CN114150909B - 基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑结构及航空航天领域，特别是一种基于刚性折‑剪纸结构的可重复耗能结构。包括折‑剪纸管状结构和用于开缝处连接的柔性材料，折‑剪纸管状结构包括数层同轴布置的折‑剪纸管状耗能单元，每层折‑剪纸管状耗能单元的两端均设有连接段，且相邻两层折‑剪纸管状耗能单元之间通过连接段连接，折‑剪纸管状耗能单元包括数个位于同一水平位置、且按照折痕图案折叠而成的基本折‑剪纸单元。其成型简单，施工方便，工程造价低，既拥有较低的的初始峰值压力，还可多次重复使用。

Description

基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构

技术领域

本发明涉及建筑结构及航空航天领域，特别是一种基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构。

背景技术

折-剪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，近些年刚性折-剪纸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-剪纸结构的可重复耗能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大变形，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-剪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。

现有的传统圆形或者方形管状耗能结构由于初始峰值压力极高等不可避免的缺陷而被逐渐淘汰，现有的基于刚性折纸结构的耗能结构通过引入折痕图案尽管解决了管状耗能结构初始峰值压力高的缺陷，但其依然不可多次重复使用，这将会造成极大的浪费。

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，提出了一种基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其成型简单，施工方便，工程造价低，既拥有较低的的初始峰值压力，还可多次重复使用。

本发明的技术方案是：一种基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其中，包括折-剪纸管状结构和用于开缝处连接的柔性材料，折-剪纸管状结构包括数层同轴布置的折-剪纸管状耗能单元，每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有连接段，且相邻两层折-剪纸管状耗能单元之间通过连接段连接，折-剪纸管状耗能单元包括数个位于同一水平位置、且按照折痕图案折叠而成的基本折-剪纸单元。

本发明中，所述折-剪纸管状耗能单元由数个基本折-剪纸单元沿水平方向按首尾依次连接而成，相邻两个基本折-剪纸单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，缝隙处设有柔性材料；

所述基本折-剪纸单元展开后为大小相同的矩形单元，所述折-剪纸管状耗能单元展开后为大小相同的矩形平板单元，该矩形平板单元由数个具有相同尺寸和折痕图案的矩形单元在水平方向上按首尾依次连接而成，相邻两矩形单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，每层折-剪纸管状耗能单元内设有数条沿高度方向贯通的缝隙。

所述连接段展开后为大小相同的矩形平板连接单元，该矩形平板连接单元由数个具有相同尺寸的矩形连接单元在水平方向上按首尾依次连接而成，构成折-剪纸管状耗能单元的数个基本折-剪纸单元的上下两端分别设有大小相同的矩形连接单元，上下位置对应且相邻的两基本折-剪纸单元之间通过矩形连接单元连接。

所述折-剪纸管状结构由数层折-剪纸管状耗能单元沿高度方向通过连接段连接而成，折-剪纸管状结构展开后呈一矩形平板，该矩形平板由数层相同宽度的矩形平板单元在竖直方向连接而成，每层矩形平板单元的上下两端均设有矩形平板连接单元，相邻两层矩形平板单元之间通过矩形平板连接单元连接；

设折-剪纸管状结构包括n层折-剪纸管状耗能单元，n≥1，此时折-剪纸管状结构内共设有n+1层连接段。

所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元在不考虑边界的情况下共设有六条折痕，包括四条山线和两条谷线，其中四条山线分别位于矩形单元的对角线上，两条谷线分别位于矩形单元沿水平方向的中心线上，六条折痕相交以及折痕与边界相交共形成七个顶点，分别为第一顶点、第二顶点、第三顶点、第四顶点、第五顶点、第六顶点、第七顶点，其中第一顶点位于矩形单元的中心位置，第二、三、六顶点和第七顶点均位于矩形单元的顶点位置，第四顶点和第五顶点位于矩形单元纵向边界的中点位置；

所述六条折痕将基本折-剪纸单元划分为六个折叠单元，分别为第一折叠单元、第二折叠单元、第三折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元，其中第三、四、五折叠单元和第六折叠单元为全等的直角三角形单元，第一折叠单元和第二折叠单元为全等的等腰三角形单元；

设所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元宽为a₁，高为b₁，在折叠过程中宽度a₁保持不变，设某一折叠状态下基本折-剪纸单元的高度为h₁，第一折叠单元和第二折叠单元之间的夹角为θ₁，第三折叠单元和第四折叠单元之间、第五折叠单元和第六折叠单元之间的夹角均为β₁，θ₁、β₁和h₁之间的关系为：

