第五章 砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計估算

砌體——是把塊體(包括粘土磚、空心磚、砌塊、石材等)和砂漿通過砌筑而成的結(jié)構(gòu)材料。

砌體結(jié)構(gòu)——承重構(gòu)件由各種塊材和砂漿砌筑而成的結(jié)構(gòu)。砌體根據(jù)配筋與否有無筋砌體和配筋砌體。根據(jù)塊體的不同有磚砌體、石砌體和砌塊砌體。1)砌體結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(1)便于就地取材

天然石材、黏土、砂等幾乎各地都有，還可第5章砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計估算以利用工業(yè)廢料，采用的砌體材料可因地置宜，來源方便，能節(jié)約鋼、木、水泥三大建筑材料，也較經(jīng)濟。(2)技術(shù)性能好具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和大氣穩(wěn)定性，在天然環(huán)境中不易蝕損，耐久性好；有很好的耐火性;有較好的保溫、隔熱性能。(3)施工簡便砌筑時不需要模板和特殊的施工設(shè)備；可僅一個工種操作，工種配合簡單；新砌筑的砌體即可承受一定荷載，天寒地凍時還可采用凍結(jié)法施工，因而可以連續(xù)施工。2)砌體結(jié)構(gòu)的主要缺點(1)強度低、材料用量多、構(gòu)件自重大；(2)砌筑勞動繁重；(3)砂漿和塊材間的黏結(jié)力較弱，無筋砌體的抗拉、抗彎、抗剪強度很低，不宜用于承受較大彎矩和拉力的構(gòu)件，抗震性能亦較差；(4)磚結(jié)構(gòu)中黏土磚的用量很大，造磚與農(nóng)業(yè)爭地，目前國家已經(jīng)禁止使用實心黏土磚。1)磚砌體的砌合方法一順一丁、梅花丁和三順一丁，嚴禁包心柱和不同強度等級磚塊混用。墻體尺寸：240mm(一磚)、370mm(一磚半)、490mm(二磚)、620mm(二磚半)、740mm(三磚)。2)磚砌體軸心受壓時的破壞過程5.1砌體材料(見前2.3.4)

5.2磚砌體材料的力學(xué)性能

5.2.1磚砌體的受壓性能(1)第Ⅰ階段由開始加載，到個別磚塊上出現(xiàn)微細可見的裂縫，為第Ⅰ階段。該階段砌體的橫向變形較小，應(yīng)力應(yīng)變呈直線關(guān)系，故也稱為彈性階段。出現(xiàn)微細可見裂縫時軸向荷載約為磚砌體破壞時極限荷載的(50～70)%。(2)第Ⅱ階段

繼續(xù)加載，個別磚塊上的裂縫裂通，并沿豎向灰縫通過若干皮磚，形成平行于加載方向的縱向間斷裂縫，為第Ⅱ階段。此時軸向荷載約為磚砌體破壞時極限荷載的(80～90)%。在此階段，若荷載不增加，裂縫發(fā)展可以穩(wěn)定，不會出現(xiàn)新的裂縫。

(3)第Ⅲ階段當荷載增加不多，裂縫亦會發(fā)展很快，此后即使不增加荷載，裂縫仍能不斷增加，形成上下貫通的裂縫將砌體分割成若干半磚小柱，這時砌體橫向變形明顯增大，向外鼓出，半磚小柱喪失穩(wěn)定而破壞，至此為第Ⅲ階段。

破壞機理分析：試驗表明：軸心受壓磚砌體在遠小于磚的抗壓強度下，個別磚塊就出現(xiàn)裂縫；軸心受壓磚砌體的抗壓強度遠小于磚的抗壓強度。要解釋這些現(xiàn)象，必須分析砌體受壓時磚和砂漿的應(yīng)力狀態(tài)：

(1)由于砂漿層的非均勻性以及磚表面的不規(guī)整，使得磚與砂漿并非全面接觸，而是支承在凹凸不平的砂漿層上。因此，磚在中心受壓的砌體中實際上是處于受彎、受剪和局部承壓的復(fù)雜受力狀態(tài)，如圖(a)所示。

