• 作者：钱稼茹，纪晓东　　
• 出处：《地震工程与工程振动》，2022，42 (02) 　　
• 主题：消能减震、滞回性能、结构控制、工程应用
• 期刊官方阅览入口：https://dzgc.paperonce.org/
• 传统中心钢支撑在地震往复荷载作用下受压易发生整体屈曲，滞回曲线捏缩严重、耗能能力薄弱，难以满足钢结构建筑消能减震的高标准需求。屈曲约束支撑（BRB）依靠外部约束构件限制内核钢板屈曲，拉压往复受力下均可稳定进入塑性屈服状态，具备饱满滞回耗能特性，是钢结构体系主流金属消能减震构件。本文系统梳理屈曲约束支撑的内部构造、受力耗能机理、低周往复荷载下滞回性能演化规律；依托多组足尺构件试验与多层钢框架整体数值模拟，分析支撑布置形式、约束比、内核钢材截面、楼层布设方案对钢框架整体抗震控制效果的影响；对比普通钢支撑、防屈曲支撑两类框架在层间变形、基底剪力、构件损伤分布、等效附加阻尼比等指标上的差异；归纳 BRB 用于钢结构厂房、装配式住宅、高层公共建筑的成套设计流程、节点连接构造与工程落地要点；同时指出当前行业在支撑端部疲劳破坏、多层刚度不均、震后检测更换、造价管控等方面现存技术短板，给出针对性优化措施。研究成果完善钢结构消能减震设计理论，可为各类钢结构建筑采用屈曲约束支撑开展减震控制设计提供完整试验依据与工程实操规范。

一、研究背景与研究意义

钢框架常规十字交叉、单斜中心支撑造价低廉、施工便捷，但抗震缺陷突出：地震受压阶段支撑极易发生整体失稳屈曲，承载力快速下降，滞回环收窄，无法持续消耗地震输入能量，还会造成楼层刚度突变、局部变形集中，大幅提升梁柱主体构件塑性损伤风险。

屈曲约束支撑通过外围套管、砂浆填充层对核心耗能钢板形成侧向约束，从根本上解决受压屈曲难题，加载、卸载全过程均可稳定屈服耗能，能为结构提供可观附加阻尼，实现 “支撑先耗能、主体框架保持弹性” 的分级抗震目标，契合韧性建筑设计思路。

国内已有大量构件层面试验，但缺少系统整合构件力学特性、整体框架控制效果、全场景工程应用的整合研究，不同业态钢结构选用、布置、验算缺少统一指导逻辑。基于该行业缺口，本文结合试验与数值模拟双重手段，完整剖析 BRB 减震控制机理，梳理标准化设计与施工技术体系。

二、屈曲约束支撑构造与滞回耗能核心机理

（一）标准构件分层构造

主流 BRB 分为三层核心组成：

1. 内核耗能钢板：低屈服点钢材制成，承担全部拉压塑性变形，是耗能核心；
2. 无粘结隔离层：涂抹润滑材料，消除内核与外部约束层摩擦粘结，保障内核自由伸缩变形；
3. 外部约束单元：钢管 + 填充砂浆 / 混凝土，提供侧向约束刚度，限制内核钢板发生整体屈曲与局部鼓曲。

（二）往复荷载下受力与滞回特性

普通钢支撑受压失稳，滞回曲线存在明显捏缩段，循环耗能持续衰减；

屈曲约束支撑无论受拉、受压均可进入塑性屈服，滞回曲线饱满对称，循环加载过程承载力衰减平缓、疲劳性能优良；加载时内核钢材塑性变形耗散地震能量，提升结构等效阻尼比，降低地震作用下楼层剪力与侧移；卸载后支撑可恢复大部分变形，大幅减轻主体钢框架残余损伤。

文章明确关键设计参数约束比临界阈值：外部约束刚度需达到内核钢板临界屈曲荷载的指定倍数，约束不足仍会出现局部屈曲失效，约束过大会无谓增加构件自重与造价。

三、构件低周往复试验与性能指标分析

论文完成多组不同截面、不同约束比、不同端部连接形式的 BRB 足尺拟静力往复加载试验，提取核心性能指标对比：

1. 承载力特性：拉压屈服承载力基本对称，无明显受压承载力跌落；
2. 延性变形能力：可实现数十倍屈服变形循环加载，极限变形远大于普通钢支撑；
3. 耗能效率：单圈滞回环包围面积大，等效黏滞阻尼系数显著高于传统支撑；
4. 失效破坏模式：合理设计的 BRB 最终破坏形式为内核钢材低周疲劳断裂，而非整体屈曲；若约束不足，会出现内核局部鼓曲、砂浆压碎、套管开裂等提前破坏。同步对比不同端部加劲构造、焊接 / 螺栓连接方案，得出端部应力集中优化构造做法，避免连接区域先于内核发生破坏。

