一种钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法与流程

本发明属于建筑结构技术领域，尤其是涉及一种钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法。

背景技术：

地震不仅会导致严重的人身伤亡和财产损失，还会破坏人类社会赖以生存的自然环境，造成严重的经济损失，给社会带来巨大的影响。尤其是近年来，地震给中国乃至世界造成了巨大的生命和财产损失。

由近些年在中国发生的地震实例可以看出，在地震作用下，建筑结构发生倒塌是造成人员伤亡和财产损失的主要原因。尤其是对于包括中国在内的发展中国家，人口密度大，经济相对落后，进行抗震设计的建筑覆盖范围有限，结构设计质量欠缺，这些都是地震作用下造成人员伤亡和经济损失的因素。长期以来，我国一直实行“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防水准，保证结构在大震作用下保持不发生倒塌，以达到保障生命安全的目的。

建筑结构发生倒塌的一个根本原因是构件和结构刚度和强度的退化，导致结构耗能能力的降低。结构在循环往复荷载作用下，随着荷载循环次数的增加，由于累计损伤和塑性的发展，结构的加载、卸载和再加载的刚度和强度均有不同程度的降低，最终导致结构发生倒塌，而在结构设计时充分考虑钢筋的恢复力是确保建筑结构在遇到地震时能够保证“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基础。

恢复力是指结构或构件在受到外荷载或其它作用(地震作用)下发生变形时会产生一种抵抗变形而维持原来状态的力，在卸掉外荷载之后，结构或构件的变形在这种力的作用下会全部或者部分恢复。通常将恢复力随着构件变形变化的曲线称为恢复力特性曲线。构件的恢复力特性曲线有多种表示方式，最常见的是采用荷载-位移的对应关系来表示，可以通过低周反复荷载试验得到。

构件的恢复力特性是进行结构弹塑性地震反应分析的关键。实际结构或构件的恢复力特性曲线非常复杂，不便于直接进行数值积分计算来求得结构的地震响应，需要将恢复力特性曲线简化，使其成为一种简便的模型曲线，这种模型主要是通过试验和计算来确定。模型曲线的正确与否将直接影响结构弹塑性地震反应分析结果的准确性，因此，恢复力模型是结构进行弹塑性地震反应分析的基础。

构件恢复力模型是从大量试验中获得的恢复力与变形的关系曲线经过适当的抽象和简化而得到的实用数学模型，主要由骨架曲线、滞回特征和刚度退化规律三个部分组成。其中，骨架曲线由相关的特征参数来确定，要反映构件在地震作用下屈服荷载、承载力以及承载力下降快慢等特征；滞回规则要反映出构件在地震往复作用下，加载和卸载刚度的变化以及行走路径。

然而，对于钢筋沥青隔震层的研究目前还停留在弹性阶段，尚未考虑钢筋沥青隔震层的主要受力构件—钢筋在地震作用下进入弹塑性阶段时的受力变形性能，导致进行结构设计时要选用较多的钢筋，以保证钢筋在地震作用下始终保持弹性状态。这种做法很保守，不经济，不合理。

湖南大学学生杨龙在其毕业论文《钢筋沥青隔震装置的位移控制研究及工程应用》中对钢筋-沥青隔震装置极限水平位移进行理论分析，推导钢筋-沥青隔震装置在多遇、罕遇地震作用下其容许位移的计算公式，并探讨了钢筋-沥青隔震装置在不发生第二类失稳破坏时，对隔震竖向钢筋长径比及根数的要求；同时，对隔震装置进行多种工况下的振动台试验，研究隔震装置的动力特性。结果表明：理论分析与试验结果比较吻合，验证了钢筋-沥青隔震装置在多遇、罕遇地震作用下其容许位移的计算公式、二阶效应影响系数的计算公式和在不发生第二类失稳破坏时其隔震竖向钢筋长径比与根数的关系式的可靠性。然而，该论文中并未涉及钢筋沥青隔震层恢复力确定方法。

