CN112627435A - 内外同形刚性折纸结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑结构领域，特别是一种内外同形刚性折纸结构。包括内层套筒、中间层、外层折纸筒，内层套筒和外层折纸筒均呈轴向封闭的筒状，内层套筒和外层折纸筒同轴设置，外层折纸筒和内层套筒的截面形状相同，中间层位于内层套筒和外层折纸筒之间，中间层为基于刚性折纸折叠而成的折纸支撑层，折纸支撑层的内侧与内层套筒的外表面固定连接，折纸支撑层的外侧与外层折纸筒的内表面固定连接，折纸支撑层的刚性折纸在内层套筒和外层折纸筒之间形成截面为三角形的基本单元。作为建筑中主体结构的支撑体系，在建筑物遭遇地震时先于主体结构发生破坏，吸收更多的地震能量，起到了保护主体结构的作用；其结构简单，便于生产制作，大大缩短了施工周期。

Description

内外同形刚性折纸结构

技术领域

本发明涉及建筑结构领域，特别是一种内外同形刚性折纸结构。

背景技术

随着近年来我国经济的快速发展，需要修建大量的工业建筑或者民用建筑，因而需要消耗大量的传统建筑材料，工程造价较高，施工周期长，且施工工序复杂。

折纸结构是近几十年发展起来的新型空间结构，具有很大的发展潜力，近些年基于刚性折纸的结构也是被广泛应用于工程和建筑设计过程中。基于刚性折纸的折纸结构可以作为建筑中主体结构的支撑体系，在建筑物遭遇强烈地震时先于主体结构发生破坏，吸收更多的地震能量，保护主体结构不被破坏，使高烈度地震区的建筑物具有更强的抗震性能。

随着近年来地球资源越来越紧缺，人类面临日益严峻的生存问题。因此，移民火星或其他星球的话题也在近年来越来越多。各个国家也在近年来竞相发起了越来越多的外太空探索项目。而基于刚性折纸的折纸结构也为在外星球建造人类生存的房屋设施提供了更好的前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种内外同形刚性折纸结构，可以作为建筑中主体结构的支撑体系，在建筑物遭遇地震时先于主体结构发生破坏，吸收更多的地震能量，起到了保护主体结构的作用；并且其结构简单，便于生产制作，大大缩短了施工周期。

本发明的技术方案是：一种内外同形刚性折纸结构，其中，包括内层套筒、中间层、外层折纸筒，内层套筒和外层折纸筒均呈轴向封闭的筒状，内层套筒位于外层折纸筒内，内层套筒和外层折纸筒同轴设置，中间层位于内层套筒和外层折纸筒之间，中间层为基于刚性折纸折叠而成的折纸支撑层，折纸支撑层沿整个折纸结构的轴向高度通高布置，折纸支撑层的内侧与内层套筒的外表面固定连接，折纸支撑层的外侧与外层折纸筒的内表面固定连接，折纸支撑层的刚性折纸的每个矩形折纸工作面的两侧边分别与内层套筒的外壁和外层折纸筒的内壁连接，折纸支撑层的刚性折纸在内层套筒和外层折纸筒之间形成截面为三角形的基本单元；

所述折纸支撑层由数张矩形刚性折纸折叠而成，外层折纸筒由一张矩形的刚性折纸折叠而成，其沿轴向的两侧边固定连接，外层折纸筒和内层套筒的截面形状相同。

当所述折纸支撑层与内层套筒、外层折纸筒之间分别通过焊接方式固定连接时，折纸支撑层与内层套筒、外层折纸筒之间的连接处形成数条焊缝，焊缝沿整个折纸结构的轴向高度通高布置。

所述内层套筒可以采用折纸筒或钢管柱，当内层套筒采用折纸筒时，内层折纸筒由一张矩形刚性折纸折叠而成，其沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接，焊缝沿整个折纸结构的轴向高度通高布置，并且内层折纸筒内填充有混凝土；当内层套筒为钢管柱时，内层钢管柱采用薄壁钢管。

所述内层套筒和外层折纸筒的截面为正方形时，内层套筒与外层折纸筒对应的各侧面分别平行，折纸支撑层由一张矩形的刚性折纸折叠而成，将刚性折纸沿轴向依次折叠十九次，在刚性折纸上形成十九条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成二十段，刚性折纸沿轴向的两侧边固定连接在一起，使折纸支撑层的刚性折纸绕内层套筒呈封闭状，折纸支撑层与外层折纸筒正方形截面的每个侧边均有三个连接点，并与内层套筒正方形截面的四个顶点连接，在内层套筒和外层折纸筒的每个对应侧壁之间均形成数个截面为三角形的基本单元；

设内层套筒的正方形截面的边长为s₁，外层折纸筒的正方形截面的边长为s₂，内层套筒正方形截面的侧边与对应的外层折纸筒正方形截面的侧边之间的垂直距离d为：

内层套筒和外层折纸筒的每个对应侧壁之间的折叠支撑层的截面中点a点位于外层折纸筒正方形截面侧边的中点处，距a点最近的第一折痕点b点位于内层套筒正方形截面的顶点处，距a点的第二折痕点c点与a点位于外层折纸筒正方形截面的同一侧边，距a点的第三折痕点d点位于与a点所在侧边相邻的另一侧边，a点与b点之间的长度L_ab为：

