教学材料《结构设计原理》-13

第一节圬工结构砌体的种类２块石砌体块石是按岩石层理放炮或锲劈而成的石材。要求形状大致方正，上下面大致平整，厚度为２００～３００ｍｍ，宽度为厚度的１．０～１．５倍，长度为厚度的１．５～３．０倍。块石一般不修凿加工，但应敲去尖角凸出部分。３细料石砌体细料石是由岩层或大块石材开劈并经粗略修凿而成。要求外形方正，成六面体，表面凹陷深度不大于１０ｍｍ，其厚度为２００～３００ｍｍ，宽度为厚度的１．０～１．５倍，长度为厚度的２．５～４．０倍。上一页下一页返回第一节圬工结构砌体的种类４半细料石砌体半细料石砌体同细料石砌体，但砌缝宽度不大于１５ｍｍ。５粗料石砌体粗料石砌体同半细料石砌体，但粗料石凹陷深度不大于２０ｍｍ，砌缝宽度不大于２０ｍｍ。桥涵结构中所用的石材强度等级有ＭＵ１２０、ＭＵ１００、ＭＵ８０、ＭＵ６０、ＭＵ５０、ＭＵ４０、ＭＵ３０。石材强度等级采用边长为７０ｍｍ含水饱和的立方体试件的抗压强度（ＭＰａ）。不同强度等级石材的强度设计值和不同尺寸的石材试件强度的换算系数分别见表１３-１和表１３-２上一页下一页返回第一节圬工结构砌体的种类二、混凝土圬工（１）混凝土预制块：是根据结构构造与施工要求，预先设计成一定形状和尺寸，然后浇筑而成。其尺寸要求不低于粗料石，且其表面应较为平整。应用混凝土预制块，可节省石材的开采加工工作，加快施工进度；对于形状复杂的块材，难以用石材加工时，更可显示出其优越性；另外，由于混凝土预制块形状、尺寸统一，因而砌体表面整齐美观。（２）整体浇筑的混凝土：整体浇筑的素混凝土结构，由于收缩应力较大，受力不利，故较少采用。对于大体积混凝土，为了节省水泥，可在其中分层掺入含量不多于２０％的片石，这种混凝土称为片石混凝土。其中片石强度等级不低于表１３-３规定的最低强度等级且不低于混凝土强度等级。（３）小石子混凝土：是由胶结料（水泥）、粗集料（细卵石或碎石，粒径不大于２０ｍｍ）、细料石（砂）加水拌合而成。上一页下一页返回第一节圬工结构砌体的种类在砌筑片石、块石砌体时，若用小石子混凝土代替砂浆，则砌体称为小石子混凝土砌体。小石子混凝土砌体的抗压强度比同强度等级的砂浆砌体的抗压强度高。对大体积结构如墩身等可采用片石混凝土砌体。该砌体是在混凝土中分层加入片石，但要求片石含量控制在砌体体积的５０％～６０％，片石强度等级不低于表１３-３中规定的石材最低强度等级，且不低于混凝土强度等级（表１３-４），片石净距４０～６０ｍｍ。三、砂浆砂浆是由胶结料（如水泥、石灰和黏土等）、粒料（砂）及水拌制而成。砂浆在砌体结构中的作用是将块材粘结成整体，并在铺砌时抹平块材不平的表面而使块材在砌体受压时能比较均匀地受力，此外，因砂浆填满了块材间隙，减少了砌体的透气性，从而提高了砌体的密实性、保温性与抗冻性。上一页下一页返回第一节圬工结构砌体的种类由于石灰砂浆及混合砂浆的强度较低，使用性能较差，故在桥梁工程中大都采用水泥砂浆。砂浆的物理力学性能指标主要有砂浆的强度、和易性和保水性。桥涵结构中采用的砂浆的强度等级有Ｍ２０、Ｍ１５、Ｍ１０、Ｍ７．５、Ｍ５。砂浆的强度等级采用边长为７．０７ｃｍ的标准立方体试件２８ｄ抗压强度（ＭＰａ）表示。