框架與框撐結構由于柱網開間大，建筑空間布置靈活，在多高層建筑中具有廣泛應用。但框架的抗側剛度有限,在地震和強風荷載作用下側向位移較大,限制了它的應用高度或者導致應用造價高。此外，在這次汶川地震中也暴露了框架結構與底框結構一道防線在罕遇地震時存在較大的倒塌與嚴重破壞的可能。

　　中心支撐與框架結合是一種高效的抗側結構體系，可以提高框架的應用高度并有效降低結構造價，并可形成抗震的兩道防線。然而在中震與大震下，中心支撐的受壓屈服承載力遠遠小于受拉屈服承載力，支撐長度越長兩者的差距越大，由于支撐屈曲后其耗能能力大大降低，所以為了保證中心支撐會受壓不發生屈曲，故往往將其截面加大許多以符合設計需求，但仍不能保證強震下的屈曲。

　　1 屈曲約束支撐結構概念

　　屈曲約束支撐在鋼芯外設置外圍約束套管,受拉受壓時都可以屈服,抑制了壓曲現象,可獲得飽滿的荷載-位移滯回曲線。屈曲約束支撐構件與框架結合不僅是一種高效的抗側結構體系，并且是一種新型的耗能減震體系，在中震與大震下具有更好的抗震耗能性能。屈曲約束支撐體系與抗彎剛框架和普通支撐框架相比有以下優點：

　�。�1）與抗彎框架相比，小震時屈曲約束支撐體系線彈性剛度高，可以很容易地滿足規范的變形要求，有效降低結構造價;與中心支撐框架相比，屈曲約束支撐可以受拉、受壓時都發生屈服，消除傳統中心支撐框架的支撐屈曲問題，因此在強震時有更強和穩定的能量耗散能力。

　�。�2）因為屈曲約束支撐的剛度和強度很容易調整，所以屈曲約束支撐設計靈活，而且，在非彈性分析中可以方便地模擬屈曲約束支撐的滯回曲線；此外屈曲約束支撐構件好比結構體系中可更換的“保險絲”，可保護其他構件免遭破壞，并且大震后，可以方便地更換損壞的支撐。

　　屈曲約束支撐體系在國外的研究與應用日趨增多，特別是日本阪神大地震與美國北嶺地震后，在日本已經在超過三百多幢建筑中應用，在美國也有三十多幢。2005 年開始，我國在臺灣、北京、上海、西安與太原等地也有幾十幢建筑整體或局部采用了屈曲約束支撐構件。

　　2 國內屈曲約束支撐專利產品情況

　　國內涌現了一些屈曲約束支撐構件產品設計專利，但由于國內應用工程有限，大部分產品設計專利還停留在技術環節，沒有轉化為產品。TJI 型屈曲約束支撐產品由同濟大學研發，并在 2007 年申請了國家產品設計專利，通過大量實驗驗證了其產品構造的穩定性與合理性。2008 年已經在上海世博中心、山西賓利國際商務公寓等一批建筑上得到了實際應用，成為國內第一個成熟的屈曲約束支撐構件產品。TJI 型屈曲約束支撐的優勢：

　�。�1）TJI 型屈曲約束支撐在屈服前性能優于普通支撐，表現為受壓承載力大大提高，屈曲后具有穩定的拉壓滯回性能與耗能性能，與國外屈曲約束支撐性能相當；

　　（2）TJI 型屈曲約束支撐價格遠低于國外同類產品，且交貨期只有國外產品時間的一半。

　　TJI 屈曲約束支撐運作模式如下：設計院根據產品列表進行設計，如有超出范圍的特殊情況可以與產品供應商聯系進行定制；設計過程中可以聯系產品供應商進行節點設計配合與相關專業技術服務；承包方在采購產品前，提供鋼結構詳圖，用于確定支撐的精確長度尺寸；各個產品供應商進行產品報價投標，承包方綜合考慮最終確定采購供應商；一般屈曲約束支撐構件產品需要 3～6 個月的加工周期，所以在項目啟動的時候就需要進行此產品招標。其安裝時間一般在結構封頂后，所以一般可以和項目周期可很好地配合。