内层套筒正方形截面侧边的延长线与外层折纸筒正方形截面侧边的交点为e点，折纸支撑层截面的c点正对be连线的中点，b点与c点之间的长度L_bc为：

c点与d点之间的长度L_cd为：

折纸支撑层的矩形刚性折纸的长度L为：

L＝8L_ab+8L_bc+4L_cd。

所述内层套筒和外层折纸筒的截面为正方形时，内层套筒与外层折纸筒对应的各侧面分别平行，折纸支撑层由四张矩形的刚性折纸折叠而成，折叠后的四张刚性折纸分别均匀对称的布置在内层套筒各侧面与对应的外层折纸筒各侧面之间，折纸支撑层的每张刚性折纸沿轴向的两侧边分别与外层折纸筒的侧棱连接，外层折纸筒的每个侧棱与对应的内层套筒侧棱之间均设有两个全等的紧密贴合的矩形刚性折纸工作面，将每张刚性折纸沿轴向依次正反折叠五次，在刚性折纸上形成五条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成六段；

设内层套筒的正方形截面的边长为s₁，外层折纸筒的正方形截面的边长为s₂，内层套筒正方形截面的侧边与对应的外层折纸筒正方形截面的侧边之间的垂直距离为：

折纸支撑层截面的一侧端点为i点，i点位于外层折纸筒正方形截面的顶点处，距离i 点最近的折纸支撑层截面的第一折痕点h点位于内层套筒正方形截面的顶点处，距i点的第二折痕点g点位于内层套筒正方形截面的侧边延长线与外层折纸筒正方形截面侧边的交点处，即直线gh位于内层套筒正方形截面侧边的延长线上，距i点的第三折痕点f点位于内层套筒正方形截面侧边的中点处，f点与g点之间的长度L_fg为：

g点与h点之间的长度L_gh为：

h点与i点之间的长度L_hi为：

折纸支撑层的每张刚性折纸的长度L为：

L＝2L_fg+2L_gh+2L_hi。

所述内层套筒和外层折纸筒的截面呈圆形，内层套筒和外层折纸筒同轴设置，折叠支撑层由一张矩形刚性折纸折叠而成，折叠后的刚性折纸均匀对称的布置在内层套筒与外层折纸筒之间的环形间隙内，折纸支撑层的刚性折纸的每个矩形折纸工作面的两侧边分别与内层套筒的外壁和外层折纸筒的内壁连接，内层套筒和外层折纸筒之间的折纸支撑层围绕内层套筒呈齿轮状布置，每个齿的截面形状均为全等的等腰三角形，设折纸支撑层截面包括n个齿形，内层套筒的半径为r₁，外层折纸筒的半径为r₂，每个齿的齿长为X，齿形的根部与内层套筒圆形截面的交点为j点和k点，内层套筒的圆心o点至jk连线的垂直距离L₁为：

齿形的顶部至jk连线的垂直距离L₂为：

jk连线的一半距离d₁为：

X为：

折纸支撑层的矩形刚性折纸的长度为2nX，折纸支撑层截面与外层折纸筒圆形截面之间有n个连接点，n个连接点沿外层折纸筒圆形截面的圆周均匀间隔设置，相邻两连接点之间的弧长为

折纸支撑层截面与内层套筒圆形截面之间亦有n个连接点，n个连接点沿内层套筒圆形截面的圆周均匀间隔设置，相邻两连接点之间的弧长为

所述内层套筒和外层折纸筒的截面均为正三角形，且内层套筒与外层折纸筒对应的各侧面分别平行，折纸支撑层的刚性折纸在内层套筒和外层折纸筒之间形成截面为正三角形的基本单元，折纸支撑层由一张矩形的刚性折纸折叠而成，将刚性折纸沿轴向依次折叠二十次，在刚性折纸上形成二十条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成二十一段，刚性折纸沿轴向的两侧边固定连接在一起，使折纸支撑层的刚性折纸围绕内层套筒呈封闭状；

折纸支撑层的刚性折纸与外层折纸筒正三角形截面的每个侧边均有四个连接点，每个连接点均为等分点，并与内层套筒正三角形截面的每个顶点以及每个侧边的中点连接；

设内层套筒正三角形截面的边长为s₃，外层折纸筒正三角形截面的边长为s₄，且

则L_lm、L_mn、L_np、L_pq以及其他各段矩形折纸工作面的长度均为

或

折纸支撑层的矩形刚性折纸的长度为10.5s₃或4.2s₄。

本发明的有益效果是：

(1)缩短施工周期：该折纸结构中的所有构件均为工厂预制，生产制作简单，可大量应用于装配式建筑结构，施工简单，成型方便；

(2)降低工程造价：该折纸结构主要由刚性折纸折叠而成，刚性折纸的价格低廉，减少了大量的传统建筑材料的使用；

(3)提高建筑的抗震性能：该折纸结构可以作为建筑中主体结构的支撑体系，在建筑物遭遇强烈地震时先于主体结构发生破坏，保护主体结构不被破坏，提高了高烈度地震区建筑物的抗震性能。

附图说明

图1是实施例1中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图2(a)是实施例1中内外同形刚性折纸结构的俯视图；

图2(b)是实施例1中折纸支撑层的一个基本单元的结构示意图；

图3是实施例1中位于折纸支撑层的刚性折纸对应于第一种布置方式的展开示意图；

图4(a)是实施例1中位于折纸支撑层的刚性折纸的第一种布置方式；

图4(b)是实施例1中位于折纸支撑层的刚性折纸的第二种布置方式；

图4(c)是实施例1中位于折纸支撑层的刚性折纸的第三种布置方式；

图5是实施例1中内层钢管柱的立体结构示意图；

图6是实施例1中外层折纸筒的展开示意图；

图7是实施例2中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图8是实施例2中内层折纸筒的展开示意图；