所述折-剪纸管状耗能单元的上、下两端截面均为N边形，N≥3，折叠过程中，每个基本折-剪纸单元的第三顶点和第七顶点分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第二顶点和第六顶点具有相同的空间位置，当所述基本折-剪纸单元的第五顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的，所述基本折-剪纸单元的第五折叠单元和第六折叠单元分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元和第四折叠单元位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₁₀、β₁₀和h₁₀分别为：

所述基本折-剪纸单元位于初始折叠状态时在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料；当所述基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第五顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料随之拉伸，θ₁、β₁和h₁越来越小；

上述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元的宽度a₁和高度b₁需满足以下条件：

所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元在不考虑边界的情况下共设有七条折痕，其中包括五条山线和两条谷线，七条折痕之间相交以及折痕与边界相交共形成八个交点，分别为第一顶点、第二顶点、第三顶点、第四顶点、第五顶点、第六顶点、第七顶点和第八顶点，其中第一顶点和第二顶点位于矩形单元的横向中心线上并且关于纵向中心线对称，第三、四、七顶点和第八顶点均位于矩形单元的顶点位置，第五顶点和第六顶点位于矩形单元纵向边界的中点位置；

所述七条折痕将基本折-剪纸单元划分为六个折叠单元，分别为第一折叠单元、第二折叠单元、第三折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元，其中第三、四、五折叠单元和第六折叠单元为全等的直角三角形单元，第一折叠单元和第二折叠单元为全等的等腰梯形单元；

设所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元宽为a₂，高为b₂，第一折叠单元和第二折叠单元之间公共边的长度为c；在所述基本折-剪纸单元的折叠过程中宽度a₂保持不变，设某一折叠状态下所述基本折-剪纸单元的高度为h₂，第一折叠单元和第二折叠单元之间的夹角为θ₂，第三折叠单元和第四折叠单元之间、第五折叠单元和第六折叠单元之间均具有相同的夹角β₂，θ₂、β₂和h₂之间的关系为：

设所述折-剪纸管状耗能单元的上、下两端截面均为N边形，N≥3，折叠过程中，每个基本折-剪纸单元的第四顶点和第八顶点分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三顶点和第七顶点具有相同的空间位置，当所述基本折-剪纸单元的第六顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的，并且此时所述基本折-剪纸单元的第五折叠单元和第六折叠单元分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元和第四折叠单元位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₂₀、β₂₀和h₂₀分别为：

所述基本折-剪纸单元位于初始折叠状态时，在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料，当所述基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第六顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料随之拉伸，θ₂、β₂和h₂越来越小。

上述基本折-剪纸单元中，为了满足几何约束要求，第一折叠单元和第二折叠单元之间公共边的长度c需要满足以下条件：

本发明的有益效果是：

(1)更高的能量吸收：与传统的耗能薄壁管相比，基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构具有更多的塑性铰，因而能量吸收效率更高；

(2)初始峰值压力低：相比于传统的耗能薄壁管和现有的基于刚性折纸的耗能结构，基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构具有更低的峰值压力；

(3)压缩力平稳性好：传统的耗能薄壁管在压缩时通常会产生较大的褶皱波长，从而导致其压缩力产生周期性的波峰与波谷，且波峰与波谷之差较大，导致力的波动性较大，而基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构压缩力的稳定性更好；

(4)多次重复利用：传统的耗能薄壁管和现有的基于刚性折纸的耗能结构在初次大变形后会发生局部屈曲而不能第二次重复利用，而基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构只依靠折痕处塑性铰的转动和开缝处连接的柔性材料的拉伸消耗能量，因而可以多次重复利用；

(5)折展性更好：相比于传统的耗能薄壁管和现有的基于刚性折纸的耗能结构，基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构具有更好的折展性，便于运输和保存。

