消能减震技术是提高建筑结构抗震性能最直接、有效的手段之一, 已在国内外工程中得到广泛应用^[1]。但是, 消能减震技术研究和减震结构设计是基于消能器所在框架平面内方向受力与变形条件下进行的, 忽略消能部件在出平面方向的力学特性与破坏模式, 与减震结构在实际地震作用下的变形与受力情况不符, 同时亦不满足减震技术相关规程^[2]的要求, 可能会因使用消能减震技术给实际工程埋下安全隐患。

　　 本文分析地震作用下消能部件的变形模式, 介绍国内外消能部件平面外稳定性研究情况, 讨论国内外相关规程和设计手册对消能部件平面外力学特性的要求, 给出了今后消能部件平面外稳定性研究的建议。

　　 实际地震中, 减震结构受到的地震作用往往是双向的, 减震结构不但会发生平面内变形, 也会发生平面外变形^[2]。当前使用较多的消能器有黏滞流体消能器、屈曲约束支撑、金属剪切型消能器和 (铅) 黏弹性消能器, 通常采用杆式、墙式和支撑式布置形式。

　　 图1以杆式消能器的减震结构为例, 给出减震结构在地震作用下消能子结构平面内与平面外变形示意图, 图2为杆式消能器子框架在平面内和平面外地震作用下所能发生的变形。杆式布置消能器子框架在平面内和平面外地震作用下将发生:①框架柱面内、面外水平变形, ②框架柱扭转变形, ③框架梁扭转与弯曲变形和④杆式消能器与节点板平面外弯曲变形。其中前三种变形与非减震结构子框架在平面内和平面外地震作用下的变形相同, 这里主要对第④种变形情况进行说明。

　　 图3以屈曲约束支撑 (buckling-restrained brace, BRB) 为例, 说明杆式布置消能部件在平面外地震作用下产生的平面外弯曲变形。BRB与节点板在长度方向上可划分为节点板、外伸段和内芯工作段^[3]。虽然内芯工作段设有外约束套筒以防止BRB发生屈曲破坏, 但内芯工作段平面外刚度的增大可能导致外伸段与节点板的平面外抗弯刚度小于内芯工作段的平面外抗弯刚度, 尤其是在目前主流的BRB构件设计方法中, 对BRB外约束套筒抗弯刚度和承载力只有下限要求, 外约束套筒往往设计得很强、很刚, 远远超过阻止内芯发生失稳破坏的抗弯刚度和承载力需求, 内芯工作段平面外抗弯刚度与节点板、外伸段平面外抗弯刚度的差距将会进一步增大。因此, 平面外地震作用下, 主体结构带动BRB与节点板一起发生平面外变形时, 平面外抗弯刚度较大的内芯工作段发生近似刚体转动, 内芯工作段自身的弯曲变形很小, 平面外抗弯刚度较小的外伸段和节点板发生弯曲变形, 若弯曲变形过大, 则BRB消能部件非常容易发生平面外失稳破坏。由于设置于结构中的BRB消能部件存在初始缺陷且平面外通常为BRB消能部件的弱轴方向, 所以在平面内地震作用下BRB消能部件也会发生平面外弯曲变形, 弯曲变形更多是集中于平面外抗弯刚度较小的外伸段或节点板发生, 当弯曲变形过大时, BRB消能部件也会发生平面外失稳破坏。

　　 墙式布置形式的消能部件在地震作用下的变形也可以拆分为平面内地震作用与平面外地震作用产生变形的叠加, 见图4。图5为墙式布置消能部件平面外弯曲变形示意图。墙式消能器子框架在平面内地震作用下将发生:①框架柱面内水平变形, ②框架柱扭转变形, ③框架梁扭转与弯曲变形和④消能器及支墩变形。墙式消能器子框架在平面外地震作用下将发生:①框架柱平面外水平变形, ②框架柱扭转变形, ③梁柱节点平面外转动变形, ④框架梁扭转与弯曲变形, ⑤消能器和支墩平面外水平变形和⑥扭转变形。平面外地震作用下, 墙式消能器的平面外变形由支墩变形Δ₁、消能器变形Δ₂和框架梁变形Δ₃共同承担, 若消能器具有足够的平面外抗弯刚度, 则其主要发生刚体转动, 弯曲变形主要发生在支墩与框架梁上, 否则消能器与支墩和框架梁共同发生弯曲变形。

