列思想上的转变45，将原有的剪力墙角度彻底转变为支撑角度6，直至日本东京大学和新日铁株式会社共同研发出了防屈曲支撑的基本型式78。 此后，这种线性的发展开始转变为多元化的放射状发展，主要以日本的防屈曲支撑基本型作为改进起点，在支撑内芯、外包约束构件和减少轴力传递构造这三大方面，按照发现问题研发技术改进问题的思路，同步推进发展。近年来，由于学科交流和技术的横向交叉，逐渐又出现一些防屈曲支撑的新发展。 专利，是一种法律文本，也是一种技术载体9。一个国家专利技术的分布和发展可作为衡量一个国家有关方面技术实力的可信指标，同时也能够体现行业的发展前沿和重点10。专

3、利制度和专利技术推动了国家创新驱动发展战略的实施，促进了专利技术的商品化和产业化，加快了知识产权向现实生产力的转化。此外，在专利法的约束下，专利采用严谨的撰写方式，能够简明而清晰地表达出具有创新性的发明构思，可读性较强，而且专利便于检索和统计，具有信息可视化的特点。故而，笔者通过检索，获得了防屈曲支撑结构的专利技术样本，并对该样本进行分析和统计，其中专利技术要点与解决的技术问题的关系如图2所示。 图1 防屈曲支撑发展脉络图 从图1中不难看出，防屈曲支撑专利技术的发展脉络与整个防屈曲支撑行业的发展脉络是高度契合的，都是围绕以下三个技术要点进行改进和完善的，分别是：（1）支撑内芯的构造；（2）外包

4、约束构件的构造；（3）减少轴力传递的构造。而专利技术针对的技术要点又是与防屈曲支撑的技术原理是一致的，因为改进支撑内芯和外包约束构件的构造，是为了保证耗能的同时限制弯曲变形，而改进间隙控制的构造是为了切断或减少轴力传递。可以说，研究专利技术的发展特点，就能得出防屈曲支撑行业的发展规律。因此，本文以技术问题为导向、以专利技术为主支撑，来分析这三大方面的技术发展情况。 1 支撑内芯构造的技术发展情况 1.1 内芯的构造 支撑内芯沿纵向一般通过对耗能段两翼进行切削11或对连接段的截面进行扩大12而设计成为两端截面大而中间截面小的分阶段渐变式狗骨形状，这种构造可以把塑性变形控制在受约束的中间屈服段范围

5、内并减少因截面突变而引起的应力集中，使其受力更加合理，见图3。 图2 防屈曲支撑专利改进方向与解决问题的关系汇总 支撑内芯两端的连接段即过渡段可以通过焊接加劲肋以增加其平面外稳定性，同时更方便与框架节点板进行连接以保证可靠传力。在此基础之上，为了进一步提高平面外稳定性，可以在支撑内芯端部十字的各肢背之间固定安装加劲肋13，加劲肋共八个，均沿与两肢背呈45方向放置。 图3 支撑内芯端部设置八个加劲肋的构造 对内芯过渡段和连接段的加强可以改善平面外变形的问题，而改善局部变形的问题还需要对内芯的耗能段进行改进。北京工业大学开发出的两端变截面防屈曲支撑14，其支撑内芯两端工作段截面由小逐渐变大然后又由

6、大逐渐变小，从而保证在地震作用下钢支撑内芯的两端发生屈服，见图4。 图4 两端变截面支撑内芯构造 在防屈曲支撑的发展历程中，除了常规的一字型截面、十字型截面内芯外，还出现过许多不同截面形式的钢支撑内芯，如H型钢支撑内芯采用热轧的形式以避免焊接残余变形、两角钢组成的T型钢支撑内芯、跨中截面面积缩小的圆钢支撑内芯15等。其中较为特殊的一类即多重钢管的防屈曲支撑，2005年日本的艹秋野谷学基于金属材料在变形过程中的滞回耗能特性设计出了三重钢管防屈曲支撑。此后广州大学的周云等16为了解决日本的三重钢管防屈曲支撑存在焊接难度大、两端刚度不对称等问题，重点改进了材质和焊接方式，将右端板焊轴力管和外约束管的

