《屈曲约束支撑（BRB）在高层钢框架结构中的耗能机理与设计方法》

来源：《工程力学》2022 年第 7 期

作者：赵凯，吴明远，周磊

主题：屈曲约束支撑滞回耗能特性、钢框架减震布置原则、大震下残余变形控制、消能构件可靠性验算方法

摘要

传统中心支撑钢框架在中大地震作用下易发生受压整体屈曲，承载力快速退化，造成结构楼层刚度突变、薄弱层集中塑性损伤，抗震冗余度较低。本文以屈曲约束支撑（BRB）为研究对象，阐述其内核钢板仅受拉压、外围约束套筒限制屈曲的工作机理，通过低周往复加载静力试验获取滞回曲线，分析核心板件宽厚比、约束间隙、端部连接构造对耗能能力的影响规律；将 BRB 构件植入 25 层高层钢框架结构模型，采用弹塑性时程分析法对比普通钢支撑框架与 BRB 减震框架的层间位移角、楼层剪力分布、塑性铰开展位置差异。结果表明：BRB 可在多遇地震充分消耗地震输入能量，将结构最大层间位移角降低 35% 以上，避免梁柱主体构件过早进入塑性损伤，有效提升高层钢结构抗震安全储备。本文提出的 BRB 布置原则、截面参数设计公式，可为高层减震钢结构工程设计提供试验依据与理论支撑。

Abstract

Conventional concentrically braced steel frames are prone to overall compression buckling under moderate and strong earthquakes, leading to rapid bearing capacity degradation, abrupt stiffness changes of structural floors and concentrated plastic damage in weak stories, resulting in low seismic redundancy. Taking Buckling-Restrained Brace (BRB) as the research object, this paper elaborates its working mechanism that the inner core steel plate bears tension and compression only and the outer restraining sleeve restricts global buckling. The hysteretic curves are obtained through low-cycle reversed static loading tests, and the influences of core plate width-thickness ratio, restraint gap and end connection details on energy dissipation capacity are analyzed. The BRB components are embedded into a 25-story high-rise steel frame model, and elastoplastic time-history analysis is adopted to compare the inter-story drift ratio, floor shear distribution and plastic hinge development between ordinary braced frames and BRB damping frames. The study demonstrates that BRBs dissipate seismic input energy sufficiently under frequent earthquakes, reduce the maximum inter-story drift ratio of the structure by more than 35%, prevent premature plastic damage of main beam-column members, and significantly improve the seismic safety margin of high-rise steel structures. The layout principles and section parameter design formulas of BRBs proposed in this paper can provide theoretical and experimental support for the design of seismic-damped high-rise steel structure projects.

一、研究背景

1.1 传统钢框架支撑体系抗震缺陷

中心交叉支撑是高层钢框架最常用的抗侧力构件，构造简单、刚度贡献大、施工便捷。但在强地震往复荷载作用下，受压斜杆极易发生整体屈曲，卸载后残余变形不可恢复，后续循环荷载中承载力急剧下降，滞回环捏缩严重，耗能能力微弱。这种损伤会导致结构竖向楼层抗侧刚度分布不均，地震作用集中于某一薄弱楼层，形成 “薄弱层倒塌机制”，大量震害案例证实纯钢支撑框架在大震下难以实现 “主体结构不发生严重破坏” 的设防目标。而偏心支撑框架构造复杂、消能梁段加工精度要求高，在普通高层住宅、办公楼项目中推广受限。

1.2 屈曲约束支撑技术发展与应用价值

屈曲约束支撑（BRB）由核心受力钢板、外围约束套筒、无粘结滑移隔离层三部分组成，约束套筒限制核心钢板受压屈曲，使构件在拉、压双向受力下均可稳定屈服，形成饱满梭形滞回环，具备优异的塑性耗能能力。该构件属于位移型消能减震装置，可作为结构第一道抗震防线，地震中率先耗散能量，保护梁柱等主要承重构件处于弹性工作状态；震后若损伤严重可直接更换，实现主体结构可修复目标，符合我国建筑抗震韧性提升政策导向。近十年在超高层写字楼、超限大跨度场馆、抗震加固改造项目中应用规模逐年扩大，但工程中仍存在布置随意、核心板参数取值不合理、端部连接断裂等设计误区。

