本發明屬于建筑減震領域，涉及一種具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐。

背景技術：

傳統的土木工程結構支撐主要有：中心支撐、偏心支撐、耗能隅撐、耗能框架支撐等支撐形式，大多數支撐主要通過變形來消耗地震能量，達到減輕地震災害的目的。由于結構構件具有彈塑性的特性，這些耗能支撐不可避免地會發生一些損傷、變形，不利于能量的耗散，對建筑物的安全性有影響。

消能減震技術近年來受到了國內外學者的青睞，原理是通過采用附加裝置或一定的方法，有效的消耗地震輸入結構的能量。從能量耗散的角度看，地震輸入結構的總能量是固定的，通過耗能構件消耗掉的能量越多，結構本身需消耗的能量就越小，結構本身的地震響應就越小，從而能夠有效的保護主體結構在地震下不受破壞。從動力學的角度看，耗能裝置安裝到結構中，增加了結構的阻尼，增加了結構耗散的能量。因此，消能減震技術的廣泛研究和應用能夠顯著的提高結構的抗震性能。

防屈曲支撐(buckling-restrainedbrace)作為一種兼具抗側承載力與耗能能力的消能減震構件，近年來引起了越來越多學者的關注，并在日本、美國和中國得到廣泛應用。防屈曲支撐主要由三部分構成，即核心單元(芯材)、約束單元和滑動機制單元。防屈曲支撐的主要特點是芯材在壓力和拉力下都可以達到屈服，從而有效地耗散地震能量。同時約束單元可以提供側撐與約束、防止芯材在受壓時發生整體或局部失穩。此外，滑動機制單元是在核心單元與約束單元間提供滑動界面，用無粘結材料或空隙相隔離，以確保內芯獨自承擔軸向力。因此，防屈曲支撐不僅可以給結構提供側向剛度，同時還消除了傳統支撐框架體系中支撐屈曲問題，確保在強震時具有更強更穩定的能量耗散能力。此外，防屈曲支撐還具有設計靈活、安裝方便、便于更換等優點，既可用于新建建筑也可用于結構抗震加固和改造，既可以用于鋼結構體系也可以用于混凝土結構體系。

盡管防屈曲支撐有諸多優點，但是防屈曲支撐構件是通過內芯的彈塑性變形耗散地震輸入能量，導致結構在經歷大震作用后產生較大的殘余變形而難以修復，因此，設計出地震中不發生破壞或僅發生可以迅速修復破壞的結構，將成為可持續發展工程抗震的重要研究方向之一。前人在防屈曲支撐端部附加摩擦阻尼器，但是摩擦阻尼器在大震過后，摩擦阻尼器由于支撐屈曲而不易拆卸；此外，傳統自復位支撐通過加復位筋實現自復位功能，但是初始狀態需要施加預應力，預應力能否準確施加和預應力的損失都會嚴重影響支撐的耗能能力；內芯更換頻率與維護成本高。

技術實現要素：

為了解決現有支撐主要依靠內芯變形耗能，導致內芯在地震中可能過早失去作用，并且內芯由于外約束的原因，失穩問題可能出現，，更換及維護成本高，不具有自復位能力的問題，本發明提出如下技術方案：

一種具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐，包括耗能內芯、擋板、連接板及約束外套筒，約束外套筒罩接于耗能內芯的外周，且沿耗能內芯軸線方向的兩端部向外延伸出約束外套筒，并由擋板連接在連接板上，約束外套筒具有一組相對且平行的平行內壁，耗能內芯與其平行，耗能內芯沿其軸線方向被罩接在約束外套筒內部的一端部與該端部對應的約束外套筒的內壁之間的空間中安裝第一扭轉防失穩裝置；且所述耗能內芯的另一端部與該端部對應的約束外套筒的內壁之間的空間中安裝第二扭轉防失穩裝置。

進一步的，所述第一扭轉防失穩裝置包括扭轉彈簧、限位卡及導向鐵棒，所述導向鐵棒在垂直于耗能內芯的軸線方向上貫穿耗能內芯，并被固定于耗能內芯上，鐵芯裸露在所述空間中的兩側由扭轉彈簧覆接其上，連接扭轉彈簧本體的彈簧力臂分別被限位卡限位在扭轉彈簧扭轉時形成的扭轉平面的上、下兩側。

進一步的，所述耗能內芯是長條的矩形體，其插接在形狀為長筒矩形的約束外套筒內部的兩平行內壁之間的中央位置，所述鐵棒貫穿耗能內芯并呈兩側對稱，所述扭轉彈簧安裝位置及其彈簧力臂的限位位置以被貫穿的耗能內芯為中心而對稱。

