CN116043664B - 基于v支撑的多层次抗震设防挡块 - Google Patents
基于v支撑的多层次抗震设防挡块 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及建筑桥梁施工和结构抗震抗冲击安全保护领域，公开了一类基于V支撑的多层次抗震设防挡块，包括新型抗震V支撑和包含V支撑的钢筋混凝土挡块。V支撑是根据本发明提出“均匀塑性分布模型”所导出的控制微分方程设计，钢筋混凝土挡块内部包含特殊设计可以与V支撑的组合实现多层次抗震设防的钢筋网络。以我国抗震规范为设计基准，V挡块保证在地震载荷小于E1设防标准时所保护结构系统处于完全可自恢复的弹性状态，载荷水平在E1和E2设防标准直接时仅V支撑内部出现在结构可以持续运行条件下修复的残余变形，载荷水平高于E2设防标准时造成的损伤局限在“V挡块”之内，实现“小震不用修，中震可运行，大震不垮塌”的三层次抗震设防功能。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁和类似结构抗震和抗冲击技术领域，具体地涉及一类抵抗水平和垂直地震波的多层次防止结构脱落装置及设计方法。
背景技术
挡块是在桥梁墩顶或盖梁上的附加凸起结构，主要作用是在地震或其它类似水平外力冲击下限制梁件位移，保护支座，防止梁落座和整梁脱落。由于概念简单，易于设计和低造价等优点，其作为我国中小跨径桥梁抗震的基本措施得到广泛应用。但工程实践表明：较强地震冲击下许多桥梁结构中挡块的抗震功能有限，原因大致如下：
1.与所阻挡梁件间隙难确定；简单的讲，挡块是限制两构件相对位移的装置；但如何确定限位功能生效的初始位移，即两构件之间间隙，仍是一个工程难题；间隙过小沿挡块方向两构件类似固结，温差和微小震动可能在结构体内造成较高应力；间隙过大时可能在许多地震工况下无功效，同时强震作用下间隙为相对位移提供加速滑动的余地，对应的高速冲击惯性力导致挡块易破坏。
2.缺乏减隔震功效，一次性破坏：在挡块与被限位构件接触前没有减隔震作用，接触后挡块一旦在某一地震波段冲击下破坏，便失去对结构的保护作用。
3.限位方向局限：一般挡块只限制梁件一个水平方向位移，实践中主要应用于限制梁件横桥向位移；但实际情况表明顺桥向落梁是地震造成桥梁破坏的最常见形式，例如在2021年5月22日青海玛多7.4级地震后破坏的野马滩1号和2号高速公路桥，图1；和1989年美国加州龙曼-布雷塔7.0级地震造成的海湾大桥落梁事故。如果增加顺桥向挡块，势必需要加大墩顶或盖梁承载面积，导致桥墩尺寸增加和对应的附加施工成本。虽然应用中有将挡块设计成插入梁底部开孔的凸隼，但前述问题1，即如何确定与孔壁间隙，或如何同时保证适当的限位功能和开孔构件及挡块强度，仍未有标准。另外，近几十年世界各地高烈度或造成较大损伤地震的记录，包括2009年智利圣地亚哥(9级)，2011年日本仙台(8.9级)，2021年中国青海玛多(7.4级)都表明，垂直地震波的影响不可忽视；在这类工况下，一般挡块的限位功能有限。
以2008年汶川地震为例，据统计，震后毁坏的桥梁高达5560座，其中大多数中小跨径桥梁破坏是在挡块失效后支座严重破损后发生的。
