双核心预力拉伸自复位消能支撑装置技术领域
本发明涉及一种消能支撑装置，特别是涉及一种增加伸展量的双核心
预力拉伸自复位消能支撑装置。
背景技术
现阶段的耐震设计，除了需要有足够的容许强度外，更希望有好的韧
性，以达到更经济且更安全的目的。就以降伏来消能的结构系统而言，通常
会在大变形后造成残余永久变形，使得建筑物有残余的应力，造成潜在的
危险，需要日后维修来解决此问题。目前常见的支撑系统，以结构杆件降
伏或是挫屈消能为主，但是在反复载重下，降伏或是挫屈所造成的变形，会
影响建筑物结构上的安全及在救援上的困难度。以挫屈束制降伏行为和摩
擦行为为主的消能支撑研究及应用，在许多方面已有具体的成果，但是这
两种消能行为杆件都没有自复位的功能，也就无法解决残余变形的问题。因
此目前可自复位的系统是主要的发展方向，自复位的方法可靠弹簧或是预
力的方式来实施。
美国公告的第5819414号专利中揭露了一种以束制的方式施加压力的
装置，使装置整体行为类似于弹簧而拥有自复位的功能，并且以中间物件
的接触摩擦来产生消能作用。
请参阅图1至图7所示，美国公开的第2008/0016794号专利揭露了一
种以拉预力的方式提供自复位功能的装置。为说明方便，图1至图7重新赋
予元件标号。图1为此装置的侧面剖面图，图2为断面A-A的剖面图。装
置包括一方型钢组成的内核心构件11、一固定于该内核心构件11的第一端
的内层底板12、一套覆于内核心构件11外且同样由方型钢组成的的外层构
件13、固定于该外层构件13两端的外层底板15和16，及锚锭装置21与
预力杆件22。内核心构件11还具有一用以与建筑构架中的梁及柱连结的延
伸段111；外层构件13则具有二个用以与建筑构架中的梁及柱连结的延伸段
131。内核心构件11中的消能板112、外层构件13的摩擦消能板132，以及
角钢133用螺栓14组合，并针对内核心构件11与外层构件13的相对位移
利用摩擦来消能。
在力学反应方面，请先参阅图3至图5所示。当装置不受外力，力学
行为如图3所示。当装置受压，内核心构件11、内层底板12及外层构件
13为装置中的受压构件，外力如图4所示，由外层构件13的两端延伸段
131传到对侧的外层底板15，再经由外层底板15与锚锭装置21将力传至
预力杆件22，使预力杆件22受拉，并将力量传至另一端底板16上，再由内
核心构件11与延伸段111将力传出。由图5可知在外力F施载下，外层构
件13与内核心构件11有相对位移δ，可利用消能板112、消能板132、角
钢133及螺栓14消能。
再请参阅图6及图7所示。当装置受拉，预力构件22、锚锭装置21
和两片外层底板15与16为受拉构件，外力如图6所示，由外层构件13的
两端延伸段131，经由外层构件13传至外层底板16上，再经由外层底板
16与锚锭装置21将力量传至预力杆件22，使其受拉，并将力量传至另一端
外层底板15上，再传至内核心构件11的延伸段111。由图7可知在外力F
施载下，外层构件13与内核心构件11有相对位移δ，可利用消能板112、消
能板132、角钢133及螺栓14消能。
该装置在地震下，利用预力的回复力将残余变形消除。但是受限于受
拉杆件的材料性质，该装置轴向变形量仅限于δ。
由此可见，上述现有的自复位消能支撑装置在结构与使用上，显然仍
存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相
关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被
发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关
业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的双核心预力拉伸自
复位消能支撑装置，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进
的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的自复位消能支撑装置存在的缺陷，而提
供一种新型结构的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，所要解决的技术
问题是使其藉由不同的构件组成来改变力学行为而提高伸展量，非常适于
实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据
本发明提出的一种双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，安装于建筑物，其
包含一第一核心构件、一第二核心构件、一外层构件、一第一内层底板与
一第二内层底板、一第一外层底板与一第二外层底板、至少一第一预力拉
伸构件、至少一第二预力拉伸构件，及一消能单元。
第一核心构件具有一本体，及至少一固设于该本体且与该建筑物相连
接的延伸段。第二核心构件与该第一核心构件平行设置。外层构件具有一
套覆于该第一核心构件及第二核心构件外的外层钢管，及至少一固设于该
