《高等砌体结构》课件

《高等砌体结构》土木工程专业核心技术课程|理论与实践并重Contents课程结构概览高等砌体结构课程六大核心模块，从材料性能到结构设计，系统构建专业知识体系。01绪论：砌体结构发展与课程框架02砌体材料及其力学性能03砌体结构设计基本原理04无筋砌体构件承载力计算05配筋砌体构件承载力计算06混合结构房屋墙体设计CHAPTER01绪论：砌体结构发展与课程框架从古老砖石到现代配筋砌体，追溯砌体结构的演进脉络MasonryStructure·History砌体结构的定义与历史演进砌体结构是用砂浆将块体砌筑形成的承重结构，在"节土、节能、利废"政策驱动下，混凝土空心砌块和配筋砌体正成为主流方向。ANCIENT古代：经验建造时期长城、赵州桥、古罗马万神殿均为杰出代表，展现古代砌体技术的卓越成就依赖工匠经验而无系统力学理论，但部分建筑历经千年仍保存完好MODERNERA近代：理论形成时期机制砖和水泥砂浆广泛应用，砌体力学性能大幅提升，开始建立系统设计计算方法20世纪中叶各国陆续颁布设计规范，标志着从经验走向科学设计CONTEMPORARY现代：技术创新时期混凝土空心砌块、配筋砌体、预应力砌体等新技术涌现，显著改善抗震与承载力配筋砌块剪力墙研究达国际先进水平，纳入GB50003设计规范OVERVIEW课程特点与教学框架《高等砌体结构》具有内容涉及面广、经验性强、综合性突出三大特点。课程按"材料→原理→构件→结构"的逻辑递进编排，配合实验观摩、震害调查和设计实践等多元教学环节，培养学生从理论分析到工程设计的完整能力。涉及面广涵盖计算原理、材料力学性能、构件与结构设计三大板块，理论与试验并重，体系完整三大板块经验性强砌体材料离散性强，设计公式含大量试验系数与修正参数，需理解物理意义而非机械套用试验系数综合性突出设计需综合安全实用与经济合理原则，涉及方案选择、截面设计、材料选配等多维决策多维决策多元教学课堂精讲、震害录像、结构试验、课程设计实操及CAD施工图绘制，理论联系实际CAD实操规范前沿依据GB50003编写，融入配筋砌体、抗震设计等最新研究成果，兼顾系统性与前沿性GB50003CHAPTERSOVERVIEW课程章节结构与学习重点课程按"材料基础→设计原理→构件计算→结构设计"四阶段递进编排，其中无筋砌体承载力计算（第4章）和混合结构房屋墙体设计（第6章）为核心重点章节，需重点掌握。章节章节名称核心内容重要程度第1章绪论砌体结构发展历史、应用范围与发展趋势了解第2章砌体材料及其力学性能块体与砂浆种类、砌体受压/受拉/受剪强度、变形性能★★★第3章砌体结构设计原理极限状态设计法、荷载效应组合、可靠度理论★★第4章无筋砌体构件承载力计算受压构件承载力、局部受压验算、受弯/受剪/受拉计算★★★★第5章配筋砌体构件承载力计算网状配筋、组合砖砌体、构造柱组合墙、配筋砌块剪力墙★★★第6章混合结构房屋墙体设计承重体系、静力计算方案、墙柱高厚比、墙体设计方法★★★★第7章圈梁、过梁、墙梁、挑梁各类构造构件的受力分析与设计计算方法★★★第8章拱桥、墩台、涵洞及挡土墙特种砌体结构的设计方法与构造要求★★Chapter02砌体材料及其力学性能从块体、砂浆到砌体复合体，建立材料性能的完整认知体系MasonryMaterials块体与砂浆的种类及选用砌体由块体和砂浆两类基本材料组成。块体包括烧结砖、混凝土砌块和石材三大系列，在"节土节能利废"政策下混凝土砌块成为发展方向；砂浆按组成分为水泥砂浆、混合砂浆和石灰砂浆，需根据受力要求和环境条件合理选配。