一种用于结构单元快速组装同时提供抗震和稳固结合的连接装置

摘要

一类连接装置，其可以用作连接器来连接结构系统例如桥梁或者建筑物中的两个结构单元，和用作支座来承接从一个结构单元到另一结构单元的载荷例如重力。所述的装置称作V‑支撑连接；其来源于[1]中的V‑理念。在常规使用条件下，其可以为所述结构系统提供类似现浇混凝土结构的坚固连接；当所述结构系统受到强地震冲击时，其功能类似于一个减隔震装置。所述V‑支撑连接由下列部件组成：一个特殊设计的稳定销；安装在第一个所述结构单元一个表面上的上顶板；在第二个所述结构单元的一个表面上向内开的类似V形状腔室，通过机械加工或者预浇制；在所述V形状腔室内置的一个类似V形状管；在第二个所述结构单元表面上安置的下顶板；和在所述上，下顶板之间的垫圈。

权利要求

1.一种用于结构单元快速组装同时提供抗震和稳固结合的连接装置；当结构系统在常规载荷条件下运行，其为称作“结构单元对”的一对结构单元提供了牢固的连接；当所述结构系统受到强外部动态载荷冲击时，其允许所述结构单元对之间的相对滑动，其中所述结构系统是机器系统或者建筑物或桥梁土木工程结构，其中所述结构单元是所述结构系统中的一个主要结构部件；所述主要结构部件是这样的部件，其承受所述结构系统的主力流，并且将力流转移到至少另一连接的主结构部件或者通过所述结构系统的边界转移到环境中其他介质，其中所述主力流由所述主结构部件的重量和所述结构系统所承载的全部其它载荷引起；

所述装置包括至少一个稳定销子，以其缩写“销子”来表示，所述销子垂直于其轴线的横截面几何形状和尺寸沿着所述轴线根据设计需要可变化；其中所述销子轴线如此定义：沿着轴线方向所述销子的长度大于沿着任何其它方向的尺寸；其中所述销子的第一端连接到所述结构单元对的一个结构单元基质表面；这一结构单元被称作所述结构单元对中的“第一结构单元”，其与所述销子连接、且与所述一对结构单元中的另一结构单元相接触的表面被称作其“第一连接表面”；

使用所述装置在所述结构系统中将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起，所述将称作“结构单元对”的一对所述结构单元连接在一起的方法包括两个步骤；其中第一步骤是在所述结构单元对的另一结构单元的一表面上预切割或者预浇制至少一个腔室；这另一结构单元称作其第二结构单元；所述表面称作“第二连接表面”；其中所述腔室具有一轴线，沿着这一轴线所述腔室的尺寸大于沿着任何其它方向的尺寸；这个轴线称作“腔室轴线”，其不平行于所述第二连接表面；所述腔室包含两部分：沿所述腔室轴线长度Lt的部分称作所述腔室的“长度‑Lt部分”，沿所述轴线长度Lt的另一所述腔室部分称作所述腔室的“长度‑Lc部分”；长度Lt和Lc之和大于所述销子沿着所述销子轴线的长度；其中所述长度‑Lt部分开始于所述腔室的底部，并且具有这样的内横截面几何形状：其在所述腔室轴线平行于所述销子轴线时与所述销子从第二端开始部分的横截面几何形状一致，因此所述销子可以无间隙地插入所述腔室的长度‑Lt部分中；其中所述腔室的长度‑Lc部分被设计为火山口形状，其开口朝向第二连接表面，

所述方法的第二步骤通过将所述销子的第二端插入所述腔室来连接所述结构单元对，同时确保第一连接表面和第二连接表面彼此接触，这样第一连接表面是接触面，其被称作其“第一接触面”，第二连接表面是另一接触面，其被称作其“第二接触面”；当所述结构单元对连接时，第一接触面和第二接触面彼此接触，称作“接触面对”;其中所述装置包括至少一个上顶板，其中所述销子第一端铰接到所述上顶板上，并且具有可旋转灵活性但不会从所述上顶板脱离，其中所述销子的所述第一端为球形，所述上顶板上形成有球形孔，所述销子的球形第一端容纳于所述球形孔中，所述球形孔的内壁与所述球形第一端的外周相匹配；

所述上顶板的一个表面固定到第一结构单元的表面上；当所述结构单元对相互连接时，所述上顶板的另一表面成为所述接触面对的第一接触面。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括至少一个下顶板，所述下顶板通过其一个表面固定到第二结构单元的一个表面上；当所述结构单元对相互连接时，所述下顶板的另一表面成为所述接触面对的第二接触面。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述销子沿着所述销子轴线方向的截面几何形状和尺寸不变化。

4.根据权利要求1‑3之一所述的装置，其中所述装置包括至少一个垫圈，其位于所述接触面对的第一接触面和第二接触面之间。

5.一种用于结构单元快速组装同时提供抗震和稳固结合的连接装置；当结构系统在常规载荷条件下运行，其为称作“结构单元对”的一对结构单元提供了牢固的连接；当所述结构系统受到强外部动态载荷冲击时，其允许所述结构单元对之间的相对滑动，其中所述结构系统是机器系统或者建筑物或桥梁土木工程结构，其中所述结构单元是所述结构系统中的一个主要结构部件；所述主要结构部件是这样的部件，其承受所述结构系统的主力流，并且将力流转移到至少另一连接的主结构部件或者通过所述结构系统的边界转移到环境中其他介质，其中所述主力流由所述主结构部件的重量和所述结构系统所承载的全部其它载荷引起；