進一步的，所述的扭轉彈簧為由記憶合金制成，扭轉彈簧為由螺旋彈簧及連接在螺旋彈簧兩端部的力臂組成。

進一步的，所述第二扭轉防失穩裝置包括鋼板、帶有齒條的鋼板、齒輪、渦旋彈簧及支撐架，鋼板連接耗能內芯的所述另一端部，兩個帶有齒條的鋼板被分別對稱固定于所述鋼板的兩個側面，各帶有齒條的鋼板與其相對且平行的約束外套筒的內壁之間安裝有與齒條嚙合的齒輪，且所述齒輪的上、下兩側直接固定有兩個被限位于所述平行內壁上的渦旋彈簧，該齒輪及渦旋彈簧被由該平行內壁上伸出的支撐架固定在該帶有齒條的鋼板與其相對的且平行的約束外套筒的內壁之間。

進一步的，所述的支撐架，包括兩個固定于所述平行內壁的橫架，其分別位于兩個渦旋彈簧的上方，及一貫穿橫架、渦旋彈簧及齒輪的豎軸。

進一步的，所述渦旋彈簧由限位卡槽限位于所述平行內壁上。

進一步的，所述的鋼板及帶有齒條的鋼板帶有螺栓孔，由螺栓將鋼板及帶有齒條的鋼板緊固連接。

進一步的，所述渦旋彈簧為由記憶合金制成，其由渦旋彈簧本體及連接在渦旋彈簧兩端部的力臂組成。

有益效果：安裝扭轉防失穩裝置，將耗能內芯軸向荷載承擔分散于扭轉平面承擔，并且本發明中的扭轉防失穩裝置包括兩個，并分別位于耗能內芯的兩個端部，耗能內芯兩個終端的附近空間，形成扭轉平面，需要對耗能內芯的校正需求更強，并且，把握住該兩個位置，可以在源頭開始校正，盡量不使得變形傳遞，從而能夠進一步降低變形的區間，抑制變形的能力更強。

該兩個扭轉防失穩裝置在結構上不同，一個使用扭轉彈簧的扭轉力，另一個使用渦旋彈簧的扭轉力，一方面，極大降低耗能內芯耗能負擔，降低內芯失穩，使得內芯更換頻率降低，減小維護成本；另一方面，使得彈簧成為耗能主體，充分利用扭轉彈簧扭轉力，對荷載承擔能力更強且彈簧不易失穩；又一方面，可以在彈簧耗能的同時，使用扭轉力對內芯的變形進行校正，更進一步增加耗能內芯的使用壽命，使支撐具有了自復位能力。

特別是，第二扭轉防失穩裝置中，在支撐的端部安裝齒輪，在內芯的兩個側面安裝于齒輪嚙合的齒條，并在所述齒輪的上、下兩側直接固定(接觸性固定)有兩個被限位于所述平行內壁上的渦旋彈簧，且該齒輪及渦旋彈簧被由該平行內壁上伸出的支撐架固定在該帶有齒條的鋼板與其相對的且平行的約束外套筒的內壁之間。將耗能內芯軸向荷載承擔分散于彈簧渦旋平面承擔，一方面，極大降低耗能內芯耗能負擔，降低內芯失穩，使得內芯更換頻率降低，減小維護成本；另一方面，使得彈簧成為耗能主體，充分利用渦旋彈簧扭轉力，對荷載承擔能力更強且彈簧不易失穩；又一方面，可以在渦旋轉彈簧耗能的同時，使用扭轉力對內芯的變形進行校正，更進一步增加耗能內芯的使用時間，具有了支撐的自復位能力。更為重要的是，為了獲得更大的扭轉力，本發明使用了渦旋彈簧，然而渦旋彈簧會造成其對震動敏感性降低，而為了彌補這一缺陷，使用了兩側對稱齒輪和齒條的嚙合來在初始震動時耗能，在震動強度達到渦旋彈簧工作強度時，渦旋彈簧提供大的扭轉力以抵抗變形，增強防失穩能力，通過該舉措，在不犧牲震動敏感性的前提下，仍然可以利用渦旋彈簧的強大扭轉力得到更具有敏感性的復合防失穩裝置。