块体类型与强度等级混凝土小型空心砌块实拍烧结普通砖（MU10~MU30）历史悠久但逐步受限，烧结多孔砖可减轻自重、节约粘土，孔洞率一般为25%~40%混凝土小型空心砌块（MU5~MU20）节能环保，是当前政策鼓励推广的主要墙体材料，适用于多层和中高层住宅石材（MU30~MU100）强度高、耐久性好，常用于基础、挡土墙及桥梁墩台等承受较大荷载或恶劣环境的结构砂浆类型与选用原则砂浆施工现场实拍水泥砂浆（M5~M15）强度高、耐水性好，适用于地下水位以下及潮湿环境中的砌体，如基础、地下室墙体混合砂浆（M2.5~M15）掺入石灰膏改善和易性，施工操作方便、砌体质量易保证，广泛用于地面以上的一般砌体砂浆强度直接影响砌体整体承载力与粘结性能，设计时应根据构件受力等级和所处环境综合确定砂浆等级STRUCTURALCLASSIFICATION砌体结构的三大类型砌体按配筋方式分为无筋砌体、配筋砌体和配筋砌块砌体三类，分别适用于低层、多层与中高层建筑。无筋砌体仅由块体与砂浆组成，受压承载力较好，抗拉抗弯及抗震能力有限，多用于低层建筑7层以下网状配筋砌体水平灰缝中设钢筋网片，约束横向变形，显著提高受压承载力，承载力提升明显+15~30%组合砖砌体砖砌体与钢筋混凝土面层组合，兼具施工便利与高承载力优势，应用广泛双重优势构造柱组合墙墙体交叉处设钢筋混凝土构造柱，形成约束体系提升抗震性能，增强结构整体性抗震核心配筋砌块剪力墙砌块孔洞内插筋灌芯，形成等效剪力墙结构，适用于中高层住宅，经济高效12~18层STRUCTURALANALYSIS砌体受压破坏全过程与应力分析核心机理：砂浆横向变形大于砖，通过粘结力施加横向拉应力，使砖因弯拉作用先开裂，砌体抗压强度远低于块体本身。PHASE01单砖开裂50%~70%荷载个别砖块出现竖向细小裂缝，裂缝位于砖中部并沿竖向灰缝方向发展。砂浆横向变形大于砖，通过粘结力对砖施加横向拉应力，导致砖因弯拉作用而开裂。初始开裂PHASE02裂缝发展80%~90%荷载单砖裂缝沿竖向灰缝向上向下延伸，相邻砖的裂缝逐渐连通形成连续裂缝。即使荷载不再增加，裂缝仍会继续发展，标志着砌体已进入不稳定状态。失稳扩展PHASE03破坏阶段极限荷载连续裂缝将砌体分割成若干独立小柱体，小柱因侧向鼓出而最终被压碎。砌体破坏时的极限承载力远低于单块砖的抗压强度，体现了砌体作为复合体的薄弱特性。极限压溃MASONRYSTRENGTHANALYSIS砌体抗压强度影响因素与抗拉抗剪性能砌体抗压强度受块体强度、砂浆强度、施工质量和块体形状四大因素共同影响，其中块体强度是最主要的决定因素。块体强度主要决定因素，等级每提高一级，抗压强度提高约15%~25%15%~25%砂浆强度影响相对较小，高和易性砂浆改善灰缝饱满度，间接提升质量WORKABILITY施工质量决定灰缝饱满度与厚度均匀性，水平灰缝饱满度≥80%8~12mm抗拉破坏三种模式：沿齿缝、沿通缝、沿块体截面，通缝抗拉最低CONTROLCASE抗剪性能剪压复合受力效应，垂直压应力超阈值后反而加速破坏SHEAR-COMPRESSDEFORMATION&CONSTITUTIVE砌体变形性能与应力-应变关系砌体受压应力-应变曲线呈显著非线性特征，弹性模量取σ=0.43fm处的割线模量非线性特征：砌体受压应力-应变曲线呈显著非线性，弹性模量取σ=0.43fm处的割线模量。弹性模量估算：砖砌体弹性模量约为1300f～1600f，其中f为砌体抗压强度设计值。混凝土砌块注意：混凝土砌块收缩率较大，需额外关注温度与收缩应力对结构的不利影响。不同强度等级砖砌体受压应力-应变曲线高强度砌体峰值应力更高但极限应变相近，均呈显著非线性特征CHAPTER03砌体结构设计基本原理以概率理论为基础的极限状态设计法与荷载效应组合DESIGNMETHOD极限状态设计法与荷载效应组合《砌体结构设计规范》采用以概率理论为基础的极限状态设计法，分承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。砌体结构以承载能力极限状态为设计主控条件，正常使用极限状态通常通过构造措施满足。