图9是实施例3中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图10(a)是实施例3中内外同形刚性折纸结构的俯视图；

图10(b)是实施例3中折纸支撑层的一个基本单元的结构示意图；

图11是实施例3中位于折纸支撑层的单张刚性折纸的结构示意图；

图12是实施例4中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图13是实施例4中内层折纸筒的展开示意图；

图14是实施例5中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图15(a)是实施例5中内外同形刚性折纸结构的俯视图；

图15(b)是实施例5中折纸支撑层的一个基本单元的结构示意图；

图16是实施例5中折纸支撑层的结构示意图；

图17(a)是实施例5中位于折纸支撑层的刚性折纸的第一种布置方式；

图17(b)是实施例5中位于折纸支撑层的刚性折纸的第二种布置方式；

图18是实施例5中内层钢管柱的立体结构示意图；

图19是实施例5中外层折纸筒的展开示意图；

图20是实施例6中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图21是实施例6中内层折纸筒的展开示意图；

图22是实施例7中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图23(a)是实施例7中内外同形刚性折纸结构的俯视图；

图23(b)是实施例7中折纸支撑层的一个基本单元的结构示意图；

图24是实施例7中折纸支撑层的展开示意图；

图25(a)是实施例7中位于折纸支撑层的刚性折纸的第一种布置方式；

图25(b)是实施例7中位于折纸支撑层的刚性折纸的第二种布置方式；

图25(c)是实施例7中位于折纸支撑层的刚性折纸的第三种布置方式；

图25(d)是实施例7中位于折纸支撑层的刚性折纸的第四种布置方式；

图26是实施例7中内层钢管柱的立体结构示意图；

图27是实施例7中外层折纸筒的展开示意图；

图28是实施例8中内外同形刚性折纸结构的立体图；

图29是实施例8中内层折纸筒的展开示意图。

图中：1内层钢管柱；2折纸支撑层；3外层折纸筒；4内层折纸筒；5混凝土。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明所述的内外同形刚性折纸结构包括内层套筒、中间层、外层折纸筒，内层套筒和外层折纸筒均呈轴向封闭的筒状，内层套筒位于外层折纸筒内，内层套筒和外层折纸筒同轴设置，同轴设置能保证整个折纸结构的截面对称，有利于整个结构的受力，另外同轴设置也有利于施工。中间层位于内层套筒和外层折纸筒之间，中间层为基于刚性折纸折叠而成的折纸支撑层，折纸支撑层沿整个折纸结构的轴向高度通高布置，折纸支撑层的内侧与内层套筒的外表面固定连接，折纸支撑层的外侧与外层折纸筒的内表面固定连接，折纸支撑层的刚性折纸的每个矩形折纸工作面的两侧边分别与内层套筒的外壁和外层折纸筒的内壁连接。折纸支撑层的刚性折纸在内层套筒和外层折纸筒之间形成截面为三角形的基本单元。

折纸支撑层由至少一张刚性折纸折叠而成。由于三角形具有稳定的性质，因此折纸支撑层的刚性折纸在内层套筒和外层折纸筒之间形成截面为三角形的基本单元，保证了该刚性折纸结构的稳定性。当折纸支撑层与内层套筒、外层折纸筒之间分别通过焊接方式固定连接时，折纸支撑层与内层套筒、外层折纸筒之间的连接处形成数条焊缝，焊缝沿整个折纸结构的轴向高度通高布置。

外层折纸筒由一张矩形的刚性折纸折叠而成，其沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接。本发明中，外层折纸筒和内层套筒的截面形状相同。该刚性折纸结构在承受荷载时会产生变形，内外同形刚性折纸结构在承受荷载时，其内层套筒和外层折纸筒产生协同变形。而内外异形刚性折纸结构在承受荷载时，由于内层套筒和外层折纸筒的截面形式不同，内层套筒和外层折纸筒的变形能力和变形方式均存在差异性，因此内外异形刚性折纸结构在承受荷载时内层套筒和外层折纸筒会产生非协同变形。这将导致内外同形刚性折纸结构和内外异形刚性折纸结构在同等受力条件下，内外异形刚性折纸结构先于内外同形刚性折纸结构屈曲，从而丧失承载能力。因此内外同形刚性折纸结构的变形能力优于内外异形刚性折纸结构，进而导致内外同形刚性折纸结构的承载能力也优于内外异形刚性折纸结构。

内外同形刚性折纸结构除了可以应用于高烈度地震区以及对抗震设防要求比较高的建筑结构，在航空航天等众多领域也具有重要意义和广泛的应用前景。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例中的内外同形刚性折纸结构包括内层钢管柱1、外层折纸筒3、以及位于内层钢管柱和外层折纸筒之间的折纸支撑层2，内层钢管柱1采用薄壁钢管，内层钢管柱1和外层折纸筒3的截面均为正方形。本实施例中，内层钢管柱1与折纸支撑层 2之间、外层折纸筒3与折纸支撑层2之间均通过焊接方式固定连接，因此内层钢管柱1与折纸支撑层2的连接处和外层折纸筒3与折纸支撑层2的连接处均为沿整个折纸结构轴向高度通高布置的焊缝。

