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1、1、项目概述（不超过800字）在高层建筑中，与钢筋混凝土柱和钢柱相比较，型钢混凝土柱作为竖向承重构件有着独特的优势，同时其良好的延性和塑性变形性能也十分适用于承载地震产生的水平荷载作用。将防屈曲支撑应用于此种结构体系中，将与型钢混凝土柱组合框架结构形成一种新型的高效的抗震结构体系，使型钢混凝土柱与防屈曲支撑共同工作，充分发挥各自抗震性能的优势，通过组合作用而形成高效的双重抗侧力体系，实现预定的抗震功能，成为经济合理、施工快捷的现代抗震结构体系。但目前尚未见国内外对安装防屈曲支撑的型钢混凝土框架结构体系的研究成果或报道，对体系的研究多集中于防屈曲支撑钢框架，但也缺乏系统性，一般只限于对个体建筑结
2、构的分析和研究。国内外各种结构设计规范和规程都没有关于安装防屈曲支撑-型钢混凝土框架体系的相关设计方法和规定，国外已有的防屈曲支撑相关规程也仅限于对构件的规定。为了推广此类结构在地震区的应用，有必要对防屈曲支撑-型钢混凝土框架结构的抗震性能进行充分的了解。为此，本项目拟采用试验研究和数值模拟相结合的方法，详细研究防屈曲支撑-型钢混凝土框架结构在低周往复荷载作用下的力学性能；以试验结构模型为对象，采用有限元分析软件对结构进行非线性数值仿真计算，探讨不同参数对其抗震性能的影响；以一典型型钢混凝土框架结构为研究对象，通过在结构中不同位置设置防屈曲支撑形成不同的减震方案，探讨各种情况下结构的整体抗震性
3、能，得出一些可以用于指导实践的有意义的结论，为此类结构的抗震设计以及推广应用打下基础。2、立项依据（研究意义、国内外研究现状及分析，并附主要参考文献目录）一、研究意义地震的发生严重影响了人类生活和发展，近十年来世界上发生的多次大地震造成了重大的经济损失和人员伤亡。如2001年印度古吉拉特邦7.7级地震，造成1.97万人死亡；2003年伊朗巴姆6.6级地震，造成3.1万人死亡；2004年印度尼西亚苏门答腊岛7.9级地震，触发印度洋海啸，造成22.7万多人死亡；2008年，中国四川省汶川8.0级地震，造成8.7万人死亡37万人受伤； 2010年中国青海玉树7.1级地震，造成3000人遇难；2010
4、年，印尼7.2级地震，引发海啸，造成530人死亡，上万居民无家可归；2011年，日本本州东海岸8.8级地震，造成核泄漏，给附近居民生活带来巨大的影响。十年中发生的强震如此之多，造成的损失如此之大，给结构抗震设计带来了巨大的挑战。结构抗震性能研究人员必须开拓创新，突破思维，寻求对抗震最有利的结构形式，才能在地震发生时最大限度地保证人民的生命财产安全。（1）型钢混凝土柱组合框架结构的抗震性能研究意义重大型钢混凝土柱是一种组合构件，充分发挥了钢和混凝土各自的优点。混凝土为型钢提供了连续的侧向支撑，很好地解决了型钢局部屈曲的问题，由于内置型钢的作用，型钢混凝土结构的抗压性能和抗剪性能较普通钢筋混凝土有
5、了很大的提高，并具有了非常好的延性性能，强震作用下，结构破坏时能发生很大的塑性变形，能够消耗和吸收大量的地震能量，并给人以预示，提供足够的逃生时间，表现出了很好的抗震性能，并减少了人员伤亡。另一方面，型钢混凝土柱具有良好的经济效益：相对于钢筋混凝土柱，可以采用较小的构件截面尺寸，减小了结构所占面积，建筑面积不变的情况下，使用面积有了一定程度的提高；相对于钢结构柱可采用较小的用钢量，节省了部分钢材的费用；型钢可以作为施工时的模板，节省了模板费用和部分脚手架的费用，施工便捷，工程造价相对较低。目前，我国关于型钢混凝土结构设计的主要规程都没有对组合结构进行系统的抗震设计规定和要求，近年来，型钢混凝土