承载能力极限状态对应结构最大承载能力或不适宜继续承载的变形，如墙体受压破坏、倾覆失稳等，是设计主控条件主控条件正常使用极限状态对应裂缝宽度、变形等使用功能限值，砌体结构多通过限制高厚比和设置构造措施间接满足构造措施荷载分项系数基本组合中永久荷载取1.2（有利时1.0），可变荷载取1.4，组合值系数按规范取值γG=1.2·γQ=1.4材料分项系数砌体材料分项系数γm取1.6，反映材料离散性大的特点，高于混凝土结构γm=1.6设计表达式γ₀S≤R中γ₀为结构重要性系数，一级取1.1、二级取1.0、三级取0.9γ₀S≤R安全等级差异化不同安全等级通过γ₀取值体现差异化要求，确保结构可靠度与风险等级匹配三级体系DESIGNVALUES砌体强度设计值与调整系数砌体强度设计值由试验统计确定并除以材料分项系数γm=1.6。实际设计中还需根据施工等级、截面尺寸和砂浆类型进行多重调整，这些调整系数叠加使用，体现了对不同不利条件的综合考虑。抗压强度设计值设计值由平均值除以材料分项系数得到，规范按等级组合列表供查取γm=1.6施工质量等级C级施工低于B级标准时强度折减，A级施工可适当提高0.89/1.05小截面折减截面面积小于0.3m²时因缺陷概率增大导致承载力折减γa=A+0.7水泥砂浆折减保水性差、灰缝质量不易保证，抗压与抗拉分别折减0.9/0.8系数叠加效应多项不利条件同时存在时系数连乘，设计值可能大幅降低叠加≤70%CHAPTER04无筋砌体构件承载力计算系统掌握受压、局部受压、受弯、受剪构件的计算方法STRUCTURALANALYSIS受压构件承载力计算无筋砌体受压构件承载力公式为N≤φfA，核心参数影响系数φ综合反映高厚比β和偏心距e的双重影响。01核心公式N≤φfA——φ为高厚比β和偏心距e的函数，查规范表格确定；β=H₀/h，H₀为构件计算高度02轴心受压短柱——φ≈1.0，承载力由砌体抗压强度f和截面面积A直接决定，是最理想受力状态03轴心受压长柱——因纵向弯曲效应导致φ<1.0，高厚比越大φ越小，当β>24时承载力下降显著04偏心受压构件——有效受压面积随偏心距增大而减小，规范限制e≤0.6y以防止截面拉应力过大05非矩形截面构件——T形、十字形截面需按折算厚度计算高厚比，承载力计算原理与矩形截面一致MASONRYSTRUCTURES·LOCALCOMPRESSION砌体局部受压承载力验算砌体局部受压时，周围砌体的约束作用产生"套箍效应"，使局部承载力高于全截面均匀受压。规范引入提高系数γ反映此有利影响。当梁端局部受压不满足时，需设置刚性垫块或垫梁扩大受力面积。局部均匀受压承载力公式Nl≤γfAl，提高系数γ=1+0.35√(A₀/Al−1)，反映周围砌体的约束套箍效应。该系数随面积比增大而增大，但规范规定上限值防止过度依赖。影响面积A₀取值与局部受压位置有关：墙中部取(h+2c)b，墙角部取相应折减面积，需根据实际边界条件确定。γ=1+0.35√(A₀/Al−1)梁端支撑处局部受压梁端传力不均匀且存在转动，有效支撑长度a₀取决于梁截面刚度与砌体压缩性，一般小于实际支撑长度，需按规范公式计算确定。承载力公式ψN₀+Nl≤ηγfAl，ψ为上部荷载折减系数，η为梁端底面压应力图形完整系数。η=0.7（一般取值）刚性垫块下的局部受压当梁端局部受压不满足时，设置厚度≥180mm的预制混凝土刚性垫块，将集中力扩散到更大面积，有效降低局部压应力。垫块下砌体承载力按N₀+Nl≤φγ₁fAb验算，Ab为垫块面积，φ为考虑偏心距的影响系数。垫块厚度≥180mmSTRUCTURALANALYSIS受弯、受剪与受拉构件承载力计算无筋砌体的受弯、受剪和受拉承载力均远低于受压承载力。受弯破坏模式取决于弯曲方向与灰缝的关系；受剪时适度垂直压应力有利但过大则有害；受拉构件工程中较少见，主要用于圆形水池等特种结构。