地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法

摘要

本发明公开了一种地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法，首先计算在设定抗震等级的地震下隔震钢筋的位移，当隔震钢筋位移不满足式地震作用组合验算和水平位移要求时则考虑隔震墩墩壁受力并判断隔震钢筋是否屈服；当钢筋屈服时，若混凝土相对受压区高度x满足x

权利要求

1.地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、计算在设定抗震等级的地震下隔震钢筋的位移，若隔震钢筋位移满足下式(3)和(4)，则沥青隔震墩可以抵抗设定的抗震等级，设定地震力下隔震钢筋的水平位移满足：

其中：f—隔震竖向钢筋抗压强度标准值；

n—计算单元内隔震竖向根数；

NE—计算单元内考虑地震作用时上部结构竖向荷载标准值；

SEhK—水平地震作用标准值的效应；

γEh—水平地震作用分项系数；

γRE—承载力抗震调整系数，对隔震结构竖向钢筋取0.75；

Es—钢筋弹性模量，s表示钢筋；

d表示隔震钢筋直径；

h表示隔震钢筋有效高度；

L表示设隔震墩钢筋中心距墩壁内边缘距离；

Kh表示隔震结构水平刚度；

步骤二、当隔震钢筋位移不满足式(3)和(4)时，则考虑隔震墩墩壁受力，判断隔震钢筋是否屈服；

步骤三、当判定钢筋屈服时，若混凝土相对受压区高度x满足x＜0.4b且M′D≥MD时，b表示隔震墩墩壁宽度，M′D表示单个墩壁承受水平地震力作用下弯矩值，MD表示单个隔震墩墩壁的抗弯承载力，则表示沥青隔震墩能抵御设定的抗震等级；

步骤四、若判定钢筋未屈服，则当混凝土相对受压区高度x满足x＜0.4b、M′D≥MD且满足抗剪刚度时，沥青隔震墩可以抵抗设定的抗震等级。

2.根据权利要求1所述的地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法，其特征在于：在步骤二中，判断钢筋是否屈服的办法为：当钢筋应力σ>f表示钢筋碰触墩壁时钢筋屈服，反之未屈服。

3.根据权利要求1所述的地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法，其特征在于：在设置钢筋沥青隔震墩时，使用满足x＜0.4b且M′D≥MD的最少用量的钢筋数。

说明书

地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑结构设计技术领域，尤其是涉及一种地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法。

背景技术

[0002] 在建造建筑物前，通常要对建筑物的隔震墩进行抗震设计，而现有的抗震设计如下：

[0003] 未考虑隔震墩墩壁受力时，根据《多层房屋钢筋沥青基础隔震设计规程》上设计方法和设计需求，我们可以确定以下参数，如图1和2所示。

[0004] 其中：d表示隔震钢筋直径；

[0005] h表示隔震钢筋有效高度；

[0006] L表示设隔震墩钢筋中心距墩壁内边缘距离；

[0007] b表示墩壁宽度；

[0008] S表示墩壁长度。

[0009] 由《多层房屋钢筋沥青基础隔震设计规程》给出了钢筋沥青隔震墩设计方法可知，当钢筋数量满足隔震结构竖向钢筋承载力要求和竖向钢筋稳定要求时，隔震结构水平刚度计算公式为：

[0010]

[0011] 式中：Kh表示隔震结构水平刚度；

[0012] Es表示隔震竖向钢筋弹性模量；

[0013] di表示第i种隔震竖向钢筋的直径；

[0014] j表示隔震结构中隔震竖向钢筋的种类数；

[0015] ni表示直径为di的隔震竖向钢筋根数。

[0016] 水平隔震结构的周期为：

[0017]

[0018] 式中：T1表示设置隔震结构的房屋的基本周期；

[0019] GE表示上部结构重力荷载代表值；

[0020] Kh表示隔震结构水平刚度；

[0021] G表示重力加速度。

[0022] 根据反应谱法可求得房屋结构的水平地震作用标准值SEhK，在此水平地震力作用下若满足式(3)和式(4)则不需要考虑墩壁受力。

[0023]

[0024] 地震力下钢筋水平位移满足：

[0025]

