CN107109841A - 使用屈曲约束支撑的传统的钢筋混凝土抗弯框架的抗震加固 - Google Patents

Abstract

公开了一种方法和设备，用于提供横向支撑，以抵抗在屈曲支撑组件的端部与结构框架接合组件的钢板之间的区域处内部承载钢芯棒的屈曲。通过专门的机械端部支撑提供抵抗在屈曲约束支撑和支撑框架结构之间的过渡区处的屈曲的横向支撑件，机械端部支撑包括多个横向支撑结构，所述多个横向支撑结构被构造为响应于内部承载钢芯棒的轴向变形而可滑动地相互配合。以这种方式，轴向力仅由具有连续横向约束的内部承载钢芯棒承载。

Description

使用屈曲约束支撑的传统的钢筋混凝土抗弯框架的抗震加固

技术领域

本发明涉及结构框架的改进，更具体地涉及用于钢筋混凝土框架建筑物中横向漂移控制，以用于抗震应用的钢支撑。所提出的改进技术也可以被实施为用于钢框架和新构造的主要抗震力系统。

背景技术

现有的无延展性或延展性有限的钢筋混凝土建筑物，诸如在建筑规范的抗震规定提高之前建筑的建筑物，可能会造成重大的风险，例如，当遭遇强烈地震时。这些传统的建筑物主要仅是为了抵抗风和/或重力载荷而设计和建筑的，对抗震要求和设计细节的理解比目前所理解的少。建筑物的易受损的群体包括：住宅、商业场所、学校、医院和其他临界/非临界设施。一般来说，目前的抗震规范要求比1970年代之前的抗震规范要求更全面且更严格得多。换句话说，在大多数现有的较旧的建筑物中，没有实施较新的规范中规定的减少抗震缺陷的延展设计和细节要求。这些缺陷包括缺乏强度、刚度和延展性中的一个或多个参数。因此，世界各地大量的现有建筑物库存缺乏抗震性，并且对生活安全和社会经济福祉具有重大威胁。因此，进行抗震风险消减以及较旧建筑物的加固，以控制横向漂移并且降低抗震变形需求的兴趣与日俱增，特别是在最近的大地震之后。

发明内容

本发明在很大程度上满足了上述需要，其中根据第一个广义的方面，本发明提供了一种设备，该设备包括第一横向支撑结构和第二横向支撑结构，第一横向支撑结构具有第一基部和从第一基部延伸的多个第一纵向构件，第二横向支撑结构具有第二基部和从第二基部延伸的多个第二纵向构件。每个第一纵向构件在多个第二纵向构件的一对第二纵向构件之间可滑动地相互配合，其中，每个第二纵向构件在多个第一纵向构件的一对第一纵向构件之间可滑动地相互配合。第一基部可以包括第一开口，第二基部包括第二开口，第一开口和第二开口被构造为接纳延伸穿过第一开口和第二开口的细长的构件，其中，当细长的构件延伸穿过第一开口和第二开口时，多个第一纵向构件和多个第二纵向构件围绕并且横向地约束细长的构件的移动。

根据第二个广义的方面，本发明提供了一种方法，该方法包括调节纵向组件的第一横向支撑结构与第二横向支撑结构之间的相对轴向关系，从而保持第一横向支撑结构和第二横向支撑结构的纵向组件的轴向对齐与结构上的连续布置，其中，第一横向支撑结构与第二横向支撑结构处于可滑动地相互配合接合。

根据第三个广义的方面，本发明提供了一种设备，该设备包括屈曲约束支撑和联接到屈曲约束支撑的两个横向端部支撑单元，其中，屈曲约束支撑包括延伸穿过横向约束系统的细长的构件。两个横向端部支撑单元中的每个包括第一横向支撑结构和第二横向支撑结构，其中，第一横向支撑结构包括第一基部和从第一基部延伸的多个第一纵向构件，并且其中，第二横向支撑结构包括第二基部和从第二基部延伸的多个第二纵向构件。每个第一纵向构件在多个第二纵向构件中的一对第二纵向构件之间可滑动地相互配合。类似地，每个第二纵向构件在多个第一纵向构件中的一对第一纵向构件之间可滑动地相互配合。第一基部包括第一开口，第二基部包括第二开口，该第一开口和第二开口构造为接纳延伸穿过第一开口和第二开口的细长的构件，其中，当细长的构件延伸穿过第一开口和第二开口时，多个第一纵向构件和多个第二纵向构件围绕并且横向地约束细长的构件的移动。

附图说明

并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的示例性实施例，并且连同上面给出的一般描述和下面给出的详细描述用于解释本发明的特征。

图1是屈曲约束支撑(BRB)组件的屈服芯元件的立体图。

图2是在横向约束构造中包括屈服芯元件的传统的BRB结构的立体图。

图3是包括屈服芯元件和横向支撑壳体单元的传统的BRB结构的侧视图。

图4是并排示出的屈服芯元件和横向支撑壳体的侧视图。

图5是传统的BRB结构的横截面端视图，其示出了用于防止直接支承在传统的BRB构造的外部预留空间和内部预留空间。

图6是根据本发明的一个实施例的示例性BRB组件的横截面侧视图，示出了芯部段以及芯部端的两端处的两个端部元件。

图7是根据本发明的一个实施例的屈曲约束支撑芯部段的横截面视图。

图8是根据本发明的一个实施例的示例性承载芯元件的横截面侧视图。

图9是根据本发明的一个实施例的示例性全螺纹承载芯元件的横截面侧视图。

图10是根据本发明的一个实施例的示例性端部元件的横截面侧视图。

图11是根据本发明的一个实施例的示例性端部元件的一个部段的立体图。

图12是根据本发明的一个实施例的示例性端部元件的横截面轴向视图。

图13是根据本发明的一个实施例的示例性端部元件的横截面主视图。

图14是根据本发明的一个实施例的示例性端部元件的旋转90°的主视横截面视图。

图15是根据本发明的一个实施例的被构造为为延伸穿过其的屈服芯元件提供连续的横向端部支撑的示例性端部元件的主视图像。

图16、图17和图18是根据本发明的一个实施例的BRB连接组件部件的正视图。

图19是根据本发明的一个实施例的测试框架内的BRB组件构造的图示。

具体实施方式

定义

在术语的定义偏离术语的常用含义的情况下，除非另有具体说明，否则申请人意在利用下面提供的定义。

为了本发明的目的，应当注意的是，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”包括提及复数，除非本文提出的上下文清楚地表明。

