专利名称：具有张紧构件的自对中能量消散式撑杆装置的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种具有自对中特性的能量消散式撑杆装置(braceapparatus)。更为具体地说，本发明涉及一种用于装设在可能承受极端载荷条件的结构中的撑杆装置。
背景技术：
虽然，正常载荷条件下结构的设计目的在于通过提供强度、刚度和稳定性来满足适用性和最终强度需求，但近来已经认识到，为了有效地和安全地抵挡诸如地震和爆炸载荷这样的极端载荷条件，必须采用根本上不同的作法。针对这种载荷条件下的线弹性反应来设计结构，尤其是如果由于这种设计理念而在系统中不提供延展能力，则在经济上是不可行的，以及是潜在不安全的。这意味着可限制结构中诱发的地震作用力的屈服系统的非线性特性是非常希望有的特性。
对于屈服系统来说，经过迟滞屈服(非弹性变形)每一循环消散的能量一般与结构损伤相关联。这种屈服系统被指望承受可以大大地损害结构并加大修复成本的残余变形。这就提出了多个在极端载荷条件后通常仍然未解的重要问题已经经受一定程度非弹性变形的结构仍可提供与前一样的防护水平？经过屈服的所有的构件都必须更换吗？在已经发生屈服的每一处的材料状态都必须予以评估吗？还存在以下强烈的信念，主要来自公众，即按照最新地震规范所设计的结构，例如，很少要求或根本不要求结构修复并会导致地震后最少的纷乱时间。当前地震工程方面的研究工作仍然采用实现结构预定构件的稳定迟滞反应这种理念。结构损伤和残余变形因此在设计等级的地震下是在意料中的。
例如，传统的钢制撑杆构架主要设计得可保证强大地震下的终生安全性。它们被指望由于撑杆拉伸屈服和撑杆压缩屈曲的重复循环所致而在地震后蒙受重大损伤。其次，作为在这些构件中所引发的损伤的直接后果，整个建筑物的最终状态可能是不平不直的。类似的反应也指望出自其他通常的钢制、钢筋混凝土、石材和木材结构系统(阻抗力矩式构架、墙体等等)。不良的结构性能也可导致建筑物各种工作和功能部件的损坏，诸如建筑部件、建筑物服务设施或建筑物内部装置的损坏。结构上的和非结构上的损坏二者都可能影响建筑物中人员的安全和援救并可能导致建筑物工作的中断。
这种现实对于重大地震后的修复成本和由纷乱时期引发的费用都具有重大的后果。注意，已发现在结构上很结实的结构在地震后如果扶正的费用很大或如果对享用者显得很不安全则可能被弃置不用。在地震易发地区面临其结构的这种预期状态的结构拥有者往往日益选择直接地采用高性能系统。其次，保险公司也日益将其保险费基于预期的损伤成本，并且在这种附加刺激的情况下，将要为新的或现有结构采取高性能系统的拥有者的数量有可能增大。
用以提高抗震性能的专业化阻尼器的当前技术水平主要包括迟滞(屈服)、摩擦、粘性阻尼、粘弹性系统，或形状记忆合金。迟滞(屈服)系统包括多个器件，设计得可经受重复地非弹性变形并呈现出可变的迟滞反应。
这些系统的第一类称作屈服系统，诸如屈曲受限撑杆或屈服钢板。屈服系统已经成功地被采用在亚洲和北美的大量工程项目中。这些系统的第二类称作摩擦系统，其中最普及的是Pall系统。这一系统已经在过去15年中被采用在非常大量的结构中。
注意，这两类系统中没有一类呈现出自对中特性，这在结构承受地震和其他严重或极端载荷时会对结构的整体性能造成负面影响，并可导致永久变形。
粘性系统是专业化装置，呈现出依赖于速度的作用力，并增大结构的阻尼从而减小地震载荷作用下的反应。粘弹性阻尼器也呈现出依赖于速度的作用力以在并行地提供附加弹性恢复力的同时增大阻尼。配备着粘性和粘弹性阻尼器的结构要求主要结构系统提供充分的弹性挺度和强度以阻抗所施加的载荷。这些装置如果主要结构构件经受无弹性变形就不能保证自对中特性。
形状记忆合金总的说是金属，在变形或加热到某一特定温度后可依靠自身重回其原有的几何形态。形状记忆合金通常可提供高度专业化的生产能力，但一般是昂贵的材料。
到目前为止，自对中特性已经主要由专业化阻尼器予以实现，专业化阻尼器由复合的相互连接的弹簧件组成，这些弹簧件要求各种复杂而精细的制作工艺过程和各种形状记忆合金材料，这些材料由于很高的成本而在最为一般的结构工程项目中是禁用的。
在题为“在用于消散地震能量的撑杆系统中具有基于摩擦的补充阻尼的建筑结构”(发表于1998年10月13日)的美国专利5819484中，Kar教导了一种撑杆装置，可经由摩擦弹簧能量消散组件形成重新对中能力，但它将施加于装置的拉伸和压缩转换为作用在可安装于建筑物两部分上的装置两端之间筒体上的压缩。
在题为“迟滞阻尼装置与方法”(发表于1998年12月1日)的美国专利No.5842312中，Krumme等人讲述了利用一或多个由形状记忆合金制成的拉伸构件以形成能量消散的阻尼装置。不过，Krumme等人的装置，具有由拉伸件联接在一起的两个相对移动的支撑构件(bracing member)，设置得在加力载荷期间涉及某些拉伸件，但是阻尼装置的自对中特性来自特殊的非线性材料特性而并不涉及弹性部件之间的相互机械作用。
前面的讨论导致提出最佳的极端载荷阻抗系统应当是i)具有屈服结构的非线性特征以限制由严酷或极端载荷加在系统上的作用力，并消散输入能量以控制变形；ii)通过包括允许结构在极端载荷之后返回到其初始位置的重新对中特性来降低结构修理费用；iii)通过使主要结构构件出现损坏的次数最少而进一步降低修理费用。
对于严酷或极端载荷的最佳阻抗可提高在有时发生在人口稠密的城市地区的巨大地震、飓风或类似灾害情况下结构的性能等级。配备这些高性能构件的结构显著地以最小的损伤、低修理费用和短纷乱时间对这种极端载荷作出了良好的反应。
其次，这些系统可能对于地方、省级和联邦政府设施，以及对于在巨大或灾难性事件期间或紧随之后必须保持发挥作用的关键设施的拥有者和经管者来说，都是非常具有吸引力的。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种装置，包括与当前技术相同的建筑特性和在工作负荷下的同样反应特征，但提供了在严酷循环载荷下经过高度改进的反应，使结构损伤最少并有效地形成自对中特征。