[0026] 式中：f表示隔震竖向钢筋抗压强度标准值；

[0027] n表示计算单元内隔震竖向根数；

[0028] NE表示计算单元内考虑地震作用时上部结构竖向荷载标准值；

[0029] SEhK表示水平地震作用标准值的效应；

[0030] γEh表示水平地震作用分项系数；

[0031] γRE表示承载力抗震调整系数，对隔震结构竖向钢筋取0.75；

[0032] Es表示钢筋弹性模量。

[0033] 但上述方法对于钢筋沥青隔震层的研究目前还停留在弹性阶段，尚未考虑隔震钢筋屈服或水平位移过大时隔震墩墩壁与隔震钢筋共同受力的情况，因此在建筑实际建造时，隔震层的安全系数被严重低估，导致进行结构设计时要选用较多的钢筋这种做法很保守，不经济，不合理。此外，有些地区对应某些建筑要求的抗震等级会提高，通过原有的方法评估，此类建筑实际上可能达到了抗震要求，但是根据原有方法评估则不能达到，只能拆掉重建，这大大浪费了社会资源。

发明内容

[0034] 有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法，具有计算简单、便于应用的优点，能够更准确的判定钢筋沥青隔震墩的抗震等级，从而能够在保证建筑物抗震等级的同时减少钢筋用量，而且能够为老旧建筑改造提供参考并且为钢筋沥青隔震层设计的进一步研究和非线性抗震分析打下基础。

[0035] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0036] 一种地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法，包括以下步骤：

[0037] 步骤一、计算在设定抗震等级的地震下隔震钢筋的位移，若隔震钢筋位移满足下式(3)和(4)，则沥青隔震墩可以抵抗设定的抗震等级，

[0038]

[0039] 设定地震力下隔震钢筋的水平位移满足：

[0040]

[0041] 其中：f—隔震竖向钢筋抗压强度标准值；

[0042] n—计算单元内隔震竖向根数；

[0043] NE—计算单元内考虑地震作用时上部结构竖向荷载标准值；

[0044] SEhK—水平地震作用标准值的效应；

[0045] γEh—水平地震作用分项系数；

[0046] γRE—承载力抗震调整系数，对隔震结构竖向钢筋取0.75；

[0047] Es—钢筋弹性模量，s表示钢筋；

[0048] 步骤二、当隔震钢筋位移不满足式(3)和(4)时，则考虑隔震墩墩壁受力，判断隔震钢筋是否屈服；

[0049] 步骤三、当判定钢筋屈服时，若混凝土相对受压区高度x满足x<0.4b且M′D≥MD时，b表示隔震墩墩壁宽度，M′D表示单个墩壁承受水平地震力作用下弯矩值，MD表示单个隔震墩墩壁的抗弯承载力，则表示沥青隔震墩能抵御设定的抗震等级；

[0050] 步骤四、若判定钢筋未屈服，则当混凝土相对受压区高度x满足x<0.4b、M′D≥MD且满足抗剪刚度时，沥青隔震墩可以抵抗设定的抗震等级。

[0051] 优选地，在步骤二中，判断钢筋是否屈服的办法为：当钢筋应力σ>f表示钢筋碰触墩壁时钢筋屈服，反之未屈服。

[0052] 优选地，在设置钢筋沥青隔震墩时，使用满足x<0.4b且M′D≥MD的最少用量的钢筋数。

[0053] 本发明的有益效果是：

[0054] 本发明针对目前对于钢筋沥青隔震层的研究还停留在弹性阶段，尚未考虑隔震钢筋屈服或水平位移过大时隔震墩墩壁与隔震钢筋共同受力的情况，因此在建筑实际建造时，隔震层的安全系数被严重低估，导致进行结构设计时要选用较多的钢筋这种做法很保守，不经济，不合理的问题，提供一种地震下钢筋沥青隔震墩墩壁的设计评估方法，首先计算在设定抗震等级的地震下隔震钢筋的位移，若隔震钢筋位移满足下式(3)和(4)，则沥青隔震墩可以抵抗设定的抗震等级；当隔震钢筋位移不满足式(3)和(4)时，则考虑隔震墩墩壁受力，判断隔震钢筋是否屈服；当判定钢筋屈服时，若混凝土相对受压区高度x满足x<0.4b且M′D≥MD时，b表示隔震墩墩壁宽度，M′D表示单个墩壁承受水平地震力作用下弯矩值，MD表示单个隔震墩墩壁的抗弯承载力，则表示沥青隔震墩能抵御设定的抗震等级；若判定钢筋未屈服，则当混凝土相对受压区高度x满足x<0.4b、M′D≥MD且满足抗剪刚度时，沥青隔震墩可以抵抗设定的抗震等级。本发明的设计评估方法充分考虑了隔震钢筋屈服或水平位移过大时隔震墩墩壁与隔震钢筋共同受力的情况，不仅避免了结构设计时钢筋选用的保守做法带来的材料浪费，同时也避免了通过原有的方法评估造成的原本达到抗震要求的建筑由于未能达到评估要求，而被要去拆掉重建带来的资源的浪费。