如图2(a)所示，内层钢管柱1的轴线与外层折纸筒3的轴线重合，即内层钢管柱1正方形截面的中心与外层折纸筒3正方形截面的中心重合，且内层钢管柱1与外层折纸筒3对应的各侧面分别平行，折纸支撑层2的刚性折纸在内层钢管柱1和外层折纸筒3之间形成截面为三角形的基本单元。本实施例的折纸支撑层2由一张矩形的刚性折纸折叠而成，折叠后的刚性折纸布置在内层钢管柱1和外层折纸筒3之间的空腔内，本实施例中，折纸支撑层2的刚性折纸对应于第一种布置形式的折叠方式如图3所示，将刚性折纸沿轴向依次折叠十九次，在刚性折纸上形成十九条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成二十段，刚性折纸沿轴向的两侧边固定连接在一起，使折纸支撑层2的刚性折纸绕内层钢管柱1呈封闭状。在实际施工过程中，为了满足施工要求，同时便于折纸支撑层的安装，折纸支撑层2的刚性折纸沿轴向的两侧边的连接可以设置在不同的位置，如图4(a)至图4(c)所示。由于整个折纸支撑层的截面呈四轴对称状态，因此只有三种形式。

将折纸支撑层2布置在内层钢管柱1和外层折纸筒3之间，折纸支撑层2与外层折纸筒 3正方形截面的每个侧边均有三个连接点，并与内层钢管柱1正方形截面的四个顶点连接，在内层钢管柱1和外层折纸筒3的每个对应侧壁之间均形成数个截面为三角形的基本单元。由于内层钢管柱1与外层折纸筒3之间的折纸支撑层2的截面处于多轴对称状态，因此以其中一个基本单元为例，计算刚性折纸的各段长度，如图2(b)所示。

设内层钢管柱1的正方形截面的边长为s₁，外层折纸筒3的正方形截面的边长为s₂，内层钢管柱正方形截面的侧边与对应的外层折纸筒正方形截面的侧边之间的垂直距离d为：

内层套筒和外层折纸筒的每个对应侧壁之间的折叠支撑层的截面中点a点位于外层折纸筒正方形截面侧边的中点处，距a点最近的第一折痕点b点位于内层钢管柱正方形截面的顶点处，距a点的第二折痕点c点与a点位于外层折纸筒正方形截面的同一侧边，距a点的第三折痕点d点位于与a点所在侧边相邻的另一侧边，a点与b点之间的长度L_ab为：

内层钢管柱正方形截面侧边的延长线与外层折纸筒正方形截面侧边的交点为e点，折纸支撑层截面的c点正对be连线的中点，b点与c点之间的长度L_bc为：

c点与d点之间的长度L_cd为：

由于折纸支撑层的截面处于四轴对称状态，因此可以根据L_ab、L_bc、L_cd得到折纸支撑层的其他各段矩形折纸工作面的长度，故折纸支撑层的刚性折纸的长度L为：

L＝8L_ab+8L_bc+4L_cd (5)

外层折纸筒3的刚性折纸的展开示意图如图6所示，图中的虚线表示折痕，三条轴向折痕将矩形刚性折纸沿长度方向平分为四段，该矩形刚性折纸的长度为4s₂，刚性折纸沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接。

实施例2

如图7和图8所示为实施例2所述的内外同形刚性折纸结构，与实施例1不同的是，本实施例中通过内层折纸筒4代替实施例1中的内层钢管柱，并且内层折纸筒4内填充有混凝土5。内层折纸筒4的刚性折纸的展开示意图如图8所示，图中的虚线表示折痕，三条轴向折痕将矩形刚性折纸沿长度方向平分为四段，该矩形刚性折纸的长度为4s₁，刚性折纸沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接。

当内层套筒采用折纸筒并且浇筑混凝土时，整个折纸结构在受力过程中内层折纸筒对混凝土的套箍作用使混凝土处于多向受压状态，从而提高了混凝土的极限强度，并且塑性和韧性大为改善。同时，由于混凝土的支撑作用可以避免或延缓内层折纸筒发生局部屈曲，保证其性能得以充分发挥。内层折纸筒与混凝土相互约束、共同工作，提高了折纸结构的整体性能，具有承载力高、延性及抗震性能好等优点。而采用内层钢管柱的折纸结构的性能比采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构的性能相对较差。

综上所述，无论承载能力、延性还是抗震性能，采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构均优于采用内层钢管柱的折纸结构。因此采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构可以应用于高层建筑或者超高层建筑以及大跨度建筑结构中。

其他同实施例1。

实施例3

如图9至图13所示为实施例3所述的内外同形刚性折纸结构，本实施例中折纸支撑层的矩形刚性折纸的折叠方式以及所需的刚性折纸的数量均与实施例1不同。

如图10(a)所示，本实施例的折纸支撑层2由四张矩形的刚性折纸折叠而成，折叠后的四张刚性折纸分别均匀对称的布置在内层钢管柱1各侧面与对应的外层折纸筒3各侧面之间，折纸支撑层2的每张刚性折纸的两侧边分别与外层折纸筒3的侧棱连接，外层折纸筒3 的每个侧棱与对应的内层钢管柱1侧棱之间均设有两个全等的紧密贴合的矩形刚性折纸工作面，两贴合的工作面之间无需连接，本实施例中，每张刚性折纸的折叠方式如图11所示，将每张刚性折纸沿轴向依次正反折叠五次，在刚性折纸上形成五条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成六段。由于折叠后的刚性折纸对称布置，因此以一半的刚性折纸为例，计算刚性折纸的各段长度，如图10(b)所示。