为了保证桥梁和类似结构的抗震安全，避免上述常规限位挡块的不足之处，本方面公开了一类以V支撑减隔震概念为基础可以实现多向多层次抗震设防的V概念防脱落装置，以下简称“V型缓冲和可自复位挡块”或“V挡块”。我国目前的结构抗震规范规定两水准抗震设防设计：E1级别抗震设防，要求在发生频率较高的中低烈度等级地震后结构可以照常运行，不需修理；E2级别抗震设防，要求保证结构在发生频率相对较低的高烈度地震后不垮塌。V型缓冲和可自复位挡块的设计目标是实现基于两水准设计的多层次设防，即在E1工况下结构无变化，E2工况下仍可以重复使用，在超过E2的超高烈度地震工况下保证结构不垮塌。
发明内容
V型缓冲和可自复位挡块与常规挡块在结构形式上的核心区别在于前者对被保护构件的限位功能从零位移开始，即在地震波冲击下被保护构件有开始位移的趋势时V挡块就开始提供阻挡这一位移的阻力；类似于弹簧，阻力幅度随着位移增大而增大。因此，V挡块避免了常规挡块与被保护构件距离(间隙)设置的难题。这一功能是通过两端分别插入或固定在被限制相对位移的构件一和V挡块3内的稳定销4和环绕稳定销4的V形空腔5二者组合来实现，见图2，3。如果没有V形空腔5，稳定销4类似于常规的抗剪销；由于其不允许相对位移，微小地震的冲击或环境温度变化都可以引起抗剪销在两构件接触面位置的高剪切力集中，导致剪断。V形空腔5的功用是避免这类局部应力集中，允许稳定销4在空腔内弯曲变形，避免剪断；并通过特殊设计的空腔沿轴线截面直接变化来逐步增加稳定销4侧面与空腔壁接触面积，由此缩短稳定销4可弯曲变形的长度，增加抵抗位移的阻力。同时，通过被保护构件环绕V形空腔5的内部设计以实现多向多层次抗震设防。插入V形空腔5内稳定销4对结构在垂直震动工况下构件对不脱离。
传统观点认为，一个结构系统主要构件强度越高，系统抵抗载荷能力越高。对于地震载荷这一观点并非完全正确；因为地震力是由地震波造成地表突然运动在结构中产生的惯性力，如图4系统I：地表突然运动带着桥墩一起运动，墩顶梁部的惯性力在墩柱中产生与运动方向相反的剪力V和对应的弯矩M＝H*V。对于高强度接近刚性系统的结构，在地表位移u作用下对应的剪力V与位移u成正比，见图4(c)。图2，3中V挡块的作用类似于图4系统II的V支撑连接，其中V形空腔内稳定销的变形迟滞了墩拖拽梁的运动加速度，导致惯性力减小。这一作用可以用特殊设计的V形空腔和稳定销组合使得系统刚度降低；如图4(c)所示，对应的系统刚度一般记作Keff，又称“结构等效刚度”。
因此，本发明的一个核心创新点是V形空腔5和稳定销4组合的特殊设计以保证下列功能：(1)稳定销4承担限位作用时受力弯曲后不出现塑性铰类似局部应力应变集中而失稳，(2)稳定销4弯曲变形后逐渐增大与V形空腔5内壁接触面积以借助V挡块3强度限制特定方向位移，(3)设计保持稳定销4内部有沿轴线方向分布连续的弹性区域，所储存的弹性势能提供复位驱动力，(4)稳定销4和V形空腔5的组合降低结构系统沿限位方向变形的刚度，衰减结构部件中对应的惯性力。下面为此进一步解释：
因为稳定销4是本装置限位的核心部件之一，采用耐久抗腐蚀的高强度合金或高强度复合材料制作，例如：钛铝合金，中高强度不锈钢，特氟龙等。对这类材料的大多数，其应力-应变曲线可以用Ramburg-Osgood关系来描述：
式中σ，ε分别代表应力和应变；σY，εY为屈服应力和屈服应变；K和n分别代表应力硬化常数和应变硬化指数。实用中公式(1)略繁琐；为了便于解释，本说明书后续推导中采用对金属材料较适用的下列线弹性-幂硬化关系表达：