综上所述，该发明不仅可以应用于土木建筑领域，在航空航天等众多领域均具有重要的意义和广泛的使用前景。

附图说明

图1-1是本发明所提供的第一种基本折-剪纸单元的展开图；

图1-2是本发明所提供的第一种基本折-剪纸单元的变形图；

图2-1是实施例2中可重复耗能结构的结构示意图；

图2-2是实施例2中可重复耗能结构的展开示意图；

图2-3是实施例2中可重复耗能结构的俯视图；

图2-4是实施例2中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图；

图2-5是实施例2中可重复耗能结构的第一种折叠程度示意图；

图2-6是实施例2中可重复耗能结构的第二种折叠程度示意图；

图3-1是实施例3中可重复耗能结构的结构示意图；

图3-2是实施例3中可重复耗能结构的展开示意图；

图3-3是实施例3中可重复耗能结构的俯视图；

图3-4是实施例3中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图；

图3-5是实施例3中可重复耗能结构的第一种折叠程度示意图；

图3-6是实施例3中可重复耗能结构的第二种折叠程度示意图；

图4-1是本发明所提供的第二种基本折-剪纸单元的展开图；

图4-2是本发明所提供的第二种基本折-剪纸单元的变形图；

图5-1是实施例5中可重复耗能结构的结构示意图；

图5-2是实施例5中可重复耗能结构的展开示意图；

图5-3是实施例5中可重复耗能结构的俯视图；

图5-4是实施例5中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图；

图5-5是实施例5中可重复耗能结构的第一种折叠程度示意图；

图5-6是实施例5中可重复耗能结构的第二种折叠程度示意图；

图6-1是实施例6中可重复耗能结构的结构示意图；

图6-2是实施例6中可重复耗能结构的展开示意图；

图6-3是实施例6中可重复耗能结构的俯视图；

图6-4是实施例6中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图；

图6-5是实施例6中可重复耗能结构的第一种折叠程度示意图；

图6-6是实施例6中可重复耗能结构的第二种折叠程度示意图。

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。

本发明所述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构包括折-剪纸管状结构和用于开缝处连接的柔性材料，折-剪纸管状结构包括数层同轴布置的折-剪纸管状耗能单元，每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有连接段。折-剪纸管状耗能单元包括数个位于同一水平位置并且按照一定折痕图案折叠而成的基本折-剪纸单元，每个基本折-剪纸单元展开后为大小相同的矩形单元。

折-剪纸管状耗能单元由数个基本折-剪纸单元在水平方向上按首尾依次连接而成，相邻两个基本折-剪纸单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，缝隙处设有柔性材料，通过柔性材料实现两个基本折-剪纸单元之间的连接，使每层基本折-剪纸管状耗能单元形成沿周向封闭的管状结构。每层折-剪纸管状耗能单元展开后为大小相同的矩形平板单元，该矩形平板单元由N个具有相同尺寸和折痕图案的矩形单元在水平方向上按首尾依次连接而成，相邻两矩形单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内设有N条沿高度方向贯通的缝隙。

每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有连接段，相邻两层折-剪纸管状耗能单元之间通过连接段连接起来。每层连接段展开后为大小相同的矩形平板连接单元，该矩形平板连接单元由N个具有相同尺寸的矩形连接单元在水平方向上按首尾依次连接而成，在形成连接段时两侧相对的自由边缘通过焊接等连接方式连接起来，构成折-剪纸管状耗能单元的N个基本折-剪纸单元的两端分别设有大小相同的矩形连接单元，上下位置对应且相邻的两基本折-剪纸单元之间通过矩形连接单元连接。

折-剪纸管状结构由数层折-剪纸管状耗能单元沿高度方向通过连接段连接而成，设共有n层折-剪纸管状耗能单元，由于每层折-剪纸管状耗能单元的上下两端均设有连接段，因此折-剪纸管状结构内共设有n+1层连接段。折-剪纸管状结构展开后呈一矩形平板，该矩形平板由n层相同宽度的矩形平板单元在竖直方向连接而成，相邻两层矩形平板单元之间通过矩形平板连接单元连接，每层矩形平板单元的上下两端分别设有矩形平板连接单元，因此该矩形平板共包括n层矩形平板单元、以及n+1层矩形平板连接单元。

实施例1

如图1-1和图1-2所示，为本发明提供的第一种基本折-剪纸单元的展开图和变形图。基本折-剪纸单元展开后为图1-1所示的矩形单元。矩形单元上共设有六条折痕，其中四条折痕分别位于矩形单元的对角线上，这四条折痕为山线，另外两条折痕位于矩形单元沿水平方向的中心线上，这两条折痕为谷线。六条折痕相交以及折痕与矩形单元的边界相交共形成七个顶点，分别为第一顶点P11、第二顶点P12、第三顶点P13、第四顶点P14、第五顶点P15、第六顶点P16、第七顶点P17，其中第一顶点P11位于矩形单元的中心位置，第二、三、六顶点和第七顶点均位于矩形单元的顶点位置，第四顶点P14和第五顶点P15分别位于矩形单元两纵向边界的中点位置。