为了本发明的目的，诸如“顶”、“底”、“上面”、“下面”、“之上”、“之下”、“左”、“右”、“水平”、“竖直”、“上”、“下”等仅仅是为了方便描述本发明的各种实施例而使用的。本发明的实施例可以以各种方式取向。例如，附图中示出的示意图、设备等可以翻转、沿任何方向旋转90度、颠倒等。

为了本发明的目的，如果一个值是通过使用该值、性质或其他因素执行数学计算或逻辑运算而导出的，则该值或性质是基于特定值、性质、满足条件或其他因素的。

为了本发明的目的，术语“压应力”是指由于沿着纵向轴线施加力而产生的物理或机械应力。

为了本发明的目的，术语“压缩变形”是指可以由于压应力的存在而产生的结构变形。

为了本发明的目的，术语“芯基部”是指包括一个或多个中空部段的基部结构，该一个或多个中空部段沿着或平行于其纵向轴线延伸。

为了本发明的目的，术语“铰接件”是指将两个部分保持在一起使得一个部分可以相对于另一个部分移动的接合或弹性装置或结构。移动可以是在二维空间或三维空间中平移或旋转。术语铰接件还可以是指单个连续的材料片，其自身折叠或枢转。术语铰接件还可以指连接两个固体物体仅允许它们之间的有限的旋转角度的装置。铰接件可以由柔性材料或移动部件构成。进一步地，铰接件可以是与其连接的固体物体中的一个或两个的特殊构造的部段，或者它可以是分离的独立组件，然后其附接到所述固体物体。

为了本发明的目的，术语“单独的可移除单元”是指作为包括元件、结构、物体或部件的组件的大型系统的一部分而满足特定功能的特定元件、结构、物体或部件，其中，可以移除特定元件、结构、物体或部件，而不包括系统的结构、操作或功能完整性。

为了本发明的目的，术语“单独的可更换单元”是指作为包括元件、结构、物体或部件的组件的大型系统的一部分而满足特定功能的特定元件、结构、物体或部件，其中可以更换特定的元件、结构、物体或部件，而不包括系统的结构、操作或功能完整性。

为了本发明的目的，术语“横向约束端部元件”是指在元件、单元或物体的端部处提供横向支撑，以防止元件、单元或物体中的任何横向位移的单个或复合结构或系统。

为了本发明的目的，术语“横向约束端部元件”是指在结构的端部处提供横向支撑，以防止结构中的任何横向位移的单个或复合结构或系统。

为了本发明的目的，术语“横向支撑结构”是指为另一结构、元件或物体提供横向支撑的结构、元件或物体。

为了本发明的目的，术语“横向支撑结构”和术语“端部元件”可互换使用。

为了本发明的目的，术语“横向支撑件”是指围绕物体的外周设置的，以防止或限制物体沿横向方向的移动、位移或变形的物理或机械支撑件。

为了本发明的目的，术语“横向”或“横向地”是指垂直于纵向方向的线、轴线或方向，其在结构或装置的平面内。

为了本发明的目的，术语“横向受约束”是指沿横向方向的移动、位移或变形被限制或抑制的情况、状态或性质，例如被相对于横向受约束的物体横向地设置的另一个结构限制或抑制。

为了本发明的目的，术语“纵向间隙”是指在两个以上的结构之间沿着纵向轴线存在的间隙。纵向间隙可以被另一个结构占据，或者可以留作空隙。

为了本发明的目的，术语“纵向构件”是指主要沿纵向方向远离其起始基部或位置延伸的结构。

为了本发明的目的，术语“铰接端连接”是指两个或更多个结构之间的连接，其通过将两个或更多个结构彼此重叠的部分例如通过螺栓固定在合适的位置而进行，由此在两个或更多个结构之间形成铰接连接。

为了本发明的目的，术语“相对可滑动的相互配合结构”是指被构造为相对于彼此可滑动地配合接合的结构，例如具有被布置为和成形为以配合到具有类似结构特征的另一个结构的互补的缺口部分的结构特征，反之亦然。

为了本发明的目的，术语“可滑动的相互配合接合”是指这样的情况、构造或布置，其中两个或更多个结构之间的相互作用涉及结构特征从一个结构滑动到可以存在于另一个结构的多个结构特征中或存在于另一个结构的多个结构特征之间的互补的空隙或缺口部分中，反之亦然。

为了本发明的目的，术语“可滑动的相互配合结构”可互换地称为“横向支撑结构”或“横向支撑元件”。

为了本发明的目的，术语“拉伸变形”是指由拉力的存在、运用或施加而导致的结构变形。

为了本发明的目的，术语“拉力”是指在本体的一端或两端处沿着其纵向长度牵拉的拉伸力或载荷。拉伸力施加到材料、结构或本体，其远离其所施加的表面作用。换句话说，它的作用是将材料或物体拉开。

为了本发明的目的，术语“拉伸”是指在张力下或施加拉伸力的状态或情况。

为了本发明的目的，术语“张力”是指倾向于引起本体延伸的单轴力或本体内的抵抗延伸的平衡力。

对于本发明的目的，术语“在结构上连续布置”是指两个或更多个结构之间的轴向布置，其中在该布置中，在两个或更多个结构之间不存在一个或多个横截面间隙或纵向间隙，即，任一结构起始于另一个结构沿着该布置的轴线终止的点处，或者在两个或更多个结构之间沿着共同的轴线存在结构重叠，使得沿着该布置的轴线从第一结构起始的点处直到最后一个结构终止的点处具有结构连续性。

描述

虽然参考某些实施例公开了本发明，但是在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围和范畴的情况下，可以对所描述的实施例进行许多修改、变更和改变。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，而是具有由所附权利要求的语言及其等同物限定的全部范围。应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构改变。

在已经实施以改进现有建筑物的许多有效的改进技术中，本发明考虑使用钢支撑。特别地，相对于传统的支撑，使用钢屈曲约束支撑(BRB)，以改进缺乏抗震性的钢筋混凝土框架建筑物已经示出了出众的抗震性能效果和希望。