苏州科技学院学生徐佩登在其毕业论文《型钢混凝土复合受扭构件的滞回性能与恢复力模型研究》中对四组型钢混凝土复合受扭构件的低周反复加载试验，并对共25个试件的滞回性能进行分析，发现各试件的滞回曲线具有明显的捏缩现象；过了开裂前的弹性阶段后，卸载刚度具有明显的退化现象；同一位移幅值重复加载时，第三次加载的承载力明显小于第一次，强度会有明显的退化；且所有试件的骨架曲线具有明显的“三折线”特征，可分为试件开裂前的弹性段、开裂后至达到最大承载力前的弹塑性段以及承载力开始下降的强度退化段。根据以上特征，本文通过确定开裂扭矩、开裂前刚度、峰值扭矩、达到峰值扭矩时的割线刚度以及强度退化段刚度五个参数来确定骨架曲线；再通过分析计算确定卸载刚度以及重复加载下的强度退化情况；最后根据试验滞回曲线，抓住主要特征，舍弃次要特征确定出滞回规则，从而确定了完整的型钢混凝土复合受扭构件的恢复力模型。然而，该论文中并未涉及钢筋沥青隔震层恢复力确定方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法，分析了钢筋在弹性及弹塑性状态下的变形受力特性，从而可以根据钢筋在弹性及弹塑性状态下的变形受力特性，进行建筑设计，这与只利用弹性进行分析相比，可充分挖掘材料的潜力，可以减少钢筋的浪费，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。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法，包括如下步骤：

步骤一、根据钢筋的参数建立钢筋的骨架曲线；

步骤二、确定滞回规则，针对钢筋不同阶段对钢筋的恢复力进行分析。

进一步地，所述钢筋的参数包括钢筋的等级、直径和高度。

进一步地，所述骨架曲线为：f＝aδ²+bδ，其中，f表示水平力，δ表示水平位移；a和b均为拟合系数。

进一步地，所述滞回规则为：若在钢筋的弹性阶段卸载，则按原路径回到原点；若在弹塑性阶段卸载，则卸载时刚度为原点初始刚度，并产生残余变形，若反向加载，则路径平行于骨架曲线。

骨架曲线可以编写程序，对钢筋进行一次全过程分析得到；所述滞回规则：在弹性阶段卸载，按原路径回到原点；在弹塑性阶段卸载，卸载刚度为原点初始刚度，并产生残余变形，如反向加载，路径平行于骨架曲线。

利用编程进行钢筋沥青隔震层受力钢筋的全过程分析得到骨架曲线，确定滞回规则。由于钢筋等级、直径、高度这三个参数的变化均会引起恢复力模型的变化，考虑这三个参数对恢复力模型的影响，也为便于得到钢筋沥青隔震层恢复力模型，现利用计算机进行了多工况分析，得到以下附表1-6中的结果。这样只需按照钢筋的等级、直径、高度这三个参数，查询以下附表1-6，得到相应系数值a，b，便可得到相应的钢筋沥青恢复力模型。

附表1

附表2

附表3

附表4

附表5

附表6

其中，h-钢筋高度；d-钢筋直径；p-钢筋承受竖向力；fy-钢筋端部表面纤维达到屈服时的水平力；fu-钢筋能承受的最大水平力；f0-钢筋产生最大水平位移时所承受的水平力；δy-钢筋端部表面纤维达到屈服时的水平位移；δu-钢筋承受最大水平力时产生的水平位移；δmax-钢筋能产生的最大水平位移。

本发明的有益效果是：

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，尚未考虑钢筋沥青隔震层的主要受力构件—钢筋在地震作用下进入弹塑性阶段时的受力变形性能，导致进行结构设计时要选用较多的钢筋，以保证钢筋在地震作用下始终保持弹性状态的问题，提供一种钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法，首先，根据钢筋的参数建立钢筋的骨架曲线；之后，确定滞回规则，针对钢筋不同阶段对钢筋的恢复力进行分析。其中，所述钢筋的参数包括钢筋的等级、直径和高度；所述骨架曲线为：f＝aδ²+bδ，其中，f表示水平力，δ表示水平位移；a和b均为拟合系数；所述滞回规则为：若在钢筋的弹性阶段卸载，则按原路径回到原点；若在弹塑性阶段卸载，则卸载时刚度为原点初始刚度，并产生残余变形，若反向加载，则路径平行于骨架曲线。另外，利用编程进行钢筋沥青隔震层受力钢筋的全过程分析得到骨架曲线，确定滞回规则，由于钢筋等级、直径、高度这三个参数的变化均会引起恢复力模型的变化，考虑这三个参数对恢复力模型的影响，也为便于得到钢筋沥青隔震层恢复力模型，利用计算机进行了多工况分析，得到上述附表1-6中的结果；这样只需按照钢筋的等级、直径、高度这三个参数，查询以下附表1-6，得到相应系数值a，b，便可得到相应的钢筋沥青恢复力模型。采用本发明钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法，充分考虑了钢筋沥青隔震层的主要受力构件—钢筋在地震作用下进入弹塑性阶段时的受力变形性能，从而可以根据钢筋在弹性及弹塑性状态下的变形受力特性，进行建筑设计，这与只利用钢筋弹性阶段进行分析相比，可充分挖掘材料的潜力，减少钢筋的浪费，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。