　　 图4 墙式消能器子框架变形模式

　　  

　　 图5 墙式布置消能部件平面外变形

　　 其他布置形式的消能部件中, 也存在与杆式消能部件、墙式消能部件类似的变形模式, 如图6和图7所示。消能部件所产生的平面外变形由消能器与连接件共同承担, 若消能器具有足够的平面外抗弯刚度, 则平面外弯曲变形会集中在支撑、支墩或节点板, 反之消能器将与连接件共同发生变形, 当消能器或连接件产生了过大的平面外弯曲变形, 消能部件发生平面外失稳破坏。

　　 图6 人字形支撑布置消能部件平面外弯曲变形

　　  

　　 图7 双墙式布置消能部件平面外弯曲变形

　　 在一些消能减震实际工程以及消能减震技术研究中, 也发现减震性能良好的消能器, 通过连接件设置于结构中, 在地震作用下达到消能器设计位移前, 消能部件发生了平面外失稳破坏^[4,5,6,7], 如图8, 9所示。消能部件的平面外失稳破坏会导致消能器提早退出工作, 从而无法正常发挥其耗能减震特性。

　　 Takeuchi等^[8,9]对双向地震作用下的BRB消能部件平面外失稳破坏问题展开了研究。Takeuchi等认为当BRB过渡段深入外约束套筒达到核心单元宽度的1倍以上时, BRB端部与外约束套筒交界处存在传递弯矩的能力, 并采用能量法推导了双向地震作用下BRB端部与外约束套筒交界处弯矩的计算公式, 若该处发生的弯矩值超过此处传递弯矩的能力, 则认为BRB消能部件会发生平面外失稳破坏, 采用试验方法对该方法进行了验证。

　　 龚震、钟根全^[10,11]研究了双向地震作用下结构中BRB的力学性能。研究结果表明, 平面外变形对BRB消能子框架的平面内初始刚度有一定的影响, 平面外变形越大则初始刚度越低, 导致有平面外变形消能子框架的力-位移曲线不如仅有平面内变形消能子框架的力-位移曲线饱满, 如图10, 11所示。同时平面外变形越大, 结构中的BRB越容易发生平面外失稳破坏, 说明平面外地震作用对结构中BRB耗能、承载力与稳定性都是有影响的, 在进行消能减震结构设计时, 若只考虑平面内地震作用, 可能会高估BRB所发挥的效果, 设计偏于危险。

　　 为避免BRB消能部件在双向地震作用下发生平面外失稳破坏, 周云等^[10,11]基于BRB与节点板共同产生变形的“变形协调”思想, 提出了考虑双向地震作用下结构中BRB平面外稳定性的计算方法。将结构中BRB与节点板可视为两端固接、带转动弹簧的二次变截面等效模型, 如图12 (a) 所示。在BRB构件自身不发生局部、整体失稳的前提下, 双向地震作用下BRB与节点板将发生平面外弯曲变形, 且平面外变形总量Δ将由等效模型的节点板作用区、BRB端部和BRB内芯工作段 (含外约束套管) 3部分共同承担。由于地震作用下节点板作用区、BRB端部和BRB内芯工作段基本处于弹性, 故进行双向地震作用结构中BRB平面外稳定性验算时把双向地震作用拆分为平面内地震作用 (图12 (b) ) 和平面外地震作用 (图12 (c) ) 的叠加:已知节点板作用区、BRB端部和BRB内芯工作段抗弯线刚度K₁～K₃和BRB端部转动弹簧转动刚度K_s的条件下, 采用小挠度理论可分别求解出平面内和平面外地震作用下等效模型的内力分布后进行叠加, 即可得到双向地震作用下BRB与节点板的内力分布情况。若BRB端部与BRB内芯工作段交界处所受内力超过该处截面的抗力, 则BRB存在平面外失稳破坏的危险, 反之则没有。为使设计具有一定的安全余量, 进行验算时采用的轴力P取BRB构件极限位移下对应的承载力, BRB极限位移应大于BRB设计位移的1.2倍^[2];平面外地震作用产生的BRB与节点板变形总量Δ取结构罕遇地震层间位移角限值与层高的乘积。