屈曲约束支撑被认为是一种相对新型的抗震力系统。传统的支撑受到压力和拉力二者，并且由不同的型钢组成，型钢被设计成避免在拉应力下断裂以及在压缩下屈曲。这些支撑的屈曲是承载构件的长度直径比的函数，该长度直径比是有效长度与截面的最小回转半径的比率。因此，通常规定较大的横截面面积，以避免在压缩中的屈曲失效以及随后损坏框架结构的完整性。为了克服这些挑战，发展了屈曲约束的理念。

屈曲约束的主要理念是将主屈服钢芯的抗逆性与由横向套筒提供的屈曲抗力分离。压缩负载元件的横向支撑提供了横向约束，抵抗沿着负载芯部的支撑长度的屈曲，留下了在压缩载荷下容易屈曲的未受约束的部段。通过BRB改进的框架示出了失效主要发生在外部预留间隙和内部预留间隙中，该外部预留间隙和内部预留间隙是系统的一部分，并且被构造为以规避负载元件或框架连接组件的任何部分直接支承在BRB的横向约束结构上。换句话说，支撑屈服部段在这些间隙内是不受约束的，但是具有较大的横截面面积，以用作加强件。因此，这些部段在屈曲中容易失效。由于平面内和平面外的弯矩，钢芯端部处的失效是一个经常报道的现象。

考虑到支撑的安装方便和相关的附带成本，BRB主要由专业公司和供应商预先制造和安装，而不是在施工现场就地建筑。这导致设计、开发、材料、运输、安装和质量控制工艺的额外成本。此外，在大地震后，需要检查和评估这些商业支撑的可靠性。如果需要更换，则必须更换整个支撑(即钢芯和约束系统)，因为它们一体地铸造为一个单元。

本发明的选定实施例针对解决当前BRB的上述缺点，包括由于预留间隙的存在，支撑的不受约束的部段的易损性。因此，根据本发明的一个方面，公开了一种使用屈曲约束支撑实现有效改进技术的设备和方法。

本发明的实施例公开了一种用于屈曲约束支撑组件的新设计理念，该屈曲约束支撑组件也提高了在制定现代建筑规范之前根据先前最先进的实践建筑的现有的、修复的和/或处于原始状态的钢筋混凝土结构。根据本发明的另一方面，公开了一种用于增强用于提高缺乏抗震性的钢筋混凝土框架建筑物的钢屈曲约束支撑(BRB)的性能的方法和设备。所提出的支撑也可以被实施为新构造中的主要抗震力系统。因此，所公开的实施例提供了一种设计理念，其基于通过专门设计的机械端部支撑来约束屈服芯棒的整个长度。这消除了使屈服芯易于屈曲的任何不受支撑的间隙。此外，所公开的BRB结构的实施例可以就地组装，诸如在施工现场。此外，根据本发明的另一个实施例，如果在大地震之后需要更换，则只需要更换屈曲芯部，而不是整个支撑系统，使得所公开的示例性抗震改进技术在结构稳健并且在经济上可行。

图1示出了传统的屈服芯棒100，该屈服芯棒包括上端104和下端106。非粘接材料108覆盖屈服芯棒100的主体区域110。屈服芯棒100具有四个矩形臂112、114、116和118，该四个矩形壁延伸屈服芯棒100的长度并且具有相同的尺寸。矩形臂112相对于矩形臂114和118成90°的角度，矩形臂114相对于矩形臂112和116成90°的角度，矩形臂116相对于矩形臂114和118成90°的角度，使得由韧性钢制成的屈服芯棒100具有十字形横截面。

图2示出了传统的屈曲约束支撑(BRB)结构200，其包括横向支撑结构204，屈服芯棒100安装在该横向支撑结构中。横向支撑结构204可以由混凝土、钢、复合材料或用于在结构框架内实施的任何其他合适的材料制成。当屈服芯棒100横向地变形时，横向支撑结构204为屈服芯棒100提供横向刚性，使得屈服芯棒在压缩以及张力下非弹性地屈服。屈服芯棒100上的非粘接材料108确保了轴向力仅被屈服芯棒100抵抗。非粘接材料108防止屈服芯棒100与横向支撑结构204之间的粘接，使得不会将轴向载荷传递到横向支撑结构204。填充材料205(其可以包括诸如砂浆、混凝土等的材料)设置在非粘接材料108与横向支撑结构204的外套筒206之间。填充材料205提供额外的抗屈曲性。BRB结构200可以看作在张力和压应力情况下分散大量和类似能量的阻尼器。

图3和图4示出了另一种传统的BRB结构300和包括该BRB结构的元件。BRB 300包括安装在套筒306内侧的屈服芯元件304。屈服芯元件304是负载部件，并且通常由钢制成。套筒306是用作屈曲约束系统的中空钢套筒。填充材料308(由套筒306内侧的虚线表示)占据在套筒306与屈服芯元件304之间的中空空间，从而为屈服芯元件304提供额外的横向约束。屈服芯元件304具有受约束的屈服部分312，两个受约束的非屈服过渡部分314以及两个不受约束的非屈服部分316。每个不受约束的非屈服部分316包括两个臂318，在该两个臂之间存在间隙320。

受约束的屈服部分312被周围的填充材料308和套筒306横向约束。受约束的非屈服过渡部分314形成受约束的屈服部分312的端部延伸部，其位于套筒306内侧并且具有较大的横截面，以确保弹性行为。每个不受约束的非屈服部分316是受约束的非屈服过渡部分314的延伸部，其延伸经过套筒306的端部322。每个不受约束的非屈服部分316为BRB 300提供与采用BRB300的结构框架的连接点。在钢结构中，连接可以经由螺栓连接或焊接操作进行。

图3和图4中示出的屈服芯元件(棒)可以具有施加到每个受约束的屈服部分的非粘接绝缘体，以提供间隙，从而防止或最小化传递到周围填充材料和套筒的摩擦力。非粘接绝缘体可以由诸如Styrofoam^TM、硅橡胶片、油脂、乙烯基片、胶带、沥青涂料、气隙等材料组成。当采用气隙时，气隙的尺寸基于在BRB受到压应力时屈服钢芯部段中的最大应变和预期的横向变形。屈服钢芯在弹性和塑性范围内的泊松比可用于评估这些横向变形。