附图说明

图1为本发明中钢筋受力示意图；

图2为本发明中钢筋沥青隔震层恢复力模型。

附图标记：p表示钢筋没有位移时的状态，p’表示钢筋有位移时的状态，f表示水平力，δ表示水平位移；

fy、δy分别代表钢筋端部表面纤维达到屈服时的水平力与水平位移；

fu、δu分别代表钢筋能承受的最大水平力与此时产生的水平位移；

δmax、f0分别代表钢筋能产生的最大水平位移与此时所承受的水平力。

具体实施方式

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。

实施例，按照钢筋的等级、直径、高度这三个参数，查询附表1-6，即能够得到相应系数值a,b，继而能够得到相应的钢筋沥青恢复力模型。

下面以hrb335级、高度为200mm、直径为8mm的钢筋为例具体说明钢筋沥青隔震层恢复力的确定方法。

如图1所示，为钢筋受力示意图，其中，p表示钢筋没有位移时的状态，p’表示钢筋有位移时的状态，f表示水平力，δ表示水平位移。

查附表1得a＝-5.5908,b＝68.041；

则：如图2所示，钢筋沥青隔震层恢复力模型

oabc段，即弹性与弹塑性阶段：f＝-5.5908δ²+68.041δ；

cdeg段，即卸载并反向加载阶段：卸载时刚度按原点初始刚度，反向加载时，路径平行于骨架曲线ohij；设q点横坐标值为q，则：

cq段：f＝68.041(δ-q)；

qdeg段：f＝5.5908(δ-q)²+68.041(δ-q)；

ohij段，即弹性与弹塑性阶段：f＝5.5908δ²+68.041δ；

jklm段，即卸载并反向加载阶段：卸载时按原点初始刚度卸载，反向加载时，路径平行于骨架曲线oabc；设s点横坐标值为s，则：

js段：f＝68.041(δ+|s|)；

sklm段：f＝-5.5908(δ+|s|)²+68.041(δ+|s|)。

本发明提供一种钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法，首先，根据钢筋的参数建立钢筋的骨架曲线；之后，确定滞回规则，针对钢筋不同阶段对钢筋的恢复力进行分析。

其中，所述钢筋的参数包括钢筋的等级、直径和高度；所述骨架曲线为：f＝aδ²+bδ，其中，f表示水平力，δ表示水平位移；a和b均为拟合系数；所述滞回规则为：若在钢筋的弹性阶段卸载，则按原路径回到原点；若在弹塑性阶段卸载，则卸载时刚度为原点初始刚度，并产生残余变形，若反向加载，则路径平行于骨架曲线。

另外，利用编程进行钢筋沥青隔震层受力钢筋的全过程分析得到骨架曲线，确定滞回规则，由于钢筋等级、直径、高度这三个参数的变化均会引起恢复力模型的变化，考虑这三个参数对恢复力模型的影响，也为便于得到钢筋沥青隔震层恢复力模型，利用计算机进行了多工况分析，得到上述附表1-6中的结果；这样只需按照钢筋的等级、直径、高度这三个参数，查询以下附表1-6，得到相应系数值a，b，便可得到相应的钢筋沥青恢复力模型。采用本发明钢筋沥青隔震层恢复力模型确定方法，充分考虑了钢筋沥青隔震层的主要受力构件—钢筋在地震作用下进入弹塑性阶段时的受力变形性能，从而可以根据钢筋在弹性及弹塑性状态下的变形受力特性，进行建筑设计，这与只利用钢筋弹性阶段进行分析相比，可充分挖掘材料的潜力，减少钢筋的浪费，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。

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。