上述六条折痕将基本折-剪纸单元划分为六个折叠单元，分别为第一折叠单元U11、第二折叠单元U12、第三折叠单元U13、第四折叠单元U14、第五折叠单元U15、第六折叠单元U16，其中第三、四、五折叠单元和第六折叠单元为全等的直角三角形单元，第一折叠单元U11和第二折叠单元U12为全等的等腰三角形单元。

设基本折-剪纸单元展开后的矩形单元宽为a₁、高为b₁，在折叠过程中，基本折-剪纸单元的宽度a₁保持不变，高度则随折叠程度的不同而发生变化。设某一折叠状态下基本折-剪纸单元的高度为h₁，第一折叠单元U11和第二折叠单元U12之间的夹角为θ₁，第三折叠单元U13和第四折叠单元U14之间、以及第五折叠单元U15和第六折叠单元U16之间由于对称具有相同的夹角β₁，θ₁、β₁和h₁之间的关系为：

实施例2

如图2-1至图2-6所示为可重复耗能结构的第一种实施方式，该可重复耗能结构基于实施例1所述的基本折-剪纸单元。

如图2-1所示，该可重复耗能结构包括折-剪纸管状结构和用于开缝处连接的柔性材料C11，本实施例中的折-剪纸管状结构包括三层同轴布置的相同大小的折-剪纸管状耗能单元A11，每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有同等大小的连接段B11，相邻两层折-剪纸管状耗能单元A11之间通过连接段B11连接，因此本实施例中折-剪纸管状结构内设有四层连接段。每层折-剪纸管状耗能单元包括四个位于同一水平位置且具有相同尺寸和折痕图案的基本折-剪纸单元，本实施例中的基本折-剪纸单元按照实施例1所公开的折痕图案折叠而成，且相邻两基本折-剪纸单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，缝隙处设有柔性材料C11，通过柔性材料实现相邻两基本折-剪纸单元之间的连接。每个基本折-剪纸单元的上下两端分别设有矩形连接单元，上下位置对应且相邻的两基本折-剪纸单元之间通过矩形连接单元连接。

图2-2为本实施例提供的一种基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构的展开图，其中实线表示山线，虚线表示谷线，点画线表示在相邻两个基本折-剪纸单元之间沿高度方向贯通的缝隙。每个基本折-剪纸单元展开后均为相同大小的矩形单元，每个矩形单元的上下两端分别设有相同大小的矩形连接单元。每层折-剪纸管状耗能单元展开后为相同大小的矩形平板单元，该矩形平板单元包括四个具有相同尺寸和折痕图案的矩形单元，相邻两矩形单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内设有四条沿高度方向贯通的缝隙。折-剪纸管状结构展开后呈一矩形平板，该矩形平板包括三层相同宽度的矩形平板单元，相邻两矩形平板单元之间通过矩形平板连接单元连接，且每层矩形平板单元的上下两端均设有矩形平板连接单元，因此折-剪纸管状结构内共设有四层连接段。每层连接段展开后为相同大小的矩形平板连接单元，其两侧相对的自由边缘通过焊接等连接方式形成连接段。

图2-3为本实施例中可重复耗能管状结构的俯视图，其上下两端截面均为正方形，图中虚线表示相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内设有四条沿高度方向贯通的缝隙。

图2-4为本实施例中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图，在折叠过程中，每个基本折-剪纸单元中的第三顶点P13和第七顶点P17分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第二顶点P12和第六顶点P16具有相同的空间位置。当基本折-剪纸单元的第五顶点P15和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点P14具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的。与此同时，基本折-剪纸单元的第五折叠单元A5和第六折叠单元A6分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元A3和第四折叠单元A4位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₁₁₀、β₁₁₀和h₁₁₀分别为：

上述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元的宽度a₁和高度b₁需满足以下条件：

如图2-1所示，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料。图2-5和2-6为本实施例的可重复耗能结构的折叠过程，如图2-5所示，当基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第五顶点P15和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点P14随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料也随之拉伸，θ₁、β₁和h₁也随之越来越小。

