教学资料《砌体结构》-第13章

13.1基本概念13.1.1砌体结构的概念砌体结构是指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。它是土木工程中一种主要的承重结构。石材是人类最早认识和利用的天然材料之一。我国殷商时期的建筑遗址中，已发现石质柱基的应用。秦汉以后，石质结构得到很大发展，许多石墓室、石窟寺、石塔、石桥等保留至今。公元前27前26世纪，在现埃及开罗近郊的吉萨建造了3座大金字塔(图13.1),采用石块建成，且都是精确的正方锥体。其中古埃及第四王朝法老胡夫的金字塔最大，高146.6m，底边长230.6m。下一页返回13.1基本概念公元7082年用石块建成的罗马大斗兽场(图13.2)，平面为椭圆形，长轴189m,短轴156.4m，总高48.5m，共四层。我国隋朝名匠李春于公元595605年建成的赵州桥(图13.3)，净跨:37.02m，是世界上著名的单孔空腹式石拱桥。人们对砖用作建筑材料，往往以“秦砖汉瓦”来形容它的历史悠久，事实上早在周朝已有关于砖的记载。考古发掘中已发现战国晚期的砖结构实物，自南北朝开始地上砖结构逐渐增多。长城(图13.4)是举世最宏伟的土木工程之一。它始建于公元前7世纪春秋时期的楚国，在秦代用乱石和土将秦、燕、赵长城连成一体并增筑新的长城，长达一万余里。明代长城长12700余里，其部分地段采用整齐的条石和特制的城砖砌成。战国时期(公元前475前221年)已能烧制大尺寸空心砖。上一页下一页返回13.1基本概念篙岳寺塔(图13.5)建于公元523年，平面为十二边形，总高43.5m，共15层，是我国古老的密檐式砖塔。中世纪欧洲用砖砌筑的拱、券(xudn),育窿和圆顶等结构有很大发展。公元532537年建于君士坦丁堡的圣索菲亚大教堂(图13.6)，为大跨砖结构。关于砌体结构理论，就国际发展情况来看，苏联是世界上最先较系统地建立砌体结构理论基础和设计方法的国家。20世纪60年代以来，欧美等地许多国家加强了对砌体材料的研究和生产，在砌体结构理论、设计方法以及应用上也取得了许多成果，推动了砌体结构的发展。国外不少国家砌体材料的强度高，砖的空心率较大，如砖的抗压强度一般达到30-60MPa，且能生产抗压强度高于100MPa的砖。上一页下一页返回13.1基本概念有的国家空心砖的产量占砖总产量的8000-9000，空心率达60000。20世纪60年代，世界上发达国家已完成了从实心茹土砖向各种轻板、高效能墙材的转变，形成了以新型墙体材料为主、传统墙体材料为辅的产品结构，走上了现代化、产业化和绿色化的发展道路。由于砌体材料强度高，性能优良，国外采用砌体做承重墙建造了许多高层建筑。美国总结了1931年新西兰纳皮尔大地震和1933年加利福尼亚长滩大地震中无筋砌体受到严重震害的经验，在世界上最先推出配筋混凝土砌块砌体剪力墙结构体系，已建成许多高层建筑。不少国家正在改变长期沿用的按弹性理论的允许应力设计法的传统，积极采用极限状态设计法及近似概率设计法。上一页下一页返回13.1基本概念20世纪中期以前，我国砌体结构发展缓慢。新中国成立以来，砌体结构得到了快速发展，取得了显著进步。我国已从过去用砖、石砌体建造低矮的民房，发展到现在建造大量的多层住宅、办公楼等民用建筑以及中、小型工业建筑和构筑物，还在地震区建造砌体结构房屋方面积累了丰富的经验。20世纪60年代以来，我国在砌体结构的试验研究、理论分析和设计方法方面取得了重大成就，逐步形成了具有我国特点、比较先进的砌体结构理论和设计方法。20世纪90年代以来，在吸收和消化国外配筋砌体结构成果的基础上，建立了具有我国特点的配筋混凝土砌块砌体剪力墙结构体系，大大拓宽了砌体结构在高层房屋及在抗震设防地区的应用。上一页下一页返回13.1基本概念1973年制定了我国第一部《砌体结构设计规范》(GBJ31973)o自20世纪80年代至今，我国砌体结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，新颁布的《砌体结构设计规范》(GB500032011)使我国砌体结构的理论体系更为完整、充实。纵观历史，砌体结构在不断发展，尤其是20世纪60年代以来，砌体材料、砌体结构理论与设计及其应用取得了显著的成绩。13.1.2砌体结构的优缺点砌体结构的主要优点包括如下方面:(1)容易就地取材。砖主要用豁土烧制，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。上一页下一页返回13.1基本概念(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。

