我國(guó)砌體結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)用范圍的變化

我國(guó)砌體結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)用范圍的變化

0磚體建造技術(shù)的發(fā)展歷程20世紀(jì)80年代以前，致密土磚的性能、材料量大、成本低。考慮到經(jīng)濟(jì)和材料的需求，大多數(shù)建筑是單層或多層磚的混凝土結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于住宅、辦公房屋建筑,甚至一部分中小型工業(yè)廠房、影劇院、食堂、倉(cāng)庫(kù)以及煙囪、水塔等也常常采用磚砌體建造,磚砌體應(yīng)用的比例占?jí)w材料的90%以上。20世紀(jì)90年代開(kāi)始,我國(guó)從可持續(xù)發(fā)展的高度提出限制使用黏土磚,后來(lái)又進(jìn)一步提出了綠色建筑的發(fā)展方針,以各種政策優(yōu)惠手段大力發(fā)展、推廣新型墻體材料。到目前為止,形成了以磚、塊、板齊頭并進(jìn)的局面,所采用的材料也從單一的黏土制品向頁(yè)巖、混凝土、硅酸鹽等轉(zhuǎn)變,塊體形式也在不斷向多孔和空心的方向轉(zhuǎn)變。進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展,土地價(jià)格大漲,各種結(jié)構(gòu)材料不斷豐富,城市建筑形式從多層向高層發(fā)展,承重結(jié)構(gòu)大多以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等為主,砌體結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu)已經(jīng)大大減少。綜上所述,墻體材料的革新和建筑結(jié)構(gòu)形式的改變給砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向提出了新的挑戰(zhàn),給砌體結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)規(guī)范提出了新的課題。1混凝土結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度值和結(jié)構(gòu)的可靠性1.1砌體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)20世紀(jì)60年代初至70年代初,在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)燒結(jié)普通黏土磚砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較大規(guī)模的試驗(yàn)研究和調(diào)查,于1973年頒布了我國(guó)第一部《磚石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ3—73)(簡(jiǎn)稱(chēng)GBJ3—73)。在GBJ3—73的修訂工作中,共收集了我國(guó)歷年來(lái)全國(guó)各地4023個(gè)砌體強(qiáng)度試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨著新型墻體材料和新結(jié)構(gòu)體系的不斷發(fā)展,材料強(qiáng)度等級(jí)不斷提高,新型墻體材料種類(lèi)不斷發(fā)展和增多,GB50003—2001和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003—2011)(簡(jiǎn)稱(chēng)GB50003—2011)淘汰了部分性能差或不常用的材料,增補(bǔ)了一些新型墻體材料。GB50003—2001中砌塊最高強(qiáng)度等級(jí)由MU15提高到MU20,砂漿最高強(qiáng)度等級(jí)也由M10提高到了Mb15,后來(lái)GB50003—2011中又提高到了Mb20;GB50003—2001增加了單排孔砌塊對(duì)孔砌筑時(shí)灌孔砌體、蒸壓灰砂磚砌體、多排孔輕骨料混凝土砌塊砌體,GB50003—2011又增加了混凝土磚砌體、蒸壓粉煤灰磚砌體和專(zhuān)用砌筑砂漿。為適應(yīng)城市用地價(jià)格提高和我國(guó)建筑節(jié)能需要,通過(guò)試驗(yàn)研究,先后增補(bǔ)了配筋砌塊砌體、夾心墻砌體、砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì),擴(kuò)大了砌體規(guī)范的適用范圍。材料強(qiáng)度等級(jí)的提高、材料種類(lèi)的增加以及新結(jié)構(gòu)的使用,使得砌體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容在GBJ3—88的基礎(chǔ)上大大地?cái)U(kuò)充。