本发明是关于用于大型结构的能量吸收器，这种能量吸收器是用來减轻外界产生的运动对此类结构的影响的。本申请以美国专利4，499，694中的发明将作为来源发明加以谈及。 交变剪切能量吸收装置利用某些材料的超出弹性极限的交变塑性变形來吸收动能。此种吸收器很典型地被插在建筑物的支撑部件和基础部件之间，或是在两个结构支撑部件之间，这样，可以将吸收材料内的动能的一部分转化为热，从而减少外界的力量传递给建筑物的运动，如地震或强风。授予罗宾逊的美国专利4，117，637发表于一九七八年十月三日，题目为“交变剪切能量吸收器”，其公开内容在此只作为参考，此项专利用图形说明了此基础循环剪切能量吸收装置的几种几何结构。此基础装置含有两个分隔连接部件，典型的是板，每个部件都与一个单独结构部件连接。此装置用于建筑业时，使其中的一个连接部件附于一个桩基，而使另一连接部件附于一个支撑柱、梁之类的物体上。安装在两个连接部件之间的是一个可交变塑性变形的固体物质，典型的是铅，铅能起吸收能量作用。此装置的某些结构还包括一个附加弹性衰减器结构，此结构围绕能量吸收物质且在两个连接部件间有一个弹性纵向支撑，通常是通过一个象三明治形状的物质，它包括一个弹性材料（如：橡胶）的可换层以及一个刚性材料（如：钢、铝或同类物质）。
在应用中，当外界力量导致两个连接部件作相对的侧向运动时，能量吸收固体物质超越它的弹性极限而交变地使一些能量转化成热能并且能在此物质处于形变状态下贮存剩余能量，后者相当于一种传动力，其趋势在于将材料回复它原来的机械性能。结果，传递到或传递过此结构的能量转化成热，而不会对建筑物有损害。因而，和该吸收器联结在一起的结构比那些依赖结构部件的延性性能分散能量的结构（它将被强烈地震损坏且很难修复或取代）以及使用橡胶减震器的结构（此结构象弹簧那样工作并且只分散很少量的外部传递來的能量）安全得多。
在许多应用中发现上述类型能量吸收器功能很好，而在某些应用中，能量吸收物质的过早退化出现在幅度小的摆动被看到后。
这是由于缺乏对吸收物质的限制，此物质可在与强制形变的方向上随意伸长，从而，降低它作为一个能量吸收器的作用。即使是在那些其能量吸收铅核被一个其有三明治结构的弹性支撑衰减器围绕的实例里，限制的程度也是依懒于纵向载荷的大小、弹性材料的硬度以及弹性材料单独层的厚度。特别是，如果纵向载荷小于支撑台的额定载荷的0.4倍，而这时对50-55之间的弹性材料硬度指标和厚度为半英寸的弹性层的剪切变形是0.5，铅核心性能就可能退化。
本发明的目的是提供一个改进的交变剪切能量吸收器，在此装置里，性能的退化实际上降低了，或者说，至少给公众提供了一个有益的选择。
本发明包含一个改进的交变剪切能量吸收器，它在已知能量吸收器基础上具有一个更长的使用寿命，它具有原装置的能量吸收的优点。
在最广阔的范围里，本发明包含一个交变剪切能量吸收器用以吸收由于两个部件间的运动所产生的能量。能量吸收器包括适合于与第一和第二部件连接的第一和第二连接装置，如支承建筑物的支撑柱、连接在第一和第二连接器之间的塑性交变可变形能量吸收装置，以及一个位于能量吸收装置周围，即在第一和第二个连接装置之间区域的限制器。该限制器具有一个挠性墙面以在两个部件间产生运动时限制能量吸收装置，而同时又允许能量吸收装置以可取的方式产生形变。该挠性墙面具有弹性以吸收纵向分力。同时，仍然限制能量吸收装置。在本发明一个较好的实施例中，限制器包括一个基本上螺旋式围绕在能量吸收装置外部表面的扁平部件和由单独绕组层提供的挠性墙面。这一绕组层至少有一部分是由弹性材料使之与毗邻的料层分开的。
在另一个较好的实施例中，限制器包括一系列基本上围绕在能量吸收装置外部表面的扁平部件，此扁平部件至少有一部分是由弹性材料使之与毗邻部件分隔开。