(2)由于磚和砂漿橫向變形的差異(砂漿的泊松比是磚泊松比的1.5～5倍)，以及磚和砂漿間的砌體中的應(yīng)力狀態(tài)圖(b)磚和砂漿橫同變形的差異(a)砌體中個別磚的受力狀態(tài)

粘結(jié)力和摩擦力，使二者不能自由變形。因此磚受到橫向拉力，而砂漿受到橫向壓力，如圖(b)所示。

(3)豎向灰縫處砂漿不可能填實，不能保證砌體的整體性，因而在豎向灰縫處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。綜上所述，中心受壓砌體中的磚處于局部受壓、受彎、受剪、橫向受拉的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下。由于磚的抗彎、抗拉強度很低，故磚砌體受壓后磚塊將出現(xiàn)因彎拉應(yīng)力而產(chǎn)生的豎向裂縫。這種裂縫隨著荷載增加而上下貫通，直至將整個砌體分割成若干半磚小柱，小柱失穩(wěn)導(dǎo)致整個砌體的破壞?？梢娖鲶w的破壞不是由于磚受壓耗盡了其抗壓強度，而是由于形成半磚小柱，側(cè)向凸出，破壞了砌體的整體工作。3)影響磚砌體抗壓強度的主要因素

(1)塊材的強度等級和厚度

磚的強度等級愈高，其抗折強度愈大，在砌體中愈不容易開裂；磚的厚度增加，其抗彎、抗拉能力增大，因而可提高砌體的抗壓強度。(2)砂漿的強度等級和性能

砂漿的強度等級愈高，受壓后它的橫向變形愈小，減少了砂漿與塊材橫向變形的差異，使得塊材所受的橫向拉應(yīng)力減少，可改善砌體的受力狀態(tài)，提高砌體的抗壓強度。砂漿的流動性(稠度)和保水性(和易性)好，易于砌筑均勻密實，可降低砌體內(nèi)塊體的彎曲、剪切應(yīng)力，使砌體的抗壓強度得到提高。試驗表明純水泥砂漿的和易性較差，當采用純水泥砂漿砌筑時，其砌體的抗壓強度比采用水泥混合砂漿砌體的抗壓強度降低15%。但若砂漿流動性太大，受壓后的橫向變形增大，反而會降低砌體的抗壓強度。(3)砌筑質(zhì)量

砌筑質(zhì)量是指砌體的砌筑方式、灰縫砂漿的飽滿度、砂漿層的鋪砌厚度等。砌筑質(zhì)量與工人的技術(shù)水平有關(guān)，砌筑質(zhì)量不同，則砌體強度不同。4)磚砌體的抗壓強度砌體的抗壓強度標準值fk：具有95%保證率的抗壓強度值，具體查規(guī)范。砌體的抗壓強度設(shè)計值：齡期為28d砌體毛截面強度的設(shè)計值

，根據(jù)塊體和砂漿強度等級可直接查表獲得砌體的抗壓強度設(shè)計值可查附表5-1a。砌體強度設(shè)計值的調(diào)整系數(shù)γa：①有吊車房屋砌體，跨度不小于9m的梁下燒結(jié)普通磚砌體，γa為0.9；②對無筋砌體構(gòu)件，其截面面積小于0.3m2時，γa為其截面面積加0.7。③當砌體用水泥砂漿砌筑時，γa為0.9④當施工質(zhì)量控制等級為c級時，γa為0.89注：配筋砌體不得采用c級。