实施例3

如图3-1至图3-6所示为可重复耗能结构的第二种实施方式，与实施例2相同，该可重复耗能结构基于实施例1所述的基本折-剪纸单元。

如图3-1所示，本实施例中的折-剪纸管状结构包括三层同轴布置的同等大小的折-剪纸管状耗能单元A12，每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有同等大小的连接段B12，且相邻两层折-剪纸管状耗能单元之间通过连接段B12连接，因此该折-剪纸管状结构内共设有四层连接段B12。每层折-剪纸管状耗能单元A12包括五个位于同一水平位置且具有相同尺寸和折痕图案的基本折-剪纸单元，相邻两基本折-剪纸单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，缝隙处设有柔性材料C12，通过柔性材料实现相邻两基本折-剪纸单元之间的连接。每个基本折-剪纸单元的上下两端分别设有矩形连接单元，上下位置对应且相邻的两基本折-剪纸单元之间通过矩形连接单元连接。

图3-2所示为本实施例提供的一种基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构的展开图，其中实线表示山线，虚线表示谷线，点画线表示相邻两个基本折-剪纸单元之间沿高度方向贯通的缝隙。每个基本折-剪纸单元展开后为相同大小的矩形单元，每个矩形单元的上下两端分别设有矩形连接单元。每层折-剪纸管状耗能单元展开后为相同大小的矩形平板单元，该矩形平板单元包括五个具有相同尺寸和折痕图案的矩形单元，相邻两矩形单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内设有五条沿高度方向贯通的缝隙。折-剪纸管状结构展开后呈一矩形平板，该矩形平板包括三层宽度相同的矩形平板单元，相邻两矩形平板单元之间通过矩形平板连接单元连接，且每层矩形平板单元的上下两端均设有矩形平板连接单元，因此折-剪纸管状结构内共设有四层连接段。每层连接段展开后为相同大小的矩形平板连接单元，其两侧相对的自由边缘通过焊接等连接方式形成连接段。

图3-3为本实施例中可重复耗能管状结构的俯视图，其上下两端截面均为正五边形，图中虚线表示相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内共设有五条沿高度方向贯通的缝隙。

图3-4为本实施例中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图，在折叠过程中，每个基本折-剪纸单元的第三顶点P13和第七顶点P17分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第二顶点P12和第六顶点P16具有相同的空间位置。当基本折-剪纸单元的第五顶点P15和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点P14具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的。与此同时，基本折-剪纸单元的第五折叠单元A5和第六折叠单元A6分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元A3和第四折叠单元A4位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₁₂₀、β₁₂₀和h₁₂₀分别为：

上述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元的宽度a₁和高度b₁需满足以下条件：

如图3-1所示，此时基本折-剪纸单元位于初始折叠状态，在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料。图3-5和3-6为本实施例的可重复耗能结构的折叠过程，如图3-5所示，当基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第五顶点P15和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点P14随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料也随之拉伸，θ₁、β₁和h₁也随之越来越小。

其他同实施例2。

实施例4

如图4-1和4-2所示，为本发明提供的第二种基本折-剪纸单元的展开图和变形图。基本折-剪纸单元展开后为如图4-1所示的矩形单元，矩形单元上共设有七条折痕，其中包括五条山线和两条谷线，实线表示山线，虚线表示谷线，七条折痕之间相交以及折痕与边界相交共形成八个顶点，分别为第一顶点P21、第二顶点P22、第三顶点P23、第四顶点P24、第五顶点P25、第六顶点P26、第七顶点P27和第八顶点P28，其中第一顶点P21和第二顶点P22位于矩形单元的横向中心线上并且关于纵向中心线对称，第三、四、七顶点和第八顶点P28均位于矩形单元的顶点位置，第五顶点P25和第六顶点P26位于矩形单元纵向边界的中点位置。

如图4-2所示，七条折痕将基本折-剪纸单元划分为六个折叠单元，分别为第一折叠单元U21、第二折叠单元U22、第三折叠单元U23、第四折叠单元U24、第五折叠单元U25、第六折叠单元U26，其中第三、四、五折叠单元和第六折叠单元U26为全等的直角三角形单元，第一折叠单元U21和第二折叠单元U22为全等的等腰梯形单元。