所述装置包括

‑至少一个稳定销子，其以缩写“销子”来表示，‑至少一个V形引导管，其以缩写“管”表示，所述销子垂直于其轴线的横截面几何形状和尺寸沿着所述轴线根据设计需要可变化；

其中所述销子轴线如此定义：沿着轴线方向所述销子的长度大于沿着任何其它方向的尺寸；其中所述销子的第一端连接到所述结构单元对的一个结构单元基质表面；这一结构单元被称作所述结构单元对中的“第一结构单元”，其与所述销子连接、且与所述一对结构单元中的另一结构单元相接触的表面被称作其“第一连接表面”；

其中所述管内含开放的腔室，所述腔室具有一轴线，沿着这一轴线所述腔室的尺寸大于沿着任何其它方向的尺寸；这个轴线称作“腔室轴线”；所述腔室包含两部分：沿所述腔室轴线长度Lt的部分称作所述腔室的“长度‑Lt部分”，沿所述轴线长度Lt的另一所述腔室部分称作所述腔室的“长度‑Lc部分”；长度Lt和Lc之和大于所述销子沿着所述销子轴线的长度；其中所述长度‑Lt部分开始于所述腔室的底部，并且具有这样的内横截面几何形状：其在所述腔室轴线平行于所述销子轴线时与所述销子从第二端开始部分的横截面几何形状一致，因此所述销子可以无间隙地插入所述腔室的长度‑Lt部分中；其中所述腔室的长度‑Lc部分被设计为火山口形状，其允许插入的所述销子的有限度挠曲变形；

使用所述装置在所述结构系统中将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起，所述将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起的方法包括两个步骤；其中第一步骤在所述结构单元对的另一个结构单元的一个表面上预加工或者预浇制至少一个腔室，所述腔室称作“基质腔室”，所述表面称作“第二连接表面”，所述另一个结构单元称作所述结构单元对的“第二结构单元”，其中所述基质腔室的几何形状和尺寸与所述管的外部几何形状和尺寸相同，以使得在所述管的腔室的开口处于第二连接表面上时，所述管可以无间隙地植入所述基质腔室；

所述方法的第二步骤通过将所述销子的第二端插入所述管的所述腔室中来连接所述结构单元对，同时确保第一连接表面和第二连接表面彼此接触，以使得第一连接表面变成一个接触表面，称作其“第一接触面”，第二连接表面变成另一个接触面，称作其“第二接触面”；当所述结构单元对连接时，第一接触面和第二接触面彼此接触，称作“接触面对”;其中所述装置包括至少一个上顶板，其中所述销子第一端铰接到所述上顶板上，并且具有可旋转灵活性但不会从所述上顶板脱离，其中所述销子的所述第一端为球形，所述上顶板上形成有球形孔，所述销子的球形第一端容纳于所述球形孔中，所述球形孔的内壁与所述球形第一端的外周相匹配；所述上顶板通过其一个表面固定到第一结构单元的表面上；当所述结构单元对相互连接时，所述上顶板的另一表面成为所述接触面对的第一接触面。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述装置包括至少一个下顶板，所述下顶板通过其一个表面固定到第二结构单元的表面上；当所述结构单元对相互连接时，所述下顶板的另一表面成为所述接触面对的第二接触面。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述销子沿着所述销子轴线方向的截面几何形状和尺寸不变化。

8.根据权利要求5‑7之一所述的装置，其中所述装置包括至少一个垫圈，其位于所述接触面对的第一接触面和第二接触面之间。

9.一种用于结构单元快速组装同时提供抗震和稳固结合的连接装置；当结构系统在常规载荷条件下运行，其为称作“结构单元对”的一对结构单元提供了牢固的连接；当所述结构系统受到强外部动态载荷冲击时，其允许所述结构单元对之间的相对滑动，其中所述结构系统是机器系统或者建筑物或桥梁土木工程结构，其中所述结构单元是所述结构系统中的一个主要结构部件；所述主要结构部件是这样的部件，其承受所述结构系统的主力流，并且将力流转移到至少另一连接的主结构部件或者通过所述结构系统的边界转移到环境中其他介质，其中所述主力流由所述主结构部件的重量和所述结构系统所承载的全部其它载荷引起；

所述装置包括至少一个稳定销子，以其缩写“销子”来表示，所述销子垂直于其轴线的横截面几何形状和尺寸沿着所述轴线根据设计需要可变化；其中所述销子轴线如此定义：沿着轴线方向所述销子的长度大于沿着任何其它方向的尺寸；

使用所述装置在所述结构系统中将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起，所述将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起的方法包括两个步骤；其中第一步骤在所述结构单元对的每个结构单元的表面上预加工或者预浇制至少一个腔室，其中第一结构单元上的表面称作“第一连接表面”，而第二结构单元上的表面称作“第二连接表面”，其中每个所述腔室具有轴线，沿着该轴线所述腔室的尺寸大于其沿着任何其他方向的尺寸，这个轴线被称作其“腔室轴线”；其中每个所述腔室包含两部分：沿着所述腔室轴线的长度Lt 的部分称作“长度‑Lt部分”，沿着所述腔室轴线的长度Lc的部分称作“长度‑Lc部分”；其中所述长度‑Lt部分开始于所述腔室的底部，并且具有这样的内横截面几何形状：其在所述腔室轴线平行于所述销子轴线时与所述销子一端开始部分的横截面几何形状一致，因此所述销子的这一端可以无间隙地插入所述腔室的长度‑Lt部分中；其中所述腔室的长度‑Lc部分被设计为火山口形状，其开口朝向所在结构单元表面；