但是,由于試驗(yàn)數(shù)量少、試驗(yàn)覆蓋范圍小,修訂規(guī)范時(shí)并未對(duì)所增加部分進(jìn)行全面的可靠度分析,僅僅將少量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)范類(lèi)似材料強(qiáng)度平均值公式進(jìn)行對(duì)比后進(jìn)行取值,這顯然是不科學(xué)的。1.2砂漿底模的確定砌體砌筑時(shí),塊體會(huì)從砂漿中吸收水分,使得砂漿實(shí)際水灰比減小,從而使得砂漿密實(shí)度提高、砂漿強(qiáng)度提高墻體材料革新使得各種非燒結(jié)塊體大量應(yīng)用到砌體結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)沙理工大學(xué)的試驗(yàn)為了解決GB50003—2011和JGJ70—2009之間關(guān)于底模的矛盾,JGJ70—2009在條文說(shuō)明里偏安全地特別補(bǔ)充了修正系數(shù)K=1.35,在工程應(yīng)用中是可行的,但研究結(jié)果將產(chǎn)生誤差。若將GB50003—2011的砂漿底模修改為鋼底模,則砂漿強(qiáng)度平均值和變異系數(shù)隨之改變,需要找出所有原始數(shù)據(jù),對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度做全面的可靠性分析,這將是個(gè)浩大的工程,在當(dāng)前的形勢(shì)下,一方面原始數(shù)據(jù)收集有難度,另一方面人力、物力、財(cái)力也得不到保障。建議施工驗(yàn)收規(guī)范按JGJ70—2009,不對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行修正;設(shè)計(jì)規(guī)范GB50003—2011仍維持不變,偏于安全。1.3熱橋保溫?fù)鯄πЧS著新型節(jié)能塊體的出現(xiàn)(如復(fù)合砌塊、輕骨料混凝土空心砌塊等),傳統(tǒng)的砂漿縫將形成熱橋,墻體傳熱系數(shù)較大,保溫隔熱效果不顯著。長(zhǎng)沙理工大學(xué)的研究國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)表明,薄灰縫砌體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度與普通灰縫厚度砌體完全不同,若將薄灰縫用于承重結(jié)構(gòu),應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)研究在設(shè)計(jì)規(guī)范中給出砌體強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)和相應(yīng)的構(gòu)造要求。2混凝土建筑面積的計(jì)算方法2.1剛性、剛、彈性和彈性房屋隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷發(fā)展和新材料新結(jié)構(gòu)的不斷推出,砌體結(jié)構(gòu)的用途與20世紀(jì)80年代以前相比,發(fā)生了巨大的變化。在大中型城市,砌體結(jié)構(gòu)主要用于填充墻或者配筋砌塊砌體高層建筑,在小型城鎮(zhèn)或偏遠(yuǎn)欠發(fā)達(dá)地區(qū)尚存一部分多層砌體承重結(jié)構(gòu),在廣大農(nóng)村地區(qū)仍大量采用砌體結(jié)構(gòu)作為承重構(gòu)件。現(xiàn)行規(guī)范GB50003—2011中,根據(jù)樓屋蓋類(lèi)別和橫墻間距不同將多層砌體房屋分為剛性、剛彈性和彈性三種計(jì)算方案。規(guī)范中即便是剛度最小的瓦材屋面的木屋蓋和輕鋼屋蓋,橫墻間距小于16m時(shí)仍然屬于剛性方案,因此實(shí)際工程中剛彈性方案和彈性方案房屋非常少見(jiàn)。剛彈性和彈性方案的房屋開(kāi)間很大,側(cè)向剛度小,抗震能力差,因此規(guī)范應(yīng)明確限制采用砌體結(jié)構(gòu),使砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的內(nèi)力分析得到大大簡(jiǎn)化。對(duì)現(xiàn)行規(guī)范GB50003—2011規(guī)定的剛性方案房屋,根據(jù)房屋的力學(xué)特性不同,可分別采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法:(1)多層砌體房屋:按現(xiàn)行規(guī)范GB50003—2011中的剛性方案房屋設(shè)計(jì)方法計(jì)算,同時(shí)根據(jù)樓(屋)蓋剛度不同,設(shè)置砌體結(jié)構(gòu)最大允許橫墻間距,并滿足一定的橫墻剛度要求。(2)配筋砌塊砌體房屋:在國(guó)外,配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)常用于高層建筑和大跨度房屋,我國(guó)在高層建筑中也得到了較多的應(yīng)用,一般按彈性材料采用力學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。