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砌体结构

用砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构,又称砖石结构。由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低,因此,砌体结构构件主要承受轴心或小偏心压力,而很少受拉或受弯,一般民用和工业建筑的墙、柱和基础都可采用砌体结构。在采用钢筋混凝土框架和其他结构的建筑中,常用砖墙做围护结构,如框架结构的填充墙。

砌体(砖混结构)是由块体和砂浆砌筑而成的墙或柱,包括砖砌体、砌块砌体、石砌体和墙板砌体,在一般的工程建筑中,砌体占整个建筑物自重的约1/2,用工量和造价约各占1/3,是建筑工程的重要材料。长期以来,我国占主导地位的砌体材料烧结钻土砖已有二千多年的历史,与黏土瓦并称为"秦砖汉瓦"。但是,这种砌体材料需要大量黏土作原材料,为有效地保护耕地,国家要求尽量不用黏土砖。砌体材料正朝着充分利用各种工业废料,轻质、高强、空心、大块、多功能的方向发展。

砌体结构(masonry structure) 是由块材和砂浆砌筑而成的墙,柱作为建筑物主要受力构件的结构。

它包括砖结构、石结构和其它材料的砌块结构。分为无筋砌体结构和配筋砌体结构。砌体结构在我国应用很广泛,这是因为它可以就地取材,具有很好的耐久性及较好的化学稳定性和大气稳定性,有较好的保温隔热性能。较钢筋混凝土结构节约水泥和钢材,砌筑时不需模板及特殊的技术设备,可节约木材。砌体结构的缺点是自重大、体积大,砌筑工作繁重。由于砖、石、砌块和砂浆间粘结力较弱,因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很低。由于其组成的基本材料和连接方式,决定了它的脆性性质,从而使其遭受地震时破坏较重,抗震性能很差,因此对多层砌体结构抗震设计需要采用构造柱、圈梁及其它拉结等构造措施以提高其延性和抗倒塌能力。此外,砖砌体所用粘土砖用量很大,占用农田土地过多,因此把实心砖改成空心砖,特别发展高孔洞率、高强度、大块的空心砖以节约材料,以及利用工业废料,如粉煤灰、煤渣或者混凝土制成空心砖块代替红砖等都是今后砌体结构的方向。

砌体结构在我国应用历史

砌体结构的历史悠久,天然石是最原始的建筑材料之一。古代大量具有纪念性。

砌体结构是最古老的一种建筑结构。我国的砌体结构有着悠久的历史和辉煌的纪录。在历史上有举世闻名的万里长城,它是两千多年前用"秦砖汉瓦"建造的世界上最伟大的砌体工程之一;建于北魏时期 的河南登封嵩岳寺塔为高40米的砖砌密檐式塔;建于隋大业年问的河北赵县安济桥,净跨37.37米,全长50.82米,宽约9米,拱高7.2米,为世界上最早的空腹式石拱桥,该桥已被美国土木工程学会选为世界第12个土木工程里程碑;还有如今仍然起灌溉作用的秦代李冰父子修建的都江堰水利工程;所有这些都是值得我们自豪和继承的。

中国古代范例: 万里长城、赵州桥、大雁塔

砌体结构量大面广

解放以来我国砖的产量逐年增长,1996 年增至6200 亿块,为世界其他各国砖每年产量的总和。全国基建中采用砌体作墙体材料约占90 %左右。在办公、住宅等民用建筑中大量采用砖墙承重。此外我国还积累了在地震区建造砌体结构房屋的宝贵经验。我国绝大多数大中城市在6 度或6 度以上地震设防区。地震烈度≤6 度的砌体结构经受了地震的考验。经过设计和构造上的改进和处理,还在7 度区和8 度区建造了大量的砌体结构房屋。

新材料、新技术、新结构的研究与应用

60 年代以来,我国黏土空心砖(多孔砖) 的生产和应用有较大的发展,根据节能进一步要求,近年来我国消化吸收国外先进技术,在主要力学和热工性能的指标接近或达到国际同类产品的水平。

近10 余年来,采用砼、轻骨料砼或加气砼,以及利用河沙、各种工业废料、粉煤灰、煤干石等制无热料水泥煤渣砼砌块或蒸压灰砂砖、粉煤灰硅酸盐砖、砌块等在我国有较大的发展。

从90 年代初期,在总结国内外配筋砼砌块试验研究经验的基础上,我国在配筋砌块结构的配套材料、配套应用技术的研究上获得了突破,中高层配筋砌块建筑具有明显的社会经济效益。作为粘土砖的主要替代材料和某些功能强于粘土砖的砌块的发展前景是非常好的。