设计时，砂浆强度等级应与块材强度等级相配合，如块材强度高，应配用强度较高的砂浆，如块材强度低，宜配用强度低的砂浆。上一页下一页返回第一节圬工结构砌体的种类砂浆的保水性是指砂浆在运输和使用过程中保持其均匀程度的能力。它直接影响砌体的砌筑质量，保水性好，砂浆在块材上能铺设均匀，若砂浆保水性差，砂浆易发生离析现象，新铺在块材上砂浆的水分很快散失或被块材吸去，使砂浆难抹平，从而降低砌体的砌筑质量，同时，砂浆因失去过多水分而不能进行正常的硬化作用，因而会大大降低砌体的质量，因此，在砌筑砌体前必须对吸水性很大的干燥块材洒水湿润其砌筑表面。上一页返回第二节砌体的强度与变形一、砌体的抗压强度１砌体受压应力状态砌体是由单块块材用砂浆粘结而成，它受压时的工作性能与单一均质的整体结构有很大的差别，而且砌体的抗压强度一般低于单块块材的抗压强度。砌体在受压破坏时，一个重要的特征是单块块材先开裂，且砌体的抗压强度总是低于它所用的块件的抗压强度，致使砌体的抗压强度不能充分发挥。这是由于砌体虽然承受轴向均匀压力，但砌体中块材并不是均匀受压，而是处于复杂应力状态，其原因如下：下一页返回第二节砌体的强度与变形（１）砂浆层的非均匀性及块材表面的不平整。由于在砌筑时，砂浆的铺砌不可能很均匀，又由于砂浆拌合不均匀，使砌缝砂浆层各部位成分不均匀，砂子多的部位收缩小，而砂子少的部位收缩大；另外，由于块材表面的不平整等，这些都导致了块材与砂浆层并非全面接触。因此，块材在砌体受压时，实际上处于受弯、受剪与局部受压等复杂的应力状态。（２）砌体横向变形时块材和砂浆的相互作用。砌体受压后，若块材和砂浆的变形为自由变形，一般块材的横向变形小，而砂浆的变形大，但是由于块材和砂浆间的粘结力和摩擦阻力约束了它们彼此的横向自由变形，只能有横向约束变形。这样，块材因砂浆的影响而增大了横向变形，砂浆因块材的影响又使其横向变形减小，因此，块材会受到横向拉力作用，而砂浆则处于三向受压状态，其抗压强度将提高。上一页下一页返回第二节砌体的强度与变形２影响砌体抗压强度的主要因素（１）块材的强度、尺寸和形状的影响。块材是砌体的主要组成部分，在砌体中处于复杂的受力状态，因此，块材的强度对砌体强度起主要的作用。（２）砂浆的物理力学性能。除砂浆的强度直接影响砌体的抗压强度外，砂浆等级过低将加大块材和砂浆的横向差异，从而降低砌体强度，但应注意单纯提高砂浆等级并不能使砌体强度有很大的提高。（３）砌筑质量的影响。砌筑质量的标志之一是灰缝的质量，包括灰缝的均匀性和饱满程度。砂浆铺砌得均匀、饱满，可以改善块材在砌体内的受力性能，使之比较均匀地受压，提高砌体抗压强度；反之，则降低砌体强度。上一页下一页返回第二节砌体的强度与变形３砌体抗压强度设计值《桥规》对砂浆砌体抗压强度设计值规定如下：（１）混凝土预制块砂浆砌体抗压强度设计值fｃｄ应按表１３-５的规定采用。（２）块石砂浆砌体抗压强度设计值fｃｄ应按表１３-６的规定采用。（３）片石砂浆砌体抗压强度设计值fｃｄ应按表１３-７的规定采用。二、砌体的抗拉、抗弯与抗剪强度试验证明，在多数情况下，砌体的受拉、受弯以及受剪破坏一般发生于砂浆与块材的连接面上，因此，砌体的抗拉、抗弯与抗剪强度取决于砌缝强度，亦取决于砌缝间块材与砂浆的粘结强度，而只有在砂浆与块材间的粘结强度很大时，才可能产生沿块材本身的破坏。