限制器最好由装配在第一和第二连接装置之间的一个弹性支撑來环绕。该弹性支撑最好能够包括一个弹性材料的，如橡胶的交替料层，和一个坚固材料，如钢、铝或玻璃钢。在较好的几何结构里，能量吸收装置包括一个位于第一和第二连接装置的端面之间的圆柱形核心。限制器是一个螺旋式环绕的扁平螺旋管。弹性支撑包括橡胶和钢的矩形或四方形的料层，它具有一个通过中心的圆柱形开孔，以接收限制器和该核心。
本发明的制作是这样进行的：组装弹性支撑，最好在一个导向夹具协助下插入限制器，如一个具有与限制器所需的内直径相等的直径的心轴以及在限制器内放置能量吸收核，其方式为用压力将核心装入限制器的空心内部或者把核心铸入限制器内部。
在一个实施例中，吸收器有末端板，是用热胶、连接等方式装在一起的。在一个与圆柱能量吸收核紧密结合在一起的一个末端板上有一个洞，制有螺纹。制有螺纹的端帽拧入该洞以压缩该核心。
在使用时，当两个联接装置处于产生水平方向位移的震荡时，弹性支撑、限制器和能量吸收核心进行同样的运动。限制器允许能量吸收核塑性变形。但同时限制该核以避免核心材料的过多机械磨损。
要想进一步了解本发明的性质和优点，应参考下面的详尽的描述和相应的图解。
图一是本发明的一个较好的实施例的透视图;
图2是沿图1中2-2线的剖面图;
图3是用以展示限制器的工作的放大的图解剖面图;
图4是一个与图2相似的剖面图，展示来源发明的替代实施例;
图5是一个与图4相似的剖面图，展现来源发明的另一个替代实施例;
图6是沿图5中6-6线的平面图;
图7、8、9与本发明的两个可取实施例相关：
图7是一与图2相似的剖面图，展示本发明的一个替代实施例;
图8是一个与图7相似的剖面图，展示本发明的进一步实施例;
图9是一个与图8相似的剖面图，展示本发明的另一个进一步的实施例。
图1至图6的实施例可通过在至少一些限制部件的附近料层之间加入弹性材料，以使其包含本发明的特有性能而获得改进。
现在请看图，图1展示来源发明的一个可取的实施例的透视图。正如该图所示。此能量吸收装置包括一个中心能量吸收核心2，其型状为圆柱体，一个围绕核心2的挠性限制器3，一个弹性支撑4以及顶端和底端连接板7和8。
正如图2所示，弹性支撑衰减器4有一个三明治形状的结构，它包含弹性材料5的可换层，最好采用诸如天然和合成橡胶那样的弹性材料，刚性板6最好是由钢、铝、玻璃钢、纤维或其它刚性材料制成。弹性支撑4的作用相当于一个旨在通过此装置转移纵向载荷的乌金轴瓦。支撑4被典型地安装在纵向支撑梁的底部，连接在或者依附于底板8。单独层5和6被典型地复合在一起以形成一个单一的结构。最通常是用热胶的办法形成。
限制器3最好是一个螺旋形的圆柱结构，它是由合适的板条材料制成，其截面为矩形。合适的材料包括弹簧钢、软钢、铝条以及任何其它可以绕成上面展示的螺旋形物体的材料。
能量吸收核2最好是由所展示的圆柱体的优质铅制成。优质铅的字眼意在说明纯度达到99.9%。在许多应用中，铅的纯度稍低一些，大约最低限度是98%。其它合适的材料是在上面谈到的美国专利第4，117，637号中的材料以及具有相同交变塑性形变特征的其它材料。
图1和图2所示的装置按下例方式制作为好。首先通过单独元件组合成所示的方形，或其它一些合适的几何形状來制作支撑4，将中心环形孔径排列组成圆柱形空隙，一般位于支撑4的中心。而后，限制器3被插入这些孔径，在插入时最好借助于一个圆柱体心轴的帮助。之后，能量吸收核2被压入限制元件的内部，在此之后，顶部和底部板根据所示方式排列。我们发现，最好的结果是这样取得的：在使用优质铅制作能量吸收元件2时，首先铸造圆柱体吸收器，再将该吸收器压入限制器3中。圆柱体吸收器元件2的外径应比元件3的内径略小一点，这样吸收器件2即可顺利地滑入限制元件3的内部表面。此外，圆柱体吸收器元件2应比完成的装置的轴向长度略长一些。在铸造该能量吸收器元件2时，模型的内直径应基本上与该弹性支撑4的圆柱体孔径的直径一样。