(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为墙体时，可以减轻结构自重，加快施工进度，进行工业化生产和施工。砌体结构的主要缺点包括如下方面:(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。上一页下一页返回13.1基本概念(3)砌体的抗拉、抗剪强度都很低，因而抗震能力较差，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)黏土砖需用茹土制造，在某些地区过多占用农田，影响农业生产。13.1.3发展趋势

(1)使砌体结构适应可持续发展的要求。传统的小块茹土砖以其耗能大、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板材，变废为宝，用河泥、湖泥、海泥制砖等。上一页下一页返回13.1基本概念(2)发展高强、轻质、高性能的材料。发展高强、轻质的空心块体，能使墙体自重减轻，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。

(3)采用新技术、新的结构体系和新的设计理论。上一页返回13.2砌体材料13.2.1块材块材有烧结普通砖、烧结多孔砖、蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖、混凝土普通砖、混凝土多孔砖、混凝土砌块、轻集料混凝土砌块和天然石材。

1.烧结普通砖以茹土、页岩、煤砰石或粉煤灰为主要原料，经过焙烧而成的实心或孔洞率不大于15%的砖称为烧结普通砖。实心茹土砖是烧结普通砖的主要品种，是我国广泛使用的砌体材料。其生产工艺简单，便于手工操作，保温隔热及耐火性良好，强度较高。但由于实心豁土砖浪费良田，污染环境，我国已经限制使用。下一页返回13.2砌体材料烧结普通砖的标准规格为240mmX115mmX53mm。为符合砖的规格，砖砌体的墙厚有240mm,370mm,490mm,620mm,740mm等尺寸。烧结普通砖的强度等级是根据标准试验方法(半砖叠砌)所测得的抗压强度，并考虑了规定的抗拆强度要求确定的。烧结普通砖共有MU30,MU25,MU20,MU15和MU10五个强度等级。

2.烧结多孔砖烧结多孔砖是以豁土、页岩、煤砰石或粉煤灰为主要原料，经焙烧而成，孔洞率不大于3500，砖内孔洞内径不大于22mm，孔的尺寸小而数量多，主要用于承重部位的砖，简称多孔砖。目前多孔砖分为M型砖和P型砖。国家茹土空心砖标准推荐了三种规格。上一页下一页返回13.2砌体材料KM1外形尺寸为190mmX90mmX190mm及90mmX90mmX190mm两类(图13.7)。

KP1外形尺寸为240mmX115mmX90mm[图13.8(a)]。

KP2外形尺寸为240mmX180mmX115mm[图13.8(b)]、240mmX115mmX115mm[图13.8(c)]及180mmX115mmX115mm[图13.8(d)]三类。另外，孔洞率等于或大于1500，一般在25%以上，孔的尺寸大而数量少的砖称为空心砖(图13.9)，常用于非承重部位，往往作为填充墙使用。上一页下一页返回13.2砌体材料3.非烧结硅酸盐砖(蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖)

蒸压灰砂砖是以石英砂和石灰为主要原料，也可加入着色剂或掺和料，经坯料制备、压制成型、蒸压养护而成的砖;蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰为主要原料，掺加适量的石膏和集料，经坯料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成4.混凝土普通砖和混凝土多孔砖以水泥为胶结材料，以砂、石等为主要集料，加水搅拌、成型、养护制成的实心砖或多孔砖，称为混凝土普通砖或混凝土多孔砖。混凝土普通砖的主规格尺寸为240mmX115mmX53mm,240mmX115mmX90mm等。上一页下一页返回13.2砌体材料