通常，BRB组件通过负载元件连接到框架建筑，负载元件包括受约束的屈服钢部段。支撑框架结构与横向约束系统之间没有连接。这意味着当BRB受到压应力时，负载元件将被缩短，而对负载元件提供横向约束的周围套筒的长度保持恒定。因此，外部预留间隙和内部预留间隙用于防止负载元件或框架连接组件的任何部分直接支承在横向约束系统上。

图5示出了传统的BRB组件500的端部，BRB组件包括用作负载元件的屈服芯棒502和用于向屈服芯棒502提供横向约束的横向约束系统503。横向约束系统503可以包括中空套筒504和占据中空套筒504与屈服芯棒502之间的空间的填充材料505。屈服芯棒502的受约束的非屈服区段506可以包括设置在屈服芯棒502与填充材料505之间的内部预留间隙507、508和510。当屈服芯棒502经历轴向压缩时，内部预留间隙可以规避屈服芯棒502直接抵靠填充材料505。内部预留间隙507、508和510可以进一步包含非粘接材料512。屈服芯棒502的不受约束的非屈服部段516可以包括外部间隙520，该外部间隙物理上分离横向约束系统503的端部522与支撑接合件524，该支撑接合件可以形成框架连接组件的一部分。外部间隙520防止在屈服芯棒502由于压缩载荷而经历轴向变形时，支撑接合件524或框架连接组件的任何其他部分直接抵靠横向约束系统503。

因此，如图5所示，外部间隙的存在导致相对于BRB组件的长度较短的套筒长度。芯棒的端部在外部间隙内不受约束，因此容易屈曲。为了防止在钢芯端部处由于平面内和平面外的屈曲而失效，在这些芯部段处可能需要适当的加强。相比之下，如果没有设置间隙，或者如果间隙设置不足，则载荷将支承在横向支撑结构上，并且支撑可能在其中间长度处经历过早的屈曲失效。

根据本发明的一个实施例，示例性改进方法包括能够执行高达负载元件的全压缩和拉伸能力的单个对角屈曲约束支撑。本发明的选定实施例采用支撑，该支撑待连接到框架接合件附近的梁和柱周围的钢接合件。在拉伸和压缩下的屈服产生了在反向循环加载期间具有大致相同的横向强度、刚度和能量耗散能力的系统

如前所述地，为了防止负载元件直接支承抵靠BRB组件的横向支撑部件，在BRB的每个端部处在横向支撑部件与支撑接合件之间设置了外部间隙，支撑接合件诸如例如角撑板或机械铰接件或任何其他连接零件。这些间隙用于当屈服芯在压缩载荷下轴向变形时防止支撑接合构件与横向支撑结构之间的任何物理联接，使得没有载荷支承抵靠在横向支撑结构上。然而，承载或负载芯元件(即，屈服钢芯棒)在这些间隙内是不受约束的，因此这些部段容易屈曲。由于平面内和平面外的弯曲，在钢芯端部处的局部屈曲失效是BRB系统屈曲失效的主要原因之一。因此，这些区域是需要如本发明最佳地提供的改进的关键设计区域。

图6示出了根据本发明的一个实施例的准备安装的BRB组件600的横截面侧视图。准备安装的BRB组件600具有示例性BRB组件602(不具有端部铰接件610)的特征，BRB组件602包括芯部段604和横向端部支撑单元606，用于在芯部段604与框架连接点(即，端部铰接件610)处的支撑框架构件(即，基板608)之间提供过渡机构，框架连接点包括承载芯元件612的横向不受约束的长度613。BRB 602通过承载芯元件612在每端处连接到例如端部铰接件610的基板608。横向端部支撑单元606包括两个横向支撑结构614和616，可互换地称为端部元件614和616。横向支撑结构614和616构造为沿着共同的轴线在结构上连续的布置中可滑动的互相配合接合。此外，横向支撑结构或端部元件614和616同轴地布置在承载芯元件612上。间隙618提供用于端部元件614与616(彼此可互相滑动)之间的不受约束的相对轴向移动的通道。这使得承载芯元件612能够不受约束的轴向变形。端部元件614和616(彼此可互相滑动)从芯部段604的端部直到基板608沿着承载芯元件612的整个不受约束的长度613提供连续的横向支撑。横向端部支撑单元606被实施为在BRB的每端处，在基板608(框架接合件)与外套筒621的顶表面620之间提供外部间隙619。外部间隙619允许框架结构的变形而不受BRB的结构部件的干扰。基板608与外套筒621的顶面620之间(即，横向端部支撑单元606延伸经过BRB 602的外套筒621，以连接到框架接合件的地方)的外部间隙619允许承载芯元件612的轴向变形，而不受BRB的结构部件的干扰。承载芯元件612的端部622可以延伸超过基板608，以便于承载芯元件612附接到例如端部铰接件610的基板608。

在传统的BRB组件中，传统的屈服芯棒被设计为承受损坏，以防止对框架结构的灾难性破坏(诸如在地震事件期间)。在以其他方式防止在安装有传统的屈服芯棒的规定位置处对结构造成的损坏时，上述屈服芯棒的部件(例如，屈服芯棒502的受约束的非屈服部分506)可以变成永久地楔入，诸如横向支撑结构内。否则，这种灾难将使得屈服芯棒502几乎和实际上不可能从BRB组件移除。因此，需要更换整个BRB组件，以使框架结构在此位置处为将来的地震或其他灾难性事件恢复适当的支撑和完整性。

相比之下，所公开的发明的优点在新颖的BRB组件内提供了改进的屈服芯棒设计。所公开的BRB组件602的改进为承载芯元件612提供了连续的屈曲约束，而不采用承载芯元件612的改变的结构或专门设计，否则可能在地震事件之后禁止独立更换。例如，与传统的屈服芯棒设计不同，承载芯元件612消除了在地震事件发生之后，禁止承载芯元件612的移除/更换的额外的结构特征。