附圖說明

圖1為結構外觀示意圖。

圖2為耗能內芯組成示意圖。

圖3為截面位置圖。

圖4約束外套筒分解結構示意圖。

圖5為圖3的1-1處截面圖。

圖6為圖3的2-2處截面圖。

圖7為圖3的3-3截面圖。

圖8為圖3的4-4截面圖。

圖9為齒輪與渦旋彈簧組成圖。

其中：1.耗能內芯，2.扭轉彈簧，3.導向鐵棒，4.限位卡，5.擋板，6.連接板，7.約束外套筒，8.鋼板，9.帶有齒條的鋼板，10.平行內壁，11.齒條，12.齒輪，13.渦旋彈簧，14.橫架，15.豎軸，16.限位卡槽。

具體實施方式

實施例：一種具有雙扭轉防失穩裝置的具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐，包括耗能內芯1、擋板4、連接板6及約束外套筒，約束外套筒7罩接于耗能內芯1的外周，且沿耗能內芯1軸線方向的兩端部向外延伸出約束外套筒7，并由擋板4連接在連接板6上，約束外套筒7具有一組相對且平行的平行內壁10，耗能內芯1與其平行，耗能內芯1沿其軸線方向被罩接在約束外套筒7內部的一端部與該端部對應的約束外套筒7的內壁之間的空間中安裝第一扭轉防失穩裝置；且所述耗能內芯1的另一端部與該端部對應的約束外套筒7的內壁之間的空間中安裝第二扭轉防失穩裝置。該部分的耗能內芯，具有兩個側面，每個側面對應的約束外套筒的內壁，即平行內壁，兩個平行內壁與耗能內芯的兩個側面之間安裝扭轉防失穩裝置(第一扭轉防失穩裝置、第二扭轉防失穩裝置)。該端部是指在耗能內芯末端起的3cm-10cm處，當然還可以更小或更大。在實踐中，我們發現，越是靠近荷載傳輸的起始位置，并對應于其實位置的結束位置，即耗能內芯兩個終端的附近空間，使用扭轉彈簧形成扭轉平面，需要對耗能內芯的校正需求更強，并且，把握住該兩個位置，可以在源頭開始校正，盡量不使得變形傳遞，從而能夠進一步降低變形的區間，抑制變形的能力更強，因而本實施例選擇兩個扭轉防失穩裝置，分別安裝在耗能內芯的兩個端部。

在該實施例中，所述第一扭轉防失穩裝置包括扭轉彈簧2、限位卡4及導向鐵棒3，所述導向鐵棒3在垂直于耗能內芯1的軸線方向上貫穿耗能內芯1(由上，該貫穿孔位于耗能內芯所述的一端部)，并被固定于耗能內芯1上，鐵芯裸露在所述空間中的兩側由扭轉彈簧2覆接其上，連接扭轉彈簧2本體的彈簧力臂分別被限位卡4限位在扭轉彈簧2扭轉時形成的扭轉平面的上、下兩側。在這個實施例中，第一扭轉防失穩裝置側的耗能內芯的端部直接連接于擋板，并由擋板連接連接板。

在該實施例中，所述耗能內芯1是長條的矩形體，其插接在形狀為長筒矩形的約束外套筒7內部的基本為中央的位置，所述鐵棒貫穿耗能內芯1并呈兩側對稱，所述扭轉彈簧2安裝位置及其彈簧力臂的限位位置以被貫穿的耗能內芯1為中心而對稱。中央對稱設置，使得兩個扭轉平面的反作用力更為一致，對于變形校正，以及扭轉平面耗能均效果更佳。更進一步的，一般來說，耗能內芯會有一部分處于約束外套筒外部，該部分由于直接裸露不受約束和支撐，相較處于約束外套筒內部的耗能內芯更為薄弱，易發生破壞。使用鋼板、齒輪、齒條、與渦旋彈簧的限位組合，裸露在約束外套筒的部分，使用鋼板替代耗能內芯，并且通過螺栓固定連接的方式將帶有齒條的鋼板與鋼板固定，從而將齒條固定，雖然該部分沒有被耗能內芯覆蓋，卻也在一定程度上增強了該裸露部分的強度；渦旋彈簧使得耗能內芯的線位移轉變為角位移，并且，其處于端部附近(貼近于裸露的鋼板部分)，從而使得限位的渦旋彈簧、嚙合的齒輪與齒條及支撐架之于該裸露的鋼板可以形成框架，具有一定支撐作用，并且受到渦旋彈簧的扭轉力，在支撐的基礎上，極大減少該裸露部分于載荷作用下的運動(搖晃和擺動)，從而可以縮短連接區域的范圍，該方案實現了防止失穩的目的。