本发明的另一目的是提供一种装置，通过将简单结构构件与现成可供使用的材料，诸如结构钢和高强度张紧件，结合起来以有效地形成前述的迟滞现象和自对中能力。
更为具体地说，根据本发明，提供一种装置，设计得状为撑杆系统，可通过将可以利用现成可供使用的建造材料制成的各种专用部件组合起来以实现迟滞特性和自对中特性。此外，这种装置可以配有能量消散系统，诸如但不限于摩擦表面、屈服牺牲构件、粘弹材料、粘性流体阻尼器或形状记忆合金，以形成所需的能量消散水平。
因此提供一种撑杆装置(brace apparatus)，将要装在承受载荷力的结构两部分之间以限制因载荷力所致的位移，此撑杆装置包括固定部分，具有第一端部，将要装于结构的一部分，第一端部形成第一贴靠表面而第二端部形成第二贴靠表面；此撑杆装置还包括可动部分，具有第一端部，将要装于结构的一部分，第一端部形成第一贴靠表面而第二端部形成第二贴靠表面；此撑杆装置还包括可张紧组件，将可动部分装于固定部分，以致a)可动部分第一贴靠表面在固定部分第二贴靠表面附近，以及b)固定部分第一贴靠表面在可动部分第二贴靠表面附近，可张紧组件则包括第一贴靠构件，在固定部分第一端部附近，以及第二贴靠构件，在可动部分第一端部附近；第一和第二贴靠构件由可调的张紧构件相互连接；其中i)当载荷力移动可动部分离开固定部分时，第一贴靠构件贴靠固定部分第一贴靠表面而第二贴靠构件贴靠可动构件第一贴靠表面以从而限制可动部分离开固定部分的移动，以及ii)当载荷力移动可动部分朝向固定部分时，第一贴靠构件贴靠可动部分第二贴靠表面而第二贴靠构件贴靠固定构件第二贴靠表面从而限制可动部分朝向固定部分的移动。
因此提供一种撑杆装置，可安装在承受载荷力的结构的两部分之间；此撑杆装置包括第一支撑构件，此构件具有第一端部，可安装于两部分之一，以及第二端部，两端部各自具有贴靠表面；还包括第二支撑构件，此构件具有第三端部，以及可安装于两部分之另一的第四端部，两端部各自具有贴靠表面，第一和第二支撑构件在静置位置与过渡位置之间可移动地工作，以致i)第一端部邻近第三端部以致形成第一对邻近端部而第二端部邻近第四端部以致形成第二对邻近端部，ii)第一端部对置于第四端部以致形成第一对对置端部而第二端部对置于第三端部以致形成第二对对置端部，此撑杆装置还包括可张紧组件，后者包括第一和第二对邻近端部附近的贴靠构件，贴靠构件由张紧构件相互连接；由此，当施加于第一对对置端部的载荷力i)张紧此装置以致第一对对置端部的各自贴靠表面贴靠在各自贴靠构件上，ii)压缩此装置以致第二对对置端部的各自贴靠表面贴靠在各自贴靠构件上时，第一和第二支承件是分开移动的；张紧构件在载荷力作用下是可以张紧的，以致交替地将第一和第二支撑构件从静置位置移动到过渡位置。
本发明的其他多个目的、优点和特点将在阅读参照附图只借助于范例而作出的其最佳实施例的以下无限制的说明之后变得更加显然。
附图中图1是立面侧视图，示出根据本发明第一说明性实施例的撑杆装置的内部；图2是沿着图1中直线2所取的剖面视图；图3是沿着图1中直线3所取的剖面视图；图4a是局部分解立面侧视图，示出图1撑杆装置的支撑构件；图4b是局部分解立面侧视图，示出图1撑杆装置的可张紧组件；图4c是侧视图，示出承受拉伸载荷的图4的撑杆装置；图4d是侧视图，示出承受压缩载荷的图4的撑杆装置；图5是示意图，示出可以用在图1撑杆装置中的五种可能的能量消散系统；图6是示意图，示出可以用在图1撑杆装置中的消散机构的各个迟滞反应；图7是示意图，示出可以用在图1撑杆装置中的消散机构的综合迟滞反应；图8是简图，示出屈服系统的典型迟滞反应；图9是简图，示出自对中系统的典型迟滞反应；
图10a是示意图，示出配备摩擦或屈服能量消散机构的图1的撑杆装置，此时处在拉伸之下，而且处在拉伸力量大得足以克服张紧构件的初始预张紧之前；图10b是如图10a中所示系统迟滞反应的简图；图10c是示意图，示出配备摩擦或屈服能量消散机构的图1的撑杆装置，此时处在拉伸之下，而且此时拉伸力量大于为克服张紧构件的初始预张紧所需的力量；图10d是如图10c中所示系统迟滞反应的简图；图11a是示意图，示出配备摩擦或屈服能量消散机构的图1的撑杆装置，此时处在压缩之下，并处在所施加的载荷大得足以克服张紧构件的初始预张紧之前；图11b是如图11a中所示系统迟滞反应的简图；图11c是示意图，示出配备摩擦或屈服能量消散机构的图1的撑杆装置不同部件的变形，此时处在压缩之下，而且此时所施加的载荷大得足以克服张紧构件的初始预张紧；图11d是如图11c中所示系统迟滞反应的简图；图12a是示意图，示出配备粘性或粘弹性能量消散机构的图1的撑杆装置不同部件的变形，此时处在拉伸之下，并处在所施加的载荷大得足以克服张紧构件的初始预张紧之前；图12b是如图12a中所示系统迟滞反应的简图；图12c是示意图，示出配备粘性或粘弹性能量消散机构的图1的撑杆装置不同部件的变形，此时处在拉伸之下，而且此时所施加的载荷大得足以克服张紧构件的初始预张紧；图12d是如图12c中所示系统迟滞反应的简图；图13a是示意图，示出配备粘性或粘弹性能量消散机构的图1的撑杆装置不同部件的变形，此时处在压缩之下，并处在所施加的载荷大得足以克服张紧构件的初始预张紧之前；图13b是如图13a中所示系统迟滞反应的简图；图13c是示意图，示出配备粘性或粘弹性能量消散机构的图1的撑杆装置不同部件的变形，此时处在压缩之下，而且此时所施加的载荷大得足以克服张紧构件的初始预张紧；
