工程结构抗震实验论文

工程结构抗震实验论文

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钢结构柱脚的抗震设计要点分析建筑工程论文

摘要：柱脚是钢结构中上部主体结构与基础连接的重要节点，文章对铜结构的埋入式和外包式柱脚的抗震设计进行分析。

关键词：钢结构柱脚；埋入式；外包式

1.通常钢结构的柱脚形式有外包式柱脚，埋入式柱脚及外露式柱脚3种

外包式柱脚指将钢柱脚外面用钢筋混凝土包住的柱脚，埋入式柱脚是把钢柱固定在混凝土的基础梁上柱脚，而外露式柱脚是在混凝土基础表面固定钢柱的柱脚，其也是最常用的钢结构柱脚。钢结构柱脚，反力特别大，因此设计规划时一般采用固定柱脚。在此类情况下，采用外露式柱脚不仅会导致底板既大又厚，消耗大量钢材，更重要的是难以确保柱脚被完全固定。外包式柱脚和埋入式柱脚钢结构固定式柱脚的很好的选择，通常抗震设计也用这两类柱脚。

2.埋入式柱脚抗震设计

埋入式柱脚的特点，是将钢柱以一定深度埋置在混凝土基础梁中，埋人部分的钢柱表面虽然焊有栓钉，但根据研究，在这种形式的柱脚中栓钉的作用不大，内力的`传递主要依靠混凝土对钢柱翼缘的承压力，柱的轴向压力可由柱脚底板传给混凝土，柱的轴向拉力可由柱脚底板伸出部分对混凝土的承压作用传给混凝土，或由锚栓传给基础。埋入式柱脚的支配因素是埋入深度。试验表明，对于轻型工字形柱，埋深与柱截面高度之比不得小于2，对于大截面的宽翼缘H形柱和箱形柱，埋深与截面高度之比不得小3，且同时应满足下式要求：

d>=（6M/bf*fc）0.5

d-柱脚埋深；M-柱脚全截面屈服时的极限弯矩；bf-柱在受弯方向截面翼缘的宽度；fc-基础混凝土轴心受压强度设计值。

2.1柱脚轴向压力由柱脚底板直接传给基础，按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010验算柱脚底板下混凝土的局部承压，承压面积为底板面积。

2.2埋入式柱脚应验算在轴力和弯矩作用下基础混凝土的侧向抗弯极限承载力，埋入式柱脚的极限受弯承载力不应小于钢柱全塑性抗弯承载力；与极限受弯承载力对应的剪力不应大于钢柱的全塑性抗剪承载力。

埋入式柱脚的计算，可按以下假设进行：钢柱的轴心压力N是由埋入的钢柱底板直接传递到钢筋混凝土基础上；柱脚处的弯矩M由埋入钢柱的翼缘与混凝土基础的承压力来传递给基础，或者由埋入部分钢柱上的抗剪焊钉来传递；柱脚的剪力v由埋入钢柱的翼缘和基础混凝土的承压力来传递。

2.3采用钢管柱时埋入式柱脚的构造要求，截面宽厚比或径厚比较大（≥33）的箱形柱和钢管柱，其埋入部分应采取措施防止在混凝土侧压力下被压坏。常用方法是填充混凝土，填充高度应稍高于混凝土基础上表面；或在基础上端附近设置内隔板或外隔板。隔板的厚度应按计算确定，外隔板的外伸长度不应小于柱边长（或管径）1/10。对于有抗拔要求的埋入式柱脚，可在埋入部分设置栓钉。

2.4钢柱边（角）柱柱脚埋入混凝土基础部分的上、下部位均需布置u形钢筋加强。当边（角）柱混凝土保护层厚度较小时，可能出现冲切破坏，可用下列方法之一补强：

设置栓钉。根据过去的研究，栓钉对于传递弯矩和剪力没有什么支配作用，但对于抗拉，由于栓钉受剪，能传递内力。

锚栓。因柱子的弯矩和剪力是靠混凝土的承压力传递的，当埋深较深时，在锚栓中几乎不引起内力，但柱受拉时，锚栓对传递内力起支配作用。在埋深较浅的柱脚中，加大埋深，提高底板和锚栓的刚度，可对锚栓传力起积极作用。

3.外包式柱脚抗震设计

外包式柱脚的特点，是钢柱底板与外包混凝土底部齐平，外包混凝土配有主筋和箍筋，顶部箍筋要集中配置，钢柱的外包部分要设置栓钉，钢柱翼缘外侧的混凝土保护层厚度一般不应小于150mm，外包式柱脚的内力分布进行设计。当钢柱与基础铰接时，柱脚弯矩完全由外包钢筋混凝土承受，柱的剪力也由外包混凝土承担。至于柱的轴力，一般认为，轴力可由钢柱底板直接传给基础，轴向拉力可通过底板的伸出边缘和锚栓传给基础。