式中k代表应变硬化常数，塑性应变εp，弹性模量E按下公式定义：
εp＝ε-εY，
图5给出不同应变硬化指数时应力-应变曲线。
考虑本申请公开装置，例如图2，当需要限位的构件一和构件二之间发生相互错动时，造成稳定销4弯曲变形的力是所述装置限制位移的第一层阻力。可以定义稳定销4的屈服强度PY，即造成稳定销4中任何一点应力达到屈服应力的作用力。在常规情况下作用力增加时稳定销4呈现如图6(a)，(b)两种状态：当作用力P小于PY时，稳定销4处于弹性状态，如图6(a)。当P大于PY时，随着载荷增加稳定销4中塑性应变逐渐增加并向销中心穿透，最后在弯矩最大处整个截面处于塑性应变状态，形成如图6(b)的局部塑性铰。常规情况下塑性铰出现后销杆梁类细长几何结构失去抵抗载荷能力。对V挡块3，这意味着失去限位功能。
因此，本公开申请的一个核心是如图6(c)所示的“均匀弹塑变形状态”模型和由此导出的如图2和3中装置的稳定销4半径和V形空腔5内壁曲率组合的设计方法。这一方法的目的是让稳定销4受力弯曲后逐渐与空腔5内壁接触，借助V挡块3基体强度，而非仅仅稳定销4弯曲阻力，限制进一步位移。由此保证在稳定销4所承受载荷增加时可以进一步继续变形但不出现如图6(b)的塑性铰，而是让塑性应变尽可能均匀地分布在稳定销4长度方向上同时不穿透销的任何截面，见图6(c)，这是称作“均匀塑性分布模型”的原因。由于这一设计避免出现可能导致稳定销4破坏的局部应变集中，销轴心弹性区继续提供限位所需的抵抗力，所储存弹性势能将在外载撤去之后驱动稳定销4复位。下面介绍设计V形空腔5内壁曲率的方法和计算公式，为便于解释，用稳定销4直径为常数来介绍这一过程。
假设稳定销4遵循常规工程应用的欧拉-柏努利梁理论，其核心是梁中垂直于轴线的每个截面在梁弯曲后仍然是平面，即截面上每一质点的应变与到弯曲中性轴距离成正比，由此导出下列弯矩M与变形位移w曲率的关系如下：
公式中I代表销杆的截面惯性矩，z是沿轴向坐标，w代表销杆偏离中轴线的横向位移。对于图6(c)所示受弯曲载荷的园销杆，横截面上弹性区应力对应的弯矩，记作Me，可以用下式表达：
应用本构关系式(2)，横截面上塑性区应力对应的弯矩，记作Mp，可以用下式表达：
式中，按照欧拉-柏努利梁理论，
将(4)和(5)代入公式(3)，得到根据图6(c)“均匀弹塑变形状态”模型设计V形空腔5内壁曲率的微分方程：
和控制条件：
rp>0 (7)
在实际应用中，取：
rp≥0.3r (8)
上式中r是稳定销4半径。对于稳定销4半径不是常数情况，上述公式仍适用，但销杆的截面惯性矩I是轴线坐标z的函数。
以公式(6-8)为基础，本申请公开两类V型缓冲和可自复位挡块的基本构型。如图2所示：第一类V挡块与被限位两构件一和二之中的构件一仅通过插入其中V形空腔5的稳定销4相连接；利用V挡块3自身位置限制构件二的水平位移。因此，当两构件之一受到外力冲击时，两构件可以在沿与V挡块与构件一接触所定义水平面平行的方向相对滑动。构件二接触V挡块3后，稳定销4弯曲变形的力抵抗这一滑动。当外载荷相当于E1抗震设防工况时，本申请所公开V挡块的设计保证稳定销4处于弹性状态。所储存的弹性变形势能在震后驱动结构复原，从而实现“小震不用修补”的要求。当外力继续增高解决或达到相当于E2抗震设防的工况时，V挡块的设计保证稳定销4出现如图6(c)“均匀塑性分布模型”的塑性屈服模式。类似减隔震装置，被限位两构件的相对滑动衰减地震惯性力，滑动摩擦和稳定销4的塑性变形耗散震动能量。虽然稳定销4的塑性变形导致震后残余相对位移，但被限位两构件不脱离，可以实现“中震后可运行”。稳定销4，V形空腔5，和V挡块3组合的破坏强度决定被限位结构系统“大震不倒”的极限载荷水平。