图13d是如图13c中所示系统迟滞反应的简图；图14a是装有图1撑杆装置的第一结构立面侧视示意图；图14b是装有图1撑杆装置的第二结构立面侧视示意图；图14c是装有图1撑杆装置的第三结构立面侧视示意图；图14d是装有图1撑杆装置的第四结构立面侧视示意图；图14e是装有图1撑杆装置的第五结构立面侧视示意图；图14f是装有图1撑杆装置的第六结构立面侧视示意图；图14g是装有图1撑杆装置的第七结构立面侧视示意图；图14h是装有图1撑杆装置的第八结构立面侧视示意图；图14i是装有图1撑杆装置的第九结构立面侧视示意图；图14j是装有图1撑杆装置的第十结构立面侧视示意图；图15是根据本发明第二实施例的撑杆装置的立面侧视图；图16是图15撑杆装置的顶视图；图17是沿着图15中直线17-17所取的剖面视图；图18是沿着图16中直线18-18所取的剖面视图；图19是立面侧视图，示出图15撑杆装置的第一支撑构件；图20是图19第一支撑构件的顶视图；图21是立面侧视图，示出图15撑杆装置的第二支撑构件；图22是图21第二支撑构件的顶视图；图23是根据本发明第三实施例的撑杆装置的顶视图；图24是根据本发明第四实施例的撑杆装置的顶视图；图25是根据本发明第五实施例的撑杆装置的顶视图；以及图26是沿着图25中直线26-26所取的横截面视图。
具体实施例方式
本发明涉及一种撑杆装置，用于消散施加于诸如梁件、柱、撑杆、墙壁、墙板等承受严酷、极端和/或重复载荷状况的结构系统的输入能量。此撑杆装置可安装于结构的一部分上以限制或抵制两部分之间的相对移动。在这样做的时候，此撑杆装置一般在当输入能量改变或停止被施加于结构时可保持最小的残余变形、可消散能量并包括自对中能力。一般输入能量与由风、地震、有时强加在结构或建筑系统上的撞击或爆炸造成的异常载荷有关。
如图1实施例中所示，装置30一般包括第一支撑构件32、第二支撑构件34、可张紧组件36、能量消散系统38和导引构件39。第二支撑构件34可以看作装置30的固定构件而第一支撑构件32可以看作装置30的可动构件。当然，本技术领域中的熟练人员将会理解，构件32与34之间的移动是相对的。
支撑构件32和34，示于图1至3中并更为详细地示于图4a中，包括端部40a、40b、40c、40d，都配有各自的贴靠表面42a、42b、42c、42d，这些表面构造得和尺寸定得以便贴靠于可张紧组件36。支撑构件32和34还包括孔眼45，为装设能量消散系统38和为运作后检查装置30提供空间需求，这在此后将进一步予以说明。
为清晰起见，支撑构件32和34的不同端部40a、40b、40c、40d也将在以下说明中称作装置30的“各对端部”。更为具体地说，端部40c附近的端部40a形成第一对邻近端部而端部40d附近的端部40b形成第二对邻近端部。同样，对置于端部40d的端部40a形成第一对对置端部而对置于端部40c的端部40b形成第二对对置端部。
在图1至4d的实施例中，端部40a、40d(第一对对置端部)还配有端部接头44a、44d，适配得用于将装置30安装在承受输入能量的外部结构(未示出)上。端部接头44a、44d是固定地装接于支撑构件32和34的板件或任何其他结构构件(焊接，螺栓连接或接合而成的组件)。端部接头44a、44d构造得和尺寸定得以便接受载荷力和以便将其传送给装置30。任由选择地，端部接头44a、44d还设计得在一定载荷力水平下屈服以保护装置30的完整性。
支撑构件32和34，一般是平行的沿纵向延伸的和在承受一定水平的载荷力时彼此相对独立可动的。在此实施例中，第一支撑构件32是管状构件，位于第二支撑构件34内部并一般与之同心。
如图1至3中和图4b中更为详细地所示，可张紧组件36包括四个可调张紧构件46(图4b中只绘出两个)，以及由张紧构件46相互连接的两个贴靠构件48a、48b。张紧构件46一般是可预张紧的钢筋束、钢缆或直杆，经由多种紧固组件诸如螺帽49，能够向张紧构件46提供可调张力的各种夹紧或装接装置，安装于贴靠构件48a、48b。
张紧构件46一般相对于贴靠构件48a、48b对称地定位以便保证在可张紧组件36内较好的载荷分配。张紧构件46的数量、其弹性模量、其最终伸长能力、其总面积和其长度都选定得可达到装置30所需的强度、后弹性挺度、变形能力以及自对中能力。
张紧构件46能够在施加于装置30的载荷力作用下变形，以致允许产生由两个支撑构件32与34之间相对移动造成的装置30的所定目标伸长，如此后将进一步所述。这种变形一般首先出现而不带屈服并具有张紧构件46中预张力的最小损失。
张紧构件46中预张力的水平一般范围从完全没有预张力到某一分数，典型地在张紧构件46最大允许变形的20％和60％。预张紧的水平决定了支撑构件32与34之间开始相对移动所处的力量水平，决定了能量消散机构38中能量消散的起始，以及决定了范围从初始弹性挺度到后弹性挺度的张紧构件46挺度方面的变化。预张力水平还形成了装置30的重新对中能力，如此后进一步予以解释。如果预张力水平不足以克服为起动能量消散机构38所需的力量，装置一般不会显示完全的重新对中能力，但张紧构件46一般可向装置30提供附加的后弹性挺度。
贴靠构件48a、48b是板件或任何其他适当的结构构件，位于第一和第二对邻近端部40a、40c和40b、40d附近。贴靠构件48a、48b构造得和尺寸定得致使当支撑构件32和34在载荷力作用下正在彼此相对移动时可以与端部40a、40b、40c、40d的贴靠表面42a、42b、42c、42d配合工作，此后这将进一步予以说明。
在图1和4b的说明性实施例中，贴靠构件48a包括穿之而过的一条通道(未示出)而端部接头44a以滑动方式被装放到它里面。另一贴靠构件48b以滑动方式被装放在端部接头44d以内。
转回到图1和3，导引构件39示为状为板件、块体或其他适当的结构构件，设置在支撑构件32与34之间以允许、导引或造成支撑构件32和34的相对移动，同时仍然保持它们的相对对中。导引构件39也可以用以沿着支撑构件32和34的长度连接或安装可张紧组件36，以增强构件32和34的屈曲能力。导引构件39还可包括吸收性物质，诸如橡胶、特氟隆或弹性材料，用以缓和支撑构件32与34之间的冲击。