设内层钢管柱1的正方形截面的边长为s₁，外层折纸筒3的正方形截面的边长为s₂，折纸支撑层2的刚性折纸在内层钢管柱1和外层折纸筒3之间形成截面为三角形的基本单元。内层钢管柱1正方形截面的侧边与对应的外层折纸筒3正方形截面的侧边之间的垂直距离为：

折纸支撑层截面的一侧端点为i点，i点位于外层折纸筒正方形截面的顶点处，距离i 点最近的折纸支撑层截面的第一折痕点h点位于内层钢管柱正方形截面的顶点处，距i点的第二折痕点g点位于内层钢管柱正方形截面的侧边延长线与外层折纸筒正方形截面侧边的交点处，即gh连线位于内层钢管柱正方形截面侧边的延长线上，距i点的第三折痕点f点位于内层钢管柱正方形截面侧边的中点处，由几何关系可知，f点与g点之间的长度L_fg为：

由几何关系可知，g点与h点之间的长度L_gh为：

由几何关系可知，h点与i点之间的长度L_hi为：

由于四张折叠后的刚性折纸形状和尺寸均相同，且每张刚性折纸对称布置，因此根据L_fg、 L_gh和L_hi可以得到折纸支撑层的刚性折纸的其他各段长度。

如上所述，本实施例中的折纸支撑层由四张矩形的刚性折纸折叠而成，每张矩形刚性折纸的高度与外层折纸筒和内层钢管柱等高，每张刚性折纸的长度L为：

L＝2L_fg+2L_gh+2L_hi (10)

其他同实施例1。

实施例4

如图12和图13所示为实施例4所述的内外同形刚性折纸结构，与实施例3不同的是，本实施例中通过内层折纸筒4代替实施例3中的内层钢管柱，并且内层折纸筒4内填充有混凝土5。内层折纸筒4的刚性折纸的展开示意图如图13所示，图中的虚线表示折痕，三条轴向折痕将矩形刚性折纸沿长度方向平分为四段，该矩形刚性折纸的长度为4s₁，刚性折纸沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接。

当内层套筒采用折纸筒并浇筑混凝土时，整个折纸结构在受力过程中内层折纸筒对混凝土的套箍作用使混凝土处于多向受压状态，从而提高了混凝土的极限强度，并且塑性和韧性大为改善。同时，由于混凝土的支撑作用可以避免或延缓内层折纸筒发生局部屈曲，保证其性能得以充分发挥。内层折纸筒与混凝土相互约束、共同工作，提高了折纸结构的整体性能，具有承载力高、延性及抗震性能好等优点。而采用内层钢管柱的折纸结构的性能比采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构的性能相对较差。

综上所述，无论承载能力、延性还是抗震性能，采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构均优于采用内层钢管柱的折纸结构。因此采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构可以应用于高层建筑或者超高层建筑以及大跨度建筑结构中。

其他同实施例3。

实施例5

如图14至图19所示为实施例5所述的内外同形刚性折纸结构。本实施例中，内层钢管柱1和外层折纸筒3的截面都呈圆形，内层钢管柱1和外层折纸筒3同轴设置，即内层钢管柱1圆形截面的圆心与外层折纸筒3圆形截面的圆心重合。折纸支撑层2由一张矩形刚性折纸折叠而成，折叠后的刚性折纸均匀对称的布置在内层钢管柱1与外层折纸筒3之间的环形间隙内。折纸支撑层2的刚性折纸的每个矩形折纸工作面的两侧边分别与内层钢管柱1的外壁和外层折纸筒3的内壁连接，内层钢管柱1和外层折纸筒3之间的折纸支撑层2围绕内层钢管柱1呈齿轮状布置，每个齿的截面形状均为全等的等腰三角形，假设折纸支撑层截面包括n个齿形，齿形数量n的大小根据实际施工需要确定，随着齿数n的增多，该折纸结构的刚度和强度随之增大，但齿数n也不能过大，否则会提高工程造价和增加施工难度。本实施例中，如图16所示，将刚性折纸沿轴向依次正反折叠二十三次，在刚性折纸上形成二十三条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向平分成二十四段，刚性折纸沿轴向的两侧边固定连接在一起，从而使折纸支撑层2围绕内层钢管柱1呈封闭状，内层钢管柱1与外层折纸筒3之间的折纸支撑层2的齿形数量为十二个。在实际施工过程中，为了满足施工要求，同时便于折纸支撑层的安装，折纸支撑层2的刚性折纸沿轴向的两侧边的连接可以设置在不同的位置，如图17(a)至图17(b)所示。

如图15(a)所示，设内层钢管柱1的半径为r₁，外层折纸筒3的半径为r₂，折纸支撑层2的几何参数均可由内嵌圆形钢管的半径r₁、外层圆形折纸筒的半径r₂、以及折纸支撑层截面的齿形数量n确定，设齿形的齿长为X，齿形的根部与内层钢管柱圆形截面的交点为j 点和k点，如图15(b)所示，由几何关系可知，内层钢管柱1的圆心o点至jk连线的垂直距离L₁为：

齿形的顶部至jk连线的垂直距离L₂为：

jk连线的一半距离d₁为：

由几何关系可知，X为：

本实施例中，折纸支撑层的刚性折纸截面包括十二个齿形，由于齿形的齿长为X，则其矩形刚性折纸的长度为24X。因此，当折纸支撑层的刚性折纸截面包括n个齿形时，其矩形刚性折纸的长度为2nX。