外层钢管的端部且与建筑物连结的钢板。
第一内层底板与第二内层底板分别设置于该第一核心构件两端处，且
该第二核心构件的两端分别至少部分抵于该第一内层底板与第二内层底
板。该外层构件的两端分别抵于该第一外层底板与第二外层底板。
该至少一第一预力拉伸构件沿该第一核心构件延伸方向地设置于邻近
该第一核心构件处，其一端固定于该第一内层底板，另一端固定于对面的
该第二内层底板或第二外层底板。该至少一第二预力拉伸构件沿该外层构
件延伸方向地设置于邻近该外层构件内，其一端固定于该第一外层底板，另
一端固定于对面的该第二内层底板或第二外层底板。
消能单元对于该第一核心构件与该外层构件间的位移，或该外层构件
与该第一、第二外层底板间的位移进行消能。
当该第一核心构件受外力，该外力通过与该至少一第二预力拉伸构件
连接的第二内层底板或第二外层底板传递至该至少一第一预力拉伸构
件，该第一预力拉伸构件伸长量为δ，该外力再通过第一内层底板及第二核
心构件传递至第二预力拉伸构件，该第二预力拉伸构件伸长量为δ，最终
传递至该外层构件，该第一核心构件与该外层构件相对位移达2δ，并通过
该消能单元消散地震能量。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
外层底板与第二外层底板分别呈框形且界定出一容置空间，且该第一内层
底板与第二内层底板分别穿设于对应的容置空间中；该至少一第一预力拉
伸构件一端固定于该第一内层底板，另一端固定于该第二内层底板；该至
少一第二预力拉伸构件一端固定于该第一外层底板，另一端固定于该第二
外层底板。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
外层底板与第二外层底板将该第一内层底板与第二内层底板夹设其中，该
至少一第一预力拉伸构件一端固定于该第一内层底板，另一端固定于该第
二外层底板；该至少一第二预力拉伸构件一端固定于该第一外层底板，另一
端固定于该第二内层底板。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
核心构件还具有至少一自该本体的外表面凸伸的消能板，该外层构件的外
层钢管在对应该消能板处开设有供该消能板穿设的开槽，且该外层构件还
具有设置于各该开槽两侧的成对角钢，两成对角钢将对应的消能板夹设其
中，共同构成该消能单元。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的消能
板与该成对的角钢间利用螺栓接合。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的消能
板与该成对的角钢间连接粘弹性阻尼材料。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，还包含多个分别
固设于该外层构件与该第一外层底板，或固设于该外层构件与该第二外层
底板的角钢，该角钢构成该消能单元并通过弯折变形消耗地震能量。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
核心构件的本体截面呈H形并形成二个缺口，该第二核心构件具有二个分
别设置于该二个缺口处的钢管，且前述第一预力拉伸构件的数量为多个，均
分地穿设于该二个钢管。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
核心构件的延伸段数量为二个，分别焊设于该本体前端部的两翼板外表面；该
外层构件的钢板数量为二个，焊设于该外层钢管后端部的两侧外表面。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
核心构件的延伸段数量为一个，焊设于该本体的两翼板间的腹板；该外层
构件的钢板数量为二个，焊设于该外层钢管的上下表面。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
核心构件的本体截面呈H形，该第二核心构件具有一个能包覆整个第一核
心构件的本体的钢管。
较佳地，前述的双核心预力拉伸自复位消能支撑装置，其中所述的第一
核心构件的本体为截面呈矩形的钢管，该第二核心构件具有一设置于该第
一核心构件的本体内的钢筋混凝土块体，且当中埋设多个中空管，供所述
第一预力拉伸构件及第二预力拉伸构件穿设其中。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方
案，本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置至少具有下列优点及有益
效果：本发明是藉由不同的构件组成来改变力学行为而提高伸展量，以消
散地震能量。并不受限于受拉件材料性质的影响。
综上所述，本发明是有关于一种双核心预力拉伸自复位消能支撑装
置，其安装于建筑物，包含一第一核心构件、一第二核心构件、一套覆于第一
核心构件及第二核心构件外的外层构件、二个分别设置于第一核心构件两
端的内层底板、二个分别固定于外层构件两端的外层底板、多哥预力拉伸