图3给出第二类V型缓冲和可自复位挡块的基本构型，其中V挡块3与被限位两构件之中的构件一通过钢筋混凝土固结，形成一个类似固接墩的连接，本类V挡块3又称作“V保护墩”或“保护墩”。稳定销4第一端插入或固定在V保护墩3中，另一端插入或固定在构件二中。因此，与图2第一类V挡块构型的主要不同之处是保护墩3和构件一连成一体，例如，对钢筋混凝土结构的一个实施方法是保护墩3内含通过特殊设计的配筋与构件一现浇连接。稳定销4的一端插入或固定在保护墩3上，稳定销4另一端插入构件二或固定在其中。
以前述公式6-8为理论基础的设计方法可以保证第二类V型缓冲和可自复位挡块具有下列功能：(1)稳定销4承担限位作用时受力弯曲后不出现塑性铰类似局部应力应变集中而失稳；(2)稳定销4弯曲变形后逐渐增大与V形空腔5内壁接触面积以借助V挡块3强度限制特定方向位移；(3)保持稳定销4内部沿轴线方向分布的弹性区域，所储存的弹性势能提供复位驱动力；(4)降低系统沿限位方向变形的刚度，衰减结构系统中对应的惯性力；(5)所述V挡块3破坏强度低于所述系统主要构件的极限承载强度，在超强载荷工况下所述V挡块3先破坏。
上述功能可以用图7中实施例1的加载过程来解释，其中图7(d)描绘V挡块3剪切破坏的形态。此实施例也给出决定设计V挡块参数的方法；包括竖筋截面积和插入构件一的深度lv，以及图7中V挡块宽度w，拉筋长度参数hd预设剪变形区高度hc等参数。
附图说明
为了更完全地理解本公开及其优点，现在参考下面的说明，并且与附图相结合，解释本发明核心内容和描述公开的具体实施例，其中：
图1是2021年5月22日青海玛多7.4级地震后2017年通车的野马滩1号高速公路桥损伤情况，显示顺桥向落梁是破坏的基本形式。本发明装置的一个重点是保护桥梁不出现类似损伤；
图2是本申请公开的第一类V型缓冲和可自复位挡块的基本构型；图中两构件之一受到平行于相接触平面外力冲击时，两构件在水平面方向发生相对滑动，稳定销4弯曲变形的力抵抗这一滑动。当外力相当于E1抗震设防工况时，V型缓冲和可自复位挡块的设计保证稳定销4处于弹性状态。当外力增高达到相当于E2抗震设防的工况之前时，稳定销4出现如图6中的(c)模型的“均匀弹塑性变形”状态，借助V挡块3自身强度抵抗水平错动；
图3是本申请公开的第二类V型缓冲和可自复位挡块的基本构型；与图构型的不同之处是图中V挡块3和构件一连成一体，例如，对钢筋混凝土结构，V挡3通过特殊设计的配筋与构件一现浇连接。V挡块3另一端插入稳定销4的一端，稳定销4插入构件二或固定在其中。两构件之一受到平行于相接触平面外力冲击时，稳定销弯曲4变形的力抵抗这一滑动。当外力相当于E1抗震设防工况时，V型缓冲和可自复位挡块的设计保证稳定销4处于弹性状态。当外力增高达到相当于E2抗震设防的工况之前时，稳定销4出现如图6中的(c)模型的“均匀弹塑性变形”状态，借助V挡块3自身强度抵抗水平错动。当外力继续增高，通过设计保证体积块配筋强度小于整个结构系统中其它主要构件的强度，牺牲V挡块3来保护系统的完整性和安全性，达到“大震结构不倒”的目的；