我国配筋砌体应用研究起步较晚,70 年代以来,尤其是1975 年海城- 营口地震和1976 年唐山大地震之后,对设置构造柱和圈梁的约束砌体进行了一系列的试验研究,其成果引入我国抗震设计规范。

砌体结构理论研究与计算方法

1956 年批准在我国推广应用前苏联砌体结构设计标准。60~80 年代末,在全国范围内对砖石结构进行了比较大规模的试验研究和调查,总结出一套符合我国实际、比较先进的砖石结构理论、计算方法和经验。如1973 年颁布的国家标准《砖石结构设计规范》GBJ 3 - 73 ,是我国第一部砖石结构设计规范。1988 年颁布的《砌体结构设计规范》GBJ 3 - 88 ,使我国砌体结构设计理论和方法趋于完善。2002年1 月10 日发布的最新《砌体结构设计规范》GB50003 - 2001 ,更加完善了砌体结构设计的理论和实际依据。最新《砌体结构设计规范》GB50003-2011,自2012年8月1日起实施。

砌体结构的建筑物用砖、石建造。如用加工的巨大石块建成的金字塔一直保存到现代。其中在尼罗河三角洲的吉萨建造的三座大金字塔(公元前2723~前2563年),是精确的正方锥体,其中最大的胡夫金字塔,塔高146.6米,底边长230.60米,约用230万块重2.5吨的石块建成。 又如公元70~82年建造的罗马大斗兽场(科洛西姆圆形竞技场)平面为椭圆形,长轴189米,短轴156.4米,高48.5米,分四层,可以容纳5~8万观众,也用块石砌成。中世纪在欧洲用加工的天然石和砖砌筑的拱、券、穹窿和圆顶等结构型式得到很大发展。如公元532~537年在君士坦丁堡建造的圣索菲亚教堂,东西长77米,南北长71.7米,正中是直径32.6米,高15米的穹顶,墙和穹顶都是砖砌。12~15世纪西欧以法国为中心的哥特式建筑集中了十字拱、骨架券、二圆心尖拱、尖券等结构形式。

中国封建时期采用砖木建造的寺院、庙宇、宫殿和宝塔等,体现了中国古代砌体结构的成就。其中砖塔是一种高层建筑,如河南登封嵩岳寺塔(见彩图)为砖砌单筒体结构;西安大雁塔(图1)也为砖砌单筒体结构,高60多米,1200多年来,历经数次地震,仍巍然屹立。河北定县料敌塔高约84米,为砖砌双筒体结构。著名的长城,其中一部分用烧制砖砌筑。

在桥梁建筑方面,中国隋朝李春建造的赵州桥是中国最古和当时跨径最大的单孔空腹式石拱桥(见彩图)。又如北宋时期建造的福建漳州虎渡桥,石梁最大跨径达23米,梁宽1.9米、厚约1.7米,重达200吨,三根石梁并列为桥面,是中国古代最重的简支石梁桥。

1949年中华人民共和国成立后,砌体结构得到很大的发展和广泛应用,住宅建筑、多层民用建筑大量采用砖墙承重(图2)。中小型单层工业建筑和多层轻工业建筑也常采用砖墙承重。中国传统的空斗砖墙,经过改进已经用作2~4层建筑的承重墙。20世纪50年代末开始,采用振动砖墙板建造五层住宅,承重墙厚度仅为12厘米。在地震区,采取在承重砖墙转角和内外纵横墙交接处设置钢筋混凝土抗震柱也称构造柱,及在空心砖或空心砌块孔内配置纵向钢筋和浇灌混凝土等措施,提高砌体结构的抗震性能(见墙板结构)。

传统的石拱桥的跨度已大大增加而厚度相对减薄。用于公路的变截面空腹式石拱桥的跨度已达100多米。此外,还采用石砌拱坝和渡槽。如在福建省建造的横跨云霄、东山两县的大型引水工程中的陈岱渡槽,全长4400多米,高20米。在新结构方面,研究和建造了各种型式的砖薄壳。在新材料方面,研制了粉煤灰和煤矸石烧结砖,蒸汽养护粉煤灰砖和煤渣砖,以及灰砂砖等;采用和改进硅酸盐砌块及各种承重和非承重空心砖。在新技术方面,采用各种配筋砌体,包括预应力空心砖楼板。砖砌的特种结构如烟囱等也较广泛应用。 70年代以来,在试验研究的基础上,对砌体结构的设计方法做了某些改进。如砌体结构房屋的静力计算,根据房屋的空间刚度,分别按刚性、刚弹性和弹性三种方案进行(见砌体结构房屋的静力分析),使墙体在竖向和水平荷载共同作用下的内力计算更加接近实际情况。无筋砌体受压构件的强度计算,改变了将构件区分为大、小偏心受压的计算方法(见砖墙和砖柱),使计算更为简便。