构件，及对于该第一核心构件与该外层构件间的相对位移进行消能的消能
单元。两种端部固定形态的预力拉伸构件在受力时分别提供δ伸长量，使该
第一核心构件与该外层构件相对位移达2δ，并通过消能单元消散地震能
量。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进
步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的
技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和
其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附
图，详细说明如下。
附图说明
图1是现有以拉预力的方式提供自复位功能的装置的侧面剖面图。
图2是图1中断面A-A的剖面图。
图3、图5、图7分别是该装置在不受力、受压及受拉情况下的力学行
为图。
图4、图6分别是该装置受压及受拉的示意图。
图8是本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置的第一较佳实施例
的组合结构立体图。
图9是对应于图8的分解立体图。
图10、图11、图12、图13分别是图8中断面B-B、断面C-C、断面
D-D、断面E-E的剖面图。
图14、图15分别是类似图12的剖面图，说明本实施例的预力拉伸构
件数量及排列变化。
图16、图17、图18分别是本实施例在不受力、受压及受拉情况下的
力学行为图。
图19是本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置的第二较佳实施
例的分解立体图。
图20是图19组合后断面F-F的剖面图。
图21是本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置的第三较佳实施
例的分解立体图。
图22、图23分别是图21组合后断面G-G、断面H-H的剖面图。
图24是本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置的第四较佳实施
例的组合结构立体图。
图25、图26、图27分别是图24中断面I-I、断面J-J、断面K-K的
剖面图。
图28、图29、图30分别是本实施例在不受力、受压及受拉情况下的
力学行为图。
图31、图32、图33是本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置的
第五较佳实施例的剖面图，断面位置对应图24的断面I-I、断面J-J、断
面K-K。
图34是本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置的第六较佳实施
例的组合结构立体图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功
效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的双核心预力拉伸自复
位消能支撑装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图
式的较佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。为了方便说明，在以下的实
施例中，相同的元件以相同的编号表示。
请参阅图8至图13所示，图8是本发明双核心预力拉伸自复位消能支
撑装置的第一较佳实施例的组合结构立体图。图9是对应于图8的分解立
体图。图10、图11、图12、图13分别是图8中断面B-B、断面C-C、断面
D-D、断面E-E的剖面图。本发明双核心预力拉伸自复位消能支撑装置的第
一较佳实施例包含一第一核心构件31、二个分别设置于该第一核心构件31
的上下方的第二核心构件32、分别设置于第一核心构件31两端的第一内层
底板34和第二内层底板33、一套覆于该第一核心构件31及第二核心构件
32外的外层构件35、二个分别设置于外层构件35两端的第一外层底板37
和第二外层底板38、第一预力拉伸构件431、第二预力拉伸构件432，及用
以固定第一预力拉伸构件431的锚锭装置41与用以固定第二预力拉伸构件
432的锚锭装置42。该第一、第二预力拉伸构件431、432可为玻纤、碳纤、钢
铰线、钢棒或合金棒等具有可拉伸的特性质的构件。
第一核心构件31具有一呈长杆状且截面呈H形的本体310、二个焊设
于本体310前端部的两翼板外表面的延伸段311、二哥自本体310的两翼板
外表面凸伸的消能板312，及多个焊设于翼板缘的垫板313。前述延伸版311
与翼板平面平行且用以与建筑物相连结，消能板312与翼板平面垂直。
第二核心构件32具有二个截面呈矩形且分别设置于第一核心构件31
的本体310的上、下缺口处的钢管320，及焊设于钢管320上下两侧的外表
面的垫板321。第二核心构件32的钢管320的右端部分抵于第二内层底板