图7示出了芯部段604的横截面视图。芯部段604包括设置在填充材料714内的承载芯元件612。填充材料714可以横贯芯部段604的长度。承载芯元件612与填充材料714一起可插入钢管718内侧。钢管718可以由填充材料720(例如，高流动性水泥基混凝土)和外套筒621(也被称为中空部段套筒或HSS)包住。可以在一侧的填充材料714与另一侧的钢管718之间形成间隙724，以允许承载芯元件612在压缩中膨胀，并且最小化或消除承载芯元件612与周围填料720和外套筒621之间的轴向力的传递。

图8示出了示例性承载芯元件802的横截面侧视图800。为了具有受控的屈服部段，承载芯元件802可以分别具有在芯部段604中沿着长度804的面积减小的棒部段803和沿着长度807和808(即，在每个端部处通过端部支撑件606)的面积未减小的棒部段805和806。面积减小的棒部段803可以在芯部部段604中沿着长度804被填充材料714围绕。面积未减小的棒部段805可以包括螺纹部段811和无螺纹部段812。类似地，面积未减小的棒部段806可以包括螺纹部段814和无螺纹部段816。面积未减小的棒部段805和806的螺纹部段811和814可以横贯承载芯元件802的部段622、608和619。在示例性的承载芯元件802中，沿着芯部段604延伸的面积减小的棒部段803的面积减小可以例如通过从承载芯元件802的外表面剃去(加工)一些钢来实现。

图9中示出了示例性全螺纹承载芯元件902的横截面侧视图900。类似于示例性承载芯元件802，全螺纹承载芯元件902可以分别具有在芯部段604中沿着长度904的面积减小的棒部段903和沿着长度907和908的面积未减小的棒部段905和906(即通过每端处的端部支撑件606)。面积减小的棒部段903可以在芯部段604中沿着长度904被填充材料714围绕。全螺纹承载芯元件902的面积未减小的棒部段905和906可以横贯全螺纹承载芯元件802的部段622、608和606。在示例性的全螺纹承载芯元件902中，面积减小的棒部段803的面积减小可以通过相对于面积未减小的棒部段805和806中的螺纹812增加面积减小的棒部段803中的螺纹810的螺纹深度来实现。

环氧树脂和沙子或棒螺纹可以用作绕承载芯元件612的填充物714。环氧树脂和沙子或棒螺纹(.epoxy and sand or bar threading)。

根据本发明的一个实施例，填充材料714可以包括绕承载芯元件的面积减小的棒部段设置的环氧树脂组合物。在本发明的一些实施例中，填充材料714可以包括基于沙子的填充材料。其他实施例可以包括环氧树脂和沙子的组合物作为填充材料714。在本发明的替代实施例中，承载芯元件(诸如例如全螺纹承载芯元件902)的面积减小的棒部段中的螺纹的外表面可以用作填充材料714。

根据一个设计的实施例，承载芯元件612在端部支撑单元606(面积未减小的棒部段)处的直径可以大约为44.5mm，并且在芯部段604(面积减小的棒部段)处的直径可以大约为31.8mm。两个区域606和604的棒直径之间的差可以通过填充材料714(即，如果棒是被加工的，则为环氧树脂和/或沙子，或者如果棒是带螺纹的，则是棒螺纹)来填充。然后，承载芯元件612可以插入钢管718内侧。在一个公开的构造中，钢管718被设计为内径大约为46.5mm。在承载芯元件612和填充物714插入钢管718内时，在承载芯元件612与钢管718之间形成大约为1mm左右的间隙724。

根据一个实施例，根据承载芯元件的材料性质，间隙724基于承载芯元件的最大期望纵向应变以及分别在弹性和非弹性范围内的大约0.3和0.5的泊松比。在框架的大约3％的横向漂移下，棒横向应变预期为约0.3εy+0.5×14.5εy，导致对应于大约0.7mm的横向膨胀的大约1.51％的总横向应变。可以选择间隙724，以考虑在芯部段604内的承载芯元件612中的稍大的应变。

一些公开的实施例提供了高流动性水泥基混凝土，例如Sikacrete-08SCC(自固结混凝土)，以用作钢管718和外部钢套筒621之间的填充材料720。外部钢套筒621被设计为具有足够的挠曲强度，其超过了受约束的屈服芯的屈服强度。HSS部段的抗屈挠曲强度足以提供相对于受约束的芯的极限强度的抗压强度的安全系数。

根据本发明的选定实施例，图10、图11、图12、图13、图14和图15中进一步公开了横向端部支撑单元606的结构细节和机械操作。参考图6和图10，横向端部支撑单元606通过使用端部元件614和616(表示为可滑动的互相配合的结构)来实施。第一端部元件614可以通过使用例如四个外周螺钉1000连接到框架连接组件的端部铰接件610的基板608。第二端部元件616可以通过例如四个外周螺钉1001连接到屈曲约束芯部段604的端部附近的外套筒621，如图6和10所示。第一端部元件614和第二端部元件616可以被配置为彼此可滑动地互相配合接合，以例如形成互锁区1002。

参考图6、图10、图11和图12，端部元件614和616(可滑动的互相配合结构)都分别包括芯基部1003和1010。端部元件614进一步可以包括沿着纵向轴线远离芯基部614延伸的多个周向设置的纵向构件1104、1106和1108。端部元件616进一步可以包括沿着纵向轴线远离芯基部616延伸的多个周向设置的纵向构件1112、1114和11161。纵向构件1104、1106、1108可以以这样的方式远离芯基部分614轴向地延伸：使得横向地约束延伸穿过芯基部616的芯开口的细长的构件(诸如，例如，承载芯元件612)的移动。纵向构件1112、1114、1116可以以这样的方式远离芯基部616轴向地延伸：使得横向地约束延伸穿过芯基部616的芯开口的细长的构件(诸如，例如，承载芯元件612)的移动。细长的构件(例如，承载芯元件612)沿着端部元件614和616的整个长度被横向地约束。端部元件614的整个长度包括穿过芯基部1003的纵向长度以及纵向构件1104、1106和1108的长度。端部元件616的整个长度包括穿过芯基部1010的纵向长度和纵向构件1112、1114和1116的长度。