能量消散系统30示意性地图示在图1至5和10a至13d中，包括摩擦50、屈服52、粘性54和/或粘弹性56各种机构或其他诸如形状记忆合金57这样的各种部件，当支撑构件32与34之间产生相对移动时它们被起用或被涉及以消散能量。这些机构可以单独或组合起来使用，以致能量消散系统38的特性可以调定以获得在特定的多个类型的载荷力作用下任何所需的反应。能量消散系统38一般选择得可在严酷载荷下蒙受最小的损坏，并且/或者是可容易更换的。其次，能量消散系统38一般设计得允许在装置30内部快速检查并进行更换，具有任何极端载荷情况之后最短的纷乱时间。
示于图1和2中的摩擦机构50各自包括两个支承件60a、60b、两个摩擦界面62a、62b和一个延伸件64。在此说明性实施例中，支承件60a、60b固定地安装在支撑构件34上，并且各自包括槽孔66。延伸件64固定地安装在支撑构件32上并伸向支承件60a、60b，以致穿过延伸件64固定地安装的紧固件68啮合槽孔66以将摩擦机构50保持在夹紧装置中。
摩擦界面62a、62b位于支承件60a、60b之间的夹紧配置中而延伸件64构造得和尺寸定得以致可在两个支撑构件32与34之间形成摩擦。取决于在摩擦机构50中何处出现摩擦滑动，摩擦界面62a和62b可以或可以不包括对应于支承件60a、60b的槽孔66的槽孔。
夹紧配置可保证当支撑构件32与34之间存在相对运动时法向力量生成摩擦界面62a、62b之间的摩擦。在图1和2的说明性实施例中，槽孔66和紧固件68以滑动配置方式安装得首先允许支撑构件32与34之间的相对运动。滑动配置提供了装接于紧固件68的延伸件64的受限移动能力，此构件由槽孔66沿着支撑构件32和34的移动方向予以导引。
任由选择地，如果支承件60a、60b和延伸件64表现出所需的摩擦特性，则摩擦界面62a、62b可以从摩擦机构50中去除。在此情况下，摩擦是通过直接将支承件60a、60b与延伸件64夹紧在一起而获得的。另外任由选择地是，槽孔66可以直接设置在延伸件64上。
摩擦机构50一般在动力载荷下显示出稳定的迟滞特性，在初始和长期摩擦性质方面的不确定性最小。专用的非金属摩擦界面(未示出)，或者经过处理的金属表面(未示出)也可以用以为摩擦消散机构提供特定的迟滞特性。
屈服机构52示意性地示于图5中，还可以用作部分能量消散系统38以当两个支撑构件32和34正在相对移动时提供能量消散能力。屈服机构52包括插装在两个可动的支撑构件32与34之间的金属构件(未示出)。金属构件(未示出)一般选定得可在轴向、剪切或挠曲变形或其组合下屈服。
粘性机构54和粘弹机构56，示意性地示于图5中，也还可以用作部分能量消散系统38以当两个支撑构件32和34正在相对移动时提供能量消散能力。粘性机构54包括插装在两个可动的支撑构件32与34之间的装放粘性流体(未示出)的粘性装置(未示出)。粘性机构54包括粘弹性材料(未示出)，连接于插装于两个可动的支撑构件32与34之间的板件。
一个以上的上面提及的机构50、52、54、56、57的各种组合然后可以用以优化和丰富装置30的迟滞特性。在附加可张紧组件36的情况下，装置30因此能够表现“旗帜形迟滞(Flag-shaped Hysteresis)”特性，这样将能量消散和自对中两种能力结合起来。
图6表明摩擦、屈服、粘性(在高速和低速下)和粘弹性(在高速和低速下)机构在其力量/变形特性方面的各自贡献。图7图示这些机构的多个组合。
即使只有两种不同的消散器件示于图7中，但也可以采用同一类型的两个以上消散系统的组合，或者两种以上消散机构的多个组合。也可存在其他多个组合，诸如，三种不同的消散系统，或者一个以上同一类型的能量消散机构用在与另一不同能量消散机构的组合中。装置30的整体迟滞反应一般是通过将来自在此所述的多种组成部分的贡献相加而获得的。
图8表明典型线弹性系统的力量位移曲线而图9图示典型自对中系统，两种系统代表等同初始挺度和质量的屈服结构。在这几幅图中，阴影面积代表每经过一次迟滞屈服循环所消散的能量，一般关联于载荷作用下结构的构造损伤并可显著地损害结构和提高其修复成本。装置30中包括的自对中能力提供了在反应和残余变形方面经过优化(以简图方式示于图9中)的迟滞特性。
运作中的装置30示于图4c和4d中并示意性地表明在图10a至13d中。这些图表明，在施加于装置30安装所在的结构的输入能量作为载荷力(诸如压缩或拉伸力量)被传递给装置时撑杆装置30的特性。如此前所述，撑杆装置30可以经由第一对对置端部40a、40d的端部接头44a、44d安装于这种结构。装置30因此能够接受载荷力，以致其形态从静置位置(图1)改变到过渡位置，在此处，输入能量由于两个结构上的支撑构件32与34之间的相对运动而得以消散(图4c，4d)。
如图4c中所示，当处在一定水平的拉伸载荷力下时，撑杆装置30保证支撑构件32和34的相对移动。首先张紧构件46的预张紧必须予以克服，这在随后造成张紧构件46的伸长和支撑构件32与34之间相对移动的开始。在此过程中，张紧构件46进一步被拉伸，这是由于贴靠表面42a推压在贴靠构件48a上并由于贴靠表面42d推压在贴靠构件48b上。当处在压缩力量下时，如图4d中所示，可张紧组件36的张紧构件46在此过程中也进一步被拉伸，这是由于贴靠表面42c推压在贴靠构件48a上并由于贴靠表面42b推压在贴靠构件48b上。
通过伸长，附加的拉伸力量逐渐积累在张紧构件46中，以致形成撑杆装置30的自对中特性。例如，如果载荷力量要在那时中止，则装置30一般由张紧构件46中发生的附加拉伸力量带回其静置位置(见图1)。如前所述，如果预拉力的水平不足以克服为起动能量消散机构38所需的力量，则装置一般不会显示完全的重新对中能力，但张紧构件46一般可向装置30提供附加后弹性挺度。