(3)低層砌體住宅房屋:汶川地震和玉樹(shù)地震的震害表明,我國(guó)農(nóng)村磚混結(jié)構(gòu)住宅破壞或倒塌最為嚴(yán)重,其主要原因是農(nóng)民自建房沒(méi)有按照我國(guó)規(guī)范進(jìn)行正常設(shè)計(jì)和正常施工。英國(guó)于1995年率先頒布了一套系列標(biāo)準(zhǔn)《低層房屋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(BS8103)2.2梁下和板下砌體的受荷機(jī)理現(xiàn)行規(guī)范GB50003—2011規(guī)定了梁傳荷載條件下墻、柱頂部偏心距的計(jì)算方法,而對(duì)板傳荷載未做規(guī)定。由于梁和板的剛度相差較大,梁下和板下砌體的受力和傳力機(jī)理也存在較大差異,實(shí)際工程中絕大多數(shù)屬于板傳荷載的情況。按現(xiàn)行GB50003—2011進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí),板傳荷載墻體一般采用以下兩種方法:一是計(jì)算墻體時(shí)不計(jì)偏心影響,按軸心荷載考慮;二是按規(guī)范中梁傳荷載的方法考慮其偏心影響,這兩種處理方法顯然缺乏足夠的理論依據(jù)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《無(wú)筋砌體設(shè)計(jì)規(guī)范》(ISO9652-1)規(guī)定,當(dāng)可變荷載不大于5kN/m3適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的結(jié)構(gòu)體制3.1取消不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的結(jié)構(gòu)體系在特殊的年代,我國(guó)曾出現(xiàn)過(guò)各種經(jīng)濟(jì)型的建筑結(jié)構(gòu)形式,恰恰我國(guó)的第一本《磚石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ3—73)在當(dāng)時(shí)的背景下出版,隨著建筑質(zhì)量和建筑抗震要求的提高,很多結(jié)構(gòu)形式(如下文所述)已經(jīng)不適應(yīng)結(jié)構(gòu)安全和社會(huì)發(fā)展要求,應(yīng)該淘汰。3.1.1上柔下剛多層無(wú)疊式結(jié)構(gòu)頂層為空曠、橫墻間距較大或中間無(wú)橫墻的柔性結(jié)構(gòu),而以下各層為橫墻間距較小的剛性結(jié)構(gòu),這類(lèi)房屋稱(chēng)為上柔下剛多層房屋,如頂層為禮堂、以下各層為辦公室的多層房屋。這類(lèi)房屋由于頂層剛度比下層小很多,地震時(shí)容易產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”,造成頂層振幅劇烈增大,地震作用也大大增加,且抗震墻很少,容易發(fā)生破壞或倒塌。3.1.2上剛下柔多層無(wú)筋砌體墻房屋多層房屋底層為空曠、橫墻間距較大、不滿足剛性方案要求的柔性結(jié)構(gòu),而以上各層為橫墻間距較小的剛性結(jié)構(gòu),這類(lèi)房屋稱(chēng)為上剛下柔多層房屋,如底層為俱樂(lè)部、食堂、商店而上面各層為宿舍、辦公室等的房屋。這類(lèi)房屋底層若為無(wú)筋砌體墻(柱)承重,則形成砌體支承的墻梁。這樣一來(lái),其底層的水平地震作用最大,而底層的砌體抗震墻又最少,由于無(wú)筋砌體結(jié)構(gòu)的脆性性質(zhì)和支承墻梁砌體平面外性能非常差,很難確保房屋“大震不倒”。3.1.3結(jié)構(gòu)體系的不足20世紀(jì),一些工業(yè)廠房、食堂、倉(cāng)庫(kù)等有時(shí)采用無(wú)筋砌體結(jié)構(gòu)建造。這種房屋外墻因?yàn)椴晒馔L(fēng)的要求需開(kāi)啟較多洞口,但墻體數(shù)量有限,整體剛度和變形性能均很差,抗震性能很難得到保障。當(dāng)前采用輕鋼結(jié)構(gòu)等新的結(jié)構(gòu)形式建造這種房屋,其造價(jià)并不比無(wú)筋砌體結(jié)構(gòu)(無(wú)筋砌體結(jié)構(gòu)空曠的房屋目前已很少采用)高太多。3.2推廣應(yīng)用能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系3.2.1約束砌體體系多次地震表明,純粹的無(wú)筋砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能很差,房屋倒塌很?chē)?yán)重。自從唐山地震以后,我國(guó)首先提出在無(wú)筋砌體房屋中設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁的結(jié)構(gòu)體系,經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究和地震實(shí)踐,證明這種構(gòu)造措施能大大提高房屋的變形性能,對(duì)無(wú)筋砌體房屋的抗裂、抗倒有十分明顯的作用。