如图16所示，折纸支撑层的刚性折纸的一侧共有n条折痕，该侧无论与内层钢管柱的外壁还是与外层折纸筒的内壁连接，均会与内层钢管柱的圆形截面或者与外层折纸筒的圆形截面产生n个连接点，这n个连接点沿外层折纸筒圆形截面的圆周或者内层钢管柱圆形截面的圆周都均匀间隔设置，相邻两连接点之间的外层折纸筒圆形截面的弧长为

相邻两连接点之间的内层钢管柱圆形截面的弧长为

折纸支撑层的刚性折纸的另一侧共有n-1条折痕，该侧的n-1条折痕无论与内层钢管柱的外壁还是与外层折纸筒的内壁连接，均会与内层钢管柱的圆形截面或者与外层折纸筒的圆形截面产生n-1个连接点，当刚性折纸沿轴向的两侧边连接在一起并与内层钢管柱的外壁或者外层折纸筒的内壁连接，亦形成一个连接点，故折纸支撑层的刚性折纸的该侧亦与内层钢管柱的圆形截面或者外层折纸筒的圆形截面有n个连接点，这n个连接点亦沿内层钢管柱圆形截面的圆周或者外层折纸筒圆形截面的圆周均匀间隔设置。

外层折纸筒由如图19所示的矩形刚性折纸折叠而成，该矩形刚性折纸沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接，该矩形刚性折纸的长度为2πr₂。

施工时，可先将内层钢管柱1沿其圆周n等分，将折纸支撑层2一侧的折痕点依次与这 n个等分点连接。当折纸支撑层2与内层钢管柱1连接好后，折纸支撑层2另一侧的折痕点随之固定，再依次与外层折纸筒3的n个等分点连接。

实施例6

如图20和图21所示为实施例6所述的内外同形刚性折纸结构，与实施例5不同的是，本实施例中通过内层折纸筒4代替实施例5中的内层钢管柱，并且内层折纸筒4内填充有混凝土5。内层折纸筒4的刚性折纸的展开示意图如图21所示，该矩形刚性折纸的长度为2πr₁，刚性折纸沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接。

当内层套筒采用折纸筒并浇筑混凝土时，整个折纸结构在受力过程中内层折纸筒对混凝土的套箍作用使混凝土处于多向受压状态，从而提高了混凝土的极限强度，并且塑性和韧性大为改善。同时，由于混凝土的支撑作用可以避免或延缓内层折纸筒发生局部屈曲，保证其性能得以充分发挥。内层折纸筒与混凝土相互约束、共同工作，提高了折纸结构的整体性能，具有承载力高、延性及抗震性能好等优点。而采用内层钢管柱的折纸结构的性能比采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构的性能相对较差。

综上所述，无论承载能力、延性还是抗震性能，采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构均优于采用内层钢管柱的折纸结构。因此采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构可以应用于高层建筑或者超高层建筑以及大跨度建筑结构中。

其他同实施例5。

实施例7

如图22至图27所示为实施例7所述的内外同形刚性折纸结构，内层钢管柱1和外层折纸筒3的截面均为正三角形。如图23(a)所示，内层钢管柱1的轴线与外层折纸筒3的轴线重合，即内层钢管柱1正三角形截面的中心与外层折纸筒3正三角形截面的中心重合，且内层钢管柱1与外层折纸筒3对应的的各侧面分别平行，折纸支撑层2的刚性折纸在内层钢管柱1和外层折纸筒3之间形成截面为正三角形的基本单元。本实施例的折纸支撑层2由一张矩形的刚性折纸折叠而成，折叠后的刚性折纸布置在内层钢管柱1与外层折纸筒3之间的空腔内。本实施例中，刚性折纸的折叠方式如图24所示，将刚性折纸沿轴向依次折叠二十次，在刚性折纸上形成二十条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成二十一段，将刚性折纸沿轴向的两侧边固定连接在一起，使折纸支撑层2的刚性折纸围绕内层钢管柱1呈封闭状。在实际施工过程中，为了满足施工要求，同时便于折纸支撑层的安装，折纸支撑层2的刚性折纸沿轴向的两侧边的连接可以设置在不同的位置，如图25(a)至图25(d)所示，由于整个折纸支撑层2的截面处于三轴对称状态，因此只有四种形式。

折纸支撑层的刚性折纸与外层折纸筒正三角形截面的每个侧边均有四个连接点，每个连接点均为等分点，并与内层钢管柱正三角形截面的每个顶点以及每个侧边的中点连接。

设内层钢管柱正三角形截面的边长为s₃，外层折纸筒正三角形截面的边长为s₄，本实施例中，为了保证本发明方案的经济效益和施工方便，应确保

因为内层钢管柱与外层折纸筒之间的折纸支撑层的截面处于三轴对称状态，故以其中一个基本单元为例，计算刚性折纸的几何参数，如图23(b)所示，其折纸支撑层截面的折痕点依次为l点、m点、n点、p点和q点。其中整个折纸结构的中心与内层钢管柱正三角形截面的侧边之间的垂直距离L₃为：

整个折纸结构的中心与外层折纸筒正三角形截面的侧边之间的垂直距离L₄为：

内层钢管柱正三角形截面的侧边与对应的外层折纸筒正三角形截面的侧边之间的垂直距离d为：

如图23(b)所示,折纸支撑层截面的l点位于内层钢管柱正三角形截面的侧边中点处，折纸支撑层截面的n点位于内层钢管柱正三角形截面的顶点处，折纸支撑层截面的m点与外层折纸筒正三角形截面的侧边连接位置正对ln连线的中点，折纸支撑层截面的p点和q点分别位于内层钢管柱正三角形截面相交于n点的两侧边的延长线与外层折纸筒正三角形截面侧边的交点处。l点和m点之间的长度L_lm与m点和n点之间的长度L_mn为：