设基本折-剪纸单元展开后的矩形单元宽为a₂，高为b₂，第一折叠单元和第二折叠单元之间公共边的长度为c，在折叠过程中，基本折-剪纸单元的宽度a₂保持不变，高度则随折叠程度的不同而发生变化。设某一折叠状态下基本折-剪纸单元的高度为h₂，第一折叠单元U21和第二折叠单元U22之间的夹角为θ₂，第三折叠单元U23和第四折叠单元U24之间、以及第五折叠单元U25和第六折叠单元U26之间由于对称具有相同的夹角β₂，θ₂、β₂和h₂之间的关系为：

实施例5

如图5-1至图5-6所示为可重复耗能结构的第三种实施方式，该可重复耗能结构基于实施例4所述的基本折-剪纸单元。

如图5-1所示，本实施例中的折-剪纸管状结构包括三层同轴布置的相同大小的折-剪纸管状耗能单元A21，每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有同等大小的连接段B21，且相邻两层折-剪纸管状耗能单元之间通过连接段B21连接，因此该折-剪纸管状结构内共设有四层连接段B21。每层折-剪纸管状耗能单元B21包括四个位于同一水平位置且具有相同尺寸和折痕图案的基本折-剪纸单元，相邻两基本折-剪纸单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，缝隙处设有柔性材料C21，通过柔性材料实现相邻两基本折-剪纸单元之间的连接。每个基本折-剪纸单元的上下两端分别设有矩形连接单元，上下位置对应且相邻的两基本折-剪纸单元之间通过矩形连接单元连接。

图5-2所示为本实施例中可重复耗能结构的展开图，其中实线表示山线，虚线表示谷线，点画线表示相邻两个基本折-剪纸单元之间沿高度方向贯通的缝隙。每个基本折-剪纸单元展开后为相同大小的矩形单元，每个矩形单元的上下两端分别设有矩形连接单元。每层折-剪纸管状耗能单元展开后为相同大小的矩形平板单元，该矩形平板单元包括四个具有相同尺寸和折痕图案的矩形单元，相邻两矩形单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内设有四条沿高度方向贯通的缝隙。折-剪纸管状结构展开后呈一矩形平板，该矩形平板包括三层宽度相同的矩形平板单元，相邻两矩形平板单元之间通过矩形平板连接单元连接，且每层矩形平板单元的上下两端均设有矩形平板连接单元，因此折-剪纸管状结构内共设有四层连接段。每层连接段展开后为相同大小的矩形平板连接单元，其两侧相对的自由边缘通过焊接等连接方式形成连接段。

图5-3为本实施例中可重复耗能管状结构的俯视图，其上下两端截面均为正方形，图中虚线表示相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内共设有四条沿高度方向贯通的缝隙。

图5-4为本实施例中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图，在折叠过程中，每个基本折-剪纸单元的第四顶点P24和第八顶点P28分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三顶点P23和第七顶点P27具有相同的空间位置。当基本折-剪纸单元的第六顶点P26和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点P25具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的，与此同时，基本折-剪纸单元的第五折叠单元U25和第六折叠单元U26分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元U23和第四折叠单元U24位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₂₁₀、β₂₁₀和h₂₁₀分别为：

上述基本折-剪纸单元第一折叠单元和第二折叠单元之间公共边的长度c需要满足以下条件：

如图5-1所示，此时基本折-剪纸单元位于初始折叠状态，在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料。图5-5和5-6为本实施例中的可重复耗能结构的折叠过程，如图5-5所示，当基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第六顶点P26和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点P25随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料也随之拉伸，θ₂、β₂和h₂也随之越来越小。

其他同实施例2。

实施例6

如图6-1至图6-6所示为可重复耗能结构的第四种实施例方式，该可重复耗能结构基于实施例4所述的基本折-剪纸单元。

如图6-1所示，本实施例中的折-剪纸管状结构包括三层同轴布置的相同大小的折-剪纸管状耗能单元A22，每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有同等大小的连接段B22，相邻两层折-剪纸管状耗能单元之间通过连接段B22连接，因此该折-剪纸管状结构内共设有四层连接段B22。每层折-剪纸管状耗能单元A22包括五个位于同一水平位置且具有相同尺寸和折痕图案的基本折-剪纸单元，相邻两基本折-剪纸单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，缝隙处设有柔性材料C22，通过柔性材料实现相邻两基本折-剪纸单元之间的连接。每个基本折-剪纸单元的上下两端分别设有矩形连接单元，上下位置对应且相邻的两基本折-剪纸单元之间通过矩形连接单元连接。