二、BRB 构造形式与耗能工作机理

2.1 标准构造组成

1. 核心受力单元：采用低屈服点 LY225/LY160 软钢钢板，为主要拉压屈服耗能部件；
2. 约束单元：方钢管 / 混凝土填充套筒，约束核心板受压外鼓屈曲，仅传递侧向约束压力；
3. 隔离滑移层：橡胶垫层、滑石粉隔离层，消除核心板与套筒之间的摩擦力，保证轴向力独立传递；
4. 端部连接段：加强连接板，与框架梁柱节点采用全熔透坡口焊缝或高强度螺栓连接。

2.2 两级耗能工作机制

（1）小震弹性阶段

多遇地震作用下，结构层间位移较小，BRB 核心钢板保持弹性受力状态，仅为结构提供附加抗侧刚度，减小风荷载、小震下结构侧移，不产生塑性损伤。

（2）中、大震塑性耗能阶段

当地震作用超越设防烈度，楼层侧移达到屈服位移后，核心钢板受拉、受压双向进入塑性屈服，通过钢板反复塑性变形耗散大量地震输入能量；外围套筒始终保持弹性，不参与耗能。地震结束后，主体钢框架梁柱基本无塑性损伤，仅 BRB 构件产生累积塑性变形，损伤集中于可替换的消能部件。

三、试验研究与数值模拟分析

3.1 低周往复加载足尺试验

本次试验共设计 3 组不同宽厚比核心板的 BRB 试件，采用 MTS 电液伺服加载系统施加水平往复位移荷载，加载制度依据《建筑消能减震技术规程》逐级递增位移幅值，测试指标包含：滞回曲线、等效黏滞阻尼系数、屈服承载力、极限变形能力、端部连接破坏形态。

试验结论：

1. 三组试件滞回曲线饱满对称，拉压承载力差值小于 5%，无明显屈曲退化，等效阻尼系数可达 0.45 以上，耗能性能优异；
2. 核心钢板宽厚比越大，极限变形能力越强，但平面外失稳风险小幅提升；合理间隙的无粘结层可避免约束套筒附加轴力；
3. 端部加强板厚度不足会引发焊缝应力集中断裂，为构件最常见失效模式。

3.2 高层钢框架结构整体弹塑性分析

以一栋 25 层办公高层钢框架为计算模型，设置两个对比工况：工况 1 为普通交叉钢支撑框架；工况 2 为 BRB 减震框架，采用 PERFORM-3D 进行 7 度罕遇地震弹塑性时程分析。

计算结果对比：

1. 层间位移：普通框架最大层间位移角 1/82，超出规范限值；BRB 减震框架最大值 1/136，降幅超 35%，楼层变形均匀无薄弱层；
2. 塑性损伤分布：普通框架塑性铰大量出现在梁柱节点，主体构件损伤严重；BRB 框架塑性损伤全部集中于支撑构件，梁柱保持弹性；
3. 基底剪力：BRB 通过耗能降低结构地震反应，基底最大剪力下降约 28%，有效削减构件内力。

四、工程设计核心结论与应用建议

4.1 主要研究结论

1. 屈曲约束支撑可彻底解决传统钢支撑受压屈曲缺陷，双向稳定屈服耗能，显著降低高层钢框架地震响应，消除薄弱层倒塌风险；
2. BRB 宜沿结构竖向均匀布置，优先设置在结构刚度薄弱楼层、平面扭转不规则边角位置，形成两道抗震防线；
3. 端部连接焊缝、连接板为关键受力部位，必须进行等强验算，避免连接先于芯板破坏；
4. 罕遇地震后可对损伤 BRB 直接更换，建筑具备震后快速修复能力，满足韧性建筑要求。

4.2 工程落地实操建议

1. 高层钢结构减震设计优先采用 BRB + 钢框架组合体系，根据目标位移角确定支撑截面屈服承载力；
2. 严格选用低屈服点专用软钢芯板，禁止采用普通 Q235 钢材替代，避免耗能不足；
3. 结构计算时考虑 BRB 屈服后刚度退化，进行大震下变形验算，预留安全冗余；
4. 加固改造项目中，BRB 可外置安装于既有钢结构外侧，施工对建筑使用干扰极小