所述方法连接所述结构单元对的第二步骤是首先将所述销子的第一端插入第一结构单元第一连接表面上的腔室中，并然后将第二结构单元朝着第一结构单元移动，让所述销子的第二端插入第二连接表面上的腔室中，同时确保第一连接表面和第二连接表面彼此接触，以使得第一连接表面变成接触表面，称作其“第一接触面”，和第二连接表面变成另一接触表面，称作其“第二接触面”；当所述结构单元对连接时，第一接触面和第二接触面彼此接触，其被称作其“接触面对”;其中所述装置包括至少一个上顶板，其中所述销子第一端铰接到所述上顶板上，并且具有可旋转灵活性但不会从所述上顶板脱离，其中所述销子的所述第一端为球形，所述上顶板上形成有球形孔，所述销子的球形第一端容纳于所述球形孔中，所述球形孔的内壁与所述球形第一端的外周相匹配；所述上顶板通过其一个表面安装固定到第一结构单元的一个表面上；当所述结构单元对相互连接时，所述上顶板的另一表面成为所述接触面对的第一接触面。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述装置包括至少一个下顶板，所述下顶板通过其一个表面固定到第二结构单元的一个表面上；当所述结构单元对相互连接时，所述下顶板的另一表面成为所述接触面对的第二接触面。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述销子沿着所述销子轴线方向的截面几何形状和尺寸不变化。

12.根据权利要求9‑11之一所述的装置，其中所述装置包括至少一个垫圈，其位于所述接触面对的第一接触面和第二接触面之间。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述装置包括至少一个V形引导管，其称作“V导管”，其中所述V导管包括腔室和至少一个开口，其中所述腔室称作其“V导管腔室”，其中与所述V导管腔室开口重合的平面称作其“V导管腔室的开口平面”，其中所述V导管腔室具有轴线，沿着其腔室尺寸大于沿着任何其它方向腔室的尺寸，因此所述轴线称作“V导管腔室轴线”，其中所述V导管腔室包括两部分：沿着V导管腔室轴线长度Lt 的部分称作“长度‑Lt部分”，另一沿着V导管腔室轴线长度Lc的部分称作“长度‑Lc部分”；其中所述长度‑Lt部分开始于V导管的底部，并且具有这样的内横截面几何形状：其在所述腔室轴线平行于所述销子轴线时与所述销子一端开始部分的横截面几何形状一致，因此所述销子的这一端可以无间隙地插入所述腔室的长度‑Lt部分中；其中所述腔室的长度‑Lc部分被设计为火山口形状。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述方法的第一步骤在所述结构单元对的至少一个结构单元表面上预切割或者预浇制至少一个腔室，其中所述腔室称作其“结构单元腔室”，和其中所述表面称作其“结构单元连接表面”，其中所述结构单元腔室的几何形状和尺寸与所述V导管的几何形状和尺寸相同，因此所述V导管可以无间隙地植入所述结构单元腔室中，同时所述V导管腔室的开口平面与所述结构单元连接表面重合。

15.使用如权利要求1‑4任一项所述装置在结构系统中将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起的方法。

16.使用如权利要求5‑8任一项所述装置在结构系统中将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起的方法。

17.使用如权利要求9‑14任一项所述装置在结构系统中将称作“结构单元对”的一对结构单元连接在一起的方法。

说明书

一种用于结构单元快速组装同时提供抗震和稳固结合的连接

装置

[0001] 引用：在先的发明专利如下，其具有与所公开的实施方案类似的功能，但是没有覆盖本申请中所要求的发明的独特技术：

[0002]

[0003]

[0004]

[0005] 其他参考文献

[0006] [1]Federal Emergency Management Agency(FEMA)，Reports 350‑353，2000

[0007] [2]USGS Records：

[0008] [3]California Department of Transportation(Caltrans)，“The Continuing Challenge：The Northridge Earthquake of January 17，1994”。

[0009] [4]ASCE/SEI，“Minimum Design  Loads for Buildings  and Other Structures”，1995‑2015版。

[0010] [5]“LRFD Bridge Design Specifications”，AASHTO，第1(1994)到第7版(2015)

[0011] [6]AASHTO“Guide Specifications for Seismic Bridges’Design”，第2版，第二版，2014

[0012] [7]Amendment to AASHTO LRFD Bridge Design Specification‑第4版，第14节：Joints and Bearings，Caltran，2010。

[0013] [8]TRB NCHRP12‑68，Final Report：Rotational Limits for Elastomeric Bearings，2004。

[0014] [9]Touaillon J.，“Improvement in Buildings”，美国专利局，专利号No.99.973，1870年2月15日。

[0015] [10]Texas Transportation Institute 2012 URBAN MOBILITY REPORT，2012年12月。

[0016] [11]FHWA，Urban Congestion Trends(annually)

[0017] [12]“Experimental Investigation on the Seismic Response of Bridge Bearings”，Univ.of California，Berkeley，EERC‑2008‑02，2008。

[0018] [13]Kelly，J.M.，1997，“Earthquake‑resistant design with rubber”，第2版，Springer，伦敦。