一旦支撑构件32与34之间的相对运动在载荷力作用下开始发生，能量消散系统38(只是示于图4c，4d中的摩擦机构50)就被起动，反向于支撑构件32与34的相对运动。例如，当如图4c中那样拉伸施加于装置30时，并且一旦张紧构件46的初始力量和阻力被克服，装置30就伸长而同时能量经由消散系统38被消散。如前述，图4c的说明性实施例表明，与槽孔66形成滑动配置的紧固件68一般沿着支撑构件32和34的相对移动方向移动。
此时，取决于相对于所选定能量消散系统38的组合的阻力和结构而选定的张紧构件46，发生在进一步伸展的张紧构件46中的附加拉伸力量一般为装置30提供了当载荷力中止或从拉伸改变到压缩时返回其初始位置(图1)的能力。
装置30在运作中的迟滞特性的另一实例示意性地表明在图10a至13d中。更为具体地说，图10a至11d表明撑杆装置30的迟滞特性，此种撑杆装置承受拉伸和压缩并配备摩擦机构50或屈服机构52。在图12a至13d中表明撑杆装置30的迟滞特性，承受拉伸和压缩并配备取决于速度的粘性机构54或粘弹机构56。
在所有这些图中，装置30在载荷力F作用下的伸长表达为δ，而δ’表明装于两个支撑构件32和34的机构50、52、54、56中的变形。在图12a至13d中，图示了低速和高速两种反应，由于这种能量消散系统显示出取决于速度的迟滞现象。高速反应一般指望出现在极端载荷期间，而低速反应(一般形成自对中特性)表征所指望的极端载荷后的反应。
为简明起见，在承受载荷力的撑杆装置30运作期间所涉及的相对移动将只参照图10a至11d予以进一步说明，但同样的原理适合于此前所述其他不同能量消散系统的各种组合(见图12a至13d)。
图10a示意性地表明撑杆装置30，此撑杆装置配备装于支撑构件32和34的摩擦机构50或屈服机构52并承受拉伸载荷力，但是在所施加的拉伸载荷力大得足以克服张紧构件46的初始预张紧之前。
高至一定的水平时，力量F拉伸所述装置30，以致张紧构件46和消散机构50、52反向于支撑构件32和34的相对运动。在此阶段上，装置30一般开始线性变形，如图10b中示意性地表明那样。
如果载荷力F达到大于为克服张紧构件46初始预张紧所需力量的一定水平，力量F则达到拉伸分离水平(图10b和10d中的70)。此时，构件32和34开始在相反两方向移动距离δ，如图10c中示意性地表明那样。挺度此时从弹性改变到后弹性挺度。装于两个构件32和34的张紧构件46因此伸长大体上同样的位移大小并可在这种载荷下变形。消散机构50、52一般也变形达到位移δ’。
一旦载荷力如它通常在振荡式地震载荷中那样改变方向，示于图11a中的相反压缩力F将支撑构件32和34朝向它们的原来位置移动，这一般对应于相反且相等的位移δ。在此阶段，两个支撑构件32和34一般是对齐的而消散机构50、52一般被置回其初始形态。如果在拉伸载荷F后没有形成任何压缩力量F，则积累在张紧构件46中的附加拉伸力量一般会将支撑构件32和34重新定位于示于图11a中所示的状态。如此前所述，这种现象可以由张紧构件46的预张紧过和另外伸展过的状况予以解释。
如图11b中所见，消散机构50、52的相应迟滞反应通过一般经过图中力一位移零点附近而从力F的拉伸一侧移向力F的压缩一侧。在没有形成压缩力F的情况下，张紧构件46的附加拉伸力量使系统返回静置位置，大体上对应于图中的力—位移零点。
当相反力量F达到为克服张紧构件46初始预张紧所需的压缩分离水平72时，如图11d中表明，消散机构50、52和张紧构件46被克服，以致支撑构件32和34开始在相反两方向上移动距离δ。消散机构50、52然后大体上变形达到相应的位移δ’。
一般说来，只要加在装置30上的变形依旧处在装置30已经为之定出尺寸的最大变形以内，此前所述装置30各种组成部分的相对移动就可以交替。如下文在其他多个实施例中所述，支撑构件32和34可以包括特别设计的端部接头44a和44d，或者一般串联安装于装置30的附加结构构件，它可以设计得在达到张紧构件46的最终变形能力之前屈服或带有摩擦地滑动，并因而使得在由高于预期的能量输入水平造成始料不及的较大变形的情况下张紧构件46失效的可能性达到最小，以及因而保护了装置30的完整性。
支撑构件32和34一般是由通常用于刚性结构或建筑施工的任何材料制成的，诸如钢材、铝材或纤维增强聚合物(FRP)。构件32和34的材料一般选择得可防止或尽量少地出现屈曲或屈服，并从而显著地减少对于构件32和34安装所在的结构多个部分的损坏。张紧构件46还可进一步由多种类型的材料制成，诸如由钢筋束、板条或缆绳制成，这些材料可以，但不限于，由高强度钢筋束、圆杆、板条制作而成，或由复合FRP钢筋束或板条(包括例如芳族聚酰胺、碳料、玻璃等类似物在内)制作而成。张紧构件46另外可以配有UV层或防火层。
在此已经说明的装置30因此可以通过安装于、连接于或整合于多种类型的结构74中而予以采用，诸如在多层结构、建筑物、塔台、桥梁、海上平台、储罐等中；某些示于图14a至14j中。
装置30还可以用于新的建造物，它们是采用传统的侧向载荷阻抗系统(通常的加撑框架，阻抗力矩的框架，抗剪切墙，等等)或者采用不呈现出自对中特性的外加阻尼器而建成的。结构还可以是采用装置30建成以加强其抗震性能水平，这种结构包括例如机器部件、建筑物、桥梁、塔台、海上航行结构、桥梁或其他应用结构(塔台、烟囱)。这些结构可以承受任何类型的载荷，包括声浪、地震、爆炸、冲击波和巨风载荷。
装置30另外还可以与现有的需要予以加强或予以恢复以符合更近期的(一般比较严厉的)抗震规范条款或较高的性能准则的建造物一起使用。这些结构的恢复可通过采用针对严酷或极端地震或巨风载荷情况下的增强反应的所建议装置30来予以完成。装置30另外还可以用在需要防护极端爆炸载荷的重要结构中。其次，装置30还可以用在其他多个应用场合中，诸如在机械工程中用于承受冲击的车辆，可能经受过载或预料不到的载荷状况的设备或机器，等等。