附图说明

[0055] 图1为本发明中钢筋沥青隔震墩的纵向剖面图；

[0056] 图2为本发明中钢筋沥青隔震墩的俯视图。

具体实施方式

[0057] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0058] 实施例，如图1和图2所示，未考虑隔震墩墩壁受力时，根据《多层房屋钢筋沥青基础隔震设计规程》上设计方法和设计需求，我们可以确定以下参数，其中1表示钢筋，2表示墩壁。

[0059] 其中：d表示隔震钢筋直径；

[0060] h表示隔震钢筋有效高度；

[0061] L表示设隔震墩钢筋中心距墩壁内边缘距离；

[0062] b表示墩壁宽度；

[0063] S表示墩壁长度。

[0064] 1、钢筋位移计算

[0065] 由《多层房屋钢筋沥青基础隔震设计规程》给出了钢筋沥青隔震墩设计方法可知，当钢筋数量满足隔震结构竖向钢筋承载力要求和竖向钢筋稳定要求时，隔震结构水平刚度计算公式为

[0066]

[0067] 其中：Kh表示隔震结构水平刚度；

[0068] Es表示隔震竖向钢筋弹性模量；

[0069] di表示第i种隔震竖向钢筋的直径；

[0070] j表示隔震结构中隔震竖向钢筋的种类数；

[0071] ni表示直径为di的隔震竖向钢筋根数。

[0072] 水平隔震结构的周期为：

[0073]

[0074] 式中：T1表示设置隔震结构的房屋的基本周期；

[0075] GE表示上部结构重力荷载代表值；

[0076] Kh表示隔震结构水平刚度；

[0077] G表示重力加速度。

[0078] 根据反应谱法可求得房屋结构的水平地震作用标准值SEhK，在此水平地震力作用下若满足下式则不需要考虑墩壁受力。

[0079]

[0080] 地震力下水平位移满足：

[0081]

[0082] 式中：f表示隔震竖向钢筋抗压强度标准值；

[0083] n表示计算单元内隔震竖向根数；

[0084] NE表示计算单元内考虑地震作用时上部结构竖向荷载标准值；

[0085] SEhK表示水平地震作用标准值的效应；

[0086] γEh表示水平地震作用分项系数；

[0087] γRE表示承载力抗震调整系数，对隔震结构竖向钢筋取0.75；

[0088] Es表示钢筋弹性模量。

[0089] 2、隔震钢筋屈服判断

[0090] 隔震钢筋在水平地震力作用下，当钢筋碰触隔震墩墩壁边缘即钢筋顶部水平位移达到L-d/2时(垂直方向不会出现碰触情况)，应判断隔震钢筋是否屈服。

[0091] 以单个隔震墩为例计算，钢筋碰触墩壁时水平力F和对应钢筋弯矩M为：

[0092] F＝k·(L-d/2)(5)

[0093]

[0094]

[0095] 则钢筋应力为：

[0096]