上一页下一页返回第二节砌体的强度与变形砂浆与块材间的粘结强度按照砌体受力方向的不同分为两类：一类是作用力平行于砌缝时［图１３-１（ａ）］的切向粘结强度；一类是作用力垂直于砌缝［图１３-１（ｂ）］时的法向粘结强度。在正常情况下，粘结强度和砂浆强度有关，由于法向粘结强度不易保证，所以，在实际工程中不允许设计成利用法向粘结强度的轴心受拉构件。１轴心受拉强度在平行于水平砌缝的轴心拉力作用下，砌体的破坏有两种情况：一是砌体沿齿缝截面发生破坏，破坏面成齿状，如图１３-２（ａ）所示，其强度主要取决于砌缝与块材之间切向粘结强度；二是砌体沿竖向砌缝和块材破坏，如图１３-２（ｂ）所示，其强度主要取决于块材的抗拉强度。上一页下一页返回第二节砌体的强度与变形当拉力作用方向与水平砌缝垂直时，砌体可能沿通缝截面发生破坏，如图１３-２（ｃ）所示，其强度主要取决于砌缝与块材的法向粘结强度。２弯曲抗拉强度砌体处于弯曲状态时，可能沿图１３-３（ａ）所示的通缝截面发生破坏。此时砌体弯曲抗拉强度主要取决于砂浆与块材间的法向粘结强度。亦可能沿如图１３-３（ｂ）所示的齿缝截面发生破坏，其强度主要取决于砌体中砌块与砂浆间的切向粘结强度。３受剪强度砌体可能发生如图１３-４（ａ）所示的通缝截面受剪破坏，其强度主要取决于灰缝的粘结强度。上一页下一页返回第二节砌体的强度与变形砌体在发生如图１３-４（ｂ）所示的齿缝截面破坏时，其抗剪强度与块材的抗剪强度以及砂浆的切向粘结强度有关，随砌体种类而不同。片石砌体齿缝抗剪强度采用通缝抗剪强度的两倍。规则块材砌体的齿缝抗剪强度，取决于块材的直接抗剪强度，不计灰缝的抗剪强度，见表１３-８。《桥规》规定的各类砂浆砌体的轴心抗拉强度设计值fｔｄ、弯曲抗拉强度设计值fｔｍｄ和直接抗剪强度设计值fｖｄ应按表１３-８的规定采用。小石子混凝土砌块石、片石砌体强度设计值，应分别按表１３-９～表１３-１１的规定采用。上一页下一页返回第二节砌体的强度与变形三、砌体变形１砌体的弹性模量由砌体的应力－应变曲线可知，砌体的受压变形模量ｄσ/ｄε是一个变量，因而砌体的受压变形模量也有三种表示方法，即初始弹性模量、割线弹性模量以及切线弹性模量。由于在工程实际中，砌体的实际压力不超过（０．３～０．４）fｃｄ，而在此范围内，应力－应变曲线与割线较接近，因此，《桥规》中取σ＝０．４３fｃｄ处的割线模量作为圬工砌体的弹性模量，即上一页下一页返回第二节砌体的强度与变形《桥规》规定的砌体弹性模量按表１３-１２和表１３-１３取值。２圬工砌体的温度变形圬工砌体的温度变形在计算超静定结构温度变化所引起的附加内力时应予以考虑。温度变形的大小随砌筑块材与砂浆的不同而不同。设计中把温度每升高１℃，单位长度砌体的线性伸长称为该砌体的温度膨胀系数，又称线膨胀系数。上一页返回表１３-１石材强度设计值返回表１３-２石材试件强度的换算系数返回表１３-３圬工材料的最低强度等级返回表１３-４混凝土强度设计值返回表１３-５混凝土预制块砂浆砌体抗压强度设计值fcd返回表１３-６块石砂浆砌体抗压强度设计值fcd返回表１３-７片石砂浆砌体抗压强度设计值fcd返回图１３-１粘结强度返回图１３-２轴心受拉砌体的破坏形式返回图１３-３受弯砌体的破坏形式返回图１３-