装置30一般作为支撑构件在结构基础处倾斜地、铅直地或水平地，或一般平行于可能需要控制的结构之内的任何移动地，装设在结构中框架组件之间。
装置30的制作，其内部接头和其对于现有结构的接头一般涉及多个可以由正规施工工人作出的各个步骤。装置30一般是完全自容纳的。一旦在制造工厂中组装而成，装置30然后一般易于像传统的支撑构件通过将端部接头(图4a中的44a，44d)螺栓连接或焊接于需要支撑的主要结构那样以类似的方式装接于或安装于结构。
装置一般包括检查设施，诸如状为支撑构件上的孔眼(未示出)，以备检查在极端或重复载荷状况下经受变形和消散输入能量的能量消散机构。如果需要，能量消散机构是可以在极端载荷事件之后经由检查设施予以更换的。
本领域中的技术人员也会容易理解，张紧构件的数量和物理特性可以改变，以及支撑构件的尺寸、形状和数量也可以改变。例如，支撑构件可以由圆的、方的或矩形的钢管或其任何多个组合制成。可以采用其他形状，诸如互联板件、I形、C形，等等。其次，可以采用其他形态或其他类型的能量消散系统。更为具体地说，所述的摩擦机构可以位于单独一个地方或者两个或更多的地方，处于沿着撑杆装置长度的任一位置处。
根据本发明第二实施例的撑杆装置130图示于图15至22中。为简明起见，只是撑杆装置130与图示于图1至14j中的撑杆装置30的差别将在以下予以说明。为简化起见，端部接头44a，44d将不表明在图15至22上。
在此第二实施例中，撑杆装置130包括第一支撑构件132、第二支撑构件134、可张紧组件136和能量消散系统138。
能量消散系统138包括两个设置在端部140a、140b、140c、140d附近的摩擦机构150a、150b。这些摩擦机构150a、150b各自包括装在第二支撑构件134上的支承件160a、160b、160c、160d和装在第一支撑构件132上的延伸件164a、164b。在此实施例中，支承件160c、160d和延伸件164a另外起到各端部接头的作用，用于将装置130安装在外部结构上并将载荷力传递给装置130。
延伸件164a、164b各自包括槽孔166a、166b、166c、166d，其中容放紧固件168，以致将延伸件164a、164b与支承件160a、160b、160c、160d夹紧在一起。槽孔166a、166b、166c、166d和紧固件168以滑动配置方式安装以允许支撑构件132、134之间受限的摩擦作用下的相对移动。
本领域中的技术人员会容易理解，示于此实施例中的能量消散机构可以由另一此前提出的能量消散机构，诸如屈服、粘性、粘弹性，或迟滞机构予以替换。
根据本发明第三实施例的撑杆装置230示于图23中。为简明起见，只是撑杆装置230与示于图1至14j中的撑杆装置30之间的差别将在以下予以说明。
在此说明性实施例中，撑杆装置230包括内支撑构件232，以及位于内支撑构件232的每一侧的两个外支撑构件234、235；可张紧组件236；能量消散系统238；以及导引构件239。
内和外支撑构件232、234、235具有配有各自贴靠表面242a、242b、242c、242d、242e、242f的端部240a、240b、240c、240d、240e、240f。端部240a、240b和240f还配有端部接头244a、244d和244f，它们在此实施例中包括带螺纹的部分245a、245d、245f。
可张紧组件236包括由张紧构件246相互联接的贴靠构件248a、248b。贴靠构件248a、248b处在端部240a、240b、240c、240d、240e、240f附近而张紧构件246相对于内和外构件232、234、235对称地设置，以致利于可张紧组件236中载荷力大体上均匀分布和允许在运作中装置230大体上均匀变形。在此实施例中，张紧构件246设置在外构件234、235以外。
能量消散系统238包括两个摩擦机构250，各自固定地安装于内支撑构件232，并伸展开去与外支撑构件234、235形成摩擦连接。
导引构件239固定地安装于每一张紧构件248a、248b并以导引配合方式与支撑构件232、234、235的不配有端部接头244a、244d、244f的端部240b、240c、240e装在一起。导引构件239一般可滑动地限制和导引支撑构件232、234、235的相对移动。任由选择地，导引构件239可以装在支撑构件232、234和235的外侧。
撑杆装置230以类似于第一实施例所述的方式工作。不过，施加于外支撑构件234、235的载荷力是施加于内支撑构件232的力量的一半，但装置30的有效伸长是一样的，由于两个外支撑构件234、235参与装置230的伸长。
本领域中的技术人员将容易理解，此实施例中所示和所述的能量消散机构可以由另一前述的能量消散机构予以代替，诸如屈服、粘性、粘弹性或迟滞机构。
根据本发明第四实施例的撑杆装置330示于图24中。为简明起见，只是撑杆装置330与示于图23中的撑杆装置230之间的差别将在下面予以说明。
在此实施例中，可张紧组件336的张紧构件346位于外支撑构件334、335里面内支撑构件332的内侧。任由选择地，张紧构件346可以位于外支撑构件334、335的内侧。
本技术领域中的熟练人员将容易理解，示于此实施例中的能量消散机构可以由另一前述的能量消散机构予以代替，诸如屈服、粘性、粘弹性或迟滞机构。
根据本发明第五实施例的撑杆装置430示于图25和26中。为简明起见，只是撑杆装置430与示于图1至14j中的撑杆装置30和示于图15至22中的撑杆装置130两者之间的差别将在下面予以说明。
撑杆装置430在装接部分431a安装于外部结构431。撑杆装置430包括第一支撑构件432、第二支撑构件434、可张紧组件436、熔断装置437和能量消散系统438。