7、凸台，而左端板焊内约束管和轴力管的凸台，并在轴力管的外壁中部设沟槽或轴孔，因此在中部的横截面削弱结构处屈服后，随着荷载的加大能向两头扩展直至达到全面屈服，材料性能得以充分发挥，而其中的钢管可以为方钢管或圆钢管，以利于结构安装为宜，见图5。 图5 广州大学的三种钢管防屈曲支撑 在钢支撑内芯的材料选取方面，内芯曾出现过混凝土支撑的形式17，但更多地是采用钢支撑内芯，早期均采用低屈服钢制成，这种特殊的钢材需要依靠进口，技术要求和成本均较高，为了将常规的Q235及其以上的碳素钢及强度更高的低合金钢同样用作钢支撑内芯，同济大学的李国强等18研发出了TJI型防屈曲支撑，其关键技术在于芯板约束板与芯板顶紧无

8、间隙，套筒端部封板与芯板加劲肋也无间隙。为了保证支撑内芯在地震中的能量耗散，陈云等19将形状记忆合金材料引入防屈曲支撑中，采用超弹性形状记忆合金来制作支撑内芯屈服段，而过渡段和连接仍然采用常规钢材，再通过焊接或机械连接将各段进行连接。此外，还可以在内芯外横向环绕设置纤维增强复合片材来加固内芯20。 1.2 支撑内芯的新发展 近年来，随着建筑向高层、超高层的发展，建筑耗能结构也向着超大吨位和长度的方向发展，从而在制造和安装上都面临新的挑战。新日本制铁株式会社在2004年提出了将两个及两个以上的防屈曲支撑进行串联使用的技术方案21，其中支撑内芯部分通过连接板螺栓连接，外包约束构件部分通过两个角钢焊

9、缝焊接后与上下两个防屈曲支撑连成一体。 在此基础之上，北京市建筑设计研究院研究所的苗启松等提出将多个防屈曲支撑进行串联22或并联23，前者将三个单元共同串联成钢支撑内芯，其中传力单元K的腹板带有凸块与外包钢管中内陷的凹槽向匹配，通过凸块实现位移分配，在外力作用下，耗能单元J先参与工作进行耗能，传力单元K进行传力，随着地震的加剧，耗能单元J发生“短路”，退出工作超出的外力传导至下一个耗能单元L，直至全截面参与工作；后者将内芯屈服段制成三阶并联的形式，其中一阶核心连接两端传力块对应限位槽，二阶核心为一侧钢板对应长槽，三阶核心为另一侧钢板对应短槽，通过采用屈服点确定的钢材和凹凸配合传力机制实现变形完

10、全可控，如此可以实现支撑的初始屈服低且整体变形大的需要。为了实现多级抗震，还可以将内芯加工成波纹状来营造出分段变截面的防屈曲支撑24。 由于地震的发生具有随机性，即其震级具有不确定性，因此建筑物所需抵御地震烈度也不尽相同。但是目前工程上普遍采用的防屈曲支撑只能按地震等级单级设防，这样出于安全方面的考虑往往会提高设防地震等级，从而必然会加强工程结构而提高成本。基于此，北京工业大学25提出了具有多级耗能特性的销钉式组合防屈曲支撑（见图6），其中在支撑的两端设置贯穿内外构件的销钉来限位，当结构遇到多遇地震时，利用销钉使防屈曲支撑作为普通支撑使用，而当结构越到罕遇地震时，发生较大层间变形，从而剪断销钉