外包式柱脚设计应注意的主要问题是：（1）当外包层高度较低时，外包层和柱面间很容易出现粘结破坏，为了确保刚度和承载力，外包层应达到柱截面的2.5倍以上，其厚度应符合有效截面要求。（2）若主筋的粘结力和锚固长度不够，主筋在屈服前会拔出，使承载力降低。为此，主筋顶部一定要设弯钩，下端也应设弯钩并确保锚固长度不小于25d。（3）如果箍筋太少，外包层就会出现斜裂缝，箍筋至少要满足通常钢筋混凝土柱的设计要求，其直径和间距应符合规范规定。为了防止出现承压裂缝，使剪力能从主筋顺畅地传给钢筋混凝土，除了通常的箍筋外，柱顶密集配置几道箍筋十分重要。（4）抗震设计时，在柱脚达到最大受弯承载力之前，不应出现剪切裂缝。（5）采用箱形柱或圆管柱时，若壁板或管壁局部变形，承压力会集中出现在局部。为了防止局部变形，柱壁板宽厚比和径厚比应符合《钢结构设计规范》GB50017-2003关于塑性设计规定，也可在柱脚部分在钢管内浇灌注混凝土。

埋入式柱脚和外包式柱脚的混凝土保护层厚度均不小于180mm，钢柱埋人部分和外包部分均宜在柱翼缘上设置圆头焊钉，其直径不得小于16mm，其水平向和竖向的中心距离不得大于200mm。

4.结语

外包式和埋人式柱脚在抗震设计中已经被广泛应用，文章从受力等多方面对其具体设计进行了初步探讨，希望能为相关设计提供参考。

房屋基础隔震技术应用的探究工学论文

房屋基础隔震技术应用的探究工学论文

摘要： 笔者经过实践并进行理论总结后，在本文中就房屋基础隔震技术的原理和施工技术要点做了详细和系统的介绍，并且通过比较将房屋基础隔震技术抗震性能好和节约成本等优越性展现出来。最后笔者还就目前该技术的应用情况做出了总结。

关键词： 房屋基础隔震原理技术要点优势现状

2008年的5·12汶川地震在给我们带来伤痛的同时也引起了各界对房屋建设的关注，对于每一名房屋设计和建设者来说如何提高房屋的抗震能力成了必须思考和探索的问题。广木线穿心店站的货运楼在其周围房屋基本倒塌的情况下仍然可以保持房屋上部结构的基本完整性这一特殊的现象为我们有效提高房屋抗震性能提供了一种可能。经过调查发现该楼房在修建过程中应用房屋基础隔震技术，这就提示我们房屋基础隔震技术能有效提供房屋抗震性能，而这一点在国家现行的GB50011．2001建筑抗震设计规范中得到证明。下面就介绍一下房屋基础隔震技术的基本原理和优越性，并且探讨一下其应用的方法。

1房屋基础隔震技术的基本原理

房屋基础隔震技术的基本原理就是在房屋的上部结构同地基之间实现柔性连接——一般是在上下结构的中间增加水平刚度低且具有适当的隔震和增加结构系统的柔性，使上部结构得以同可能造成破坏的地面运动分离，以达到降低房屋上部结构的地震能量加速，且提高房屋对于地震的抵抗能力的目的。可以说基础隔震技术通过“以柔克刚”的方式使得房屋的抗震性能大大提高。当地震破坏程度较小时，“隔震装置的初始刚度足以使房屋屹立不动”[1]，在遇到破坏性大的地震时这种设计就可以保持房屋的基本结构让房屋不至完全倒塌，就像5·12地震中的广木线穿心店站的货运楼。

房屋结构应用基础隔震措施后,其周期是没有应用基础隔震结构的2～3倍，依据反应谱理论可知较长的隔震建筑的周期可以使地震对房屋的影响大幅度减小。但就传统对原理的解释来看，这种隔震设计一般多用于层数较少的楼房，而目前我国在高层建筑中也开始了基础隔震技术的使用。虽然，这用传统的理论很难解释其合理性，但是从实际运用中来看，我们仍旧可以发现其合理因素所在，即就隔震能力本身而言基础隔震技术降低房屋上部结构的地震能量加速。

2房屋基础隔震设计的优越性

无论是从理论上还是实践中基础抗震设计较传统抗震设计在抗震能力和节约成本方面都有很大的优势。

2.1抗震能力更好明显有效地提高了地震对房屋结构的影响。基础隔震技术使得房屋结构的加速度降低60%左右，也就是相当于没有运用基础抗震技术结构的1／10～1／4。如此一来房屋上部结构的地震反应也刚体平动十分类似，从而能让房屋的整体结构得到有效的保护，同时也因结构的震动得以保持在较为轻微的水品内而让房屋的内部设施。同时在地震时，应用了基础抗震设计的房屋能够保持上部结构的弹性工作状态的正常运作，这可以给某些重要的建筑物以可靠的保护。