[0019] [14]“Rotation Limits for Elastomeric Bearings”，Report 12‑68，University of Washington，2006(作为报告NCHRP 596，2008出版)。Civil，Structural&
Environmental Eng.，University at Buffalo

[0020] [15]Buckle，I.，Nagarajaiah，S.，and Ferrell，K.2002.“Stability of elastomeric isolation bearings：Experimental study.”J.Struct.Eng.，128(1)，第3‑
11页。

[0021] [16]Hao，S.，PCT/US2012/061327

[0022] [17]Hao，S.，Presentation at the Research Institute of Highway(RIOH)，中国北京，“Exploration，Exchange and Collaboration：An Introduction of the R&D by 
ACII，INC.(探讨，交流与合作：ACII(创新咨询)工作简介”，2014年7月13日。

[0023] [18]Hao，S.，Presentation at the AFF50 Committee Meeting，2015 TRB Annual Conference，2015年1月11日。

[0024] [19]Hao，S.，Presentation at the AFF50 Committee Meeting，2016 TRB Annual Conference，2016年1月12日。

[0025] [20]Hao，S.，Presentation at the AFF50 Committee Meeting，2017 TRB Annual Conference，2017年1月11日。

[0026] 相关申请的引用

[0027] 本申请是申请号为No.PCT/US2016/013741、2016年1月16日提交的和标题为“A Class of Seismic‑Isolation Connectors Providing Robust Connection Close to 
Cast‑in‑Place While Enabling On‑Site Assembling and Fast Construction for 
Bridges and Buildings”的PCT申请的部分继续申请，其全部内容通过引用结合于此，其要
求下面的申请的优先权，其每个的全部内容都通过引用结合于此：

[0028] 美国临时专利申请No.62/163258，于2015年1月24日提交，标题是“A Class of Seismic‑Proof Connectors to Protect Buildings and Bridges from Earthquake 
Hazards and Enable Fast Construction”；

[0029] 美国临时专利申请No.62/356043，于2011年6月19日提交，标题是“3V‑Bearings for Bridges and Buildings Seismic Isolation,with and without Sliding Pin(s)”；

[0030] 美国临时专利申请No.61/163258，于2011年6月16日提交，标题是“Designs of V‑Shaped Elastomeric Bearings(VEB)for Seismic Isolation“；

[0031] 美国非临时专利申请No.14/986725，于2016年1月4日提交，标题是“Class of Seismic‑Isolation Connectors Providing Robust Connection Close to Cast‑in‑
Place While Enabling On‑Site Assembling and Fast Construction for Bridges and 
Buildings”；

[0032] 美国非临时专利申请No.14/672172，于2015年5月28日提交，标题是“A Class of Seismic‑Proof Connectors and Methods to Protect Buildings and Bridges from 
Earthquake Hazards and Enable Fast Construction”；

[0033] 美国非临时专利申请No.13/163724，于2011年6月11日提交，标题是“One‑Way and Two‑Way(360 degrees)V‑Shaped Elastomeric Bearings for Seismic Isolation,with 
and without Sliding Pin(s)”；

[0034] PCT/US2012/063127，于2012年11月2日提交，标题是“A Class of Bearings to Protect Structures from Earthquake and Other Similar Hazards”。

[0035] 本发明的实施方案是通过第一发明人在2015到2018年在华盛顿市[18‑20]TRB(美国运输研究委员会)年会上的发言以及通过发明人送到研究伙伴和政府官员的具有法律记
录的材料而向公众公开。

技术领域

[0036] 本申请涉及本发明的一类装置，其用于诸如桥梁和建筑物的工程结构，其中结构包含多个主要结构单元，其中每个主要结构单元具有贡献于所述结构完整性的结构功能；
例如，桥梁具有上部结构，其包括跨过桥墩的梁，和下部结构，其包含桥墩和基底或者其他
种类的基础。类似地，建筑物的上部结构可以是几层楼房的组合。其中所述装置，称作“V‑连
接支撑”，将相邻的两个主要结构单元连接在一起。其中所述V‑连接支撑具有下面的功能：
(i)在所述结构中的两个所述主要结构单元之间提供坚固的连接；(ii)减少振动和由此造
成的惯性力流，例如当所述结构受到例如地震等动态载荷冲击时；(iii)当受到所述的动态
载荷冲击时能够改变所述结构的自然频率，以便避免可能破坏结构的共振；(iv)能够在远
程工厂中预制所述主要结构单元然后在指定的建筑工地快速组装成所述结构，同时确保所
需的结构完整性和坚固性；(v)组装的所述主要结构单元在需要时可以容易地更换或者更
新。所以，所述V‑连接支撑可以用作桥梁和建筑物中的减隔震支撑，保证这类结构可以承受
地震冲击，或者作为快速构建这类结构时主要结构件之间的连接，或者用于二者。快速构建
方法是土木工程师工程施工行业的一个领域；例如，“快速建桥(ABC)”是FHWA(美国联邦公
路局)目前在美国桥梁建造技术领域推进的一个方向。本申请所公开的发明属于一种用于
ABC的创新方法：适用于模块化组装桥梁，同时保持与常规方法所构建的那些桥梁有相同的
结构强度和完整性。

背景技术

[0037] 可造成灾难性损伤的地震，例如日本仙台2011年和海地2009年的地震，提醒我们自然界仍有对于人类安危的持续威胁，特别是对于美国和世界上的地震高发频发地区。土
木工程业界的一个不变使命是建设人类住所和设施能够抵抗这类灾难。