能量消散系统438包括摩擦机构450，它包括延伸件464，带有从装置430伸出的端头部分465，以致可以安装于装接部分431a并借此接受和传递载荷力给装置430。在此实施例中，端头部分465包括四个槽孔467a、467b、467c、467d，构造得和尺寸定得可与熔断装置437配合工作。
熔断装置437包括滑动构件469，配有多个紧固件471。滑动构件469包括连接器473，设计得和尺寸定得以致可与装接部分431a配合工作。
紧固件471以滑动配置方式与槽孔467a、467b、467c、467d安装在一起以允许装置430与装接部分431a之间受限的和在摩擦作用下的相对移动，这通常在某一预定的载荷下出现。
例如，滑动构件469相对于端头部分465的滑动载荷可以调节以出现在某一对应于装置430可以接受的最大变形值的数值下，以致一旦滑动构件469的滑动出现，装置430中的任何附加变形就会出现在滑动构件469与端头部分465之间。此时，没有任何附加变形加在张紧构件446上面。
为了另外使得变形出现在滑动构件469与端头部分465之间，同时将装置430超载和损坏的概率减至最小，能量消散系统438的变形能力可以限于某一预定数值来防止支撑构件432与434之间发生进一步的相对移动。
例如，对于示于此实施例中的摩擦机构450来说，槽孔466a、466b的长度是可以调节的，以致当装置430中达到可以接受的变形数值时，摩擦机构450的紧固件468开始压靠在槽孔466a、466b上，从而对抗装置430中并随之张紧构件446中的任何更大的相对变形。此时通常是，如此前所述，任何附加变形出现在滑动构件469与端头部分465之间。
本领域的技术人员将容易理解，此实施例中所述的熔断装置437也可以通过由另一能量消散机构或其他多个阻隔装置(诸如屈服机构)来代换摩擦机构而在过分变形需求的情况下保护装置来予以采用。其次，此实施例中所述的熔断装置另外可以与任何前述实施例一起使用，而且槽孔的数量、紧固件和连接器的类型和数量可以按照撑杆装置的各项设计要求予以改变。
虽然本发明以上已经借助于其最佳实施例予以说明，但它在不偏离所附权利要求中所确定的本发明的精神和本质的情况下是可以修改的。
权利要求
1.一种撑杆装置，将要安装在承受载荷力的结构的两部分之间以限制因载荷力所致的位移，所述撑杆装置包括固定部分，具有将要安装于结构一部分的第一端部；所述第一端部形成第一贴靠表面而第二端形成第二贴靠表面；可动部分，具有将要安装于结构一部分的第一端部；所述第一端部形成第一贴靠表面而第二端形成第二贴靠表面；可张紧组件，将所述可动部分安装于所述固定部分以致a)所述可动部分第一贴靠表面在固定部分第二贴靠表面附近，以及b)所述固定部分第一贴靠表面在可动部分第二贴靠表面附近；所述可张紧组件包括固定部分第一端部附近的第一贴靠构件和可动部分第一端部附近的第二贴靠构件；所述第一贴靠构件和第二贴靠构件由可调张紧构件相互连接；其中i)当载荷力移动可动部分离开固定部分时，所述第一贴靠构件贴靠固定部分第一贴靠表面和所述第二贴靠构件贴靠可动部分第一贴靠表面，以借此限制可动部分离开固定部分的位移，以及ii)当载荷力推动可动部分朝向固定部分时，所述第一贴靠构件贴靠可动部分第二贴靠表面和所述第二贴靠构件贴靠固定构件第二贴靠表面，以借此限制可动部分朝向固定部分的移动。
2.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述张紧构件是预张紧的。
3.如权利要求2所述的撑杆装置，其中张紧构件是在范围从所述张紧构件的最大允许变形的60％到对应于无预张紧的数值的预张紧水平予以预张紧的。
4.如权利要求3所述的撑杆装置，其中当载荷力克服所述预张紧水平时，所述可动部分相对于所述固定部分移动。
5.如权利要求4所述的撑杆装置，其中当载荷力克服所述预张紧水平以致随着所述装置从静置位置转向过渡位置而附加拉力纳入所述张紧构件时，所述张紧构件伸长，所述附加拉力当载荷力消失时能够使所述装置回复到所述静置位置。
6.如权利要求2所述的撑杆装置，其中所述张紧构件是经由螺帽装接于所述第一和第二贴靠构件的沿纵向伸展的带螺纹构件。
7.如权利要求2所述的撑杆装置，其中所述张紧构件是固定地安装于所述第一和第二贴靠构件的钢筋束。
8.如权利要求2所述的撑杆装置，其中所述张紧构件包括多于一个的相对于所述第一和第二贴靠构件对称定位的张紧构件。
9.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述固定部分和所述可动部分都具有管状主体而所述可动部分位于所述固定部分的内部。
10.如权利要求9所述的撑杆装置，其中所述可动部分与所述固定部分是同心的。
11.如权利要求9所述的撑杆装置，其中所述张紧构件位于所述固定部分内。
12.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述固定部分包括两个定位在所述可动部分每一侧上的固定部分。
13.如权利要求12所述的撑杆装置，其中所述撑杆装置还包括牢固地安装于所述第一贴靠构件和所述第二贴靠构件的导引构件，所述导引构件设置在所述可动部分的所述第二端部和所述固定部分的所述第二端部附近，用于提供对于所述可动部分和所述固定部分的相对移动的导引。
14.如权利要求12所述的撑杆装置，其中所述张紧构件位于所述可动部分内。
15.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述装置还包括将所述固定部分联接于所述可动部分的能量消散系统，所述能量消散系统可以当所述固定部分与所述可动部分之间相对移动时发挥作用以便消散能量。
16.如权利要求15所述的撑杆装置，其中所述能量消散系统包括摩擦机构，它包括牢固地安装于所述固定部分的支承件，以及牢固地安装于所述可动部分并伸向所述支承件以致与所述可动部分形成摩擦接触的延伸件。