四、BRB 钢框架整体数值模拟与减震控制效果对比

建立三组多层钢框架对照模型开展非线性静力推覆、动力时程分析：

模型 1：无支撑纯钢框架（空白对照组）；

模型 2：普通中心交叉支撑钢框架；

模型 3：屈曲约束支撑减震钢框架。

（一）层间位移与刚度控制

普通钢支撑框架地震下底层支撑屈曲失效，楼层刚度骤降，层间变形急剧放大；BRB 框架依靠支撑持续耗能，全楼层刚度分布均匀，层间位移角显著降低，可轻松满足多遇、设防地震变形限值，避免围护墙体、管线大面积损坏。

（二）基底剪力与振动响应

增设屈曲约束支撑后结构等效阻尼比大幅提升，同等地震波输入下基底剪力、楼面峰值加速度明显下降，有效降低钢梁柱内力，主体框架在设防地震下可维持弹性工作状态，塑性损伤仅集中于可更换支撑构件。

（三）竖向楼层变形均匀性

不合理的支撑布置易形成薄弱层；论文通过多工况计算得出最优布设原则：沿竖向均匀分层布置，避免单一楼层集中大量支撑，防止上下层刚度差过大，均衡分配各楼层耗能需求，消除局部变形集中问题。

五、不同场景钢结构 BRB 工程应用方案

（一）工业门式刚架钢结构厂房

厂房层高、跨度大，风荷载、地震作用显著，采用人字形、单斜式 BRB 布置于柱间支撑位置；支撑截面选用中等屈服承载力规格，兼顾减震与造价，适合低、中烈度厂区建筑。

（二）装配式钢结构住宅

住宅对室内空间整洁度要求高，优先采用窄型、隐藏式 BRB 布置于分户墙、楼梯间；选用小吨位支撑，实现中震下主体梁柱无损伤，震后仅拆卸更换支撑即可恢复居住功能，适配韧性住宅标准。

（三）高层、大跨度公共钢结构建筑（展馆、医院、办公楼）

高烈度区、重要应急类建筑采用分层多道 BRB 布置，搭配环带桁架、伸臂桁架协同减震；选用大承载力低屈服支撑，严格验算端部节点、楼板传递剪力，配套专项构造加强措施。

（四）配套节点与施工工艺

支撑与钢框架采用高强螺栓干式连接，便于后期拆除更换；节点增设加劲肋、加厚连接板分散应力；工厂预制构件，现场仅拼装作业，缩短施工周期，减少现场焊接污染与质量离散性。

六、当前屈曲约束支撑应用现存行业难题

1. 端部疲劳控制难题：往复地震荷载下支撑连接节点易出现应力集中，长期循环后产生裂纹；
2. 刚度匹配失衡问题：盲目加大支撑承载力易造成楼层刚度突变，形成抗震薄弱层；
3. 后期运维检测不便：支撑多隐藏于墙体内部，震后损伤肉眼难以识别，检测成本偏高；
4. 成本管控压力：低屈服钢材、专用约束套管造价高于普通钢支撑，中小项目推广受限；
5. 标准化体系不完善：支撑规格、约束构造、验算公式缺少统一行业图集，设计重复性工作量大。

七、论文核心优化建议与技术对策

1. 端部构造优化：增设过渡加劲段、圆弧过渡截面，缓解支撑端部应力集中，提升低周疲劳性能；
2. 分层均衡布置设计：按照层间位移均匀化原则分配各楼层支撑总屈服承载力，规避薄弱层；
3. 运维配套设计：预留检修观察口，选用可拆卸干式螺栓节点，便于震后更换支撑；
4. 成本优化路径：中等烈度建筑采用普通屈服钢材 BRB 替代高规格低屈服构件，平衡减震效果与造价；
5. 完善简化验算方法：给出 BRB 附加阻尼、层间位移简化计算公式，减少设计师非线性迭代计算工作量。

八、研究核心结论与工程应用价值

1. 屈曲约束支撑依靠外部约束消除受压屈曲缺陷，拉压对称饱满滞回耗能，相比传统钢支撑减震控制效果具备压倒性优势，是钢结构消能减震优选构件；
2. 将 BRB 布置于钢框架后，可显著降低层间侧移、基底剪力与楼面振动，实现 “支撑耗能、主体框架弹性” 的分级抗震机制，大幅提升建筑抗震韧性；
3. 支撑约束比、端部连接构造、竖向分层布置方案直接决定整体减震成效，均匀分散布设可有效避免楼层刚度突变与局部变形集中；
4. 本文梳理的构件试验规律、整体框架数值分析方法、分业态钢结构应用方案、节点施工措施，可直接用于厂房、住宅、超高层公共钢结构减震专项设计；
5. 针对端部疲劳、薄弱层、后期检修、造价等行业痛点提出的优化构造与设计策略，可为屈曲约束支撑标准化图集编制、钢结构减震规范修订提供理论与试验支撑。