如有必要，能量吸收器元件2可铸造在弹性支撑3的圆柱体中。如采用这种替代办法制作该装置，在浇铸熔融核心时，应考虑到铅的热膨胀性，以保证在随后的冷却中核心的萎缩不致使核心元件2的外层表面和限制元件3的内表面之间有太大的间隙，为了获得最佳效果，应注意保证核心元件2被完全限制在所有的表面上，即环绕于圆柱体边墙表面和顶部及底部表面之上。
在操作中，该装置被安装在一个结构诸如桥梁或楼宇的支撑件和基础诸如地基之间。当一个结构处于地震、强风或其它自然现象带來的颤动之下并导致剪切力转到能量吸收装置上时，该装置即处于这些剪切力之下并按照图3展示的形式变形。正如此图所示，核心元件2已从其原有的正圆柱体形状随着剪切力而改变，限制元件3也经历了同样的运动。由于限制元件3的矩形横截面形状，毗邻的料层绕组从它们如图2所示的原來的纵向直线滑动变为图3所示的位移的形状。然而，毗邻的料层之间有足够的表面和其周围的弹性料层5來提供纵向支持，以防止限制元件崩塌或变形，这样核心元件2可保持其总的圆柱体外形，尽管圆柱体本身向纵向歪曲。此外限制元件3的单独绕组层的内层表面以及毗邻料层的滑动性安排给予该墙表面挠性，使得核心元件2能够进行足够的变形來分散能量，同时又保持核心元件的完整性。如上面所示，大部分能量被核心元件2内部产生的热所分散，同时，剩余的能量被贮存于元件2和弹性支撑4之中。这种被贮存的能量用于将该核心的材料送回其原來的机械状态。此外，贮存于弹性支撑4中的能量部分的释放将趋于把核心元件2恢复到图2所描述的其原來的几何状态。
对依据来源发明的指示制作的能量吸收装置进行的实际试验表明，该改良型的能量吸收装置的有效寿命大大长于一个根据原先的技术建造的类似装置，但缺少限制元件3。
具体的说，在新西兰的奥克兰大学进行的研究项目的结果在下列出版物中有所描述：
参考
1.P·G·金“地震结构的机械能量分散器”，一九八○年奥克兰大学土木工程系报告第228号。
2.S.M.贝尔特“铅-橡胶分散器用于桥梁结构隔离器”，一九八二年八月奥克兰大学土木工程系报告第289号。
为总结这些成果，对20个15×12×4英寸的灌铅弹性支撑面和5个半英寸厚的内层进行了广泛的纵向载荷和剪切弯曲振幅的动态测试。组合在一起的25个纵向载荷和剪切弯曲中的每一个都经历了五个交变的位移测试。被分散的能量是从载荷偏移滞后回路的区域同特性层胶强度、弹性硬度及弹性后硬度一起测量的。对多种未加限制的铅状态进行了研究并将其结果与对受到上面描述的方式加以限制的铅圆柱体进行测试的结果进行了对比。贝尔特（一九八二年）对特定的测试结果进行了描述，这些结果一般表明：当铅圆柱体受到限制时，每个循环中所分散的能量将增加一倍以上。
在许多应用中，上部板7的下部表面和上部料层5的接合表面之间的磨擦力以及下部板8的上部表面和毗邻的弹性料层5的接合表面之间的磨擦力足以提供上面描述的和图3部分展示的剪切行动。在有些应用中，可取的是在板7和8以及插在当中的弹性支撑4之间提供额外的连接。提供这种额外连接的技巧包括将板7和板8连接在该弹性支撑4的末端表面上，可采用热胶、粘贴等办法。在其它应用中，可取的办法是在板7、板8和弹性支撑4之间提供额外的连接。图4展示了本源发明的第一替代实施例，即在板7、板8和弹性支撑4之间提供一个可靠的连接力。正如本图所示，上部板7的下部表面装一个连接环11，其几何形状与弹性支撑4（如图一的矩形）的外周相同。环11的形状和角度使得弹性支撑4的最上部能够在板7放入弹性支撑4时进入环11。底部板8的上部表面装有一个类似的连接环12，该环的角度和形状基本上与环11相同。在使用时，板7和板8之间的横向位移被传到弹性支撑4，这种传递不仅仅是靠板7、板8和支撑4之间的摩擦力，而且也靠环11、环12和支撑4之间的机械力。环11和环12可以任何合适的方式装在板7和板8上，可用焊接、钎接、粘贴等办法。