通过端部元件614的纵向构件1104、1106和1108和端部元件616的纵向构件1112、1114和1116的重叠交叉布置，在互锁区1117中形成横向封闭的结构布置(图11所示)，防止在承载芯元件612处于张力下时，两个端部元件614和616分离(即，使相应的纵向构件移出重叠布置)。这将防止在横向端部支撑单元606的构造内形成任何未被横向地支撑的区域(例如见图6)。

参考图10、图11和图12，具有圆柱形基部1003和从圆柱形基部1003延伸的三个纵向构件1104、1106和1108的端部元件614可以被构造为与具有圆柱形基部1010和从圆柱形基部1010延伸的三个纵向构件1112、1114和1116的端部元件116可滑动地互相配合接合。

如图10、图11、图12、图13和图14所示，纵向构件1104、1106和1108从第一端部元件614的圆柱形基部1003延伸。纵向构件1112、1114和1116从第二端部元件616的圆柱形基部1010延伸。在一个公开的实施例中，上述纵向构件具有相应的内表面，其可以被构造为使得当第一端部元件的每个纵向构件在第二端部元件的一对纵向构件之间(即，在第二端部元件的互补的缺口部分内)可滑动地相互配合并且第二端部元件的每个纵向构件在第一端部元件的一对纵向构件之间(即，在第一端部元件的互补的缺口部分内)可滑动地相互配合时，相应的内表面一起形成了圆柱形内表面。

用作改进的屈服芯棒，承载芯元件612被构造为具有规定的直径和等级，并且延伸穿过屈曲约束芯部段604和包括端部元件614和616的横向端部支撑单元606。横向端部支撑单元606消除了任何可能使屈服芯棒易于屈曲的不受支撑的间隙。因此，横向端部支撑单元606与屈曲约束芯部段604一起为承载芯元件612的整个长度提供横向约束。可以采用许多附接构造中的一个来固定承载芯元件612。例如，承载芯元件612可以在其端部带有螺纹并且通过例如螺母1018被螺栓连接，以在BRB602的每侧接合基板608。横向端部支撑单元606可以被构造为允许两个端部元件614和616沿着轴向方向跨过外部间隙619和间隙618不受约束的相对平移移动。外部间隙619和间隙618可以被设计为分别适应压缩轴向变形和拉伸轴向变形，这在结构框架目标极限漂移时可能是需要的。因此，为承载芯元件612提供了沿着其整个长度和横向端部支撑单元606内的连续的横向约束。照此，横向端部支撑单元606在功能上用作可压缩的横向支撑结构，其防止横向位移，同时允许穿过其延伸的细长的构件(例如，承载芯元件612)的双向轴向位移。

图13和图14示出了用于屈曲约束支撑组件中的承载芯元件612的横向端部支撑单元606的横截面侧视图1300和90°旋转的横截面侧视图1400。图15示出了横向端部支撑单元606的正面拍摄图像1500，其示出了当承载芯元件612处于张力和/或压缩下时准备发生的连续横向约束机构。如从图13、图14和图15中进一步观察到的，每个横向端部支撑单元包括分别包括两个可互相滑动的结构，即端部元件614和616，每个包括圆柱形芯基部(也被称为芯端部部段)1003和1010。根据本发明的一个实施例，如图10、图11、图12、图13、图14和图15所示，示例性构造可以包括与端部元件614相关联的三个纵向构件1104、1106和1108，其可以相对于与端部元件616相关联的三个纵向构件1112、1114和1116偏移。偏移可以是以这样的方式实施的轴向偏移或旋转偏移：使得允许第一端部元件614的纵向构件1104、1106和1108和第二端部元件616的纵向构件1112、1114和1116滑过彼此并且处于彼此之之间，从而形成图11和图12的示例性构造中所示的封闭的中空芯部段。

参考图6、图10、图11、图12和图15，为了使摩擦力最小化，可以在互相滑动的端部元件614的纵向构件1104、1106和1108与端部元件616的纵向构件1112、1114和1116之间保持间隙1202。参考图12，在横向端部支撑单元606(图12中未示出)和外套筒621之间进一步可以具有间隙1204。通过润滑互锁区1002中的所述纵向构件之间的间隙1202和横向端部支撑单元606与外套筒621之间的间隙1204，可以进一步减小摩擦，以进一步便于端部元件614和616的自由的相对平移移动。在选定的实施例中，间隙1202大约为5mm，间隙1204大约为1mm左右。所公开的实施例还提供了能够沿着共同的纵向轴线自由地相对平移移动的从端部元件614的圆柱形芯端部1003延伸的纵向构件1104、1106、1108以及从端部元件616的圆柱形芯端部1010延伸的纵向构件1112、1114、1116。纵向构件1104、1106、1108、1112、1114、1116还可以被配置为每个的长度大约140mm。

参考图10、图11和图15，横向受约束区1502可以被分成三个过渡区，包括在横向受约束区1502中的一个上的间隙1504(其中横向支撑件由从端部元件614延伸的三个实心纵向构件1104、1106和1108提供)，在横向受约束区1502的另一端上的间隙1506(其中横向支撑件由从端部元件166延伸的三个实心纵向构件1112、1114和1116提供)，以及互锁区1002，互锁区1002在横向受约束区-1302(其中横向支撑件由来自两个互相可滑动的端部元件614和616的纵向构件的交错布置提供)的中间。在BRB装载之前，承载芯元件612跨过间隙1504和1506被来自一个端部的三个纵向构件1104、1106和1108以及来自另一个端部的三个纵向构件1112、1114和1116横向地约束，其中一个端部和另一个端部的每个纵向构件分别从端部元件614和616延伸。在互锁区1002内，承载芯元件612被来自端部元件614和616的纵向构件的相互配合的布置横向地约束。因此，根据根据本发明的实施例设计的机构，承载芯元件612在其整个长度上，即从接合件到接合件，被完全地约束抵抗屈曲，。

在公开的实施例中，在圆柱形芯基部1003和1010(分别与端部元件614和616相关联)之间的横向受约束区1302大约为200mm长。该部段可以被分成三个部段。顶部部段和底部部段对应于允许响应于承载芯元件612的压缩(当芯部受到压缩时)的轴向变形的间隙1504和1506。对应于间隙1504和1506的顶部部段和底部部段均大约为60mm。长度大约为80mm的中间部段对应于互锁区1002，并且用于防止在承载芯部元件612处于张力下时，横向端部支撑单元606的两个端部元件614和616分离(即，在其结构布置中形成纵向间隙)。