图6-2为本实施例中可重复耗能结构的展开图，其中实线表示山线，虚线表示谷线，点画线表示相邻两个基本折-剪纸单元之间沿高度方向贯通的缝隙。每个基本折-剪纸单元展开后为相同大小的矩形单元，每个矩形单元的上下两端分别设有矩形连接单元。每层折-剪纸管状耗能单元展开后为相同大小的矩形平板单元，该矩形平板单元包括五个具有相同尺寸和折痕图案的矩形单元，相邻两矩形单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内共设有五条沿高度方向贯通的缝隙。折-剪纸管状结构展开后呈一矩形平板，该矩形平板包括三层宽度相同的矩形平板单元，相邻两矩形平板单元之间通过矩形平板连接单元连接，且每层矩形平板单元的上下两端均设有矩形平板连接单元，因此折-剪纸管状结构内共设有四层连接段。每层连接段展开后为相同大小的矩形平板连接单元，其两侧相对的自由边缘通过焊接等连接方式形成连接段。

图6-3为本实施例中可重复耗能管状结构的俯视图，其上下两端截面均为正五边形，图中虚线表示相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙，因此每层折-剪纸管状耗能单元内共设有五条沿高度方向贯通的缝隙。

图6-4为本实施例中折-剪纸管状耗能单元的结构示意图，在折叠过程中，每个基本折-剪纸单元的第四顶点P24和第八顶点P28分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三顶点P23和第七顶点P27具有相同的空间位置。当基本折-剪纸单元的第六顶点P26和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点P25具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的，与此同时，基本折-剪纸单元的第五折叠单元U25和第六折叠单元U26分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元U23和第四折叠单元U24位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₂₂₀、β₂₂₀和h₂₂₀分别为：

上述基本折-剪纸单元第一折叠单元和第二折叠单元之间公共边的长度c需要满足以下条件：

如图6-1所示，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料。图6-5和6-6为本实施例中的可重复耗能结构的折叠过程，如图6-5所示，当基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第六顶点P26和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点P25随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料也随之拉伸，θ₂、β₂和h₂也随之越来越小。

以上对本发明所提供的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能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 (8)

1.一种基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：包括折-剪纸管状结构和用于开缝处连接的柔性材料，折-剪纸管状结构包括数层同轴布置的折-剪纸管状耗能单元，每层折-剪纸管状耗能单元的两端均设有连接段，且相邻两层折-剪纸管状耗能单元之间通过连接段连接，折-剪纸管状耗能单元包括数个位于同一水平位置、且按照折痕图案折叠而成的基本折-剪纸单元；

所述折-剪纸管状耗能单元由数个基本折-剪纸单元沿水平方向按首尾依次连接而成，相邻两个基本折-剪纸单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，缝隙处设有柔性材料；

所述基本折-剪纸单元展开后为大小相同的矩形单元，所述折-剪纸管状耗能单元展开后为大小相同的矩形平板单元，该矩形平板单元由数个具有相同尺寸和折痕图案的矩形单元在水平方向上按首尾依次连接而成，相邻两矩形单元之间形成沿高度方向贯通的缝隙，每层折-剪纸管状耗能单元内设有数条沿高度方向贯通的缝隙；

所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元设有六条折痕，包括四条山线和两条谷线，其中四条山线分别位于矩形单元的对角线上，两条谷线分别位于矩形单元沿水平方向的中心线上，六条折痕相交以及折痕与边界相交共形成七个顶点，分别为第一顶点、第二顶点、第三顶点、第四顶点、第五顶点、第六顶点、第七顶点，其中第一顶点位于矩形单元的中心位置，第二、三、六顶点和第七顶点均位于矩形单元的顶点位置，第四顶点和第五顶点位于矩形单元纵向边界的中点位置；

所述六条折痕将基本折-剪纸单元划分为六个折叠单元，分别为第一折叠单元、第二折叠单元、第三折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元，其中第三、四、五折叠单元和第六折叠单元为全等的直角三角形单元，第一折叠单元和第二折叠单元为全等的等腰三角形单元；

设所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元宽为a₁，高为b₁，在折叠过程中宽度a₁保持不变，设某一折叠状态下基本折-剪纸单元的高度为h₁，第一折叠单元和第二折叠单元之间的夹角为θ₁，第三折叠单元和第四折叠单元之间、第五折叠单元和第六折叠单元之间的夹角均为β₁，θ₁、β₁和h₁之间的关系为：