[0038] 地震是地球内部某处突然的地壳板块移动同时向周围辐射地震应力波。地震波引起的地面加速度带来的惯性力会损伤获摧毁房屋桥梁结构。这是因为,地震波频率与工程
结构的自振频率一致时，会产生结构共振，导致结构中的非常高的惯性力。

[0039] 从结构地震保护的观点看，对于诸如房屋或者桥梁这类土木工程结构要求具有完整性，即这类建筑结构系统的主结构单元应该整合成坚固的框架，其可以在未来的强地震
中幸存。基于这个概念的一个传统方法称作“强固结构”设计。然而，从经济和适用性观点
看，将建筑物或者桥梁建造得如堡垒那样结实并不总是实际上可行的方案。

[0040] 因此，现代抗震工程设计的另一个概念，称作“减隔震设计”。它的理念是当地震冲击一个有减隔震设计的结构时，允许这一结构暂时失去它的局部完整性，例如暂时弱化一
些主要结构单元之间的连接，以便减少或者完全隔离一个直接曝露于地震惯性力冲击下的
主要结构单元传递给相邻结构单元的惯性力，从而极小化其对于整个结构的冲击。这是因
为暂时的局部弱化能够改变结构的自震频率，从而避免与地震波的频率共振。例如，“强柱
弱梁”是基于此概念的用于建筑物防地震的一个方法[1]；它需要设计部分相对挠性的主要
结构单元例如梁，这些部件将在地震震动下首先变形，来保证承受垂直载荷的主要结构单
元，例如柱，的稳定性。基于这种概念的另一给设计方法是使用减隔震装置来提供类似弱梁
的灵活性；例如，允许建筑物或者桥梁的下部和上层结构之间暂时的相对移动，从而隔离直
接受地震引起地面加速度冲击的下部结构对上部结构影响，同时改变整个结构的自然频率
来避免共振。

[0041] 对于土木工程结构，支座是承受其上所有结构单元重量，将其传递至其下结构单元的一种常用结构连接装置。与结构自身重力相比，地震载荷的水平和垂直加速运动产生
相应惯性力。目前市场上支座产品设计了抵抗地震造成水平附加力的能力。工程上基本设
计方法是根据过去地震的历史记录来估算未来地震造成横向附加力。但目前市场上已有产
品，例如，双摆支座，尚未解决的问题是：(i)为了保护结构抗较强地震的能力，需要较大的
承台来放置这类支座，其结果是大大提高的所保护结构系统的建造成本；(ii)在接近于地
震震中的那些区域，垂直加速度通常具有与水平加速度相同的振幅或者更高。记录表明，最
近的地震例如2005年夏威夷岛，2009年智利和2011年日本仙台地震中，在远离震中的区域
中存在着非常高的垂直地面加速度。仙台地震所揭示的一个超出常规的事实是，许多在第
一波地震波冲击后幸存的桥梁，它们的上层结构却被随后的海啸冲走，因为目前应用的减
隔震支座仅仅有抵抗水平振动的能力。很显然，对于高地震风险地区的结构设计来说，关键
地是找到通常期望的结构坚固性和地震发生时所需的暂时局部弱化之间的平衡。当使用减
隔震支座时，尚未解决的一个问题是如何控制垂直加速度的惯性力。

[0042] 基于“强固结构”理念的设计要求沿所有方向主要结构单元之间的连接坚如磐石。对于常规混凝土结构，这种理念的实践是所谓高安全系数的“现场浇灌”(CIP:Cast‑In‑
Place)，其需要预先搭建与设计的结构同尺寸的混凝土模板。在美国西海岸地震高发地区，
大部分混凝土桥梁采用CIP建造。与其它建造方法相比，例如，在工厂或者其他方便的地方
预制混凝土梁和然后在施工现场地方安装减隔震支座后成桥，通常CIP耗时长，成本高。仅
搭建浇注混凝土的模板一般占总施工成本大约20‑70％的份额。另一方面，应用CIP建造的
高层建筑物或者高墩桥梁相对来说易共振。

[0043] 除了“强固结构”和“减隔震设计”之外，另一结构抗震设计理念是所谓的“消震”设计，其已经应用于一些建筑物和桥梁中。具体的方法是为一结构系统附加弹性连接的额外
质量体；增加的质量和附加弹性连接改变了原系统的自振频率；频率变化的程度取决于外
部激振频率和附加质量的相对运动；结果是新系统自振频率漂移，避免了系统共振。不过，
地震所引起到地表加速度仍然作用在系统上。所以，这种方法比较适用于长期持续但是振
幅较低的外界动载激励，例如风载。

[0044] 当地震高危地区的工程师们在不但开发新的抗震设计理念和方法，快速建桥和快速修桥已成为全美国保持交通网络通畅的必须。如文献[10，11]报道：2012年的统计结果表
明，每天的平均拥堵时间是4.14小时；所产生的经济损失大约$1210亿，与之相比1982年这
个统计数字是$240亿。过去数次重大地震的经验表明，保障生命线桥梁不受损或损伤后能
够快速修复意味着挽救更多生命；与此相比较，经济效益上的考虑变成第二位了。无论抗震
设计，或快速建桥，为此技术上的一个挑战是：如何设计桥梁或者建筑物，其施工耗时最短，
成本最低，最易维护保养或更换，同时足够结实，可以抵抗地震等高强动载冲击。