在一个公开的实施例中，圆柱形芯基部1003的厚度大约为60mm，设置在中空钢套筒6121内侧。圆柱形芯基部1010可以通过保持结构在芯部段604的端部处固定到外套筒621，保持结构诸如例如四个用于接合螺钉孔位置1508的外周螺钉1001。圆柱形芯基部1003的厚度可以大约为170mm，通过另一个保持结构连接到框架连接组件的厚的接合钢板608，另一个保持结构诸如例如四个用于接合螺钉孔位置1510的外周螺钉1000(图10中示出)。

根据本发明的一个实施例，部件的长度基于框架在大约3％的横向漂移时的几何形状。在一个实施例中，屈服芯的规定长度在芯部段604处大约为1565mm；在横向端部支撑单元606处大约为430mm；并且钢板-608的厚度大约为57mm。在该漂移下，承载芯元件612的长度(在其基于BRB组件602的整个长度上)的预测伸长为大约70.5mm(每个支撑端部为35.3mm)，对应于大约2.9％的全局棒应变，其大约为棒屈服应变εy的14.5倍，棒屈服应变εy约为0.2％。

在另一个公开的实施例中，端部元件614和616包括内径大约为46.5mm并且外径大约为150mm的圆柱形芯基部。端部元件可以被构造为容纳大约60mm的拉伸和压缩轴向变形的间隙。根据本发明的所描述的实施例，横向端部支撑单元606可以插入到BRB组件604的钢套筒621内侧，以在BRB组件的每个端部处在套筒621的顶表面620与框架连接组件的基板608之间形成大约60mm的纵向间隙。然而，对于典型的框架建筑物，其他实施例可以产生大约在50mm至100mm的范围内的纵向间隙。

图16、图17和18图示了根据本发明的一个实施例的用于将BRB联接到框架结构的示例性机械钢铰接件1600的主要部件和组装结构。示例性机械钢铰接件1600包括分别如图14和图15所示的两个铰接部分1602和1604。直径大约为44.5mm的单个高强度螺栓1606可以用于将两个铰接部分1602和1604附接在一起，以形成如图16所图示的铰接端连接1608。铰接端连接1608的目的是消除在负载芯棒1610的端部处的副力矩。铰接部分1602可以包括将承载芯元件(钢芯屈服棒)1610固定在两端的厚的钢板1612。厚度大约为25.4mm的两块板1614可以焊接到厚度大约为57.2mm的端板1612上。板可以用直径大约为44.5mm的螺栓孔1616制成，以连接到连接组件的铰接部分1604，该连接组件又连接到混凝土框架。连接两个铰接部分1602和1604的连接螺栓1606提供铰接机构，从而确保了在承载芯棒1610上施加同心力。为了提供足够的空间来固定钢芯屈服钢棒1610的螺母1620的目的，可以在两个钢板1614中设置大约为127mm×254mm的矩形缺口1618。铰接端连接1608的铰接部分1604可以包括厚度大约为50.8mm的钢板1622，钢板可以包括直径大约为44.5mm的螺栓孔1624，以与铰接部分1602连接。钢板1622可以焊接到端板1626。

图19中示出了一个示例性BRB构造1900。在示例性构造1900中，钢支撑1902相对于地基水平1904成大约41度的角度对角地放置。BRB1902包括芯部段1903(长度大约为1565mm)和联接到芯部段的相对端的两个横向端部支撑单元606，芯部段包括传统的屈曲约束支撑。横向端部支撑单元606(长度大约为430mm)允许负载芯元件612的不受约束的轴向变形。大约2425mm的总支撑长度包括芯部段和在芯部段的每端的两个横向端部支撑单元。可以组装BRB，然后通过例如如图19所示将螺母1620紧固在负载芯元件612的螺纹端1906上而将BRB连接到连接组件1608的铰接部分1602。此后，支撑可以被插入框架1907中，并通过螺栓1606(穿过螺栓孔1616)固定到连接件1608的铰接部分1604。铰接部分1604可以焊接到钢支承组件1908上，该钢支承组件又连接到框架的接合件。两个弹簧1909和1910可以在下部横向端部支撑单元606区域和端部铰接件610的基板608处紧固在外套筒621的相对侧之间，以便保持外部间隙619。如图17所示，两个附加的大约为254mm×254mm×13mm的HSS1911和1912可以被放置在框架1907的外表面上。

已经详细描述了本发明的许多实施例，明显的是，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行修改和变型。此外，应当理解的是，虽然图示了本发明的许多实施例，但是本公开内容的所有实施例作为非限制性实施例提供，因此不被认为限制所图示的各个方面。

Claims (39)

1.一种设备，包括：

第一横向支撑结构，所述第一横向支撑结构包括第一基部和从所述第一基部延伸的多个第一纵向构件；以及

第二横向支撑结构，所述第二横向支撑结构包括第二基部和从所述第二基部延伸的多个第二纵向构件，

其中，每个第一纵向构件在所述多个第二纵向构件的一对第二纵向构件之间可滑动地相互配合，

其中，每个第二纵向构件在所述多个第一纵向构件的一对第一纵向构件之间可滑动地相互配合，

其中，所述第一基部包括第一开口，所述第二基部包括第二开口，所述第一开口和所述第二开口被构造为接纳延伸穿过所述第一开口和所述第二开口的细长的构件，

其中，当所述细长的构件延伸穿过所述第一开口和所述第二开口时，所述多个第一纵向构件和所述多个第二纵向构件围绕并且横向地约束所述细长的构件的移动。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备被构造为使得从所述第一横向支撑结构的第一基部延伸的所述多个第一纵向构件部分地延伸经过从所述第二横向支撑结构的第二基部延伸的所述多个第二纵向构件。

3.根据权利要求1所述的设备，其中当每个第一纵向构件可滑动地互相配合在一对第二纵向构件之间时，在每个第一纵向构件与每个第二纵向构件之间构造有间隙。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述间隙使摩擦力最小化并且允许所述多个第一纵向构件与所述多个第二纵向构件之间的自由的相对平移移动。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一横向支撑结构的所述多个纵向构件和所述第二横向支撑结构的所述多个纵向构件均包括三个纵向构件。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一开口是圆柱形的，其中，所述第二开口是圆柱形的，并且其中所述多个第一纵向构件和所述多个第二纵向构件具有内表面，所述内表面一起形成了圆柱形内表面。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述细长的构件包括承载芯元件。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述承载芯元件能够独立于所述设备移除。