混凝土多孔砖的主规格尺寸为240mmX115mmX90mm,240mmX190mmX90mm,190mmX190mmX90mm等。混凝土普通砖和混凝土多孔砖分为MU30,MU25,MU2。和MU1;}四个强度等级。

5.混凝土砌块和轻集料混凝土砌块由普通混凝土或轻集料混凝土制成的砌块，称为混凝土砌块或轻集料混凝土砌块。其尺寸较大，用于砌筑砌体可减轻劳动量、加快施工进度、减轻结构自重。砌块按尺寸可分为小型、中型和大型三种。上一页下一页返回13.2砌体材料一般把高度为180-350mm的砌块称为小型砌块(图13.10、表13.1)，主要规格为390mmX190mmX190mm;高度为360-900mm的砌块称为中型砌块;高度大于900mm的砌块称为大型砌块。

6.天然石材在承重结构中，常用的天然石材有花岗石、石灰石、凝灰石等经过加工制成的块材。天然石材具有抗压强度高、抗冻性能好的优点。13.2.2砂浆砂浆是由胶结料、细集料、掺加料和水配制而成的。砂浆将单块的块材粘结成一个整体，铺平受力面，使应力均匀传递，填满了块材间的缝隙，减低了砌体的透风性，从而提高了砌体的隔热、防水和抗冻性能。上一页下一页返回13.2砌体材料砂浆的强度等级，是以边长为70.7mm的立方体试块，按标准条件养护至28d，进行抗压试验所得的极限抗压强度(}I/mmz)确定的，共有M15M10,M7.5,M5和M2.5五个强度等级巨M表示砂浆(Mortar)。工程上由于块体的种类多，确定砂浆强度等级是采用同类块体为砂浆强度试块底模。如对于蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖砌体，应采用相应的蒸压灰砂砖或蒸压粉煤灰砖作砂浆试块的底模。若采用普通烧结砖作底模，其砂浆强度提高，导致砌体抗压强度约提高1000，与实际砌体的抗压强度不符。对于多孔砖砌体，则应采用同类多孔砖侧面作砂浆强度试块的底模。上一页下一页返回13.2砌体材料

砂浆按其组成可分为四类:(1)水泥砂浆。它是由水泥和砂加水拌合而成，不加掺和料(石灰膏、电石膏、黏土膏)的纯水泥砂浆。其强度高、耐久性好，但和易性和保水性差，适用于强度较高以及潮湿环境中的砌体。

(2)混合砂浆。它是有塑性掺和料的水泥砂浆，如水泥石灰砂浆、水泥茹土砂浆等。

(3)非水泥砂浆。它是指不含水泥的石灰砂浆、黏土砂浆和石膏砂浆。其强度不高，耐久性较差，通常用于地上简易建筑中的砌体。

(4)专用砂浆。对于混凝土小型空心砌块砌体，应采用专用砂浆砌筑，即采用混凝土小型空心砌块砌筑砂浆。上一页下一页返回13.2砌体材料13.2.3混凝土、钢筋砌体结构中采用的混凝土和钢筋的强度等级及强度指标，可查阅《混凝土结构设计规范》(GB500102010)o混凝土小型空心砌块砌体需灌孔时，应采用专用的混凝土，即采用混凝土小型空心砌块灌孔混凝土。它由水泥、集料、水以及根据需要掺入的掺和料和外加剂等，按一定的比例，采用机械搅拌制成，用于浇筑混凝土小型空心砌块砌体的芯柱或需要填实部位的孔洞。它是一种高流动性和低收缩的细石混凝土，使砌块建筑的整体工作性能、抗震性能及承受局部荷载的能力等有明显的改善和提高。混凝土小型空心砌块灌孔混凝土的强度等级有Cb40,Cb35,Cb30,Cb25和Cb20，其抗压强度相应于C40,C35,C30,C25和C20混凝土的抗压强度指标。上一页下一页返回13.2砌体材料13.2.4块材和砂浆的选用块材的选用，应本着因地制宜、就地取材的原则，按照建筑物的使用要求、和耐久性，建筑物的层数和层高，受力特点和使用环境等因素综合考虑。