01受弯承载力M≤ftmW，弯曲抗拉强度取决于破坏截面方向：沿齿缝截面较高，沿通缝截面最低M≤ftmW02受剪承载力V≤(fv+αμσk)A，垂直压应力通过摩擦效应提高抗剪能力，α为修正系数（砖砌体取0.26）α=0.2603压应力限制当σk/f>0.8时，过大压应力反而削弱抗剪承载力，需按修正公式计算或限制压应力水平σk/f≤0.804轴心受拉承载力Nt≤ftA，ft为砌体轴心抗拉强度设计值，主要用于圆形水池池壁等环向受拉工况Nt≤ftA05工程建议受拉、受弯构件宜优先改用配筋砌体或钢筋混凝土构件，充分发挥钢筋的抗拉性能配筋砌体CHAPTER05配筋砌体构件承载力计算网状配筋、组合砖砌体、构造柱组合墙与配筋砌块剪力墙砌体结构·配筋与组合网状配筋砖砌体与组合砖砌体网状配筋通过钢筋网片约束砌体横向变形，形成三向受压状态，提高承载力15%~30%；组合砖砌体通过外包面层协同工作，提升更为显著。网状配筋砖砌体受力机理：钢筋网片约束砌体横向膨胀，使砌体处于三向受压状态，抗压承载力显著提高构造要求：网片间距≤5皮砖且≤400mm，钢筋直径3~4mm，网格尺寸30~120mm，配筋率0.1%~1%承载力公式：N≤φn(fnA+fyAs)，φn为高厚比影响系数，fn为配筋砌体抗压强度设计值水平灰缝中配置钢筋网片的砌体施工组合砖砌体构造形式：砖砌体外包钢筋混凝土面层或钢筋砂浆面层，两者通过拉结钢筋连接形成整体共同受力承载力计算：考虑砌体和混凝土（砂浆）面层的协同工作，按截面叠加法计算轴压和偏压承载力适用场景：轴压比高的承重柱和既有砌体结构加固工程，承载力提升幅度可达50%以上组合砖砌体构造柱施工现场STRUCTURALDETAIL砖砌体与构造柱组合墙构造柱是砌体结构抗震的核心措施，通过与圈梁连接形成空间骨架约束砌体变形。试验表明设置构造柱可使墙体抗震承载力提高10%~20%、变形能力提高2~3倍，使砌体房屋在大震下"裂而不倒"。构造柱与马牙槎连接施工实拍01构造柱设置在墙体交叉处、楼梯间四角及大洞口两侧等关键部位，与圈梁连接形成约束砌体的空间骨架体系02构造柱不独立承受竖向荷载，在地震作用下约束砌体横向变形、阻止裂缝扩展，维持墙体残余承载力03承载力公式引入组合系数ηc反映构造柱约束效应，抗震验算时需除以承载力抗震调整系数γRE=0.904柱截面≥240×180mm，纵筋≥4Φ12，箍筋间距≤250mm（加密区≤100mm），与墙体设马牙槎连接05唐山、汶川地震中设置构造柱的砌体房屋损坏程度显著轻于未设置构造柱的同类房屋STRUCTURALDESIGN配筋砌块砌体剪力墙设计配筋砌块砌体剪力墙在砌块孔洞中插筋灌芯，形成等效剪力墙体系，可建造12~18层中高层住宅。正截面按砌体、芯柱混凝土和钢筋协同工作计算，斜截面受剪跨比、轴压比和配箍率控制，是我国砌体结构向中高层发展的重要技术路径。复合剪力墙体系在砌块孔洞内配置竖向钢筋和水平分布钢筋并灌注混凝土芯柱，形成砌体-混凝土-钢筋协同工作的复合剪力墙。插筋灌芯正截面承载力按等效混凝土截面法计算，考虑砌体抗压、芯柱混凝土抗压和纵向钢筋受拉/受压的共同贡献。等效截面法斜截面抗剪受剪跨比λ控制：λ<1.5以压剪复合受力为主，λ>2.2以弯曲剪切为主，需分别验算。λ=1.5~2.2连梁设计原则遵循"强剪弱弯"原则，确保连梁在弯曲屈服前不发生剪切破坏，保证整体结构延性。强剪弱弯工程应用实绩已成功应用于多个12~18层住宅工程，层数比传统砌体提高一倍以上，综合造价更低。12~18层CHAPTER06混合结构房屋墙体设计承重体系选择、静力计算方案与墙体设计方法STRUCTURALSYSTEM承重体系类型与静力计算方案混合结构房屋按承重墙布置分为横墙承重、纵墙承重、纵横墙混合承重和内框架承重四种体系。静力计算方案按房屋空间工作性能分为刚性、刚弹性和弹性三种方案，划分依据为屋盖刚度和横墙间距。