9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述承载芯元件能够独立于所述设备更换。

10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述承载芯元件在屈曲约束支撑组件的每端处联接到铰接件，用于确保所述承载芯元件上的同心力。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一横向支撑结构在所述屈曲约束支撑组件的每端处为所述铰接件提供了纵向间隙，以允许当所述承载芯元件受到压缩时轴向变形。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述纵向间隙大约是50mm至100mm。

13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述铰接件包括第一铰接部和第二铰接部，其中，所述第一铰接部联接到所述承载芯元件，并且其中，所述第二铰接部联接到框架接合件。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述承载芯元件在每端带有螺纹，并且在所述屈曲约束支撑组件的每端处连接到所述第一铰接部。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一铰接部和所述第二铰接部通过螺栓联接在一起，以形成铰接端连接。

16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述螺栓提供了铰接机构，用于确保所述承载芯元件上的同心力。

17.一种方法，包括：

调节纵向组件的第一横向支撑结构与第二横向支撑结构之间的相对轴向关系，从而保持所述第一横向支撑结构与所述第二横向支撑结构的纵向组件对齐与结构上的连续布置，其中，所述第一横向支撑结构处于与所述第二横向支撑结构可滑动地相互配合接合。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一横向支撑结构和所述第二横向支撑结构同轴地布置在屈曲约束支撑组件中的承载芯元件的端部上。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一横向支撑结构在框架连接点处联接到所述承载芯元件的端部，并且构造为与联接到所述屈曲约束支撑的第二横向支撑结构互相配合接合。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一横向支撑结构和所述第二横向支撑结构包括芯基部，所述芯基部具有轴向远离所述芯基部延伸的多个周向设置的纵向构件。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一横向支撑结构和所述第二横向支撑结构之间之间的相对旋转偏移便于所述第一横向支撑结构和所述第二横向支撑结构之间的可滑动的互相配合接合。

22.一种设备，包括：

屈曲约束支撑；以及联接到所述屈曲约束支撑的两个横向端部支撑单元，

其中，所述屈曲约束支撑包括延伸穿过横向约束系统的细长的构件，

其中，所述两个横向端部支撑单元中的每个包括第一横向支撑结构和第二横向支撑结构，

其中，所述第一横向支撑结构包括第一基部和从所述第一基部延伸的多个第一纵向构件，并且

其中，所述第二横向支撑结构包括第二基部和从所述第二基部延伸的多个第二纵向构件，

其中，每个第一纵向构件在所述多个第二纵向构件的一对第二纵向构件之间可滑动地相互配合，

其中，每个第二纵向构件在所述多个第一纵向构件的一对第一纵向构件之间可滑动地相互配合，

其中，所述第一基部包括第一开口，并且所述第二基部包括第二开口，所述第一开口和所述第二开口构造为接纳延伸穿过所述第一开口和所述第二开口的细长的构件，

其中，当所述细长的构件延伸穿过所述第一开口和所述第二开口时，所述多个第一纵向构件和所述多个第二纵向构件围绕并且横向地约束所述细长的构件的移动。

23.根据权利要求22所述的设备，其中所述两个横向端部支撑单元联接到所述屈曲约束支撑的相对的端部。

24.根据权利要求22所述的设备，其中所述设备初始地构造为使得从所述第一横向支撑结构的第一基部延伸的所述多个第一纵向构件部分地延伸经过从所述第二横向支撑结构的第二基部延伸的所述多个第二纵向构件。

25.根据权利要求24所述的设备，其中当每个第一纵向构件在一对第二纵向构件之间可滑动地相互配合时，在每个第一纵向构件与每个第二纵向构件之间构造有间隙，反之亦然。

26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述间隙使摩擦力最小化，并且允许所述多个第一纵向构件与所述多个第二纵向构件之间的自由的相对平移移动。

27.根据权利要求22所述的设备，其中，所述第一横向支撑结构的多个纵向构件和所述第二横向支撑结构的多个纵向构件均包括三个纵向构件。

28.根据权利要求22所述的设备，其中，所述第一开口是圆柱形形状的，其中，所述第二开口是圆柱形形状的，并且其中所述多个第一纵向构件和所述多个第二纵向构件具有内表面，所述内表面一起形成了圆柱形内表面。

29.根据权利要求23所述的设备，其中所述细长的构件包括承载芯元件。

30.根据权利要求29所述的设备，其中，所述承载芯元件能够独立于所述设备移除。

31.根据权利要求29所述的设备，其中，所述承载芯元件能过独立于所述设备更换。

32.根据权利要求29所述的设备，其中，所述设备是屈曲约束支撑组件，其中，所述承载芯元件在所述屈曲约束支撑组件的每端处联接到铰接件，用于确保所述承载芯元件上的同心力。

33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述第一横向支撑结构在所述屈曲约束支撑组件的每端处为所述铰接件提供了纵向间隙，以允许当所述承载芯元件受到压缩时轴向变形。

34.根据权利要求33所述的设备，其中，所述纵向间隙大约是50mm至100mm。

35.根据权利要求32所述的设备，其中，所述铰接件包括第一铰接部和第二铰接部，其中，所述第一铰接部联接到所述承载芯元件，并且其中，所述第二铰接部联接到框架接合件。

36.根据权利要求35所述的设备，其中所述设备是屈曲约束支撑组件，其中，所述承载芯元件在每端处联接并且保持到在所述屈曲约束支撑组件的每端处的所述第一铰接部的基板。

37.根据权利要求36所述的设备，其中，所述承载芯元件的每端带有螺纹，并且在所述屈曲约束支撑组件的每端处连接到所述第一铰接部。

38.根据权利要求35所述的设备，其中，所述第一铰接部和所述第二铰接部通过螺栓联接在一起，以形成铰接端连接。

39.根据权利要求38所述的设备，其中所述螺栓提供了铰接机构，用于确保所述承载芯元件上的同心力。