　　 图12 BRB平面外稳定性验算等效模型

　　 综上所述, 国内外有部分学者对消能部件的平面外稳定性展开了研究, 不仅考虑了消能部件平面内的受力, 还考虑了消能部件平面外的受力与变形, 只是研究集中于BRB消能部件, 其他类型消能器和布置形式的消能部件平面外稳定性研究很少。近些年, 国内消能减震技术的研究与应用处于飞速发展阶段, 但是研究和设计中仅考虑消能部件平面内的消能作用, 忽略了消能部件平面外力学特性和稳定性, 可能为实际工程埋下安全隐患。

　　 《建筑消能减震技术规程》 (JGJ 297—2013) ^[2]第5.1.5条及其条文说明中要求消能器应经过消能减震结构或子结构试验, 以检验消能部件是否会出现平面外失稳破坏;第5.2.4条规定“消能器在消能方向运动时, 平面外应具有足够的刚度, 不能产生翘曲和侧向失稳”;第7.1.4条及其条文说明要求消能减震结构分析设计时不仅需要考虑消能器在框架平面内的力学特性, 还需要考虑其在平面外的力学特性。上述要求说明我国规程中已经明确要求消能部件不能出现平面外失稳破坏, 并建议采用试验手段来检验, 但由于检验手段单一、耗时长且经济成本较高, 试验检测消能部件平面外稳定性的规定在当前实际工程中并没有得到很好的贯彻执行;通过要求消能器具有足够的平面外刚度来保证消能器平面外稳定性, 但对于不同类型消能器的平面外刚度如何算足够, 尚缺乏明确的数据或设计建议, 不便于消能器平面外力学特性的设计;消能部件的平面外稳定性不仅要考虑单向地震作用, 还要考虑平面外地震作用, 这样才与真实地震作用情况相符。

　　 周汉杰等^[12]计算了考虑平面外地震作用消能子框架的支墩和梁截面尺寸和配筋情况。计算结果表明, 考虑平面外受力后, 为满足《建筑消能减震技术规程》 (JGJ 297—2013) ^[2]第3.4.3条规定的连接件在消能器极限承载力下处于弹性的要求, 消能子框架梁的截面高度需从700～800mm增加至1 200mm, 支墩厚度需从200mm增加至300mm, 相应构件里配筋量也有所增加, 说明若只考虑消能部件平面内力学特性设计的消能子框架截面尺寸与配筋可能不足, 难以满足规程要求。

　　 日本《被动减震结构设计·施工手册》^[4]中也规定“必须注意主体结构构件的扭转和连接构件的平面外变形, 例如接头节点板的平面外屈曲、铰接点的平面外弯曲、梁腹板连接处的平面外侧向屈曲等”, 要求主体结构和连接件不可出现过大弯曲变形和屈曲以影响消能器平面外的稳定性。

　　 国内外专家学者已逐步认识到消能减震结构设计应考虑消能部件的平面外稳定性问题, 并开展了一些研究, 相关规范和手册给出了原则性要求, 但是目前尚未建立起一套系统的解决消能部件平面外问题的方法, 并未给出具体的构造措施, 今后应加强以下几方面的研究:

　　 (1) 研究各类型消能部件在双向地震作用下的力学特性及破坏模式, 找到如消能器平面外刚度等关键力学指标对消能部件平面外稳定性的影响规律。

　　 (2) 建立各类型消能部件平面外稳定性设计方法, 以指导减震结构分析和设计。

　　 (3) 研究能释放消能器平面外受力或变形的柔性连接构造措施。