33，部分抵于第二外层底板38；钢管320左端部分抵于第一内层底板34，部
分抵于第一外层底板37。
外层构件35具有一截面大于第二核心构件32的钢管320的外层钢管
350、二个焊设于外层钢管350后端部的两侧外表面的钢板351、二个分别
开设于该外层钢管350的两侧壁前端部的开槽352，及四个角钢353。该些
角钢353两两成对设置于各该开槽352的两侧。钢板351用于与建筑物连
结。
第一核心构件31的消能板312穿过开槽352且夹置于成对的角钢353
间，并且利用螺栓36接合。该消能板312、角钢353与螺栓36的组合定义
为消能单元。第一核心构件31的垫板313使本体310可与第二核心构件32
的钢管320、与外层构件35的外层钢管350都维持固定间隙，确保相对位
置。
第二核心构件32的垫板321则使其与第一核心构件31的本体310、外
层构件35的外层钢管350都维持固定间隙，确保相对位置。
本实施例的第一、第二预力拉伸构件431、432共十六条，其中第一预
力拉伸构件431八条，四条穿设于上方的第二核心构件32的钢管320中且
邻近钢管320底部，四条穿设于下方的第二核心构件32的钢管320中且邻
近钢管320顶部。各该第一预力拉伸构件431的两端分别穿设于第一内层
底板34、第二内层底板33的孔，再使用锚锭装置41从外侧固定，藉此该
些第一预力拉伸构件431具有初始预力。第二预力拉伸构件432八条，各该
第二预力拉伸构件432两端分别穿设于第一外层底板37及第二外层底板38
的孔，再使用锚锭装置42固定，藉此该些第二预力拉伸构件432具有初始
预力。
值得一提的是，本实施例的第一、第二预力拉伸构件431、432数量及
排列方式不以上述为限，也可以如图14及图15所示，分别减为十二支及
四支，其中图14、图15分别是类似图12的剖面图，说明本实施例的预力
拉伸构件数量及排列变化。
请参阅图9及图16所示，图16是本实施例在不受力情况下的力学行
为图。本实施例第一外层底板37与第二外层底板38分别呈框形且界定出
一容置空间370、380，且该第一内层底板34与第二内层底板33分别穿设
于对应的容置空间370、380中。在不受力情形下，第一内层底板34和第二
内层底板33与第一外层底板37和第二外层底板38齐平，且第一核心构件
31、第二核心构件32及外层构件35两端与第一、第二预力拉伸构件431、432
装置接触，此时杆件变形δ与外力均为零。
请参阅图9及图17所示，图17是本实施例在受压情况下的力学行为
图。本实施例在受压力时，外力从建筑物通过第一核心构件31的延伸段311
传递至第二内层底板33，第一预力拉伸构件431则受拉并将力量传至第一
内层底板34，该第一内层底板34再将力量经由第二核心构件32传至第二
外层底板38，该第二外层底板38再经由第二预力拉伸构件432将力量传至
第一外层底板37，该第一外层底板37再经由外层构件35将力量传出。在
此情况下，第一内层底板34、第二内层底板34与第一外层底板37、38间
会分开，而第一核心构件31、第二核心构件32与外层构件35皆会有相对
位移，而第一核心构件31与外层构件35的相对位移可使用消能单元(消
能板312、角钢353与螺栓36)来进行消能。由图17可知固定于第一外层
底板37、38的第二预力拉伸构件432以及固定于内曾底板33、34的第一
预力拉伸构件431皆有δ的伸长量，因此第一核心构件31与外层构件35
的相对位移可以达到2δ的伸长量，使其总伸长量可以达到以往装置的两倍
变形量而不会破坏。
请参阅图9及图18所示，图18是本实施例在受拉情况下的力学行为
图。本实施例在受拉力时，外力从建筑物通过的一核心构件31的延伸段311
传递至第一内层底板34，第一内层底板34将力量通过第一预力拉伸构件
431传至第二内层底板33，第二内层底板33将力量由第二核心构件32传
至第一外层底板37，而该第一外层底板37再经由第二预力拉伸构件43将
力量传至第二外层底板38，该第二外层底板38再经由外层构件35将力量
传出。在此情况下，第一内层底板34、第二内层底板33与第一外层底板
37、38间会分开，而第一核心构件31、第二核心构件32与外层构件35皆
会有相对位移，而第一核心构件31与外层构件35的相对位移可使用消能
单元(消能板312、角钢353与螺栓36)来进行消能。由图18可知外层构
件35内的第二预力拉伸构件432以及位于第一或第二核心构件31、32内
的第一预力拉伸构件431皆有δ的伸长量，因此第一核心构件31与外层构
件35的相对位移可以达到2δ的伸长量，使其总伸长量可以达到以往装置
的两倍变形量而不会破坏。
请参阅图19及图20所示，图19是本发明双核心预力拉伸自复位消能
支撑装置的第二较佳实施例的分解立体图。图20是图19组合后断面F-F
的剖面图。本发明第二较佳实施例与第一较佳实施例的差别主要在于利用
一粘弹性阻尼材料4取代螺栓36。详细来说，第一核心构件31的消能板
312仍夹至于角钢353间，但非利用螺栓接合，而是使角钢353与消能板
312间连接粘弹性阻尼材料4。
