尹永才 趙燦

摘要：桿式防屈曲支撐作為一種高性能、低成本的新型建筑構(gòu)件已在很多國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其性能主要受到約束單元、芯材和填充物影響。本文主要從申請(qǐng)量年度分布、申請(qǐng)人類型、主要申請(qǐng)人排名等方面對(duì)桿式防屈曲支撐的專利申請(qǐng)狀況進(jìn)行分析，探討桿式防屈曲支撐的專利發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：桿式防屈曲支撐;約束;芯材

中圖分類號(hào)：G306文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）12-0116-08

1 桿式防屈曲支撐概述

桿式防屈曲支撐（Buckling-Restrained Braces，簡(jiǎn)稱BRB），也稱屈曲約束支撐，是一種在建筑抗震領(lǐng)域中兼具金屬阻尼器和普通支撐功能雙重作用的新型支撐。在正常使用狀態(tài)下，桿式防屈曲支撐起到普通中心支撐的作用，為建筑結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)強(qiáng)度;在發(fā)生地震時(shí)，桿式防屈曲支撐可通過其反復(fù)拉壓耗散地震輸入的能量。

近年來，隨著國(guó)內(nèi)外越來越多高層、超高層摩天大樓的興建，桿式防屈曲支撐以其在地震時(shí)具有的良好耗能能力和延性，被越來越多地應(yīng)用到實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，桿式防屈曲支撐構(gòu)件的型式和設(shè)計(jì)理論取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1-2]。

桿式防屈曲支撐中芯材與節(jié)點(diǎn)板主要包括以下三種連接形式：其一，芯材與節(jié)點(diǎn)板在桿式防屈曲支撐兩端通過焊接方式固定;其二，芯材與節(jié)點(diǎn)板在桿式防屈曲支撐兩端通過螺栓方式固定;其三，芯材與節(jié)點(diǎn)板在桿式防屈曲支撐兩端通過銷軸方式固定。采用螺栓方式將芯材與節(jié)點(diǎn)板連接有利用構(gòu)件的拆裝，而且桿式防屈曲支撐固定于節(jié)點(diǎn)板上，有利于增加結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性。采用焊接連接便于施工且能夠保證節(jié)點(diǎn)板的截面受到削弱較小，結(jié)構(gòu)整體性良好，但焊縫的存在會(huì)有殘余應(yīng)力造成結(jié)構(gòu)脆性破壞，導(dǎo)致壓桿穩(wěn)定性降低。而采鉸接連接，由于搭接長(zhǎng)度的減少會(huì)造成約束屈服段相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致參與屈服的長(zhǎng)度增加，軸向應(yīng)變減少。

2 桿式防屈曲支撐領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)狀況

本文以數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS、VEN）中截止到2017年07月26日已經(jīng)收錄的公開專利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。經(jīng)檢索，有關(guān)桿式防屈曲支撐的專利申請(qǐng)共計(jì)688件，其中國(guó)外申請(qǐng)201件。從申請(qǐng)量年度分布、申請(qǐng)人類型、主要申請(qǐng)人排名等角度對(duì)桿式防屈曲支撐的專利申請(qǐng)狀況進(jìn)行分析，其中本文中一級(jí)技術(shù)分支指的是桿式防屈曲支撐，二級(jí)技術(shù)分支指的是約束單元、芯材、填充和綜合改進(jìn)。

2.1 桿式防屈曲支撐的領(lǐng)域分布特點(diǎn)

桿式防屈曲支撐裝置是多項(xiàng)技術(shù)的綜合。根據(jù)其構(gòu)造的組成部分不同，可以分為對(duì)約束單元、芯材單元和填充單元的改進(jìn)，其中對(duì)約束單元的改進(jìn)包括對(duì)構(gòu)造形式、材質(zhì)種類、補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造和拆卸連接方面的改進(jìn)，對(duì)芯材的改進(jìn)包括材質(zhì)種類、形狀構(gòu)造、補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造和限位構(gòu)造方面的改進(jìn)，對(duì)填充單元的改進(jìn)包括材質(zhì)種類、補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造和隔離設(shè)置方面的改進(jìn)及約束單元、芯材和填充單元相互之間的改進(jìn)。