图4应用V支撑的连接原理介绍图2，3中挡块的抗震功效，其中(a)系统I:刚性连接的墩梁系统；(b)系统II：类似本公开V挡块的V支撑连接墩梁的系统；(c)对应于系统I，II位移的剪力。当地震波传来时地表突然运动带着墩一起运动，墩顶梁部的惯性力在墩柱中产生与运动方向相反的剪力V和对应的弯矩；系统I中墩直接拖拽梁，其剪力V与位移u成正比；系统II的V支撑连接，其中V形空腔内稳定销4的变形迟滞了墩拖拽梁的运动加速度，导致惯性力减小；其作用类似减小了系统刚度至(c)描绘的“结构等效刚度”；
图5给出适用于大多数金属和复合材料的应力应变关系，着重解释应变硬化指数的影响；
图6给出稳定销4受地震力之后弯曲变形的模式：(a)载荷较小，稳定销4处于弹性状态；(b)当载荷造成最大弯矩高于稳定销4的屈服弯矩时，即稳定销4内最大弯矩处应变达到屈服应变水平，一般情况下随着载荷增加在此处屈服应变区域持续扩大直至穿透稳定销4并形成如图示“塑性铰”，此时稳定销4失去抵抗载荷能力。(c)“均匀弹塑性变形”模型：为了避免出现塑性铰，本发明公开的一个核心是通过设计稳定销4外径和V形空腔内壁曲率的组合来实现这一模型的状态，以保证V型缓冲和可自复位挡块可以抵抗更高载荷的阻力；
图7是实施例1，解释如图7(a)所示第二类V型缓冲和可自复位挡块的功能。当两构件之一受到平行于相接触平面外力冲击时，稳定销4弯曲变形的力抵抗这一滑动：当外力小于或相当于E1抗震设防工况载荷水平时，稳定销4处于弹性状态，见图7(b)；当外力继续增高但小于或等于E2抗震设防的工况载荷时，稳定销4出现如图6(c)模型的“均匀弹塑性变形”状态，见图7(c)；当外力继续增高，保护墩3中预设剪变形区16的抗剪和抗弯强度小于整个结构系统中其它主要构件的强度，保护墩3预设剪变形区16首先出现类似常规抗震设计桥墩的“塑性铰”类变形，从而保证结构系统的完整性和安全性，达到“大震结构不倒”的目的，见图7(d)；
图8是实施例2：北方某地现正在建设，计划2022年通车的一座桥梁局部设计图和其中两跨钢结构三维有限单元模型和计算结果示意。此桥单跨50米，采用4纵梁加横梁固定钢框架和混凝土桥板加强的钢混组合结构；
图9由于实施例2桥梁地处中高烈度地震区，在纵横梁节点支座旁的钢横梁与盖梁间设置了的第二类V型缓冲和可自复位挡块；
图10是实施例2所应用的第二类V型缓冲和可自复位挡块设计图。
附图标记说明
1、构件一；2、构件二；3、V挡块；4、稳定销；5、V形空腔；6、体积块3内箍筋；6a、体积块3内外圈箍筋；6b、体积块3内圈箍筋；7、贯通体积块3与构件一竖筋；8、构件一内配筋；9、竖筋7与配筋8扎结或点焊；10、V支撑上顶板；11、铰座；12、稳定销铰头；14、支座或支座+垫石；15、刚性抗剪区；16、预设剪变形区；17、V挡块3最弱抗剪截面；18、稳定销加强环；19、预制内埋螺栓；20、螺母；21、构件一附加拉筋。
具体实施方式
实施例1
图7的实施例解释第二类V型缓冲和可自复位挡块的功能。当两构件之一受到平行于相接触平面外力冲击时，稳定销4弯曲变形的力抵抗这一滑动。本申请所公开V挡块的设计保证：(i)当外力小于或相当于E1抗震设防工况载荷水平时，稳定销4处于弹性状态，见图7(b)。(ii)当外力继续增高但小于或等于E2抗震设防工况载荷水平时，稳定销4出现如图6(c)模型的“均匀弹塑性变形”状态，借助V挡块3自身强度抵抗水平错动，见图7(c)。(iii)当外力继续增高，V挡块3中预设剪变形区16的抗剪和抗弯强度小于整个结构系统中其它主要构件的强度，V挡块3预设剪变形区16首先出现类似常规抗震设计桥墩的“塑性铰”类变形以保护构件一和构件二及结构内其它主要部件，例如墩柱，不出现塑性变形或不产生非塑性铰设计允许的裂纹，从而保证结构系统的完整性和安全性，达到“大震结构不倒”的目的，见图7(d)。