[0045] 以此为出发点，可见在大型土木工民建结构的建筑施工和相关公共安全领域需要一类能够给与这种结构抗强地震和海啸的能力，也能够保证其在常规使用条件下的强度和
耐久性，同时便于快速构建和更新的创新连接装置。基于设计规范的要求[4‑7]，灾难性地
震的经验[2]，以及过去的研究成果，例如在文献[1，3，7‑9，12‑18]中所列，本申请的发明人
建议了下面的用于结构抗震连接装置所需的基本条件，其能够保护桥梁或者建筑物等结构
抵抗地震或者其它类似全方位的冲击：

[0046] (A)坚固性：在常规工况条件下保证稳固的连接。

[0047] (B)类似保险丝的熔断保护机理：当一结构系统某主结构单元或部分结构遭受地震，驳船或其它交通工具冲撞，或者爆炸等强动载荷冲击时，这一连接装置允许相互连接的
结构单元之间暂时地相对错动；这一错动能够明显降低两个结构单元间惯性力的传播。

[0048] (C)自愈性：强动载荷冲击之后所述结构可自行恢复到初始状态，或者恢复到与初始状态之间只有工程上可接受偏离的状态。换言之，条件(B)的熔断机制只是暂时的。

[0049] (D)完整性：当强动载荷冲击造成暂时相对分离时，保证所连接的结构系统完整性；换言之，条件(B)的熔断机制并未破坏整体结构完整性；当桥梁或者建筑物受到海啸类
的冲击时，这一性质非常重要。

[0050] (E)无害环境：不会引起噪音或者产生额外污染垃圾，不消耗额外能量。

[0051] (F)耐久，便于维护。

[0052] (G)便于快速构建，更新和更换。

[0053] (H)低成本。

发明内容

[0054] 本发明公开了一类装置，称作“V形支撑连接装置”，简称做“V‑支撑”。以工程化应用来说的简便性和实际可行性为特征，所述的V‑支撑可以用于连接工程结构例如桥梁或者
建筑物，或者机器，内部的结构单元，满足前述标准(A)‑(H)；其中所述的结构单元是所述的
工程结构的主要承力结构部件。所述的V‑支撑的构造和基本实施方案可以由图1a到1d来解
释。一个V‑支撑是这样的部件组合，其包含至少两个下面罗列的基本元件：(i)V形引导管(V
导管)，安装或者植入机器或者土木工程结构中所连接的结构单元对之一中；或在这一结构
单元固体中开的V形腔室，参见图1a和1b。在图1a到1d中，连接的结构单元对是一个桥梁的
梁和桥墩；(ii)稳定销子，缩写为“SBP”；SBP的例子在图2a和2b中绘制；其中所述的SBP至少
一端插入所述的V导管中；(iii)可附加的阻尼材料，其填充到插入所述的V导管中包含的V‑
型腔体中，环绕所述的SBP；(iv)可附加的上顶板，其安装到所连接的结构单元对的一个结
构单元上；和可选的下顶板，其安装到另一结构单元上；(v)可附加的垫圈，其处于所述的两
个连接的结构单元对的接触表面对之间；如果在V‑支撑中采用所述上顶板或下顶板或同时
采用二者，所述接触表面对由它们相接触的表面组成。

[0055] V‑支撑产品包含多种不同设计；可以分为两大类：双V连接支撑和单V连接支撑，其中前者的每个V‑支撑包含两个V导管，参见图1a和1b，而后者的每个V‑支撑包含仅仅一个V
导管，参见图1c和1d；单V连接支撑可以进一步分成至少两个子类。第一个子类是SBP的一端
铰接到另一结构部件上的设计；因此SBP端具有旋转灵活性，称作“铰连V‑支撑”，缩写是
“HPV”；另一子类设计是SBP的一端固定到部件上，不具有旋转灵活性，或者所述的SBP是所
连接结构单元基质的一部分；这个子类称作“固连V‑支撑”，缩写为“FPV”；其中与SBP一端相
连的部件可以是V‑支撑的元件，例如上顶板或者下顶板，或者连接结构单元对的一个结构
单元。

[0056] 使用销子来连接两个结构单元，同时限制其间横向相对运动，这是工程设计的一种常用方法。对于具有抗地震要求的结构来说，销子经常用于增强结构完整性，例如桥梁中
常规的剪切键。根据作者所能找到的文献，迄今所有在应用的销子和销子类连接与本发明
提出通过V‑支撑用销子和V形引导腔室连接两结构单元的设计本质不同；这是因为所有在
应用的销子和销子类连接设计中，销子的一端是(i)植入所连接的结构单元对的一个结构
单元中，或者(ii)无间隙地插入所连接结构单元基质的腔室中，或者(iii)在开放空间中限
制结构单元沿着指明方向的运动，例如剪切键；而销子的另一端是(i)连接的结构单元对的
另一结构单元基质的凸起部分，或者(ii)无间隙地插入另一结构单元的腔室中，没有邻近
性。这些种类的销子连接器缺乏减隔震设计所需的延展性，在强动态载荷冲击后不能恢复
初始态。这类传统销连接虽然可以提供坚固的连接，但因为结构部件制造公差和热胀冷缩
引起的结构变形，很难在一个部件上同时采用两个以上销子连接；例如，在长跨度梁和两个
桥墩之间的连接。