(1)地面以下或防潮层以下的砌体，潮湿房屋的墙或环境类别为二类的砌体，的最低强度等级应符合表13.2的要求。(2)处于环境类别二一五类等有侵蚀性介质的砌体材料应符合规定。上一页返回13.3砌体的受压性能13.3.1砌体轴心受压的破坏特征砌体的受压工作性能与单一匀质材料有明显的区别，由于砂浆铺砌不均匀等因素，块材的抗压强度不能充分发挥，使砌体的抗压强度一般均低于单个块材的抗压强度。为了正确了解砌体的受压工作性能，下面通过试验分析砖砌体轴心受压的破坏过程。如图13.11所示的普通砖砌体试件，当压力作用于截面形心上时，即所谓的轴心受压。试验表明，砖砌体在轴心压力作用下，从加压到破坏，大致经历三个阶段。

1.第一阶段当砖砌体上加的荷载为破坏压力N，值的5000^70%时，将会在薄弱部分出现第一条裂缝(有时有几条，又称第一批裂缝)，如图13.11(a)所示。下一页返回13.3砌体的受压性能这一阶段的特点是如不再增加压力，裂缝将不会继续发展。在毛石砌体中，由于毛石及灰缝形状不规则，砌体匀质情况差，出现第一条(批)裂缝压力N的相对比值更小，约为破坏压力N,的302.第二阶段对出现第一条(批)裂缝后的砌体，如继续增加压力，砌体内裂缝增多，单块砖内的个别裂缝会继续发展，并逐渐扩展连通，形成贯通几皮砖的竖向裂缝。这时，即使压力不再增加，裂缝还有继续发展的趋势，砌体处于危险状态，此时砌体承受的压力为破坏压力N的80^90上一页下一页返回13.3砌体的受压性能3.第三阶段已进入第二阶段的砌体，如压力再稍有增加，砌体中的裂缝将迅速发展，其中几条主要裂缝上下贯通，将砌体分割成几个小柱体，接着独立小柱体因失稳或压碎而导致整个砌体破坏。13.3.2影响砌体抗压强度的主要因素由上述分析，砌体工作情况比较复杂，影响砌体抗压强度的因素也很多，主要有以下几个方面:1.块材和砂浆的强度块材和砂浆的强度是影响砌体强度的重要因素。块材的强度等级高，在砌体受压时，其受弯、剪和水平拉力的影响相对减弱，同时块材本身的抗压强度也高，从而提高了砌体的强度。上一页下一页返回13.3砌体的受压性能砂浆的强度高，灰缝的横向应变小，在砌体中的块材受到弯、剪和横向水平拉力小，砌体的强度就高。2.块材的外形和尺寸块材的形状比较规则、平整，则其受弯、剪应力的不利影响相对较小，砌体的强度相对提高。块材的尺寸(特别是高度)增大，弯矩和剪力产生的应力及灰缝也随之减小，砂浆横向变形在块材中产生的拉应力相对减弱，从而提高了砌体的强度。

3.砂浆的和易性及保水性砂浆的和易性及保水性好，则灰缝厚度比较一致，砂浆饱满度高，块材受力均匀，复合应力的影响降低，砌体的强度有所提高。纯水泥砂浆的和易性和保水性较差，用纯水泥砂浆砌筑的砌体抗压强度一般比相同等级的混合砂浆砌筑的砌体抗压强度降低10%。上一页下一页返回13.3砌体的受压性能4.块体的规整程度和尺寸块体表面越规整、平整，越有利于改善砌体内的复杂应力状态，使砌体抗压强度提高。如毛石砌体的抗压强度要比相应的毛料石砌体抗压强度低很多。块体的尺寸，尤其是块体高度(厚度)对砌体的抗压强度亦有较大的影响。高度大的块体的抗弯、抗剪和抗拉强度增大，砌体抗压强度提高。但块体的高度加大后，砌体受压破坏的脆性增大。