這種體系在歐盟規(guī)范EC6和南美國(guó)家砌體設(shè)計(jì)規(guī)范中得到了推廣應(yīng)用。這種體系可以分為兩種:一是以我國(guó)抗震規(guī)范為代表的結(jié)構(gòu)體系,根據(jù)房屋層數(shù)、抗震設(shè)防烈度的不同在房屋不同部位設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁,其作用是提高房屋整體的變形性能;二是以歐盟規(guī)范EC6為代表的約束砌體(圖2),在所有樓層處設(shè)置鋼筋混凝土或配筋砌體水平構(gòu)件,在墻體交叉處以及洞口面積大于1.5m這種結(jié)構(gòu)體系的抗震性能已經(jīng)和無(wú)筋砌體完全不同,隨著我國(guó)抗震構(gòu)造措施的不斷加強(qiáng),我國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)都屬于6度或6度以上的抗震設(shè)防區(qū),建議明確提出約束砌體設(shè)計(jì)方法,按兩種計(jì)算方式進(jìn)行設(shè)計(jì):當(dāng)采取整體約束砌體結(jié)構(gòu)(我國(guó)抗震規(guī)范方法)時(shí),按無(wú)筋砌體構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)采用約束砌體(歐盟規(guī)范EC6方法)時(shí),可按照組合墻砌體進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。3.2.2復(fù)合墻的設(shè)計(jì)復(fù)合砌體房屋的墻體內(nèi)頁(yè)墻采用砌體承重結(jié)構(gòu),外頁(yè)采用燒結(jié)或其他飾面磚,中部留有間隙,設(shè)置保溫層和空氣層,保證水分能從墻下的滯水孔漏出(圖3)。這種體系可采用增減保溫層材料和厚度的方法,使得滿足不同地區(qū)的保溫隔熱要求,其防滲、冷凝、耐火、隔聲等性能十分優(yōu)越,在歐美一些國(guó)家應(yīng)用比較廣泛。復(fù)合墻的另外一種特殊形式是取消空腔(圖4),這種墻體的厚度雖然減小了,但由于外墻裂縫或者灰縫不飽滿,導(dǎo)致風(fēng)夾雨將雨水滲入而無(wú)法排除,影響墻體節(jié)能效果和墻體耐久性。GB50003—2011雖然也提出了復(fù)合墻的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,但是在以下幾個(gè)方面還存在問(wèn)題,需要進(jìn)一步研究:(1)外頁(yè)墻到底是否承受豎向荷載作用?歐美國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定外頁(yè)墻是非承重的飾面墻,內(nèi)頁(yè)墻是承重墻,而GB50003—2011并沒(méi)有明確說(shuō)明這種墻體的承載力設(shè)計(jì)計(jì)算方法。(2)外頁(yè)墻和內(nèi)頁(yè)墻受到的豎向應(yīng)力的大小以及所采用的材料不同,長(zhǎng)期荷載作用下將產(chǎn)生徐變差,通常應(yīng)設(shè)置水平控制縫,且應(yīng)明確指出控制縫的設(shè)置方法。(3)外頁(yè)墻上往往承受風(fēng)荷載和水平地震作用,這些作用是通過(guò)拉結(jié)件來(lái)傳遞的,但GB50003—2011并沒(méi)有結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況進(jìn)行研究。(4)夾芯墻(圖5)和討論的復(fù)合墻是兩種不同的結(jié)構(gòu)形式,前者是內(nèi)外頁(yè)墻均承受豎向荷載,是一個(gè)整體,而后者完全不同,GB50003—2011沒(méi)明確區(qū)分。3.2.3鋼筋混凝土砌塊體系(1)配筋混凝土墻體墻的最小配筋率由于混凝土砌塊的干燥收縮大部分在砌塊養(yǎng)護(hù)期間完成,砌筑后砌體的干燥收縮和徐變變形較現(xiàn)澆混凝土小很多,因此配筋混凝土砌塊砌體墻的最小配筋率要比現(xiàn)澆混凝土剪力墻小很多,從而達(dá)到節(jié)約鋼筋的目的。雖然近年我國(guó)在高層配筋混凝土砌塊砌體房屋的研究和實(shí)踐方面取得了很大的成就,但是GB50003—2011對(duì)概念設(shè)計(jì)和計(jì)算方法并不全面。(2)單帶混凝土砌塊混凝土房歐美國(guó)家采用配筋混凝土砌塊建造的超市等單層大空間建筑較多,而我國(guó)若推廣應(yīng)用這類(lèi)建筑,目前現(xiàn)行規(guī)范中還缺乏相關(guān)規(guī)定。(3)剛度小,不利于抵抗地震作用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的變形性能,但是由于其側(cè)向剛度較小,不利于抵抗地震作用。在這類(lèi)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位增加配筋混凝土砌塊砌體剪力墻,不僅施工速度快,又能分擔(dān)結(jié)構(gòu)的水平地震作用,是一種良好的結(jié)構(gòu)形式。