11、，以激活防屈曲支撑的屈曲耗能作用。 图6 销钉式组合防屈曲支撑 此外，为了解决大吨位防屈曲支撑截面过大的问题，其他高校结合自身的研究特色，开发出了一批能够适应如今建筑环境特色的新型防屈曲约束支撑。如清华大学的郭彦林等提出将支撑内芯改进为两个或多个（见图7），包括双T内核格构式截面26、格构式双矩管截面27、格构式三圆管截面28三种防屈曲支撑构件，格构式截面可以增大防屈曲支撑的构件整体截面的惯性矩及整体抗弯刚度，提高支撑的承载效率，而且在安装过程中分体吊装降低了施工难度。 图7 三种格构式防屈曲支撑 2 外包约束构件的技术发展情况 2.1 外包约束构件的构造 常用的外包约束构件为圆钢管或方钢管，

12、钢管中可以填充或不填充混凝土或砂浆等填充成分。为了保证施工安装质量，外包约束构件可以采用型钢或钢板进行组合拼装，如四个角钢或两个槽钢槽口相对，通过焊接、缀板连接或螺栓连接为矩形外包约束构件后填充混凝土，或者两个槽钢肢背相对通过螺栓和钢垫板进行连接，从而无需再浇筑填充物质。 为了进一步提高约束效果，可以采用双重约束构件的形式，如前述的三重钢管的防屈曲支撑，此外，太原理工大学29还提出了薄壁表面连续约束的双重约束防屈曲支撑（见图8），该结构除了最外层的套管约束外，在内芯表面设置有对内芯提供连续约束的内连续约束体，避免了支撑在轴向动态压应变较大时产生局部高阶屈曲失稳，其中内连续约束体可以为肢背相对槽

13、钢内夹夹衬外连拉结缀板，也可以为肢背相对的两根角钢，在不填充混凝土的前提下保证了外包约束构件的约束效果。 图8 双重约束的防屈曲支撑 Koetaka等30人提出四钢管作为约束单元的防屈曲支撑（见图9），并进行了足尺寸试验研究。该种防屈曲支撑的内核单元与其它的防屈曲支撑一样，但约束单元采用四个并联的钢管，四钢管之间通过缀件连在一起，与内核单元板件之间留2 mm3 mm空隙。 图9 四钢管防屈曲支撑 在此基础之上，考虑到混凝土的抗拉性能较差，在屈服耗能过程中可能因混凝土开裂而使约束构件失效。对此，清华大学的郭彦林等31提出四根预应力钢管混凝土通过钢缀板焊接成外包约束构件的方案（见图10），可以延迟

14、或限制混凝土开裂，从而提高了外包约束构件提供的抗弯刚度，相应的钢构件的板件厚度、构件整体截面尺寸得以缩减，另外采用长螺栓杆定位件连接内核构件和外包约束构件，使得震后可方便地更换损伤的内核构件。同样为了减少钢材使用量并减轻结构自重，河海大学32提出在外套方钢管或圆钢管上开设孔洞的方案，通过孔洞还可以方便观察支撑钢管的部分变形，及时了解芯材的情况。 图10 预应力混凝土的防屈曲支撑 在外包约束构件的材料选取方面，除了常规的钢材外，还可以采用强度大、自重轻的其他材质，如日本的大和建筑工业株式会社提出的采用可选用赤松、落叶松、银杉等木材进行胶合后作为外包约束构件的技术方案33。叶列平等34基于多年对F

15、RP纤维增强塑料的研究而提出将FRP管作为外套管，或者在管外全长或端部缠绕FRP布的设计方案，可以根据受力需求设计纤维的铺设方向和比例，充分利用材料提高支撑性能，减小断面面积。另外，西安建筑科技大学35提出了采用铝合金套筒作为外包约束构件的方案，利用铝合金的自重轻、耐腐蚀性好的特点，使得制成的防屈曲支撑能够在桥梁、输电线塔、海洋平台等多领域得以推广使用。 外包约束构件中常规填充材料存在自重较大，浇筑过程耗能较大等问题，因此近年来还出现了填充竹木纤维36等环境友好材料。 2.2 约束构件的限位构造 考虑到在支撑与约束构件之间沿支撑轴方向已经切断了轴力传递，因此在支撑安装过程中，由于支撑整体为倾斜