6、柱框架结构以其众多的优点和经济效益已经在我国的多层工业与民用建筑和高层建筑设计中得到越来越广泛的青睐。因此，我们需要一部专门的抗震设计规程来指导结构设计者们对型钢混凝土柱框架结构进行设计。进行型钢混凝土柱框架结构设计理论和抗震性能的深入研究，已经成为我国当前结构设计领域和社会经济领域发展进步的迫切需求。（2）防屈曲支撑-型钢组合框架将成为新型高效的抗震结构体系传统的结构抗震设计是通过结构本身的强度和刚度来抵抗地震作用，同时通过延性来消耗地震能量，所以结构设计者不断设法提高结构的强度、刚度和延性来增强结构的抗震性能，进而提高抗震设防水平。但这种做法有以下缺点：（1）往往需要将构件截面做的很大，造
7、成经济上的浪费；（2）地震作用有很强的随机性，而传统抗震设计思路不能针对不同的地震进行自我调节，灵活性不足；（3）在较大地震作用下主体结构往往会产生较大的破坏或变形，震后无法继续发挥原有功能或修复非常困难。近年来新兴的抗震方式结构振动控制，从根本上改变了传统的抗震设计思想。其中一种方式就是利用与结构连在一起的特殊构件耗能减震元件来消耗大量地震能量，从而减轻主体结构的破坏和变形。这类耗能减震元件在正常情况下处于弹性状态，具有一定的刚度，与主体结构共同提供结构的侧向刚度。当较大地震出现时，随着结构侧移增大，耗能元件先于主体结构进入塑性状态，消耗大量的地震能量，避免主体结构产生过大的变形而破坏，地震
8、后只需更换破坏的耗能元件即可，无需过多的修复工作，使震后修复简便且经济性好。其中防屈曲支撑就是此类耗能元件的一种，其设计加工简单，在工程中采用非常方便，防屈曲支撑主要有以下优点，使其发展与应用非常迅速：（1）防屈曲支撑的外包约束单元对钢材内核心形成有效的约束作用，能够防止较早出现屈曲失稳，使支撑的滞回环始终保持饱满，具有非常好的耗能性能，普通钢支撑要防止屈服前发生屈曲失稳，则需要大大增加构件截面很不经济；（2）支撑布置形式有时为V字形或人字形，这时由于拉压承载力不一致会导致出现较大的竖向分力，对框架梁或连接节点造成损伤，防屈曲支撑能够有效解决这一问题，拉压承载力基本一致会使在竖向产生的分力自平
9、衡；（3）制作防屈曲支撑所用材料均为常见的建筑材料，造价低廉；与其他阻尼器相比，防屈曲支撑具有构造与受力机理简单、设计方法易于掌握、制作安装便捷、维护替换方便等优点。在高层建筑中，与钢筋混凝土柱和钢柱相比较，型钢混凝土柱作为竖向承重构件有着独特的优势，同时其良好的延性和塑性变形性能也十分适用于承载地震产生的水平荷载作用。将防屈曲支撑应用于此种结构体系中，将与型钢混凝土柱组合框架结构形成一种新型的高效的抗震结构体系，使型钢混凝土柱与防屈曲支撑共同工作，充分发挥各自抗震性能的优势，通过组合作用而形成高效的双重抗侧力体系，实现预定的抗震功能，成为经济合理、施工快捷的现代抗震结构体系。但目前尚未见国内
10、外对安装防屈曲支撑的型钢混凝土框架结构体系的研究成果或报道，对体系的研究多集中于防屈曲支撑钢框架，但也缺乏系统性，一般只限于对个体建筑结构的分析和研究。国内外各种结构设计规范和规程都没有关于安装防屈曲支撑-型钢混凝土框架体系的相关设计方法和规定，国外已有的防屈曲支撑相关规程也仅限于对构件的规定。为了推广此类结构在地震区的应用，有必要对防屈曲支撑-型钢混凝土框架结构的抗震性能进行充分的了解。二、国内外研究现状（1）防屈曲支撑的国内外研究现状1971年，防屈曲支撑（Buckling Restrained Brace,BRB）的概念首先在日本提出。1988年，日本学者Watanabe和Wada等在总
11、结前人研究成果的基础上进行了大量试验，定义了防屈曲支撑的概念，并阐述了防屈曲支撑在地震作用下的滞回性能，从而逐步发展成为今天的防屈曲支撑1，2。20世纪80年代起，各国学者对防屈曲支撑进行了深入的试验及理论研究，提出了许多新型的高性能的构造措施及节点连接形式，并对其滞回耗能性能、疲劳性能和稳定性能进行了大量研究，研究表明防屈曲支撑克服了传统钢支撑在压力作用下容易发生屈曲的弱点，在压力作用下也可以达到充分屈服，拉压作用下的承载能力基本保持一致，而且滞回曲线稳定饱满，具有很强的耗能能力6。世界各国学者都对防屈曲支撑性能和构造方式的展开了积极地研究：为了克服十字形等截面形状的防屈曲支撑连接程序复杂的