发展和趋向 采用高强度砖石和砂浆,用较薄的承重墙建造较高的建筑物是现代砌体结构的主要特点。如瑞士在16层高的公寓建筑中以15厘米厚的砖墙承重;并采用抗压强度达40兆帕的特种BS砖建成18层高的公寓;采用抗压强度达60兆帕、孔洞率为28%的多孔砖建成19层和24层高的塔式住宅建筑,砖墙仅厚38厘米。英国用卡尔柯龙(Calculon)多孔砖,抗压强度达35、49和70兆帕建成 11~19层高的公寓。美国用两片9厘米厚的单砖墙中间夹7厘米厚的配筋灌浆层建成21层高的公寓;用灌浆配筋混凝土砌块墙建成18层高的旅馆。

预制砖墙板提高了施工机械化的程度,施工速度快,质量也易保证。预制粘士砖墙板的形式随各国气候和地理条件以及建筑传统不同而异,大多数用夹心式构造,少数用空心砖;有些用带孔砖在孔内配筋灌浆;有些在内侧用轻混凝土兼作保温材料。墙板的大小和房间墙面的大小相同。预制砖墙板多用于低层居住建筑,也用于高层公寓做承重墙或非承重墙。

砌体结构发展的主要趋向是要求砖及砌块材料具有轻质高强的性能,砂浆具有高强度,特别是高粘结强度,尤其是采用高强度空心砖或空心砌块砌体时。在墙体内适当配置纵向钢筋,对克服砌体结构的缺点,减小构件截面尺寸,减轻自重和加快建造速度,具有重要意义。相应地研究设计理论,改进构件强度计算方法,提高施工机械化程度等,也是进一步发展砌体结构的重要课题。

砌体结构的主要优点是:①容易就地取材。砖主要用粘土烧制;石材的原料是天然石;砌块可以用工业废料──矿渣制作,来源方便,价格低廉。②砖、石或砌块砌体具有良好的耐火性和较好的耐久性。③砌体砌筑时不需要模板和特殊的施工设备,可以节省木材。新砌筑的砌体上即可承受一定荷载,因而可以连续施工。在寒冷地区,冬季可用冻结法砌筑,不需特殊的保温措施。④砖墙和砌块墙体能够隔热和保温,节能效果明显。所以既是较好的承重结构,也是较好的围护结构。⑤当采用砌块或大型板材作墙体时,可以减轻结构自重,加快施工进度,进行工业化生产和施工。

砌体结构的缺点是:①与钢和混凝土相比,砌体的强度较低,因而构件的截面尺寸较大,材料用量多,自重大。②砌体的砌筑基本上是手工方式,施工劳动量大。③砌体的抗拉、抗剪强度都很低,因而抗震较差,在使用上受到一定限制;砖、石的抗压强度也不能充分发挥;抗弯能力低。④粘土砖需用粘土制造,在某些地区过多占用农田,影响农业生产。

前苏联是世界上最先建立砌体结构理论和设计方法的国家,20世纪40年代之后进行了较系统的试验研究,20世纪50年代苏联提出了砌体结构按极限状态设计方法。

1891年美国芝加哥建造了一幢17层砖房,由于当时的技术条件限制,其底层承重墙厚1.8 m。

1957年瑞士苏黎世采用强度为58.8 MPa,空心率为28%的空心砖建成一幢19层塔式住宅,墙厚才380 mm,引起了各国的兴趣和重视。欧美各国加强了对砌体结构材料的研究和生产,在砌体结构的理论研究和设计方法上取得了许多成果,推动了砌体结构的发展。

总体来看,国外砖的强度一般均达30-60 MPa,而且能生产高于100 MPa的砖。国外空心砖的表观密度一般为13kN/m3,轻的达6kN/m3。 国外采用的砂浆强度也很高,美国标准ASTMC 270规定的M,S,N三类水泥石灰混合砂浆,抗压强度分别为25.5 MPa,20MPa,13.9 MPa,德国砂浆为13.7-14.1 MPa。 美国Dow化学公司已生产"Sarabond"高粘结强度的砂浆(掺有聚氯乙烯乳胶),抗压强度可超过55 MPa,用这种砂浆砌筑强度为41 MPa的砖,其砌体强度可达34 MPa。 国外早在20世纪70年代砖砌体抗压强度已达20MPa以上,接近或超过普通混凝土强度。