　　3 屈曲約束支撐框架設計概念

　　3.1 屈曲約束支撐框架在彈性設計中造價更經濟平面簡化計算算例，框架跨度8m，層高3.6m。按8度設防考慮。結構初始截面如下：框架梁HN646×299，框架柱：邊柱：HW458×417，中柱：HW502×470。采用普通支撐與屈曲約束支撐兩種結構方案進行對比。

　　普通支撐方案的截面：H300×220×14×14。屈曲約束支撐芯板截面面積160×16。平面普通支撐框架基本周期為1.68s，而屈曲約束支撐框架基本周期為2.06s。因而普通支撐框架地震力要大于屈曲約束支撐框架。以該平面框架為例，采用屈曲約束支撐后總用鋼量能節省10%左右。

　　通過平面算例的分析發現，采用屈曲約束支撐后結構的地震力降低，所以結構的用鋼量得到降低。而結構的地震力為什么能夠降低呢？在跨度與層高較高的情況下，采用普通支撐由于穩定系數及抗震規范8.2.6條規定的受循環荷載的強度降低系數，使得支撐的承載力大大降低。以平面框架示意圖第二層加粗示意支撐構件為例，計算過程如下：

　　從計算過程可以看出，地震下強度與穩定的安全度相差近4倍，即支撐在地震下的受壓承載力與受拉承載力相差近4倍。所以要滿足地震下的支撐不屈服要求，支撐的截面要求比較大。而由于支撐的截面加大，所以結構的抗側剛度就加大，周期就減小。

　　地震影響系數曲線結構的周期加長，其地震響應力就減小，由中心支撐方案的1.68s（如上圖點1）加長到屈曲約束支撐方案的2.06s（如上圖點2），地震響應有很大的減低；由于一般情況下采用振型疊加方法，屈曲約束支撐方案的各階周期都有所加長，所以地震力有所減小，減小幅度達到15%。由于結構是地震工況控制，所以地震力減小后，結構構件的截面可以降低，最終降低造價10%左右。

　　再以上海世博中心為例，采用普通支撐結構的整體性能與屈曲約束支撐結構的對比見表2。表中數值說明，普通支撐結構的剛度明顯大于屈曲約束支撐，這是由于為了保證在設防烈度地震作用下支撐不失穩，普通支撐的截面尺寸明顯加大（如 BRB 的截面面積為 0.0045m2，普通支撐的截面面積增大為 0.0384 m2，為 BRB 截面面積的 8.5 倍）。結構剛度的增大使得地震作用下結構吸收的地震力也顯著增大，表中數值為多遇地震下結構的基底剪力，說明普通支撐結構的地震力比屈曲約束支撐結構增大 24％～30%。普通支撐結構的用鋼量與屈曲約束支撐結構的比較見下表。兩者差別主要為抗側力結構（框架柱和支撐）的鋼材用量（t），與屈曲約束支撐相比，普通支撐的總用鋼量多1014 t。

　　普通支撐結構由于地震力的增大，不僅增大結構用鋼量，同時也增加地基基礎、節點連接的費用。此外罕遇地震作用下，普通支撐可能屈曲，抗震性能不易保證。普通支撐結構和防屈曲耗能支撐結構的技術經濟性比較可總結如下：