16、状态，容易引起约束构件下滑。为此，需要设置一防止约束构件下滑的机制。一般来说，最常见的限位方式是采取中间限位，即在内芯的跨中位置设置防滑凸起37或横板38结构，借助放大部位的芯板与约束构件之间的机械咬合力来实现限位。 限位构造的设置不局限于跨中位置，株洲时代新材料科技股份有限公司39将内芯分为三段，即中间的小截面耗能段和两边的大截面耗能段，该支撑的外包约束构件的边条上设置有与内芯凸台对应的卡槽，当防屈曲支撑遭遇多遇地震时，小截面耗能段率先进入塑性变形耗能，此时钢支撑内芯可以自由收缩，当遭遇罕遇地震时，限位卡槽对小截面耗能段变形量限位，进而改由大截面耗能段发生塑性变形耗能，这样既可实现多级抗震的

17、效果（见图11）。 图11 多级抗震的防屈曲支撑 当限位构件的防滑能力有限时，可以考虑在不增加轴力传递的前提下，将外包约束构件与支撑内芯通过某种形式进行连接，如在支撑内芯中轴线上开设长圆形滑移孔并在外包槽钢的对应部分开设圆形小孔，销钉贯通圆形小孔和长圆形滑移孔将内芯和外包槽钢进行滑动连接，使得内芯和外包槽钢可以相对滑动而耗能减震40，或者在内芯上开设圆形小孔而在外包槽钢上开设滑移孔41，同样能够实现滑移减震的效果（见图12）。 图12 可滑移防屈曲支撑 又如采用中部刚接42或将一端的内外构件进行固定连接的半刚接43手段，来防止防屈曲支撑安装后发生内外构件的相对滑移（见图13）。 图13 防屈曲

18、支撑 3 减少轴力传递构造的技术发展情况 3.1 含内套钢管的钢管混凝土防屈曲支撑 在实际施工中，由于混凝土浇筑后需要振捣密实，因此在保证混凝土性能得以发挥的前提下，容易引起支撑内芯和外包约束构件的相对位移，从而使间隙的精确控制存在较大的困难。为此，中国建筑科学研究院40提出在外包约束构件和支撑内芯之间再设置一个内套钢管的技术方案，在工厂内完成内套钢管和支撑内芯的组装，从而在工程原位直接安装外包约束构件并灌注混凝土，既能切断轴力传递，又能保证混凝土振捣密实。在此基础之上，脱粘结材料可以选用聚四氟乙烯薄膜，聚氯乙烯薄膜等固态材料或油脂脱模剂等液态材料，无需依赖进口材料，成本得以有效控制。 3.2

19、 装配式钢管混凝土防屈曲支撑 通过内套钢管虽然可以隔离出填充腔，但仍然需要大量的现场湿作业，与节能环保的建筑理念相悖，因此可以将预制装配的建筑理念运用到防屈曲支撑领域中。清华大学的郭彦林等提出了一系列装配式钢管混凝土防屈曲支撑（见图14），以热轧H型钢为支撑内芯，在工厂预制两巨字型扣件44、或两个矩形管45、或带肋的两个矩形管46，并内填混凝土，然后运输到施工现场进行组装，从而将混凝土与钢材间的间隙控制变为钢材与钢材间的间隙控制，加工精度容易满足。 图14 清华大学的三类装配式钢管混凝土防屈曲支撑 在装配式钢管混凝土领域中，日本的大和建筑工业株式会社提出了一种组合式钢管混凝土防屈曲支撑47（见

20、图15），并对其作了一系列改进。 图15 大和建筑株式会社的双矩管防屈曲支撑系列 这种防屈曲支撑以一字型钢板为支撑内芯，在两槽口相对的槽钢内填混凝土，并在槽钢开口处设置盖板作为外包约束构件的主体，在支撑内芯和两侧的外包槽钢混凝土之间设置无粘结层组成组合式钢管混凝土防屈曲支撑，如图15（a）所示，在支撑端部为了给连接段的加劲肋提供空间，需要在混凝土、盖板和无粘结层的端部相应位置预留豁口。这种支撑方便安装和拆卸，而且在等待钢管中混凝土初凝的同时即可进行支撑内芯的生产和加工，缩短了成品的生产周期。在此基础之上，为了减轻结构自重，一方面可以在混凝土中插入空心矩形钢管以减少混凝土的填充量48，另一方面可