2.2节约成本从目前国内的房屋建设实例来看，采用了基础隔震设计的房屋在初始造价上往往较非基础隔震设计的房屋高，但是我们在计算隔震设计的经济性时不能只考虑初始的工程费用，而应该从其抗震性能、抗震安全性、震后维护等方面来进行评估。首先，房屋基础隔震可以有效的保护房屋内部的浮放设备，防止内部物品的破损，减少了受灾群众的经济损失和次生灾害的发生。其次，抗震措施简单明了，隔震设计仅考虑隔震装置，“这样就可以把设计、试验、制造的注意力集中到这些构件上”[2]，因此建筑结构的设计与施工得以简化。最后，地震后无需对隔震建筑进行过多的维修。

3房屋基础隔震设计的应用方法

3.1隔震装置的选择现阶段常用的隔震装置有：加铅芯的多层橡胶支座、橡胶隔震支座、摩擦滑动层隔震装置、阻尼器。这些隔震装置都各有其优缺点，具体什么选择还得按照房屋的总体设计需要来，但总的来讲要想隔震装置在地震中发挥作用，保证房屋整体的抗震性能和安全性，就必须就有适当的阻尼及消能能力基础隔震装置必须具有一定的阻尼、消能能力和竖向承载能力。下面我们就以叠层橡胶隔震支座为例。叠层橡胶隔震支座一般用天然橡胶或者人工合成橡胶制作，呈圆柱形，直径在300mm以上1000mm以下，单个可以承重500KN到700KN。其有点是有很好的自复能力。其缺点是“由于上部结构的粱是由叠层橡胶支座为其竖向支座的，为了减小梁的跨度，就需要放置比较多的`叠层橡胶支座，那么就提高了整个隔震体系的成本。”[3] 3.2确定水平向减震系数水平向减震系数取值必须大于等于0.25，而且隔震作用发挥后，地震作用的总水平应该是隔震结构相对的减震系数的百分之七十。为了更加合理化水平向减震系数，我们要根据具体情况配合相应的防烈度，具体来说可看下表：

水平向减震系数防裂度

0.256-7

0.386-8

0.56-8

0.757-9

3.3基础设计要点当我们进行抗震设计的基础设计时可以不考虑隔震产生的减震效果，只需按原设防烈度着手设计即可。

3.4隔震层设计要点隔震层能在地震中起到应有作用是设计的根本，因而就必须确保整体隔震结构得以协调工作，这样一来我们在将具有合适刚度的梁板体系安排在隔震结构的项部的同时要做到让该层隔震装置的两种负荷——永久、可变负荷的“竖向平均压应力限值不超过相关规范规定，且在罕遇地震下不出现拉应力。”[4]还有一点需要我们注意，就是虽然在前面已经列出了防烈度的相应系数，但是考虑到在遇到竖向地震是隔震层的相对无力，在上部结构设计是我们有必要把水平向换算烈度提高。基础隔震设计不是单靠哪一个部分就能够完成的，要想使得隔震设计的性能得到良好的发挥，就必须保证设计的每个部分都不能脱节，要重视连接点的重要性，从全局出发着手设计。

3.5隔震层设计注意事项隔震层的抗震性能还收其以下结构的影响，因此我们要注意一下的设计要点：①对于支柱、支墩等地相连且有相当大的承重任务的结构，在设计时要以高标注也就是罕见破坏性地震作为隔震底部相关力如竖向力和水平力的计算依据。②要具体问题具体分析，不同的地区对于隔震建筑地基有这不同的要求和标准，所以我们在作出精确计算和设计时不能忽略相应地区抗震防烈度。

4房屋基础隔震设计在我国的应用情况和前景展望

基础隔震的概念早在1881年就已提出，但其真正开始在工程上运用是到上世纪20年代才开始。而我国却是到了60年代才开始有学者关注这一技术，所以该技术的应用在我国起步较晚，不过经过不断的推广，目前国内已经有包括北京、天津、汕头、西安、南京、深圳等在内的地方进行了基础隔震技术工程的试点建设和推广。但是我们发现在西部，这一技术的应用并不充分，而我国西部一些人口密集的城市地处地震带，汶川、玉树的地震给我们提了个醒，我们应该重视推广该技术的应用辐射地区，特别是西部地区。

参考文献：

[1]张文福.房屋基础隔震的概念与设计方法.石油规划设计.1998年第3期

[2]岑巍.浅述房屋基础隔震技术的应用.山西建筑.2010年第20期

[3]张立涛.橡胶隔震支座与滑移隔震支座并联的基础隔震体系研究.硕士论文.2005年3月

[4]倪文军.房屋建筑基础隔震结构设计初探.管理观察.2010年第12期