[0057] 因此，所述V‑支撑的主要创新性主要体现在稳定销子(SBP)和所述的V形引导管(V导管)中V形腔室的组合设计。设计的V形腔室包含两部分：有火山口形状的长度LC部分，和
长度Lt部分(其的截面几何形状与插入的SBP相同)，参见图1a。长度LC部分的这种火山口几
何形状能够导引SBP对中，引导销子插入V导管的长度Lt部分中，来连接两个结构结构单元。
长度Lt部分将所述的SBP紧密固定在连接的结构单元上。SBP的横截面几何形状和尺寸根据
设计需要可变，参见图2；但其插入V导管长度Lt部分的一端与V导管内壁之间无间隙，由此
来提供常规载荷作用下所需的坚固连接；在强地震造成高水平力作用下允许SBP在V导管长
度LC部分的空腔内弯曲，逐步增加销子和V导管壁之间的接触和逐渐提高对于横向运动的
阻力，同时所连接结构单元对在接触面产生相对滑动，对应的摩擦力也与横向运动相反；这
两个力的组合与对应的相对位移表现为的减隔震设计所必需的非线性阻滞，如图3所示。通
过这个图可见当在两个连接的结构单元之间发生相对横向运动时减隔震所期望的延性(如
图3(c)所示的阻滞曲线所表征)，两个连接的结构单元(具有或者不具有图1a‑1c的垫圈)接
触表面之间的摩擦力导致了能量损耗。V导管和SBP的组合，其允许限制连接的单元之间的
相对滑动，同时使用重量引起的自然摩擦作为耗散振动能量，是所公开发明的核心减隔震
机理。

[0058] 虽然多个销子可以用于连接两个结构单元，但是足够的强度和韧度是对于每个所述的SBP显而易见的关键要求，对此许多现代高强度合金材料可供选择。因为钢或者其他金
属的强度和杨氏模量通常比混凝土高了1到2个量级。将这样的销子简单地插入混凝土基质
中的V形腔室中会引起局部损坏，特别是销子端部周围的混凝土局部。由此可见图1a‑1c中
的V形引导管(V导管)的创造性特征。它消除了销子所可能引起的应力集中，腔室的火山口
几何形状允许SBP局部变形。引导管可以由常规结构钢，或者复合材料例如特氟龙制成，预
植入所连接的混凝土基体，其上附加的增强环确保与基质结合的坚固性。很显然，在下面的
情形中可以不用V导管：(i)混凝土具有足够的强度或者基质是其他种类的高强度材料；
(ii)销子的直径足够大，以使得所形成的应力集中是可忽略的。

[0059] 在V导管的火山型开口和插入的SBP之间填入附加阻尼材料可以增加能量耗散，参见图1a。阻尼材料可以是具有粘性流动性的材料例如铅或者硅粉或者硅砂；当SBP朝着管壁
变形时其间阻尼材料将被挤压开；SBP向相反方向振动时阻尼材料又被挤压回来；由此耗散
振动能，同时使得所述结构的自振频率偏离共振频率。相对于图3所示机理，这提供了附加
的能量耗散。

[0060] 图1a‑1d所述的实施例的基本理念部分源自“PCT/US2012/0613127[16]”所提出的概念，参见图4。在文章[16]中，V形几何形状和一个特殊设计的滑动销用于控制一类新发明
的减隔震支座所连接结构单元相对错动，即此图中的装置(2)；而图中所示的另一类新发明
的减隔震支座(3)，使用棒来控制常规形状和V几何形状橡胶支座的垂直分离。

[0061] V‑支撑不仅可以避免共振的风险而无需额外附加质量，而且它实际上还改善了连接的结构单元对中的应力分布——当它们由混凝土制成时。一个工程常识是许多非金属材
料，例如混凝土，具有较高的压缩强度，但是抗拉强度有限。这是大量的钢筋必须植入混凝
土主体内的原因。当混凝土梁处于弯曲状态时，在受拉侧内植的钢筋承受了几乎100％的张
力载荷，而包围钢筋的混凝土仅仅起到了确保稳定性的作用。经常可观察到在地震过程中
持续的振动最终引起混凝土散裂，导致植入的钢筋弯曲。与此相比较，使用V‑支撑的一个优
点是这种连接将CIP结构中的局部张力转换成V导管周围的压缩力。如图5中最左边的图所
示，在两个连接的单元接触表面对之间的平面位置上，SBP中的剪切应力达到最大值。这是
用于图2的设计选项(c)的原因，即SBP在中间部分具有增大的横截面轮廓。同样图5的右边
引入了类似解决方案：增加剪切增强V‑环(shear reinforce V‑ring，SRV)，这一方案的优
点是容易制造。

[0062] 除了桥梁的梁和桥墩之间的连接之外，此文公开的连接装置产品还可以用作桥墩和墩基(图6)之间的连接；以及组合建筑连接，即工厂预制的建筑结构单元现场组装时相互
之间的连接器(图7)。

[0063] 试验验证

[0064] 虽然减震和结构的减隔震设计涉及许多复杂的因素，但是对于工程应用来说可以通过图8来解释基本原理[4‑6]。图中的右侧是结构所在地理位置的地震谱图，其可以在[4‑
6]中找到。地震引起的惯性力是与地面加速度峰值(PGA)成比例，如果所述结构的第一自振
频率周期T已知，则可以根据这个地震谱图计算对应的PGA；T也可以通过该图左下角的公式
来近似，其表示T是与所述结构质量的平方根成正比，同时与所述结构的刚度K的平方根成
反比，即当K较小时，T较长。因此根据抗强地震存活率中的谱曲线，PGA将较低而所述结构的
延性增加。