在該實施例中，第二扭轉防失穩裝置包括鋼板、帶有齒條的鋼板9、齒輪12、渦旋彈簧13及支撐架，在該所述實施例中，第二扭轉防失穩裝置側的耗能內芯1與擋板5并不直接連接，耗能內芯1連接鋼板8，鋼板8連接擋板5，擋板5連接連接板6。即鋼板8連接耗能內芯1的所述另一端部，兩個帶有齒條的鋼板8被分別對稱固定于所述鋼板8的兩個側面(該側面即與平行內壁平行的平行面，作為優選方案，所述的鋼板及帶有齒條的鋼板帶有螺栓孔，由螺栓將鋼板及帶有齒條的鋼板緊固連接)，各帶有齒條的鋼板9與其相對且平行的約束外套筒7的內壁之間安裝有與齒條11嚙合的齒輪12，且所述齒輪12的上、下兩側直接固定有兩個被限位于所述平行內壁上的渦旋彈簧13，該齒輪及渦旋彈簧被由該平行內壁上伸出的支撐架固定在該帶有齒條的鋼板與其相對的且平行的約束外套筒的內壁之間，所述的支撐架，包括兩個固定于所述平行內壁的橫架14，其分別位于兩個渦旋彈簧13的上方，及一貫穿橫架14、渦旋彈簧13及齒輪12的豎軸15，所述渦旋彈簧13由限位卡槽16限位于所述平行內壁上。由此，上述方案以耗能內芯為中心線，兩側的齒輪、渦旋彈簧、齒條分別為對稱式安裝，中央對稱設置，使得兩個渦旋平面的反作用力更為一致，對于變形校正，以及渦旋平面耗能均效果更佳。在這個實施例中，整個耗能內芯附近空間均具有安裝齒輪彈簧的可能，然而，在實踐中，我們發現，越是靠近荷載傳輸的起始位置，并對應于起始位置的結束位置，即耗能內芯兩個終端的附近空間，使用渦旋彈簧形成扭轉平面，需要對耗能內芯的校正需求更強，并且，把握住該兩個位置，可以在源頭開始校正，盡量不使得變形傳遞，從而能夠進一步降低變形的區間，抑制變形的能力更強，因而我們選擇使用連接鋼板至于內芯兩端，并在連接鋼板上安裝齒條的方式形成上述方案。更進一步的，一般來說，耗能內芯會有一部分處于約束外套筒外部，該部分由于直接裸露，相較處于約束外套筒內部的耗能內芯，由于不受約束和支撐，更為薄弱，易發生破壞。使用扭轉失穩裝置，其中的導向鐵棒與扭轉彈簧的限位組合，使得耗能內芯的線位移轉變為角位移，并且，扭轉失穩裝置處于端部附近(貼近于裸露的耗能內芯部分)，從而使得導向鐵棒之于該裸露的耗能內芯部分可以形成框架，具有一定支撐作用，并且受到扭轉彈簧的扭轉力，在支撐的基礎上，極大減少該裸露部分于載荷作用下的運動(搖晃和擺動)，從而可以縮短連接區域的范圍，該方案實現了防止失穩的目的。

在一種實施例中，所述的扭轉彈簧和/或渦旋彈簧為由形狀記憶合金制成。所述的扭轉彈簧為由螺旋彈簧及連接在螺旋彈簧兩端部的力臂組成，渦旋彈簧為由渦旋彈簧本體及連接在渦旋彈簧兩端部的力臂組成，形狀記憶合金的超彈性特性與其它普通金屬材料相比有許多優點：首先形狀記憶合金超彈性的疲勞特性很好，而其它材料循環中不可避免地出現損傷，影響壽命；其次形狀記憶合金可恢復應變值很大，這是普通金屬材料難以實現的；最后，由于奧氏體相彈性模量大于馬氏體相彈性模量，形狀記憶合金彈性模量隨溫度升高而增大(同普通金屬相反)，這使其在較高溫度下仍可保持較高的彈性模量。因此，利用形狀記憶合金可以制作成該裝置的彈簧部分。

上述各例中所述的具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐，在地震作用下，耗能內芯受到來自建筑物傳遞來的荷載，耗能內芯產生變形：