施工階段砂漿尚未硬化的新砌砌體的強度和穩(wěn)定性，可按砂漿強度為零進行驗算。研究表明，對于磚砌體，當受壓應(yīng)力上限為砌體抗壓強度平均值fm的40％～50％時，經(jīng)反復(fù)加——卸載5次后的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系趨于直線。5.2.2磚砌體軸心受壓時的變形和彈性模量如取，此時的割線模量接近初始彈性模量，常簡稱為彈性模量E?！捌鲶w結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”對砌體受壓彈性模量采用了更為簡化的結(jié)果，按不同強度等級的砂漿，取砌體彈性模量與砌體抗壓強度成正比的關(guān)系。但對于石砌體，由于石材的彈性模量和強度均遠高于砂漿的彈性模量和強度，砌體的受壓變形主要取決于水平灰縫內(nèi)砂漿的變形，因此可僅按砂漿強度等級確定彈性模量。各類砌體的受壓彈性模量按附表5.1b采用。砌體的剪變模量G=0.4E。5.3磚砌體受壓構(gòu)件承載力估算無筋砌體適用范圍：墻、柱等受壓構(gòu)件。其承載力與截面尺寸A，砌體強度f(主要為砂漿強度等級)，軸向力的偏心距e和高厚比β有關(guān)。計算公式為：

N——軸向力設(shè)計值；

j——高厚比和偏心距e對受壓構(gòu)件承載力的影響系數(shù)，按附表5.2采用；

f——砌體抗壓強度設(shè)計值；

A——毛截面面積。為了確保結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量，用上式進行承載力計算時，軸向力的偏心距e

應(yīng)符合下列限值要求，即：

式中軸向力的偏心距e按內(nèi)力設(shè)計值計算；y為截面重心到軸向力所在偏心方向截面邊緣的距離，如圖所示。：T形截面使用。對矩形截面受壓構(gòu)件承載力計算時，應(yīng)注意當軸向力偏心方向的截面邊長大于另一方向的邊長時，除按偏心受壓計算外，還應(yīng)對較小邊長方向，按軸心受壓進行驗算。對磚砌體以外的其他種類砌體，查j表時，應(yīng)先對構(gòu)件的高厚比β乘以與砌體種類有關(guān)的系數(shù)，詳見砌體規(guī)范。自學(xué)例題5-1，5-2。墻、柱等豎向承重構(gòu)件采用磚、石、砌塊砌體建造，樓蓋(屋蓋)等水平承重構(gòu)件采用鋼筋混凝土或木材等其它材料建造的房屋稱為混合結(jié)構(gòu)房屋。1)橫墻承重方案橫墻承重方案豎向荷載主要傳遞路線是：板→橫墻→基礎(chǔ)→地基。橫墻承重方案的特點：

(1)橫墻是主要承重墻。此種方案對縱墻上門窗位置、大小等的限制較少。5.4砌體結(jié)構(gòu)建筑物的墻體設(shè)計5.4.1建筑物的結(jié)構(gòu)布置方案(2)橫墻間距很小(一般在2.7～4.5m之間)，房屋的空間剛度大，整體性好。這種體系對抵抗風(fēng)、地震等水平作用和調(diào)整地基不均勻沉降等方面，較縱墻承重方案有利得多。

(3)這種方案房屋的樓蓋(或屋蓋)結(jié)構(gòu)比較簡單，施工方便，材料用量較少；但墻體的材料用量較多。橫墻承重方案由于橫墻間距小，房間大小固定，故適用于宿舍、住宅等居住建筑。2)縱墻承重方案縱墻承重方案豎向荷載主要傳遞路線是：板→梁→縱墻→基礎(chǔ)→地基。縱墻承重方案的特點：