图5和图6展示了来源发明的一个替代实施例，即在板7、板8和弹性支撑4之间提供一个可靠的连接。正如此图所示，上部板7安有一定数量的下垂销钉插头13，根据预定的方式排列，四个插头13排列成环形，其间隙为90度，环绕于核心原件2的中心。相应数量的孔径14同样预先置于最上部的弹性料层5和最上部的刚性板6之上。孔径14可延伸穿过整个最上部刚性板块6或只穿过该板的一部分。插头13和孔径14的排列使插头13在顶部板7放下至弹性支撑4时得以压入孔径14。下部板8装有一个类似方式排列的销钉插头15，最下部弹性料层5和最下部刚性板6上装有相应的孔径16。
虽然可取的实施例被描述为最好是包括下部板7和板8，在有些应用中，这些板可放入相关的结构部件中，或者，板7和板8的功能可由相关的结构部件所确定的表面來提供。例如下部板8可包括一个电厂的混凝土地基的上部表面，而上部板7可作为电厂的安全壳的底部。熟识此技术的人还可联想到其它的东西。
虽然上述内容全面地揭示了来源发明的可取的实施例，还可以考虑进行各式各样的改进和采用各式各样的制作方法，而不致背离来源发明的真实精神和范围。例如，虽然正圆柱体几何形状已被描述为优先实施例，仍可采用其它的几何方式，如矩形、梯形、椭圆形等等。进一步说，虽然弹性支撑4被宣布为矩形，其它的几何形状也可用于此复合元件，包括圆形。此外，尽管限制元件被描述为含有扁平螺纹的圆柱体，但是也可采用其它的形状，这取决于核心元件2本身的几何形状。例如采用了矩形核心元件，那么限制元件将有一个类似的矩形。此外，如有必要，限制元件可包含纵向地罗列在一起的单独元件（圆形的扁环，矩形的扁框，等等）。
图1在图6描述的实施例中包含元件3，以下将称其为密圈螺旋。此实施例中的每一圈都与自己的毗邻相接触。其弱点是该支撑面从纵向来说变得坚硬，在用压配的办法装制时可能对螺旋产生严重危害。为了防止这个缺点，在图7和图8中显示了一种可供选择的结构，在这些结构的每一个当中，铅核心2被限制元件所围绕。但是该元件具有一定的量的纵向压缩性。
在图7所描述的实施例中，螺旋绕组3被弹性材料17如尿素或硅橡胶所围绕。在一个可取的实施例中，这是由一个软管制造商采用制作液压吸管的技艺來制作的。螺旋的单独绕组3之间加入弹性材料17即提供了一个松卷螺旋结构，而该结构不具有上述描述的密圈螺旋的弱点。
在图8描述的另一个实施例中，支撑面1含有圆柱体铅核心2和末端板7和8。除了铅核心2的末端以外，整个元件被弹性材料5所围绕。在此实施例中，松卷螺旋3间隔着垫片或刚性板6绕在铅核心周围，弹性材料5为螺旋3的每一圈和单独垫片或刚性板6之间提供了料层。螺旋3在本实施例中被分为单独圈。
在图7和图8中，作为连续螺旋3或分离的螺旋部分3，用弹性材料分开的罗列在一起环圈可被采用。
在所有的实施例中，只有某些元件3可相互分离，以便在挠性墙中提供一定的纵向弹性。
我们在其动作中看到，螺旋的料层或环状材料层之间加入的弹性材料不会影响限制器限制铅核心的能力，这样就保持了图1至图6所描述的优点。
在图9中，一个实施例包括一个上部板7，一个下部板8、弹性材料5和刚性材料6的交替层。孔径9穿过板7和板8，使它们能连接在结构或基础上。与核心2的横截面相应的孔穿过板7。该孔内制有螺纹并安上直径相当的螺钉19，以协助核心2的纵向限制。必须注意将螺钉19紧紧拧上，以使板7不致从弹性料层5分离。置于板7之上的结构的重量在该装置放置于建筑物之下时将对这一点予以保证。
同样，在谈到图1至图6时讨论过其它几何形状和安排在图7、8和9中也适用。因此，上述描述不应被认为是限制了本发明的范围，本发明由附加的权项予以定义。