2.根据权利要求1所述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：所述连接段展开后为大小相同的矩形平板连接单元，该矩形平板连接单元由数个具有相同尺寸的矩形连接单元在水平方向上按首尾依次连接而成，构成折-剪纸管状耗能单元的数个基本折-剪纸单元的上下两端分别设有大小相同的矩形连接单元，上下位置对应且相邻的两基本折-剪纸单元之间通过矩形连接单元连接。

3.根据权利要求2述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：所述折-剪纸管状结构由数层折-剪纸管状耗能单元沿高度方向通过连接段连接而成，折-剪纸管状结构展开后呈一矩形平板，该矩形平板由数层相同宽度的矩形平板单元在竖直方向连接而成，相邻两矩形平板单元之间通过矩形平板连接单元连接，每层矩形平板单元的上下两端均设有矩形平板连接单元；

设折-剪纸管状结构包括n层折-剪纸管状耗能单元，n≥1，此时折-剪纸管状结构内共设有n+1层连接段。

4.根据权利要求1所述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：设所述折-剪纸管状耗能单元的上、下两端截面均为N边形，N≥3，折叠过程中，每个基本折-剪纸单元的第三顶点和第七顶点分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第二顶点和第六顶点具有相同的空间位置，当所述基本折-剪纸单元的第五顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的，所述基本折-剪纸单元的第五折叠单元和第六折叠单元分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元和第四折叠单元位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₁₀、β₁₀和h₁₀分别为：

所述基本折-剪纸单元位于初始折叠状态时在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料；当所述基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第五顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第四顶点随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料随之拉伸，θ₁、β₁和h₁越来越小。

5.根据权利要求1所述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元的宽度a₁和高度b₁需满足以下条件：

6.根据权利要求1所述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元的另外一种结构形式为：

所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元共设有七条折痕，其中包括五条山线和两条谷线，七条折痕之间相交以及折痕与边界相交共形成八个交点，分别为第一顶点、第二顶点、第三顶点、第四顶点、第五顶点、第六顶点、第七顶点和第八顶点，其中第一顶点和第二顶点位于矩形单元的横向中心线上并且关于纵向中心线对称，第三、四、七顶点和第八顶点均位于矩形单元的顶点位置，第五顶点和第六顶点位于矩形单元纵向边界的中点位置；

所述七条折痕将基本折-剪纸单元划分为六个折叠单元，分别为第一折叠单元、第二折叠单元、第三折叠单元、第四折叠单元、第五折叠单元、第六折叠单元，其中第三、四、五折叠单元和第六折叠单元为全等的直角三角形单元，第一折叠单元和第二折叠单元为全等的等腰梯形单元；

设所述基本折-剪纸单元展开后的矩形单元宽为a₂，高为b₂，第一折叠单元和第二折叠单元之间公共边的长度为c；在所述基本折-剪纸单元的折叠过程中宽度a₂保持不变，设某一折叠状态下所述基本折-剪纸单元的高度为h₂，第一折叠单元和第二折叠单元之间的夹角为θ₂，第三折叠单元和第四折叠单元之间、第五折叠单元和第六折叠单元之间均具有相同的夹角β₂，θ₂、β₂和h₂之间的关系为：

7.根据权利要求6所述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：设所述折-剪纸管状耗能单元的上下两端截面均为N边形，N≥3，折叠过程中，每个基本折-剪纸单元的第四顶点和第八顶点分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三顶点和第七顶点具有相同的空间位置，当所述基本折-剪纸单元的第六顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点具有相同的空间位置时，相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙是闭合的，并且此时所述基本折-剪纸单元的第五折叠单元和第六折叠单元分别和与其相邻的基本折-剪纸单元的第三折叠单元和第四折叠单元位于同一平面，此时基本折-剪纸单元处于初始折叠状态，此时的θ₂₀、β₂₀和h₂₀分别为：

所述基本折-剪纸单元位于初始折叠状态时，在相邻两个基本折-剪纸单元之间的缝隙处连接有柔性材料，当所述基本折-剪纸单元从初始折叠状态开始折叠时，其第六顶点和与其相邻的基本折-剪纸单元的第五顶点随即分离，相邻两个基本折-剪纸单元之间缝隙处连接的柔性材料随之拉伸，θ₂、β₂和h₂越来越小。

8.根据权利要求6所述的基于刚性折-剪纸结构的可重复耗能结构，其特征在于：所述基本折-剪纸单元中，第一折叠单元和第二折叠单元之间公共边的长度c需要满足以下条件：

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