根据图4(c)，所设计V挡块3抗剪强度应当满足下关系:
式中括号里第一项Mf是所在承台或盖梁下桥墩根部极限承载弯矩，其可以根据实际工况和桥梁重要性选择Mf等于开裂弯矩Mcr或屈服弯矩MY；第二项是此处所有支座抗剪强度之和，m代表此处V挡块3的数量。根据美国加州桥梁抗震设计规范，可以“牺牲”挡块的抗剪强度QV必需小于挡块所在处支座反力之和的30％，及此处桥墩和桥台及基础抗剪强度的75％。这些要求作为本设计方法的附加条件。在另一方面，V挡块3抗剪强度应大于V支撑系统抗剪极限VV支撑，即图7(c)中稳定销4全部接触V形空腔5时的载荷：
VV挡块>VV支撑 (10)
按照钢筋混凝土基本理论：
VV挡块＝AV挡块(ρsfsd+fcd) (11)
公式中ρs代表毛截面上钢材料截面积的百分比；fsd，fcd分别代表钢筋和混凝土抗压设计强度；AV挡块是V挡块3毛截面积,例如，对边长为w的正方形截面，
AV挡块＝w2 (12)
将公式(12)代入(11)后再分别代入公式(9)和(10)，得到边长“w”和“ρs”可取值的范围，后者决定竖筋根数和直径。图7中参量hd，lv，ld统一按下列常规钢筋锚固长度式计算：
hd＝40d； ld＝40d； lv＝40d (13)
式中d是钢筋直径。根据实验结果[]取图7(d)中角＝36o；V挡块预设剪变形区高度lc由下式确定：
公式(14)中Keff是图4(c)定义的等效刚度；DV是图7中V形空腔5开口直径。
实施例2
图8是在北方某地现在建设，计划2022年通车的一座桥梁局部设计图和本发明第一申请人完成的此桥中两跨钢结构三维有限单元模型和计算结果示意。此桥单跨50米，采用4纵梁加横梁固定钢框架和混凝土桥板加强的钢混组合结构。由于地处中高烈度地震区，在纵横梁节点支座旁的钢横梁与盖梁间设置了的第二类V型缓冲和可自复位挡块，见图9。图10给出对应的V挡块设计图。
Claims (3)
1.一类基于V支撑的多层次抗震设防挡块，其特征在于，用以限制结构系统中两个相邻结构件发生相对位移的一类装置；所述结构系统包括桥梁，两结构件是桥梁工程结构中一对相邻并传递载荷的主要结构部件，包括桥的梁体和承担梁体的盖梁，所述载荷至少包括重力造成的结构自身恒载，常规动载，地震冲击载荷；所述两结构件又称作“构件对”；当所述构件对在所述载荷作用下开始沿一个方向发生相对位移时，所述装置在所述结构系统内部产生抵抗所述相对位移的阻力和确定所述相对位移的极限，或者限定所述相对位移的方向；或者同时产生所述阻力，确定所述极限，和限制所述方向；