国外砌块生产发展也很快,在一些国家20世纪70年代砌块产量就接近砖的产量。 国外采用砌体作承重墙建筑了许多高层房屋。1970年在英国诺丁汉市建成一幢14层房屋(内墙230nlm,外墙270 mm)与钢筋混凝土框架相比上部结构造价降低7.7%。 美国、新西兰等国采用配筋砌体在地震区建造高层可达13-20层。如美国丹佛市17层的"五月市场"公寓和20层的派克兰姆塔楼等,前者高度50 m,墙厚仅280 mm。 英国利物浦皇家教学医院10层职工住宅是欧洲最高的半砖厚(102.5 mm)薄壁墙。新西兰允许在地震区用配筋砌体建造7-12层的房屋,因为它们在一定范围内与钢筋混凝土框架填充墙相比具有较好的适用性和经济价值。

美国加州帕萨迪纳市的希尔顿饭店为13层高强混凝土砌块结构,经受圣佛南多大地震后完好无损,而毗邻的一幢10层钢筋混凝土结构却遭受严重破坏。

国外采用高粘度粘合性高强砂浆或有机化合物树脂砂浆甚至可以对缝砌筑。 在设计理论方面,20世纪60年代以来欧美许多国家逐渐改变长期沿用的按弹性理论的容许应力设计法。英国标准协会1978年编制了《砌体结构实施规范》,意大利砖瓦工业联合会于1980年编制的《承重砖砌体结构设计计算的建议》均采用极限状态设计方法。

一、块体材料

《砌体结构设计规范》GB50003-2001中可作为承重砌体的块体材料主要有:

1.烧结砖

(1)烧结普通砖

原料:粘土、煤矸石、页岩或粉煤灰

标准砖尺寸:240×115×53 mm

墙体尺寸:(120)、 240、 370、490、620… mm

适用范围: 房屋上部及地下基础等部位

(2)烧结多孔砖

原料同烧结砖,但孔洞率不小于25%

承重多孔砖目前主要采用P型砖(240×115×90)和M型砖(190×190×90)

多孔砖优点:可节约粘土、减少砂浆用量、提高工效、节省墙体造价;可减轻块体自重、增强墙体抗震性能

适用范围: 房屋上部结构(不宜用于冻胀地区地下部位)

2.蒸压硅酸盐砖

(1)蒸压灰砂砖

原料:石灰和砂

尺寸烧结普通砖

适用范围同蒸压粉煤灰砖

(2)蒸压粉煤灰砖

原料:粉煤灰和石灰加适量石膏及集料

适用范围:不得用于长期受热200℃以上、受急冷急热和有酸性介质侵蚀的建筑部位,MU15和MU15以上的蒸压灰砂砖可用于基础及其他建筑部位,蒸压粉煤灰砖用于基础或用于受冻融和干湿交替作用的建筑部位必须使用一等砖。

3. 单排孔混凝土小型空心砌块

原料:普通混凝土或轻骨料混凝土

主规格尺寸:(图例1、2)

空心率:20%~50%

4. 石材

分类:(按容重)重质岩石、轻质岩石(按其加工后的外形规则程度)可分为料石和毛石。

二、砌筑砂浆

砂浆作用:

(1)将单个的块体粘结成整体、促使构件应力分布均匀;

(2)填实块体之间的缝隙,提高砌体的保温和防水性能,增强墙体抗冻性能

1. 砂浆分类

(1)水泥砂浆;(2)混合砂浆;(3)砌筑专用砂浆;(4)非水泥砂浆

2. 砂浆性能

(1) 强度;(2) 流动性 (可塑性);(3) 保水性

三、钢筋、混凝土和砌块灌孔混凝土

1. 钢筋

2. 混凝土

3. 砌块灌孔混凝土(灌浆)

灌浆方法(高位、低位法)

四、块体和砂浆的强度等级

强度分级:

块体 (符号 MU)

普通砂浆(符号 M)