21、以对支撑内芯的工作段进行切削以及在支撑内芯上开设孔洞49。与此同时，为了提高约束构件的抗侧刚度，该企业又继续改进，在外包槽钢上沿着全长均匀布设格构式加劲肋50，而为了提高内芯的强度，可以在内芯开设孔洞的同时，将内芯的跨中部位扩大至槽钢外部，并在该扩大部位通过螺栓连接加强板51，这四种改进分别如图15（b）图15（e）所示。 此后，哈尔滨工业大学的赵俊贤等52又对上述日本的防屈曲支撑作了进一步改进（见图16），具体做法是在两矩形钢管内填混凝土并在端部开豁口以嵌入四个斜面槽钢作为外包约束构件的主体，一字型支撑内芯通过两侧的内层垫板来控制间隙，最后再通过外层垫板将外包约束构件的两个预制主体进行焊接，

22、内芯表面无需进行无粘结处理，也无需粘贴松软材料来预留压缩空间。 图16 哈尔滨工业大学改进的双矩管防屈曲支撑 3.3 全钢防屈曲支撑 随着施工精度要求和质量要求的日益提高，研究人员发现防屈曲支撑的外包约束构件中的混凝土的作用，仅在于保证外包约束构件的强度，并非结构必要组分。因此，受到预制装配式钢管混凝土支撑的启示，全钢防屈曲支撑应运而生，全钢防屈曲支撑具有自重轻、经济性好、制造工艺相对简单等优点，能够解决大型支撑的施工难题，另外，由于钢材强度高的特点，使得支撑的截面得以缩小，因此减少了钢材用量，节约了材料，并进一步减轻了自重。可以说全钢防屈曲支撑自诞生之日起，就备受关注。 然而全钢防屈曲支撑的

23、倒角和焊缝需要进行机械打磨工序，型钢的肢尖位置也需要进行平滑处理，如此增加了施工的复杂程度，为此，东南大学的王春林等53提出了错位交叉板屈曲约束支撑和平行斜板屈曲约束支撑54的技术方案（见图17）。 图17 东南大学的两类全钢防屈曲支撑 该方案的屈曲约束部件通过折板、钢平板和填充板形成一个约束空间，仅约束耗能内芯构件的翼缘或腹板端部的1412，无需对耗能内芯构件和外围约束部件做任何倒角和平滑处理；加固板固接于耗能内芯构件翼缘或腹板靠近根部12处内，一方面增加了耗能内芯构件过渡段的面积以防止过渡段过早屈服，另一方面简化了耗能内芯过渡段的切割加工。 由于全钢防屈曲支撑的内部没有填充混凝土等填充物质

24、，为了保证支撑的强度和抗震性能，需要设置额外的加强构件。为此，清华大学55提出沿着角钢的长度方向在其内侧焊接三角形加劲肋的方式，而同济大学56提出在外套钢管内壁的四面上各设置两个轴向延伸的槽钢的方式，而上海蓝科钢结构技术开发有限责任公司57直接在芯材以及支撑节点的六个内表面上焊接拼接补强板而组成TJS、TJH或TJB型全钢防屈曲支撑，详见图18。 图18 全钢防屈曲支撑的常用加强构件 4 总 结 从1988年防屈曲支撑诞生开始，其作为一种兼具金属阻尼器和普通支撑功能双重作用的新型支撑，通过拉压塑性变形耗能提前保护主体结构免受严重损伤，以技术问题为导向、以专利技术为支撑，围绕支撑内芯的构造、外包