请参阅图21至图23所示，图21是本发明双核心预力拉伸自复位消能
支撑装置的第三较佳实施例的分解立体图。图22、图23分别是图21组合
后断面G-G、断面H-H的剖面图。本发明第三较佳实施例与第一较佳实施例
的差别主要在于：第一核心构件31的延伸段311数量为一个，且位置从原
本焊设于本体310的两翼板外表面，改成焊设于本体310的两翼板间的腹
板，且外层构件35的钢板351位置从原本焊设于外层钢管350的两侧外表
面改成焊设于上下表面。
请参阅图24至图27所示，图24是本发明双核心预力拉伸自复位消能
支撑装置的第四较佳实施例的组合结构立体图。图25、图26、图27分别
是图24中断面I-I、断面J-J、断面K-K的剖面图。本发明第四较佳实施例
与第一较佳实施例的差别在于：第二核心构件32并非二个钢管320，而改成
一个能包覆整个第一核心构件31的本体310的钢管322。此外，同时请参
阅图24、图26、图27及图28所示，图28是本实施例在不受力、情况下
的力学行为图。第一预力拉伸构件431、第二预力拉伸构件432穿设位置及
端部固定位置也与第一较佳实施例不同。本实施例第一预力拉伸构件431
数量为四个，各该第一预力拉伸构件431的左端部穿出第一内层底板34、
右端部则穿出第二外层底板38，且分别利用锚锭装置41固定。第二预力拉
伸构件432数量为四个，各该第二预力拉伸构件432的左端部穿出第一外层
底板37、右端部是穿出第二内层底板33且利用锚锭装置42固定。当然，
前述第一预力拉伸构件431及第二预力拉伸构件432的数量仅为举例说明，
并不以此为限。
请参阅图24及图29所示，图29是本实施例在受压情况下的力学行为
图。当受压时，外力从建筑物通过延伸段311传入第一核心构件31，并将
力量传至第二外层底板38，第二外层底板38通过第一预力拉伸构件431受
拉并将力量传至第一内层底板34，该第一内层底板34会将力量经由第二核
心构件32传至第二内层底板33，而该第二内层底板33再经由第二预力拉
伸构件432将力量传至第一外层底板37，该第一外层底板37最后经由外层
构件35将力量传出。
请参阅图24及图30所示，图30分别是本实施例在受拉情况下的力学
行为图。当受拉时，外力从建筑物通过第一核心构件31的延伸段311传递
至第一外层底板37，第一外层底板37将力量由第二预力拉伸构件432传至
第二内层底板33，第二内层底板33将力量由第二核心构件32传至第一内
层底板34，该第一内层底板34再经由第一预力拉伸构件431将力量传至第
二外层底板38，最后经由外层构件35将力量传出。
在受压或受拉情况下，第一核心构件31、第二核心构件32与外层构
件35皆会有相对位移，而第一核心构件31与外层构件35的相对位移可使
用消能单元来进行消能。由图29及图30可知第一预力拉伸构件431以及
第二预力拉伸构件432皆有δ的伸长量，因此第一核心构件31与外层构件
35的相对位移可以达到2δ的伸长量，使其总伸长量可以达到以往装置的
两倍变形量而不会破坏。
请参阅图31至图33所示，图31、图32、图33是本发明双核心预力
拉伸自复位消能支撑装置的第五较佳实施例的剖面图，断面位置对应图24
的断面I-I、断面J-J、断面K-K。本发明第五较佳实施例与第四较佳实施
例的差别在于：第一核心构件31与第二核心构件32的位置互换，且型态也
做了改变。第一核心构件31的本体改成截面呈矩形的钢管314，消能板312
自钢管314两侧延伸且夹置于两角钢353间，并以螺栓36固定。第二核心
构件32的钢管改成预先成型的钢筋混凝土块体323，且当中埋设多个中空
管，供第一、第二预力拉伸构件431、432穿设其中。
同时请参阅图9及图34所示，图34是本发明双核心预力拉伸自复位
消能支撑装置的第六较佳实施例的组合结构立体图。本发明第六较佳实施
例与的四较佳实施例的差别在于消能单元；原本第一核心构件31的消能板
312、外层构件35的角钢353与螺栓36的组合定义为消能单元，本实施例
则无由第一核心构件31的本体310凸伸的消能板312，而是使第一外层底
板37、38加大，并在外层构件35与第一外层底板37或与第二外层底板38
交界处设消能板39，本实施例的消能板39呈角钢型态，并在外层构件35
与第一外层底板37、38相对位移时通过消能板39的弯折变形消耗地震能
量消能效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式
上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发
明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利
用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但
凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例
所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围
内。