四种承重体系横墙承重体系：横墙承受楼面荷载，纵墙仅承自重与风荷载，适用于宿舍、住宅等小开间建筑纵墙承重体系：纵墙为主要承重墙，横墙仅起分隔和稳定作用，适用于教学楼、办公楼等大空间需求内框架承重体系：内部设钢筋混凝土框架柱替代内承重墙，底层可获大空间，适用于商店、餐厅等三种静力计算方案刚性方案：横墙间距小、屋盖刚度大，墙体顶端位移极小，计算时可视为不动铰支座，多层住宅多属此类弹性方案：横墙间距大或无横墙，墙体顶端可自由侧移，计算时按排架分析，单层厂房和仓库多属此类刚弹性方案：介于两者之间，墙体顶端有一定但非完全的侧移约束，计算时需引入空间性能影响系数η典型多层砖混结构住宅建筑外观STRUCTURALVERIFICATION墙柱高厚比验算高厚比验算β≤μ₁μ₂[β]是保证砌体墙体稳定性和施工安全的构造控制条件。允许高厚比[β]随砂浆强度等级递增（M2.5→22，M5→24，M7.5+→26），非承重墙和有洞口墙需分别修正，不满足时须增加墙厚或增设壁柱。验算公式β=H₀/h≤μ₁μ₂[β]，H₀为计算高度，h为墙厚，反映墙体整体稳定。该公式是砌体结构稳定性验算的核心控制方程。β=H₀/h允许高厚比取决于砂浆强度等级，砂浆越强允许高厚比越大。M2.5砂浆对应[β]=22，M5对应24，M7.5及以上可达26。22→26非承重墙修正h=240mm时μ₁=1.2，h=90mm时μ₁=1.5，受力较小有利。墙厚越薄、荷载越小，修正系数越大，可适当放宽高厚比限制。μ₁有洞口墙修正μ₂=1−0.4bs/s，洞口越大修正系数μ₂越小。bs为洞口宽度，s为相邻窗间墙或壁柱间距，开洞削弱墙体刚度。μ₂加固措施增加墙厚、提高砂浆强度、增设壁柱或构造柱。当验算不满足时，应优先采用构造措施改善墙体稳定性。构造柱STRUCTURALDESIGN刚性方案多层房屋墙体设计刚性方案多层房屋的墙体顶端可视为不动铰支座，承重墙按竖向受压构件计算。设计需同时满足受压承载力、局部受压和高厚比三项验算，底层墙底截面通常为最不利控制截面。01计算模型墙体顶端视为不动铰支座，每层承重墙简化为两端铰支竖向构件，现浇楼盖计算高度H₀取层高H。H₀=H02控制截面每层墙体底截面轴力最大，梁端支撑截面偏心距较大，两处须分别验算承载力。双截面验算03风荷载处理纵墙按连续梁分析；基本风压较小且横墙间距不大时可忽略，简化为纯受压计算。可忽略条件04局部受压梁端支撑处须验算局部受压承载力，不满足时设置刚性垫块扩大受力面积。刚性垫块05最不利截面底层墙底截面轴力累积最大、弯矩不可忽略，是墙体截面设计的决定性验算工况。底层墙底STRUCTURALDESIGN圈梁、过梁、墙梁与挑梁设计要点圈梁通过连续封闭布置增强房屋整体性并抵抗不均匀沉降；过梁承受洞口上方荷载，跨度大时需采用钢筋混凝土过梁；墙梁由托梁与上方砌体协同工作实现底层大空间；挑梁作为悬臂构件需验算抗倾覆和局部受压。砌体房屋圈梁浇筑施工实拍圈梁沿外墙和主要内墙连续封闭设置，截面宽度与墙厚相同、高度≥120mm，增强房屋整体刚度和抗震性能过梁承受洞口上方砌体自重及上层荷载，跨度≤1.5m可用砖砌平拱，跨度较大时须采用钢筋混凝土过梁墙梁分为简支、连续和框支墙梁，需验算托梁正截面与斜截面承载力及墙体受剪承载力挑梁需验算抗倾覆稳定性（Mov≤Mr）、挑梁下砌体局部受压以及受弯和受剪承载力CHAPTER07砌体拱桥、涵洞与挡土墙设计砌体结构在桥梁、地下工程与挡土结构中的拓展应用MASONRYSTRUCTURES拱桥、涵洞与挡土墙设计要点砌体拱桥设计核心是合理选择拱轴线使拱圈接近纯受压状态；砌体涵洞以盖板涵和拱涵为主，需考虑填土荷载和车辆荷载；重力式砌体挡土墙依靠自重抵抗土压力，需验算抗滑移、抗倾覆、地基承载力和墙身强度四项指标。砌体拱桥拱轴线选择是关键：恒载为主时优选悬链线，均布荷载时优选抛物线，小跨径时可用圆弧线简化计算拱圈受力以受压为主，需验算拱圈截面强度、拱座稳定性和拱上建筑与