25、约束构件的构造和减少轴力传递构造这三方面对防屈曲支撑技术的发展脉络及趋势进行全面梳理与分析，并取得了一系列研究成果。 日本和中国都有大量的相关技术，其中日本起步较早，主要由大型建筑房产商和钢铁企业引导整个行业的发展，在发展初期奠定了坚实基础，近年来开始针对特定的几款防屈曲支撑进行深入研发和生产，而中国起步较晚，但发展较快，主要由建筑和土木学科实力较强的高校引导研究方向，按照发现问题进行解决问题的思路，从多角度对防屈曲支撑的机理、结构和材料进行定量和定性的研究，具有多元化的特点。 防屈曲支撑发展至今，需要新的理念和方向，将“预应力自复位体系”引入防屈曲支撑之中，是目前较为前沿的发展方向，依照强国

26、智造的理念，我国需要根据前人的研究成果进行创造和创新，研究开发具有自主知识产权的防屈曲支撑，并不断开发适用于我国抗震要求的防屈曲支撑，以适应当前快速发展的建筑行业的需求。 参考文献： 1 Tani S，Katsuhiro K.Experimental study on aseismic walls of steel framed reinforced concrete structuresJ.Transactions of the Architectural Institute of Japan，1960，66：497500. 2 Yoshino T，Kano Y，et al.Experime

27、ntal study on shear wall with braces（Part2）J.Transactions of the Architectural Institute of Japan，1971（11）：403404. 3 Wakabayashi M，Nakamura T，et al.Experimental study on the elastoplastic behavior of braces enclosed by precast concrete panels under horizontal cyclic loading（Part 1 and Part 2）J.Trans

28、actions of the Architectural Institute of Japan，1973，10：10411044. 4 问晓朋，李 峰，薛 港.蜂窝形截面钢板剪力墙的弹性屈曲分析J.水利与建筑工程学报，2014，12（3）：5962. 5 欧阳懿桢，方 海，刘伟庆，等.单向纤维腹板格构增强复合材料夹层板侧压试验研究J.水利与建筑工程学报，2013，11（4）：2427. 6 Kimura K，Yoshizaki K，Takeda T.Tests on braces encased by mortar infilled steel tubesR.Transactions of t

29、he Architectural Institute of Japan，1976：10411042. 7 Fujimoto M，Wada A，Saeki E，et al.A study on the unbonded brace encased in bucklingrestraining concrete and steel tubeJ.Journal of Structural and Construction Engineering，1988，34B：249258. 8 Fujimoto M，Wada A，Saeki E，et al.A study on brace enclosed i

30、n bucklingrestraining mortar and steel tube（Part 2）J.Transactions of the Architectural Institute of Japan，1988，10：13411342. 9 王汉辉，于习军，邹德兵，等.高水头大流量管道型渗漏定量控制反向灌浆封堵新技术J.水利与建筑工程学报，2016，14（5）：160163. 10 袁进忠.QJ系列渠道混凝土衬砌浇筑机的应用J.防渗技术，1993（1）：5154. 11 新日本制铁株式会社.耐震铁骨构造物：特开平4231505P.19940301. 12 新日本制铁株式会社.制振用筋

31、部材：特开平43820P.19930730. 13 哈尔滨工业大学.全角钢式防屈曲支撑构件及其加工方法：200810064500.6P.20080514. 14 北京工业大学.端部带耗能铅盒的约束屈曲支撑及其制作方法：200810239237.XP.20090624. 15 大和房屋工业株式会社.座屈拘束支撑：特愿2007315741P.20090625. 16 广州大学.一种三重方钢管防屈曲抗震支撑：200920237724.2P.20100707. 17 清华大学.钢管防屈曲耗能支撑：200710062637.3P.20070718. 18 同济大学.加劲钢套筒屈曲约束支撑构件：200810033069.9P.20080716. 19 陈 云.超弹性防屈曲耗能支撑：201020148954.4P.20110427. 20 东南大学.一种防屈曲耗能支撑：201310302358.5P.20131002. 21