建議在進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用。(4)配筋混凝土擋土墻的設(shè)計(jì)混凝土砌塊砌體擋土墻的造價(jià)較低、施工速度快、外形美觀,美國(guó)的高速公路、河堤、房屋的擋土墻常采用砌塊砌體或配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu),我國(guó)規(guī)范中沒(méi)有對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式提出設(shè)計(jì)規(guī)定,限制了這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。4混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫4.1非燒結(jié)砌體房屋砌體結(jié)構(gòu)房屋通常由于屋蓋與墻體的體積變形差(溫度變形和干濕變形)的作用,在房屋頂層或頂部?jī)蓪佣瞬繅w中出現(xiàn)斜裂縫,砌體設(shè)計(jì)規(guī)范通常采用伸縮縫來(lái)控制裂縫開(kāi)展。GB50003—2011中砌體房屋的伸縮縫間距一直延用GBJ3—73的要求,只是對(duì)干燥收縮較大的非燒結(jié)砌體房屋籠統(tǒng)地提出了0.8的修正系數(shù)。隨著社會(huì)的發(fā)展,夏季空調(diào)、冬季采暖已經(jīng)成為常態(tài),而且房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取各種不同的保溫方式,將改變房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng),使得屋蓋和墻體的溫度差發(fā)生變化,GB50003—2011一直延用40年前的方式,不能起到控制裂縫的作用。長(zhǎng)沙理工大學(xué)通過(guò)研究不同的室內(nèi)工況和不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方式時(shí)墻體溫度場(chǎng)4.2端部窗間墻應(yīng)力在屋蓋和墻體溫差及干燥收縮作用差作用下,頂層房屋窗間墻的剪力和軸力分布如圖6,7所示。從圖6,7中看出,端部窗間墻的剪力雖小,但軸力為拉力,從端部向內(nèi)的第二個(gè)窗間墻剪力最大,壓應(yīng)力最小。因此,房屋頂層兩側(cè)2~3個(gè)窗間墻最容易發(fā)生開(kāi)裂為了防止這種裂縫,可以在頂層端部三個(gè)窗間墻內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)乃交铱p鋼筋,并在門(mén)窗洞口設(shè)置抗裂柱,如圖8所示。4.3采用預(yù)測(cè)值減少裂縫由于在端部窗間墻的豎向應(yīng)力為拉應(yīng)力,可以在端部墻肢的構(gòu)造柱內(nèi)適當(dāng)施加預(yù)應(yīng)力,提高砌體的抗剪承載力,從而提高墻體的抗裂能力。5料力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及砌體砌體的耐久性主要包括碳化、鹽析、抗酸堿腐蝕性和抗凍性等,與砌體材料力學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)以及砌體所處環(huán)境有關(guān)。為了使得砌體結(jié)構(gòu)滿足耐久性要求,一方面要求材料具有一定的耐久能力,即材料的耐久性指標(biāo)要足夠大,另一方面要求采取措施以避免環(huán)境作用降低砌體結(jié)構(gòu)的耐久性。5.1最低強(qiáng)度等級(jí)長(zhǎng)沙理工大學(xué)的試驗(yàn)在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中,當(dāng)非燒結(jié)磚用于下列部位時(shí)的最低強(qiáng)度等級(jí)分別為:1)BS5628:墻頂、壓頂、窗臺(tái)、擋土墻MU30;排水道及下水道大于MU50,其他部位大于MU20;2)GB50003—2011:一般情況MU15,非飽和環(huán)境MU20,飽和環(huán)境MU25?？紤]到材料試驗(yàn)方法導(dǎo)致結(jié)果的差異,我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的最低強(qiáng)度等級(jí)和BS5628規(guī)定的相差不大。針對(duì)材料孔結(jié)構(gòu)的影響,歐美常常在材料標(biāo)準(zhǔn)中采用限制塊體吸水率來(lái)確保耐久性,而我國(guó)塊體材料標(biāo)準(zhǔn)很多,有的材料標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有規(guī)定塊體的吸水特性是不合理的。5.2突出物一般也有3.2合層墻體砌體吸水率是影響耐久性的主要因