(1)縱墻是房屋的主要承重墻，橫墻的間距可以相當大。這種方案室內(nèi)空間較大，有利于使用上靈活隔斷和布置。

(2)由于縱墻承受的荷載較大，因此縱墻上門窗的位置和大小要受到一定限制。

(3)縱墻承重方案樓蓋(屋蓋)的材料用量較多，而墻體材料用量較少。縱墻承重方案適用于使用上要求有較大室內(nèi)空間的房屋，或室內(nèi)隔斷墻位置有靈活變動要求的房屋。如教學(xué)樓、辦公樓、圖書館、實驗樓、食堂、中小型工業(yè)廠房等。3)縱橫墻承重方案樓(屋)蓋的荷載由縱墻和橫墻混合承重的布置方案稱為縱橫墻承重方案，應(yīng)用廣泛。荷載的主要傳遞路線是：縱墻樓(屋)蓋荷載基礎(chǔ)→地基橫墻這種方案的優(yōu)點是房屋在兩個相互垂直方向上的剛度均較大，不僅砌體應(yīng)力較均勻，且抗風(fēng)能力較強。此外，在占地面積相同的條件下，外墻面積較少?？v橫墻承重方案主要用于多層塔式住宅房屋中。4)內(nèi)框架承重方案這種方案房屋內(nèi)部的鋼筋混凝土柱與樓蓋(或屋蓋)梁組成內(nèi)框架，與外墻共同承重，因此稱為內(nèi)框架承重方案。內(nèi)框架承重方案豎向荷載的主要傳遞路線是：外縱墻→外縱墻基礎(chǔ)板→梁地基柱→柱基礎(chǔ)內(nèi)框架承重方案的特點：(1)外墻和柱都是主要承重構(gòu)件，以柱代替承重內(nèi)墻，取得較大的室內(nèi)空間而不增加梁的跨度。(2)由于主要承重構(gòu)件材料性質(zhì)不同，墻和柱的壓縮性不同；基礎(chǔ)形式不同易產(chǎn)生不均勻沉降。若設(shè)計處理不當，會使構(gòu)件產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力。(3)由于橫墻較少，房屋的空間剛度較差，因而抗震性能也較差。內(nèi)框架承重方案可用于旅館、商店和多層工業(yè)建筑。5)底層框架承重方案底層為框架，上部為磚墻承重，可獲得較大的室內(nèi)空間但底層剛度很小。某些建筑(如底層為商店的住宅)采用。1)房屋的空間工作性能房屋空間工作性能的主要影響因素為樓蓋(屋蓋)的水平剛度和橫墻間距的大小。

5.4.2砌體房屋靜力計算方案作用于屋蓋(樓蓋)平面內(nèi)的水平力R分為兩部分傳遞：一部分R1通過前后縱墻(立柱)與屋蓋樓蓋(橫梁)形成的平面排架作用傳至基礎(chǔ)，R1的傳力途徑屬平面?zhèn)髁w系；另一部分R2通過屋蓋以橫墻為支座的水平梁作用(撓度為f

)傳至橫墻，再由橫墻的豎向懸臂梁作用(墻頂位移為△)傳至基礎(chǔ)，R2的傳力途徑屬空間傳力體系。umax=f+△混合結(jié)構(gòu)房屋的靜力計算，按照作用于屋蓋(樓蓋)平面內(nèi)的水平荷載傳力途徑的不同，可劃分為彈性方案、剛性方案和剛彈性方案。1)剛性方案特點：當房屋的橫墻間距較小、樓蓋(屋蓋)的水平剛度較大時，房屋的空間剛度較大，在荷載作用下，房屋的水平位移很小，可視墻、柱頂端的水平位移等于零。計算簡圖：將樓蓋或屋蓋視為墻、柱的水平不動鉸支座，墻、柱內(nèi)力按不動鉸支承的豎向構(gòu)件計算。2)彈性方案特點：當房屋橫墻間距較大，樓蓋(屋蓋)水平剛度較小時，房屋的空間剛度較小。在荷載作用下房屋的水平位移較大，在確定計算簡圖時，不能忽略水平位移的影響，不能考慮空間工作性能。計算簡圖：按屋架或大梁與墻(柱)鉸接的、不考慮空間工作性能的平面排架或框架計算。3)剛彈性方案房屋特點：房屋空間剛度介于剛性方案和彈性方案房屋之間。在荷載作用下，房屋的水平位移介于剛性方案與彈性方案之間。計算簡圖：按在墻、柱有彈性支座(考慮空間工作性能)的平面排架或框架計算。4)靜力計算方案的確定依據(jù)樓(屋)蓋類型和橫墻間距的大小，計算時可根據(jù)規(guī)范確定房屋的靜力計算方案。劃分三種靜力計算方案的橫墻間距S(m)表5)剛性和剛彈性方案房屋的橫墻