砌块灌孔混凝土(符号 Cb)

l 住宅、办公楼等民用建筑中广泛采用砌体承重。 所建房屋层数增加,5~6层高的房屋,采用以砖砌体承重的混合结构非常普遍,不少城市建到7~8层;重庆市70年代建成了高达12层的以砌体承重的住宅;在某些产石地区毛石砌体作承重墙的房屋高达6层;

l 在工业厂房建筑中,通常用砌体砌筑围墙;l 中、小型厂房和多层轻工业厂房,以及影剧院、食堂、仓库等建筑的承重结构;

l 可在地震设防区建造砌体结构房屋--合理设计、保证施工质量、采取构造措施。经震害调查和研究表明:地震烈度在六度以下地区,一般的砌体结构房屋能经受地震的考验;按抗震设计要求进行改进和处理,可在七度和八度设防区建造砌体结构的房屋。

l 配筋砌块建筑表现了良好抗震性能,在地震区得到应用与发展。美国是配筋砌块应用最广泛的国家,在1933年大地震后,推出了配筋混凝土砌块(配筋砌体)结构体系,建造了大量的多层和高层配筋砌体建筑。这些建筑大部分经历了强烈地震的考验。如:1952年建成的26栋6-13层的美退伍军人医院;1966年在圣地亚哥建成的8层海纳雷旅馆(位于9度区)和洛杉矶19层公寓;1990年5月在内华达州拉斯维加斯(7度区)建成了4栋28层配筋砌块旅馆。利用配筋砌块,我国各地建造了不少的砌体高层建筑: 1983年、1986年南宁已修建了配筋砌块10层住宅楼和11层办公楼试点房屋。采用MU20高强砌块,人工两次投料振捣,无法大量生产; 1988年本溪用煤矸石混凝土砌块配筋修建了一批10层住宅楼;1997年根据哈尔滨建筑大学、辽宁建科院等单位的研究结果,东北设计院设计在辽宁盘锦市建成一栋15层配筋砌块剪力墙点式住宅楼; 1998年,上海住宅总公司在上海建成了一栋配筋砌块剪力墙18层塔楼,这是我国最高的18层砌块高层房屋,而且是建在7度抗震设防的地区;2000年抚顺建成一栋6.6米大开间12层配筋砌块剪力墙板式住宅楼;2001年哈尔滨阿继科技园修建了12层配筋砌块房屋,其后一幢18层砌块高层也建成。

l 配筋砌体已成为与钢筋混凝土结构具有类似性能和应用范围的结构体系。

第1步:"轴线输入"

利用作图工具绘制建筑物整体的平面定位轴线。这些轴线可以是与墙、梁等长的线段也可以是一整条建筑轴线。可为各标准层定义不同的轴线,即各层可有不同的轴线网格,拷贝某一标准层后,其轴线和构件布置同时被拷贝,用户可对某层轴线单独修改。

第2步:"网点生成"

是程序自动将绘制的定位轴线分割为网格和节点。凡是轴线相交处都会产生一个节点,轴线线段的起止点也做为节点。这里用户可对程序自动分割所产生的网格和节点进行进一步的修改、审核和测试。网格确定后即可以给轴线命名。删除不无用的节点。

第3步:"构件定义"

是用于定义全楼所用到的全部柱、梁、墙、墙上洞口及斜杆支撑的截面尺寸,以备下一步骤使用。

第4步:"楼层定义"

是依照从下至上的次序进行各个结构标准层平面布置。凡是结构布置相同的相邻楼层都应视为同一标准层,只需输入一次。由于定位轴线和网点业已形成,布置构件时只需简单地指出哪些节点放置哪些柱;哪条网格上放置哪个墙、梁或洞口。

第5步:"荷载定义"

是依照从下至上的次序定义荷载标准层。凡是楼面均布恒载和活载都相同的相邻楼层都应视为同一荷载标准层,只需输入一次。

1、使砌体结构适应可持续性发展的要求。传统的小块粘土砖以其耗能大、毁田多,运输量大的缺点越来越不适应可持续发展和环境保护的要求。对其改革势在必行。发展趋势是充分利用工业废料和地方性材料。例如,用粉煤灰、炉渣、矿渣等垃圾或废料制砖或者板材,可变废为宝,用河泥、湖泥、海泥制砖等。2、发展高强、轻质、高性能的材料。发展高强、轻质的空心块体,能使墙体之中减轻,生产效率提高,保温性能良好,且受力更加合理,抗震性能也得到提高。发展高强度、高粘结胶合力的砂浆,能有效的提高砌体的强度和抗震性能。

3、采用新技术、新的结构体系和新的设计理论。配筋砌体有良好的抗震性能。采用工业化生产、机械化施工的板材和大型砌块等可以减轻劳动强度、加快施工进度。对墙体加预应力也是一种有效的办法。

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