12、缺点，2002年，蔡克铨4等提出一种由双核心截面和双侧撑单元组成的双钢管型搭接式防屈曲支撑，这种构造不仅制作相对简单，而且节点板长度有所减小，节点区的稳定性能也有所提高。Koetaka Y7等在2001年提出了用四个钢管作为外包约束单元的新型防屈曲支撑，省去了混凝土浇筑和养护的程序和时间，制作加工的质量也容易检查和得到保证。此外，还有村井正敏8等研制出的钢砂浆板防屈曲支撑、日本学者萩野谷学研制成的三重钢管防屈曲支撑、Tsai9提出的多区段防屈曲支撑、台湾学者陈正诚6采用极低屈服点钢材制成的防屈曲支撑等等，都具有各自的优点。在我国大陆，李国强等10,11以上海世博会场馆工程为背景，采用国产低屈服
13、点钢（LYP160a），Q195钢，特制低屈服点钢材（LYP225）作为内核单元材料，研制出新型TJ-I型和TJ-II型防屈曲支撑，试验表明具有良好的滞回耗能性能。李妍，吴斌等12对外包钢管的全钢防屈曲支撑进行了试验研究，并通过试验研究完善其构造措施和确定其合理的构造形式。程光煜，叶列平13,14对外包钢筋混凝土防屈曲支撑进行了试验研究，通过与普通钢支撑的对比发现这种防屈曲支撑具有更加优良的稳定性能和滞回耗能性能，并在此基础上提出了防屈曲支撑的设计方法。周云等15设计了新型开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑，将核心单元局部削弱，这样既可以实现屈服位置预先设定，又可以避免端部加强的加工困难。贾明明用国
14、产Q235钢和两种无粘结材料设计制作了八个防屈曲支撑进行滞回性能试验，分析了内核截面形式、宽厚比、无粘结材料、节点连接方式等参数的影响16。（2）防屈曲支撑框架结构体系的国内外研究现状各国学者采用多种有限元软件，用弹塑性杆单元模拟防屈曲支撑，对防屈曲支撑框架结构体系（Buckling Restrained Braced Frame,BRBF）进行了非线性静力和动力分析，分析表明防屈曲支撑与框架协同工作，组合成了高效的抗震结构体系。防屈曲支撑良好的稳定性能、延性、滞回耗能性能也同样在防屈曲支撑框架结构体系中予以体现，相对于纯框架结构、普通支撑框架结构、特殊中心支撑框架结构、偏心支撑框架结构等结构
15、体系，在结构所用材料及工程造价接近时，防屈曲支撑框架结构的抗侧刚度更大，承载能力更高，具有更好的耗能能力和延性性能。在地震荷载作用下，防屈曲支撑首先屈服耗能，降低主体结构的地震损伤或保护其免受地震损伤。研究也表明防屈曲支撑框架结构具有良好的整体承载能力、整体塑性变形能力和整体稳定性能23。为了了解框架扭转的影响，Aiken20和Lopez21对3个防屈曲支撑框架结构的子系统进行了大比例试验，试验结果显示，支撑表现出了饱满稳定的滞回性能，能够承受框架的扭转变形，并且没有对框架竖向承载力产生任何不利影响。台湾学者蔡克铨22采用传统及双钢管型搭接式防屈曲支撑的框架结构进行子系统试验研究和拟动力试验研
16、究，分析了试验过程中节点板的平面外屈曲和破坏对结构性能的影响。美国学者Larry23,24进行了五层单跨大比例防屈曲支撑钢框架结构试验研究和数值模拟。对框架支撑结构给出了可以预估支撑最大延性的公式，认为结构层间位移和支撑最大延性分布基本保持一致，探讨了结构整体延性与各楼层延性之间的关系。Chung-Che Chou25和Yuji Koetaka26的研究表明当防屈曲支撑框架结构中梁的扭转刚度较小或连接节点刚度不足时，会发生防屈曲支撑的平面外屈曲，应保证防屈曲支撑的平面外屈曲荷载大于其最大轴向承载力。目前对防屈曲支撑框架结构的研究已经从最初的基准线模型扩展到考虑节点连接形式的有限元模型，同时通过理论分析和试验研究对防屈曲支撑连接节点的失效形式、临界荷载和改进措施都进行了深入的研究27,28。Jeffrey29提出了一种新颖的防屈曲支撑钢框架节点连接形式：防屈曲支撑只和钢梁相连，以降低水平荷载下梁柱节点反复张合而导致的破坏。