①橫墻開有洞口時，洞口的水平截面面積不應(yīng)超過橫墻截面面積的50％；

②橫墻的厚度不宜小于180mm；③單層房屋的橫墻長度不宜小于其高度，多層房屋的橫墻長度不宜小于橫墻總高度的1/2。屋蓋或樓蓋類別剛性方案剛彈性方案彈性方案1整體式、裝配整體和裝配式無檁體系鋼筋混凝土屋蓋或鋼筋混凝土樓蓋S<3232≤S≤72S>722裝配式有檁體系鋼筋混凝土屋蓋、輕鋼屋蓋和有密鋪望板的木屋蓋或木樓蓋S<2020≤S≤48S>483冷攤瓦木屋蓋和石棉水泥瓦輕鋼屋蓋S<1616≤S≤36S>36

當橫墻不能同時符合①，②，③項的要求時，應(yīng)對橫墻的水平剛度進行驗算。如其最大水平位移值umax≤H/4000時，仍可視作剛性或剛彈性方案房屋的橫墻。6)剛彈性方案房屋的空間性能影響系數(shù)η

單層或多層剛彈性房屋的靜力計算，可按屋蓋(樓蓋)與墻(柱)為鉸接的考慮空間工作的平面排架或框架計算。房屋各層的空間性能影響系數(shù)ηi(i=1～n，n為房屋的層數(shù))按下表采用。屋蓋或

樓蓋類別橫墻間距S(m)1620242832364044485256606468721

2

3—

—

0.37—

0.35

0.49—

0.45

0.60—

0.54

0.680.33

0.61

0.750.39

0.68

0.810.45

0.73

—0.50

0.78

—0.55

0.82

—0.60

—

—0.64

—

—0.68

—

—0.71

—

—0.74

—

—0.77

—

—房屋各層的空間性能影響系數(shù)ηi表1)高厚比的概念所謂高厚比β是指墻、柱計算高度H0與墻厚h(或與柱的計算高度相對應(yīng)的柱邊長)的比值，即β=H0/h。2)驗算高厚比的目的墻、柱的高厚比驗算是保證砌體房屋施工階段和使用階段穩(wěn)定性與剛度的一項重要構(gòu)造措施。墻柱的高厚比過大，雖然強度滿足要求，但是可能在施工階段因過度的偏差傾斜以及施工和使用過程中的偶然撞擊、振動等因素而導(dǎo)致喪失穩(wěn)定。5.4.3墻、柱的高厚比驗算過大的高厚比，還可能使墻體發(fā)生過大的變形而影響使用。3)砌體墻、柱的允許高厚比[β]砌體墻、柱的允許高厚比[β]系指墻、柱高厚比的允許限值，它與承載力無關(guān)，而是根據(jù)實踐經(jīng)驗和現(xiàn)階段的材料質(zhì)量以及施工技術(shù)水平綜合研究而確定的。墻、柱的允許高厚比[β]表砂漿強度等級墻柱M2.5

M5

≥M7.522

24

2615

16

17下列情況下墻、柱的允許高厚比應(yīng)進行調(diào)整：①毛石墻、柱的高厚比應(yīng)按表中數(shù)字降低20％；②組合磚砌體構(gòu)件的允許高厚比，可按表中數(shù)值提高20％，但不得大于28；③驗算施工階段砂漿尚未硬化的新砌砌體高厚比時，允許高厚比對墻取14，對柱取11。4)砌體受壓構(gòu)件的計算高度無吊車房屋中受壓構(gòu)件計算高度H0按下表采用。表中H為受壓構(gòu)件高度，底層為樓板底到基礎(chǔ)頂面(當埋置較深時，取至室內(nèi)地面或室外地面下300～500mm處)的距離；其他層次為樓板(或其他水平支點)間的距離。S為壁柱或周邊拉結(jié)墻的間距。對上端為自由端的構(gòu)件，取H0=2H；獨立磚柱(無柱間支撐)，柱在垂直排架方向的H0應(yīng)取表中數(shù)值乘以1.25后采用。受壓構(gòu)件的計算高度H0表房屋類別柱帶壁柱墻或周邊拉結(jié)的墻排架方向垂直排架方向S>2H