[0065] 因此，增加结构的抗强地震存活率的原理是增加所述结构的延性。这是因为当一结构受到地震冲击时，所对应内力应当不与地震引起的变形成线性关系，即水平力和水平
位移之间关系不应线性。反之在常规载荷条件下，这样的力‑位移关系是线性的，其斜率是
结构的刚度Ke，参见图8左上角图。对于抗地震结构来说，需要非线性的水平力‑水平位移关
系，又称所需的结构延性，其可以通过有效刚度Keff来表征，即图8左上的阻滞徊路中斜线的
斜率。这V‑支撑设计的创造性理念在于如何获得图3所示阻滞循环曲线。

[0066] 已经同时在中国河北省的衡水地震研究实验室和在美国伯克利大学的PEER Lab.(Pacific Earthquake Engineering Research Center，太平洋地震工程研究中心)进行了
V‑支撑的实验验证。图9显示了实验室装置和HPSV(Hinged‑Pin Single‑V Connector，铰接
销单V‑支撑)的两个不同试件。图10是试验机。图11和12是所述试验所测量的阻滞曲线，与
图3预期的曲线类型一致，证实了V‑支撑的抗地震保护功能。

附图说明

[0067] 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，描述本公开的具体实施例，其中：

[0068] 图1a是本发明用作桥梁的梁(上部结构)和桥墩之间的连接装置，又称“支座”，的二维和三维的示意图例。最左边的二维图示意此梁墩系统处于静态载荷条件下的状态，而
它左边的二维图示意在地震引起的地面加速运动的条件下，此梁墩系统的相对错动和内含
的延性变形和阻尼机理。右边的三维图详细显示了本发明所公开的连接装置组件和相应几
何构造。

[0069] 图1b显示了与图1a相同的概念，代替V形导管，图中是一个与V形管内部几何形状相同的V型腔室的大块固体。

[0070] 图1c解释了从最左边的双V连接装置设计到最右两个单V连接装置设计选项的理念发展过程。

[0071] 图1d是单V连接装置的一个设计例，用于工字钢制成的桥梁梁跨与混凝土桥墩连接。

[0072] 图2是稳定销子(SBP)的九种设计：(a)常规的圆柱形销子；(b)具有不变多边形横截面几何形状的销子；(c)在中间部分处直径逐渐减小的圆柱形销子；(d)直径朝着一端逐
渐减小的圆柱形销子；(e)具有圆球型铰接端部且销子直径向铰接端逐渐减小的圆柱形销
子；(f)具有半球型铰接端部且销子直径向铰接端逐渐减小的圆柱形销子；(g)在中间部分
直径逐渐增大的圆柱形销子；(h)直径朝着一端逐渐增大的圆柱形销子；(i)具有圆球型铰
接端部且销子直径向铰接端逐渐增加的圆柱形销子；(j)具有半球型铰接端部且销子直径
向铰接端逐渐减小的圆柱形销子；

[0073] 图3介绍了公开的本发明装置实施用于减隔震的关键机理，即使用重量引起的自然摩擦作为耗散机理来获得需要的结构延性。

[0074] 图4显示了所公开的本发明装置实施例的研发过程，图中显示底标号为(3)的V‑支撑的关键理念源自(1)中的V‑理念和(2)中的垂直增强销概念的启发。V‑理念最初设计是应
用上部结构重量在V滑动表面上的水平分力作为抵抗振动的阻力，同时所存储的势能(当上
部结构沿着V‑表面提升时)被用作驱动力来将所述系统回复初始态。对于V‑支撑，这种V‑理
念已经转化成V形导管(V导管)来控制稳定销(SBP)变形；存储在所述销中的变形能量是回
复初始态的驱动力。(1)中的垂直增强的销子也有类似功能。

[0075] 图5介绍了这样的实施例，其使用了剪切增强V‑环(SRV)来防止销子在某些位置的剪切失效。

[0076] 图6介绍了双V连接装置应用于桥梁的桥墩和地基之间的连接。

[0077] 图7介绍了双V连接器应用于房屋结构单元之间的连接。

[0078] 图8解释了抗震结构所需的延性。图中的右侧是结构所在地理位置的地震谱图，其可以在[4‑6]中找到。地震引起的惯性力是与地面加速度峰值(PGA)成比例，如果所述结构
的第一自振频率周期T已知，则可以根据这个地震谱图计算对应的PGA；T也可以通过该图左
下角的公式来近似，其表示T是与所述结构质量的平方根成正比，同时与所述结构的刚度K
的平方根成反比，即当K较小时，T较长。因此根据抗强地震存活率中的谱曲线，PGA将较低而
所述结构的延性增加。应用V‑支撑为工程师提供了设计防地震结构的可能性，所述结构在
常规条件下具有高刚度Ke，并且当受到强地震冲击时具有减小的等价刚度Keff，在图3中还
看到如何实现期望的阻滞循环。

[0079] 图9是实验室装置和铰接单V支撑两个设计样本组试件的照片。

[0080] 图10是用于图9试件试验机的照片。

[0081] 图11是图9试件在试验中测量的水平力‑位移测试记录的照片。

[0082] 图12是所述测试的所测量的阻滞曲线，与图3的理论预测曲线类型一致，证实了V‑支撑的抗震能力。