[0097] 式中：d表示隔震竖向钢筋直径；

[0098] k表示隔震墩单根钢筋水平刚度；

[0099] K表示单个隔震墩水平刚度；

[0100] n表示单个隔震墩竖向钢筋根数；

[0101] Es表示钢筋弹性模量；

[0102] σ表示钢筋边缘最大应力；

[0103] P表示单个隔震墩承受竖向力标准值。

[0104] 当钢筋应力σ>f表示钢筋碰触墩壁时钢筋屈服，反之未屈服。

[0105] 3、隔震墩墩壁有效性判断

[0106] A)钢筋屈服

[0107] 在以往的设计中，为保证隔震墩正常的隔震效果及钢筋的自由振动，在设计上就进行校核，保证钢筋在屈服前不会碰触墩壁。因此一般认为隔震钢筋接触墩壁时钢筋已经屈服。此时钢筋承受水平地震力按下式计算：

[0108]

[0109] 当钢筋接触墩壁后隔震墩刚度发生改变，但这刚度改变并未持续参与到整个地震过程，仅在地震动加速度大的数个小时间段。由分步积分知识可知，短时间刚度改变对积分过程影响很小，整个隔震结构的自振周期近似不变。即钢筋接触隔震墩墩壁后结构受力不会突变。因而墩壁承受水平地震力为：

[0110] FD＝SEhK-F  (10)

[0111] 式中：FD表示隔震墩墩壁承受的水平地震力；

[0112] 由于隔震墩沿墙布置而具有双向性，因而在地震中只有一部分隔震墩墩壁会参与受力。考虑地震方向的偶然性和结构的安全性。设计时应按最不利情况即受力墩壁个数最少考虑。设最不利时受力墩壁个数为m，则有：

[0113] mFD′>FD  (11)

[0114] 式中：FD′表示单个隔震墩墩壁抗剪承载力；

[0115] 当FD′不满足式(11)时，在罕遇地震下墩壁无法承担多余水平地震力而是隔震结构失效；反之墩壁可承受多余水平地震力，进行抗弯承载力验算如下：

[0116] 单个墩壁承受水平地震力作用下弯矩值为：

[0117]

[0118] 式中：MD表示单个墩壁承受水平地震力作用下弯矩值；

[0119] 单个墩壁抗弯承载力计算判断：

[0120] fyAs＝fcSx  (13)

[0121]

[0122] 式中：M′D表示单个隔震墩墩壁的抗弯承载力；

[0123] S表示隔震墩墩壁宽度；

[0124] b表示隔震墩墩壁宽度，详见图1；

[0125] As表示单侧隔震墩壁配筋面积；

[0126] fc表示混凝土抗压强度设计值；

[0127] fy表示钢筋抗拉强度设计值；

[0128] x表示混凝土相对受压区高度；

[0129] 当x满足x<0.4b且M′D≥MD时，抗弯满足要求。

[0130] 同时满足抗弯和抗剪要求时，隔震墩能抵御罕遇地震。

[0131] B)钢筋未屈服

[0132] 当钢筋在碰触墩壁时未屈服，则碰触后有钢筋和隔震墩墩壁共同受力。考虑到水平地震效应按刚度分配，则有：

[0133]

[0134] 式中：KD表示单个隔震墩墩壁应达到的水平刚度；

[0135] 根据图1可知，钢筋碰触隔震墩墩壁后，隔震墩壁刚度可按悬臂梁计算，墩壁高度与钢筋自由高度近似相等，取h计算。其计算公式为：

[0136]

[0137] 式中：K′D表示单个隔震墩墩壁的计算水平刚度；

[0138] 考虑配筋后，墩壁刚度计算可参照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)7.2.3-1计算。即简化后的下列算式；

[0139]

[0140] 式中：Es表示钢筋弹性模量；

[0141] As表示单侧隔震墩壁配筋面积；

[0142] b表示隔震墩墩壁宽度，详见图1；

[0143] ψ表示钢筋应变不均匀系数，参考《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)7.1.2-2；

[0144] αE表示钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值；

[0145] ρ表示墩壁钢筋配筋率；

[0146] 当K′D

[0147] 单个墩壁承受水平地震力作用下弯矩值为：

[0148]

[0149] 式中：MD表示单个墩壁承受水平地震力作用下弯矩值；

[0150] 单个墩壁抗弯承载力计算判断：

[0151]

[0152] fyAs＝fcSx(20)

[0153]

[0154] 当x满足x<0.4b且M′D≥MD时，抗弯满足要求。

[0155] 同时满足抗弯、抗剪和水平刚度要求时，隔震墩能抵御罕遇地震。

[0156] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。