2H≥S>H

S≤H

無吊車的單層和多層房屋單跨彈性方案1.5H

1.0H1.5H

剛彈性方案1.2H

1.0H

1.2H兩跨或多跨彈性方案1.25H

1.0H

1.25H

剛彈性方案1.10H

1.0H1.1H

剛性方案1.0H1.0H

1.0H

0.4S+0.2H

0.6S5)墻、柱的高厚比驗算(1)矩形截面墻、柱的高厚比驗算式中——墻、柱的允許高厚比?！獕?、柱的計算高度；

h——墻厚或矩形柱與相對應(yīng)的邊長；——自承重墻允許高厚比的修正系數(shù)，按下列規(guī)定采用：h=240mm，=1.2；h=90mm，=1.5；240mm>h>90mm，可按插入法取值。對上端為自由端墻的允許高厚比，除按上述規(guī)定提高外，尚可提高30％對厚度小于90mm的墻，當雙面用不低于M10的水泥砂漿抹面，包括抹面層的墻厚不小于90mm時，可按墻厚等于90mm驗算高厚比；——有門窗洞口墻允許高厚比的修正系數(shù)，按下式計算：若算得的值小于0.7時，應(yīng)采用0.7。當洞口高度等于或小于墻高的1/5時，可取=1.0。

bs——在寬度s范圍內(nèi)的門窗洞口寬度；

s——相鄰窗間墻或壁柱之間的距離。當墻高H大于或等于相鄰橫墻或壁柱間的距離s時，應(yīng)按計算高度H0=0.6s驗算高厚比；當與墻連接的相鄰兩橫墻間的距離時，墻的高度可不受高厚比驗算式限制。(2)帶壁柱墻的高厚比驗算帶壁柱墻的高厚比驗算除驗算整片墻高厚比之外，還要驗算壁柱間墻的高厚比。①帶壁柱整片墻體高厚比的驗算式中H0——帶壁柱墻的計算高度，計算H0時墻的長度s取相鄰橫墻間的距離；

hT——帶壁柱墻截面的折算厚度，hT=3.5i，i為截面的回轉(zhuǎn)半徑，i=(I/A)1/2；計算i時，計算截面的翼緣寬度bf取法為：對于多層房屋，當有門窗洞口時，可取門窗間墻寬度，當無門窗洞口時，可取相鄰壁柱間的距離；對于單層房屋，可取壁柱寬加2/3墻高H，但不大于窗間墻寬度和相鄰壁柱間的距離。②壁柱間墻的高厚比驗算壁柱間墻的高厚比按無壁柱墻矩形截面公式進行驗算，此時壁柱間墻的計算高度H0取法可查表，其中s應(yīng)取相鄰壁柱間的距離。如高厚比驗算不能滿足要求時，可在墻中設(shè)置鋼筋混凝土圈梁。對于設(shè)有鋼筋混凝土圈梁的帶壁柱墻，當b/s≥1/30時，圈梁可視作壁柱間墻的不動鉸支點(b為圈梁寬度)。如相鄰壁柱間的距離s極大，圈梁寬度b=s/30>墻厚h，不允許增加圈梁寬度時，可按等剛度原則(墻體平面外剛度相等)增加圈梁高度，以滿足壁柱間墻不動鉸支點的要求。1)剛性方案單層房屋承重縱墻的計算(1)靜力計算假定縱墻、柱下端與基礎(chǔ)固結(jié)，上端與大梁(屋架)