圖1和圖2給出了桿式防屈曲支撐在全球/國(guó)內(nèi)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)，從全球來看，桿式防屈曲支撐專利申請(qǐng)開始于1979年，在1996之前幾乎沒有增長(zhǎng)，發(fā)展平緩。這其中一個(gè)原因是，桿式防屈曲支撐作為一種新技術(shù)剛誕生存在不足之處，并非主流研究對(duì)象。在防屈曲的早期發(fā)展中，人們把精力集中在墻板式防屈曲支撐，而桿式防屈曲支撐的發(fā)展處于萌芽期。從上圖2可以看出，我國(guó)在進(jìn)入21世紀(jì)后才開始出現(xiàn)有關(guān)桿式防屈曲支撐的申請(qǐng)，在2008年汶川地震之后，2010年開始國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量有了較大的增長(zhǎng)而在同一時(shí)間內(nèi)國(guó)外申請(qǐng)量卻保持平穩(wěn)，隨著該領(lǐng)域技術(shù)的逐漸成熟，專利申請(qǐng)量出現(xiàn)了明顯減少，之后隨著技術(shù)的突破，專利申請(qǐng)量又開始激增，近些年隨著突破技術(shù)的逐漸成熟，近年來專利申請(qǐng)量也開始下降。

表1顯示出各技術(shù)分支中首篇專利的技術(shù)信息，從該表中可以看出日本在桿式防屈曲支撐研究比較早，技術(shù)領(lǐng)先，這跟日本是地震多發(fā)國(guó)家，整體國(guó)民對(duì)抗震減災(zāi)比較重視有關(guān)，中國(guó)起步比較晚。

圖3顯示了一級(jí)技術(shù)分支全球、中國(guó)申請(qǐng)量的發(fā)展趨勢(shì)，從全球?qū)＠暾?qǐng)量來看，對(duì)于桿式防屈曲支撐主要集中在約束單元，芯材和綜合改進(jìn)方面，對(duì)于填充單元的改進(jìn)申請(qǐng)量較少，這是由于桿式防屈曲支撐主要由約束單元和芯材組成，在受到外加荷載時(shí)，由于外圍約束單元的約束作用，作為軸向受力構(gòu)件的芯材單元在受壓時(shí)達(dá)到全截面屈服，通過屈服滯回有效地保護(hù)建筑物。因此，對(duì)于桿式防屈曲支撐的改進(jìn)主要集中于關(guān)鍵的約束單元和芯材及桿式防屈曲支撐各構(gòu)成部分綜合改進(jìn)，尤其是對(duì)于各組成部分的綜合改進(jìn)更是成為研究的熱點(diǎn)。

圖4—圖6顯示了約束單元專利申請(qǐng)情況，從圖中可以看出，對(duì)于約束單元的改進(jìn)全球和中國(guó)主要集中在構(gòu)造形式和材質(zhì)種類，對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造和拆卸連接和其他方面改進(jìn)比較少，這和約束單元所起作用基本吻合。約束單元在桿式防屈曲支撐中主要是通過對(duì)芯材的側(cè)向屈曲變形進(jìn)行約束來防止支撐構(gòu)件受壓時(shí)發(fā)生整體屈曲或局部屈曲破壞。因此，通過其構(gòu)造形式和材質(zhì)種類能夠明顯改善其對(duì)內(nèi)芯單元的約束性能。

圖7—圖9顯示了芯材單元專利申請(qǐng)情況，從圖中可以看出，對(duì)于芯材單元的改進(jìn)全球和中國(guó)主要集中在形狀改變和材質(zhì)選擇，對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造和限位構(gòu)造和其他方面改進(jìn)比較少，這和芯材單元所起作用基本吻合。芯材單元在桿式防屈曲支撐中主要起到承擔(dān)支撐軸力，實(shí)現(xiàn)在拉壓狀態(tài)下全截面屈服而不發(fā)生構(gòu)件屈曲。對(duì)于其形狀改變，比如設(shè)置不同耗能段能明顯提高其耗能能力，不同的材料對(duì)于提高芯材單元的耗能性能也是十分顯著，而限位構(gòu)造和補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造和其他技術(shù)手段作為輔助手段的研究并不是太活躍。

圖10—圖12顯示了填充單元專利申請(qǐng)情況，從圖中可以看出，對(duì)于填充單元的改進(jìn)全球和中國(guó)主要集中在材質(zhì)選擇，且占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于隔離設(shè)置、內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造和和其他方面改進(jìn)比較少，這和填充單元所起作用基本吻合。填充單元在桿式防屈曲支撐中主要起到填充約束單元與芯材單元之間的縫隙，以釋放支撐芯材單元受壓時(shí)所產(chǎn)生的膨脹變形。因此，在填充技術(shù)分支中，對(duì)于填充材質(zhì)的選擇顯得尤為重要，這和填充材質(zhì)在全球和中國(guó)的專利申請(qǐng)量相吻合。