由几何关系可知，三角形lmn、mnp、npq均为全等三角形，故l点与m点之间的长度L_lm、 m点与n点之间的长度L_mn、n点与p点之间的长度L_np和p点与q点之间的长度L_pq均相等，且为

或

由于整个折纸支撑层的截面处于三轴对称状态，因此折纸支撑层的刚性折纸的各个矩形折纸工作面的长度均相等，为

或

则本实施例中折纸支撑层的矩形刚性折纸的长度为10.5s₃或4.2s₄。

外层折纸筒3由如图27所示的矩形刚性折纸折叠而成，图中的虚线表示折痕，两条轴向折痕将矩形刚性折纸沿长度方向平分为三段，该矩形刚性折纸沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接，该矩形刚性折纸的长度为3s₄。

实施例8

如图28和图29所示为实施例8所述的内外同形刚性折纸结构，与实施例7不同的是，本实施例中采用内层折纸筒4代替实施例7中的内层钢管柱，并且内层折纸筒4内填充有混凝土5。内层折纸筒4的刚性折纸的展开示意图如图29所示，图中的虚线表示折痕，两条轴向折痕将矩形刚性折纸沿长度方向平分为三段，该矩形刚性折纸的长度为3s₃，刚性折纸沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接。

当内层套筒采用折纸筒并且浇筑混凝土时，整个折纸结构在受力过程中内层折纸筒对混凝土的套箍作用使混凝土处于多向受压状态，从而提高了混凝土的极限强度，并且塑性和韧性大为改善。同时，由于混凝土的支撑作用可以避免或延缓内层折纸筒发生局部屈曲，保证其性能得以充分发挥。内层折纸筒与混凝土相互约束、共同工作，提高了折纸结构的整体性能，具有承载力高、延性及抗震性能好等优点。而采用内层钢管柱的折纸结构的性能比采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构的性能相对较差。

综上所述，无论承载能力、延性还是抗震性能，采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构均优于采用内层钢管柱的折纸结构。因此采用内层折纸筒并浇筑混凝土的折纸结构可以应用于高层建筑或者超高层建筑以及大跨度建筑结构中。

其他同实施例7。

本发明中，外层折纸筒和内层套筒的截面形状并不限于上述实施例中的圆形、正方形和正三角形，也可以采用其他形状，只要能保证外层折纸筒与内层套筒的截面形状相同即可。在实际工作中，根据工作要求对折纸支撑层的刚性折纸的折叠方式进行设计，根据外层折纸筒和内层套筒的尺寸、以及折纸支撑层的刚性折纸的折叠方式，即可得到折叠后的刚性折纸每个矩形折纸工作面的尺寸，并根据该尺寸和设计好的折叠方式，对刚性折纸进行准确的折叠，然后将折叠后的刚性折纸与事先设计好的指定位置准确连接，即可实现该折纸结构的整体安装。

以上对本发明所提供的内外同形刚性折纸结构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种内外同形刚性折纸结构，其特征在于：包括内层套筒、中间层、外层折纸筒，内层套筒和外层折纸筒均呈轴向封闭的筒状，内层套筒位于外层折纸筒内，内层套筒和外层折纸筒同轴设置，中间层位于内层套筒和外层折纸筒之间，中间层为基于刚性折纸折叠而成的折纸支撑层，折纸支撑层沿整个折纸结构的轴向高度通高布置，折纸支撑层的内侧与内层套筒的外表面固定连接，折纸支撑层的外侧与外层折纸筒的内表面固定连接，折纸支撑层的刚性折纸的每个矩形折纸工作面的两侧边分别与内层套筒的外壁和外层折纸筒的内壁连接，折纸支撑层的刚性折纸在内层套筒和外层折纸筒之间形成截面为三角形的基本单元；

所述折纸支撑层由数张矩形刚性折纸折叠而成，外层折纸筒由一张矩形刚性折纸折叠而成，其沿轴向的两侧边固定连接，外层折纸筒和内层套筒的截面形状相同。

2.根据权利要求1所述的内外同形刚性折纸结构，其特征在于：当所述折纸支撑层与内层套筒、外层折纸筒之间分别通过焊接方式固定连接时，折纸支撑层与内层套筒、外层折纸筒之间的连接处形成数条焊缝，焊缝沿整个折纸结构的轴向高度通高布置。

3.根据权利要求1所述的内外同形刚性折纸结构，其特征在于：所述内层套筒采用折纸筒或钢管柱，当内层套筒采用折纸筒时，内层折纸筒由一张矩形刚性折纸折叠而成，其沿轴向的两侧边通过焊接方式固定连接，焊缝沿整个折纸结构的轴向高度通高布置，并且内层折纸筒内填充有混凝土；当内层套筒为钢管柱时，内层钢管柱采用薄壁钢管。

4.根据权利要求1所述的内外同形刚性折纸结构，其特征在于：所述内层套筒和外层折纸筒的截面为正方形时，内层套筒与外层折纸筒对应的各侧面分别平行，折纸支撑层由一张矩形的刚性折纸折叠而成，将刚性折纸沿轴向依次折叠十九次，在刚性折纸上形成十九条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成二十段，刚性折纸沿轴向的两侧边固定连接在一起，使折纸支撑层的刚性折纸绕内层套筒呈封闭状，折纸支撑层与外层折纸筒正方形截面的每个侧边均有三个连接点，并与内层套筒正方形截面的四个顶点连接，在内层套筒和外层折纸筒的每个对应侧壁之间均形成数个截面为三角形的基本单元；