　　（1）對普通支撐結構，大震作用下一旦支撐屈曲，結構剛度迅速退化，大震作用下的抗震性能不易保證。

　�。�2）普通支撐截面比防屈曲支撐大，結構剛度明顯增大，常遇地震下地震力X、Y 向分別增大 30% , 24%。

　　（3）核心筒處柱腳支座豎向反力增大約 1.5～2.0 倍，需要增加 20％的抗壓樁，抗拔樁配筋增加，柱腳構造措施抗拔承載力需提高。

　　（4）抗側力結構（框架柱、梁及支撐）用鋼量增加約2000 噸，增加鋼結構部分造價 2400萬。

　　由于地震的不確定性，很多已有建筑物需要進行抗震加固，而抗震加固需要解決兩個問題：提高結構剛度和延性。屈曲約束支撐特點正好可滿足，并且造價最為經濟，一般可以節約30%～50%。美國華萊士班尼特聯邦大樓為建于上世紀60年代的鋼筋混凝土結構，共六層，建筑面積30萬m2。經經濟比較后發現，采用屈曲約束支撐加固后，比采用普通支撐相比，節約資金250萬美元，且縮短了工期。

　　3.2 屈曲約束支撐用在混凝土結構的薄弱層、加強層是很好的解決方案

　　上海虹橋樞紐車站項目地上6層，其中第1、2層為混凝土結構，高12m，第3～6層為鋼結構。由于建筑要求第1層的九根大柱到第2層抽掉了4根，柱距由9m變為18m。所以在第二層形成了明顯的薄弱層，地震下層間位移不能滿足。如果單純增加梁柱，由于抽掉的柱較多，幾乎是不可行的。唯一方案就是布置支撐，建筑要求可以加支撐的位置非常有限，而普通鋼支撐由于穩定及循環荷載折減等問題，支撐截面需要比較大。經過計算后，第二層的剛度增大太多，下面一層反而成了薄弱層，此外，由于普通鋼支撐加入后結構剛度增大很多，地震力加大很多，構件尺寸都需要放大很多，造價增加許多。經多方案比較，采用屈曲約束支撐。

　　由于屈曲約束支撐沒有失穩問題，其截面面積較小，剛度正好。支撐加上后一層與二層剛度接近，沒有薄弱層了。此外，地震力比普通支撐方案減少很多，造價更加經濟。通過彈塑性分析，其大震下性能也非常理想。工程最后選用16根650t的支撐及8根1000噸的屈曲約束支撐，工程正在實施。由于下端直接暴露在室內，采用了鑄鋼銷軸連接，也解決了建筑美觀設計問題。

　　此外，本次汶川地震存在大量的混凝土框架破壞與倒塌，特別是很多底框的結構，底層結構破壞嚴重，甚至倒塌。專家建議，增加底部剛度避免薄弱層，此外框架結構只有一道防線，罕遇地震下可能存在倒塌危險，如果在混凝土框架或底層結構的下面1-2層采用屈曲約束支撐，可以形成屈曲約束支撐第一道防線進行耗能，保護混凝土框架與上部結構免于損失，是一種經濟可行的好方法。

　　屈曲約束支撐也是加強層的一個很好的解決方案，對于高層結構，一般會設置外伸桁架的加強層以控制結構位移。外伸桁架的斜桿一般為支撐構件，由于屈曲問題截面往往需要很大截面，采用屈曲約束支撐可以很好地解決這個問題。此外，其良好的耗能能力也大大地提高了大震下安全度。

　　3.3 屈曲約束支撐中震時只是屈曲約束支撐進入塑性耗能，震災后易修復；大震時其他構件才進入塑性，抗震性能可控。

　　以世博中心實際工程為例說明屈曲約束支撐結構在地震作用下的結構性能，結構基底剪力－位移關系如圖所示。圖中曲線表明，結構進入塑性后剛度逐漸下降，位移增大加快，表現出較好的延性。多遇地震作用下，結構保持彈性；設防烈度地震作用下，只有 BRB 構件進入屈服；罕遇地震作用下，框架結構進入屈服，但整體結構不倒塌。通過合理設計，屈曲約束支撐結構在多遇地震作用下，結構保持彈性。中震作用下只屈曲約束支撐進入屈服，結構主體仍然保持彈性，地震修復較為容易。大震作用下，由于屈曲約束支撐不會產生屈曲，產生較大塑性變形后仍然具有很高的承載力，因而結構更加可靠。