17.如权利要求16所述的撑杆装置，其中所述支承件包括槽孔以及其中所述延伸件经由配合所述槽孔的紧固件以夹紧配置方式与所述支承件安装在一起，用于当所述固定部分与所述可动部分之间相对移动时形成所述摩擦接触。
18.如权利要求16所述的撑杆装置，其中所述摩擦机构还包括位于所述支承件与所述延伸件之间的摩擦界面，所述摩擦界面构造和尺寸设计得以致当所述固定部分与所述可动部分相对移动时提供摩擦。
19.如权利要求15所述的撑杆装置，其中所述摩擦机构包括两个摩擦机构，各自位于所述第一端部和第二端部附近。
20.如权利要求19所述的撑杆装置，其中所述延伸件各自包括槽孔，构造和尺寸设计得以致容放将所述延伸件夹紧于所述支承件，每一所述槽孔和紧固件以滑动配置方式安装，用于当所述固定部分和所述可动部分移动时提供所述摩擦件的受限的位移。
21.如权利要求15所述的撑杆装置，其中所述能量消散系统包括屈服机构，所述屈服机构包括安装于所述固定部分和所述可动部分的金属件，所述金属件构造和尺寸设计得以致在由于所述固定部分与所述可动部分之间的相对移动而产生的变形作用下发生屈服。
22.如权利要求15所述的撑杆装置，其中所述能量消散系统包括粘性机构，所述粘性机构包括装放在一个装置之内的粘性流体，此装置安装于所述固定部分和所述可动部分而当所述固定部分与所述可动部分之间相对移动时发生变形。
23.如权利要求15所述的撑杆装置，其中所述能量消散系统包括粘弹机构，所述粘弹机构包括安装于所述固定部分和所述可动部分的粘弹材料，该粘弹材料当所述固定部分与所述可动部分之间相对移动时发生变形。
24.如权利要求15所述的撑杆装置，其中所述能量消散系统包括至少一个消散机构，选自由摩擦机构、屈服机构、粘性机构和粘弹机构组成的一组，粘弹机构当承受载荷力时显现出所述撑杆装置的旗帜形迟滞特性。
25.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述装置还包括从所述第一端部中的至少一个伸出的端部接头和包括滑动件的熔断装置，滑动件安装于所述端部接头和安装于结构两部分之一，所述熔断装置构造和尺寸设计得以致可在大于载荷力的预定滑动载荷下相对于所述端部接头滑动。
26.如权利要求25所述的撑杆装置，其中所述滑动件经由配合在所述端部接头上槽孔之内的紧固件以摩擦结合方式安装于所述端部接头，用于形成所述撑杆装置与结构之间的摩擦作用下滑动。
27.如权利要求25所述的撑杆装置，其中所述端部接头包括延伸件，所述延伸件牢固地安装在所述可动部分上并与牢固地安装于所述固定部分的支承件形成摩擦结合。
28.如权利要求27所述的撑杆装置，其中所述延伸件包括槽孔，所述槽孔将所述支承件经由配合所述槽孔的紧固件夹紧于所述延伸件，以便当所述固定部分与所述可动部分在载荷力作用下发生所述相对运动时产生摩擦。
29.如权利要求28所述的撑杆装置，其中所述预定的滑动载荷在所述固定部分与所述可动部分之间产生最大允许相对移动。
30.如权利要求29所述的撑杆装置，其中所述槽孔具有由对置两边沿限定的长度，而且其中所述固定部分与所述可动部分之间所述的最大允许相对移动对应于压靠在所述槽孔对置两边沿上的所述紧固件。
31.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述固定部分的所述第一端部可滑动地安装于所述第一贴靠构件而所述可动部分的所述第一端部可滑动地安装于所述第二贴靠构件。
32.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述固定部分的所述第一端部和所述可动部分的所述第一端部包括带螺纹的端部接头，用于将所述撑杆装置安装于结构的两部分。
33.如权利要求1所述的撑杆装置，其中所述装置还包括设置在所述固定部分与所述可动部分之间的导引件，用于导引所述固定部分与所述可动部分之间的相对移动。
34.如权利要求33所述的撑杆装置，其中所述导引件包括安装在所述固定部分与所述可动部分之间的吸收件，用于当所述可动部分相对于所述固定部分作相对移动时缓解冲击。
35.一种撑杆装置，可安装在承受载荷力的结构的两部分之间，所述撑杆装置包括a)第一支撑构件，具有可安装于两部分中一个上的第一端部，以及第二端部，各自具有贴靠表面；b)第二支撑构件，具有第三端部和可安装于两部分的另一的第四端部并各自具有贴靠表面，所述第一和第二支撑构件可在静置位置与过渡位置之间可移动地发挥作用，使得i.所述第一端部邻近所述第三端部以致形成第一对邻近端部而所述第二端部邻近所述第四端部以致形成第二对邻近端部；ii.所述第一端部对置于所述第四端部以致形成第一对对置端部而所述第二端部对置于所述第三端部以致形成第二对对置端部；c)可张紧组件，包括所述第一和第二对邻近端部附近的贴靠构件，所述贴靠构件由张紧构件相互连接；因此，所述第一和第二支撑构件在如下情况下是可以分开移动的，即当施加于所述第一对对置端部的载荷力i)张紧所述装置以致所述第一对对置端部的各自贴靠表面贴靠在各自贴靠构件上；ii)压缩所述装置以致所述第二对对置端部的各自贴靠表面贴靠在各自贴靠构件上时；所述张紧构件在载荷力作用下是可以张紧的，以致交替地将所述第一和第二支撑构件从所述静置位置移动到所述过渡位置。
全文摘要
本发明总体涉及一种自对中能量消散撑杆装置。往往需要支撑系统来稳定、加强或加固承受严酷或极端状况的诸如建筑物这样的结构，此撑杆装置可以装设在结构中以消除输入能量并尽量减少与风、地震、冲击或爆炸加在结构上的异常载荷有关的残余变形。此装置将有助于尽量减少结构损伤的自对中特性和能量消散能力整合在一起。
文档编号E04H9/00GK1973098SQ200580013962
公开日2007年5月30日 申请日期2005年3月3日 优先权日2004年3月3日
发明者罗伯特·特伦布莱, 康斯坦丁·克里斯托波洛斯 申请人:蒙特利尔艾科尔工艺技术公司