所述装置包括一个体积块，由下列材料之一或它们的组合制成；所述材料包括但不局限于钢筋混凝土，金属，高强度复合材料；所述装置包括至少一个由金属或高强度复合材料制成的稳定销，所述稳定销一端插入或固定在所述体积块内部，另一端插入或固定在所述构件对中一个构件内限制其与所述体积块的相对位移和位移方向；所述体积块置于阻挡所述构件对中第二个构件沿特定方向运动的位置，限制了所述构件对沿所述特定方向的相对位移；所述装置还包括至少一个在所述体积块内或在第一个构件内预制并环绕所述插入的稳定销的V形空腔，所述V形空腔包含两部分：其中第一部分内部几何和尺寸同所述插入的稳定销一端外部几何尺寸一致，所述稳定销插入后只能沿插入的轴线方向滑动和自身径向弯曲；所述V形空腔的第二部分是口径逐渐增大的开口；所述V形空腔内壁设计曲率和所述开口的设计直径允许所述稳定销插入后不产生塑性铰的径向非弹性弯曲变形，所述塑性铰指的是塑性应变集中在所述稳定销任一截面的变形状态；
所述体积块抗剪破坏强度低于所述系统主要构件的极限承载强度；
所述设计的V形空腔第二部分内壁曲率和设计所述开口直径保证所述稳定销一端插入所述V形空腔第一部分同时受到外力发生弯曲变形时遵循“均匀弹塑性分布模型”所规定的变形状态；所述规定的变形状态表述如下：
(a)当所述外力产生的弯矩小于所述稳定销的屈服弯矩时，允许所述稳定销在所述V形空腔第二部分内弹性变形同时与所述V形空腔内壁逐渐接触；
(b)当所述外力产生的弯矩大于所述稳定销的屈服弯矩时，随着所述外力逐渐增大允许所述稳定销贴合所述V形空腔第二部分内壁但不出现所述塑性铰。
2.根据权利要求1所述的基于V支撑的多层次抗震设防挡块，其特征在于，所述结构系统包括桥梁，所述两结构件是所述桥梁工程结构中一对相邻并传递载荷的主要结构部件，包括桥的梁体和承担梁体的盖梁，所述载荷至少包括重力造成的结构自身恒载，常规动载，地震冲击载荷；所述两结构件又称作“构件对”；当所述构件对在所述载荷作用下开始沿某一方向发生相对位移时，所述装置在所述结构系统内部产生抵抗所述相对位移的阻力和确定所述相对位移的极限，或者限定所述相对位移的方向；或者同时产生所述阻力，确定所述极限，和限制所述方向；
所述装置包含一个特殊配筋设计的钢筋混凝土体积块，所述体积块的钢筋网络同所述构件对的构件一内钢筋网络扎接或焊接；所述体积块同所述构件一通过混凝土现浇成一体；
所述装置还包括至少一个由金属或高强度复合材料制成的稳定销，所述稳定销一端插入或固定在所述体积块内部，另一端插入或固定在所述构件对中的构件一内；所述装置还包括至少一个在所述体积块或构件二或同时在这二者内部预制并环绕所述插入的稳定销的V形空腔，所述V形空腔包含两部分：其中第一部分内部几何和尺寸同所述插入的稳定销一端外部几何尺寸一致，所述稳定销插入后只能沿插入的轴线方向滑动；所述V形空腔的第二部分是口径逐渐增大的开口；所述V形空腔内壁设计曲率和所述开口的设计直径允许所述稳定销插入后不产生塑性铰的径向非弹性弯曲变形，所述塑性铰指的是塑性应变集中在所述稳定销任一截面的变形状态。
3.根据权利要求1所述的基于V支撑的多层次抗震设防挡块，其特征在于，所述设计的控制参数通过根据所述“均匀弹塑性分布模型”所导出2阶微分方程的解确定，所述控制参数包括所述V形空腔第二部分内壁曲率和所述稳定销的半径r；所述2阶微分方程表达如下：
式中z代表沿所述V形空腔轴向坐标，x和y代表沿所述V形空腔轴向截面内极坐标的长度坐标，rp是所述稳定销内横截面弹性区半径，E和I是所述稳定销的弹性模量和抗弯截面模量，w是销杆偏离中轴线的横向位移，ε为应变，εY为屈服应变，K为应力硬化常数，n为应变硬化指数。
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