在一個實施例中，在第一扭轉防失穩裝置側：

耗能內芯由固定于其上的導向鐵棒帶動扭轉彈簧變形，扭轉彈簧在平面內產生扭矩，扭轉彈簧被限位于扭轉彈簧扭轉時形成的扭轉平面的上、下兩側，扭轉彈簧的扭力帶動耗能內芯產生與變形方向相反的運動，使耗能內芯向自然狀態時的形狀及位置回復。由此，各例中具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐，為了減輕震動對結構的作用，針對傳統具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐，對端部進行失穩加強設計，減緩內芯的受損。在地震情況下，提高支撐的工作能力。利用形狀記憶合金將其制成扭轉彈簧，裝置為具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐耗能內芯、扭轉彈簧、外套筒上限位卡共同工作，使其具有一定自復位功能，減緩內芯的受損。扭轉彈簧屬于螺旋彈簧，扭轉彈簧的端部被固定到其他組件，當其他組件繞著彈簧中心旋轉時，該彈簧將它們拉回初始位置，產生扭矩或旋轉力。扭轉彈簧可以存儲和釋放角能量或者通過繞簧體中軸旋轉力臂以靜態固定某一裝置。限位卡可以限制扭轉彈簧位置，可以起到固定彈簧作用，同時也可以起到限制粘結材料、內芯的作用。該裝置簡單易操作可以通過組裝的方式連接起來，拆卸方便并且方便震后的修復以及日常的維護。在地震作用下，耗能內芯會受到來自建筑物傳遞來的荷載，內芯會產生變形，內芯帶動扭轉彈簧變形，在平面內產生扭矩，具有較高的扭力。由于內芯限位卡槽的存在，產生的扭力會帶動內芯運動，使其回復到原來的位置，因此裝置具有自復位功能。結構受到地震作用的時候，端部無論處于受壓或者受拉狀態，都可以通過扭轉彈簧的回復力實現自復位，減小內芯的受壓變形，提高耗能能力并且在內芯屈服后還能保證整體穩定，不影響支撐正常工作。

在一個實施例中，在第二扭轉防失穩裝置側：

在地震作用下，耗能內芯產生變形，在一定載荷范圍內，耗能內芯變形引起其兩側齒輪與鋼板上的齒條嚙合，變形使齒輪帶動齒條向耗能內芯形變相反方向運動，以使得與齒輪連接的耗能內芯向自然狀態時的形狀和位置回復；在超過該載荷范圍時(齒輪的回復力已無法將耗能內芯回復)，固定于齒輪上、下兩側的渦旋彈簧由耗能內芯的變形引起變形并在平面內產生扭矩，渦旋彈簧被限位于平行內壁上，渦旋彈簧產生的回復力使齒輪帶動齒條向耗能內芯形變相反方向運動，以使得與齒輪連接的耗能內芯向自然狀態時的形狀和位置回復。由此，本公開主要目的是為了減輕震動對結構作用，針對傳統防屈曲支撐的設計，提供一種自復位的裝置，減緩內芯的受損。在地震作用下，提高支撐能力。將其制成渦旋彈簧，將其添加在齒輪上，使具有雙扭轉防失穩裝置的防屈曲支撐耗能內芯、齒輪、渦旋彈簧、外套筒上限位卡共同工作，將整體產生的線位移轉換成角位移，并且其具有一定自復位功能，減緩內芯的受損。齒輪解決彈簧轉角過小不能滿足內芯行程問題。

渦旋彈簧變形后材料受彎曲力矩，產生彎曲彈性變形，因而彈簧在自身平面產生扭轉。其變形角的大小和扭矩成正比，具有高扭力，將多角度之扭轉力矩運用于長時間作功的機構，具有不易疲勞的特性。本公開簡單易操作可以通過組裝的方式連接起來，拆卸方便并且方便震后的修復以及日常的維護。

本實施例中，彈簧與齒輪通過鉚接方式連接，保證彈簧可以與齒輪一起轉動。

實現方法：在地震作用下，內芯會承受荷載、產生變形，內芯會帶動渦旋彈簧變形，在平面內產生扭矩，具有較高的扭力。由于內芯限位卡槽的存在，產生的扭力會帶動內芯運動，使其回復到原來的位置，因此裝置具有自復位功能。

結構受到地震作用時候，端部無論在受壓或者受拉使都可以通過渦旋彈簧的回復力實現自復位，減小內芯的受壓變形，提高耗能能力并且在內芯屈服后還能保證整體穩定，提高結構的抗震性能及生存能力。

以上所述，僅為本發明創造較佳的具體實施方式，但本發明創造的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明創造披露的技術范圍內，根據本發明創造的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明創造的保護范圍之內。