5.砂浆灰缝厚度砂浆水平灰缝的厚度对砌体抗压强度的影响，实质上就是它对砌体内复杂应力综合作用不利影响的改善程度。灰缝越厚，灰缝内砂浆横向变形越大，加剧了砌体内复杂应力的不利影响，使块材拉应力增大;砂浆水平灰缝厚，灰缝不易饱满，块材也处于不利的复杂应力状态。上一页下一页返回13.3砌体的受压性能因此，应尽量减小复杂应力对块材的不利影响，寻求最佳灰缝厚度。对于砖砌体，水平灰缝厚度控制在8-12mm，对砌体强度最为有利。除了上述影响外，砌筑质量也会对砌体强度产生影响，如块材在砌筑时的含水率、工人技术水平等。其中砂浆水平灰缝的砂浆饱满度影响较大。我国《砌体结构工程施工质量验收规范》(GB502032011)规定，水平灰缝砂浆饱和度不得低于8000013.3.3砌体的抗压强度平均值计算公式我国《砌体结构设计规范》(GB500032011)根据大量的试验结果砂浆的强度高，灰缝的横向应变小，在砌体中的块材受到弯、剪和横向水平拉力小，砌体的强度就高。抗压强度平均值计算公式:上一页下一页返回13.3砌体的受压性能

式中f1一块体(砖、石、砌块)抗压强度等级值(N/mm2);fi一砂浆抗压强度平均值(N/mm2);a一随砌体中块材类别等因素而变化的系数(表13.3);k1,k2一砌体强度修正系数(表13.3)13.3.4砌体的抗压强度标准值fk砌体的抗压强度标准值，是指具有9;}%保证率的抗压强度值，《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB500682001)规定，材料强度按正态分布时标准值为:上一页下一页返回13.3砌体的受压性能式中，对于各类砌体(毛石除外)的抗压强度，f取为0.17，则其抗压强度标准值为:fk=0.72f,(13.3)各类砌体的抗压强度标准值见表13.4~表13.7。13.3.5砌体的强度设计值同混凝土一样，砌体的强度设计值也是砌体的强度标准值引入一个材料分项系数Yr，即式中，一般情况下，Yr宜按施工质量控制等级为B级考虑，取yr=1.6。上一页下一页返回13.3砌体的受压性能施工质量控制等级划分要求应符合《砌体结构工程施工质量验收规范》(GB502032011)的规定。龄期为28d的以毛截面计算的各类砌体的抗压强度设计值，当施工质量控制等级为B级时，应根据块体和砂浆的强度等级分别查表采用，见表13.8一表13.14。13.3.6砌体的轴心受拉、受弯和受剪性能

1.砌体轴心受拉砌体在轴心拉力作用下，视拉力作用于砌体的方向，有三种破坏形式:(1)齿缝破坏。力的作用方向平行于灰缝，当块材的强度较高，砂浆的强度较低，砂浆与块材间的切向粘结力低于块材的抗拉强度时，将沿灰缝的齿状发生破坏[图13.13(a)]。上一页下一页返回13.3砌体的受压性能(2)块体截面破坏。力的作用方向平行于灰缝，当块材的强度低，砂浆的强度高，砂浆与块材的切向粘结力高于砖的抗拉强度时，将沿竖向灰缝砖面发生破坏

(3)沿通缝破坏。力的作用方向垂直于水平灰缝，这时在水平灰缝中产生法向拉应力，由于砂浆与块材间的法向粘结强度一般较小，故砌体极易沿水平灰缝发生破坏。

2.砌体弯曲受拉用块材砌筑的挡土墙、砖过梁等砌体结构，在弯矩作用下，因受拉而破坏。砌体的弯曲受拉，也有三种破坏形式:弯矩作用产生的拉应力使砌体沿齿缝截面破坏，称作沿齿缝弯曲受拉破坏[图13.14(a)];沿块体截面破坏，称作沿块体弯曲受拉破坏[图13