设内层套筒的正方形截面的边长为s₁，外层折纸筒的正方形截面的边长为s₂，内层套筒正方形截面的侧边与对应的外层折纸筒正方形截面的侧边之间的垂直距离d为：

内层套筒和外层折纸筒的每个对应侧壁之间的折叠支撑层的截面中点a点位于外层折纸筒正方形截面侧边的中点处，距a点最近的第一折痕点b点位于内层套筒正方形截面的顶点处，距a点的第二折痕点c点与a点位于外层折纸筒正方形截面的同一侧边，距a点的第三折痕点d点位于与a点所在侧边相邻的另一侧边，a点与b点之间的长度L_ab为：

内层套筒正方形截面侧边的延长线与外层折纸筒正方形截面侧边的交点为e点，折纸支撑层截面的c点正对be连线的中点，b点与c点之间的长度L_bc为：

c点与d点之间的长度L_cd为：

折纸支撑层的矩形刚性折纸的长度L为：

L＝8L_ab+8L_bc+4L_cd。

5.根据权利要求1所述的内外同形刚性折纸结构，其特征在于：所述内层套筒和外层折纸筒的截面为正方形时，内层套筒与外层折纸筒对应的各侧面分别平行，折纸支撑层由四张矩形刚性折纸折叠而成，折叠后的四张刚性折纸分别均匀对称的布置在内层套筒各侧面与对应的外层折纸筒各侧面之间，折纸支撑层的每张刚性折纸沿轴向的两侧边均与外层折纸筒的侧棱连接，外层折纸筒的每个侧棱与对应的内层套筒侧棱之间均设有两个全等的紧密贴合的矩形刚性折纸工作面，将每张刚性折纸沿轴向依次正反折叠五次，在刚性折纸上形成五条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成六段；

设内层套筒的正方形截面的边长为s₁，外层折纸筒的正方形截面的边长为s₂，内层套筒正方形截面的侧边与对应的外层折纸筒正方形截面的侧边之间的垂直距离为：

折纸支撑层截面的一侧端点为i点，i点位于外层折纸筒正方形截面的顶点处，距离i点最近的折纸支撑层截面的第一折痕点h点位于内层套筒正方形截面的顶点处，距i点的第二折痕点g点位于内层套筒正方形截面的侧边延长线与外层折纸筒正方形截面侧边的交点处，即直线gh位于内层套筒正方形截面侧边的延长线上，距i点的第三折痕点f点位于内层套筒正方形截面侧边的中点处，f点与g点之间的长度L_fg为：

g点与h点之间的长度L_gh为：

h点与i点之间的长度L_hi为：

折纸支撑层的每张刚性折纸的长度L为：

L＝2L_fg+2L_gh+2L_hi。

6.根据权利要求1所述的内外同形刚性折纸结构，其特征在于：所述内层套筒和外层折纸筒的截面都呈圆形，内层套筒和外层折纸筒同轴设置，折叠支撑层由一张矩形刚性折纸折叠而成，折叠后的刚性折纸均匀对称的布置在内层套筒与外层折纸筒之间的环形间隙内，折纸支撑层的刚性折纸的每个矩形折纸工作面的两侧边分别与内层套筒的外壁和外层折纸筒的内壁连接，内层套筒和外层折纸筒之间的折纸支撑层围绕内层套筒呈齿轮状布置，每个齿的截面形状均为全等的等腰三角形，设折纸支撑层截面包括n个齿形，内层套筒的半径为r₁，外层折纸筒的半径为r₂，每个齿的齿长为X，齿形的根部与内层套筒圆形截面的交点为j点和k点，内层套筒的圆心o点至jk连线的垂直距离L₁为：

齿形的顶部至jk连线的垂直距离L₂为：

jk连线的一半距离d₁为：

X为：

折纸支撑层的矩形刚性折纸的长度为2nX，折纸支撑层截面与外层折纸筒圆形截面之间有n个连接点，n个连接点沿外层折纸筒圆形截面的圆周均匀间隔设置，相邻两连接点之间的弧长为

折纸支撑层截面与内层套筒圆形截面之间亦有n个连接点，n个连接点沿内层套筒圆形截面的圆周均匀间隔设置，相邻两连接点之间的弧长为

7.根据权利要求1所述的内外同形刚性折纸结构，其特征在于：所述内层套筒和外层折纸筒的截面均为正三角形，且内层套筒与外层折纸筒对应的各侧面分别平行，折纸支撑层的刚性折纸在内层套筒和外层折纸筒之间形成截面为正三角形的基本单元，折纸支撑层由一张矩形的刚性折纸折叠而成，将刚性折纸沿轴向依次折叠二十次，在刚性折纸上形成二十条轴向折痕，将刚性折纸沿长度方向分成二十一段，刚性折纸沿轴向的两侧边固定连接在一起，使折纸支撑层的刚性折纸围绕内层套筒呈封闭状态；

折纸支撑层的刚性折纸与外层折纸筒正三角形截面的每个侧边均有四个连接点，每个连接点均为等分点，并与内层套筒正三角形截面的每个顶点以及每个侧边的中点连接；

设内层套筒正三角形截面的边长为s₃，外层折纸筒正三角形截面的边长为s₄，且

则L_lm、L_mn、L_np、L_pq以及其他各段矩形折纸工作面的长度均为

或

折纸支撑层的矩形刚性折纸的长度为10.5s₃或4.2s₄。

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