圖13—圖15顯示了綜合改進(jìn)專利申請(qǐng)情況，從圖中可以看出，對(duì)于桿式防屈曲支撐的綜合改進(jìn)，全球和中國(guó)主要集中在約束單元和芯材單元綜合改進(jìn)，約束單元、芯材單元和填充單元三者綜合改進(jìn)，對(duì)于約束單元和填充單元方面綜合改進(jìn)比較少，這和桿式防屈曲支撐基本原理吻合。桿式防屈曲支撐主要起作用的是約束單元和芯材單元，填充單元只是起到填充約束單元與芯材單元之間的縫隙以釋放支撐芯材單元受壓時(shí)所產(chǎn)生的膨脹變形，這也體現(xiàn)在全球和中國(guó)對(duì)于桿式防屈曲支撐綜合改進(jìn)的申請(qǐng)量中約束單元和芯材單元綜合改進(jìn)，約束單元、芯材單元和填充單元三者綜合改進(jìn)差別不是太明顯。因此，對(duì)于桿式防屈曲支撐的申請(qǐng)量主要集中在約束單元和芯材單元，約束單元、芯材單元和填充單元三者綜合改進(jìn)，這和桿式防屈曲支撐所發(fā)揮的作用密切相關(guān)。

2.2 國(guó)內(nèi)外各代表申請(qǐng)人的重點(diǎn)專利

大和房屋工業(yè)株式會(huì)社1955年成立于大阪，是日本最大的住宅建筑商，公司專門從事預(yù)制房屋設(shè)計(jì)制作。圖16顯示了大和房屋工業(yè)株式會(huì)社桿式防屈曲支撐技術(shù)發(fā)展路線圖。

從圖16可以看出，大和房屋工業(yè)株式會(huì)社對(duì)于桿式防屈曲支撐的改進(jìn)分為對(duì)約束單元、芯材單元、填充單元及綜合改進(jìn)方面的研究。對(duì)于約束單元的改進(jìn)主要集中在設(shè)置組合式約束單元，達(dá)到方便拆卸的目的，比較有代表的專利為JP2012246675A、JP2014001505A等。對(duì)于芯材單元的改進(jìn)，主要集中在材質(zhì)、形狀和構(gòu)造，比較有代表的專利為JP2008150842A、JP2009138411A、JP2009019

436A等。對(duì)于桿式防屈曲支撐組成部分的綜合改進(jìn)主要集中在約束單元和芯材單元、約束單元和填充單元、芯材單元和填充單元和三者的綜合改進(jìn)，比較有代表的專利有JP2008308937A、JP2009249833A、JP2013032701A、JP2014020091A，JP2014043723A等。

從圖17可以看出，北京工業(yè)大學(xué)對(duì)于桿式防屈曲支撐的改進(jìn)分為對(duì)約束單元、芯材單元、填充單元及綜合改進(jìn)方面的研究。對(duì)于約束單元的改進(jìn)主要集中在設(shè)置組合式約束單元，達(dá)到方便拆卸的目的，比較有代表的專利為CN103711217A。對(duì)于芯材單元的改進(jìn)，主要集中在材質(zhì)、形狀和構(gòu)造，比較有代表的專利為CN200992750Y、CN1963061A、CN103938749A等。對(duì)于填充單元的改進(jìn)主要集中在材質(zhì)、隔離設(shè)置和補(bǔ)強(qiáng)設(shè)置，比較有代表的專利為CN102605873A、CN103382745A和CN103711217A等。對(duì)于桿式防屈曲支撐組成部分的綜合改進(jìn)主要集中在約束單元和芯材單元、約束單元和填充單元、芯材單元和填充單元和三者的綜合改進(jìn)，比較有代表的專利為CN201358521Y、CN103104050A、CN203716323U、CN1031174229A、CN202519808U等。

從圖18可以看出，東南大學(xué)對(duì)于桿式防屈曲支撐的改進(jìn)分為對(duì)約束單元、芯材單元、填充單元及綜合改進(jìn)方面的研究。對(duì)于約束單元的改進(jìn)主要集中在設(shè)置組合式約束單元，達(dá)到方便拆卸的目的，比較有代表的專利為CN106760838A、CN106639463A、CN106703244A、CN103362232A等。對(duì)于芯材單元的改進(jìn)，主要集中在材質(zhì)、形狀和構(gòu)造，比較有代表的專利為CN102852245A、CN203145227U、CN106284727A。對(duì)于填充單元的改進(jìn)主要集中在材質(zhì)、隔離設(shè)置和補(bǔ)強(qiáng)設(shè)置，比較有代表的專利為CN203230060U、CN103382745A和CN103981975A等。對(duì)于桿式防屈曲支撐組成部分的綜合改進(jìn)主要集中在約束單元和芯材單元、約束單元和填充單元、芯材單元和填充單元和三者的綜合改進(jìn)，比較有代表的專利為CN103397711A等。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，桿式防屈曲支撐作為一種高性能、低成本的新型建筑構(gòu)件已在很多國(guó)家和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)在2008年汶川地震之后，減隔震技術(shù)得到高度重視，桿式防屈曲支撐的應(yīng)用研究也得到井噴式發(fā)展，桿式防屈曲支撐構(gòu)件的型式和設(shè)計(jì)理論取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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