《砼结构与砌体结构设计》第5章 砌体结构

第5章砌体结构《砼结构与砌体结构设计》课程教学课件Contents本章内容概览《砼结构与砌体结构设计》第5章砌体结构01砌体材料种类与力学性能02砌体结构静力计算方案与内力分析03受压构件承载力分析与验算04过梁、挑梁与墙梁构件设计Chapter01砌体材料种类与力学性能从块体、砂浆的分类到强度等级选择，构建砌体结构的材料认知体系MASONRYSTRUCTURE砌体结构概述与应用范围砌体结构是由块体和砂浆砌筑而成的承重结构，具有就地取材、造价低廉、施工简便等优点，广泛应用于多层住宅和中小型公共建筑。砌体结构在多层住宅建筑中的典型应用01构成原理：由块体（砖、砌块、石材）与砂浆通过砌筑方式组合而成，依靠砂浆粘结力和块体间的摩擦力形成整体受力体系02核心优势：就地取材成本低、施工工艺简单无需大型设备、耐火性和耐久性良好、保温隔热性能优于混凝土结构03主要局限：自重大导致基础造价增加、抗拉和抗剪强度低限制高层应用、砌体质量受施工水平影响大且难以工业化生产04发展趋势：发展高强轻质砌块、推广配筋砌体提高抗震性能、完善工业化预制砌体技术以缩小与混凝土结构的性能差距Chapter5·MasonryStructure块体的主要种类与分类体系砌体结构块体按材质分为砖、砌块和石材三大类。砖类以烧结普通砖和多孔砖最为常见；砌块类以小型混凝土砌块应用最广；石材多用于基础和挡土墙。砖类块体01烧结普通砖（红砖）标准尺寸240×115×53mm，适用于各类承重墙体02烧结多孔砖孔洞率≥15%，自重较轻且保温性好，多层住宅主推材料03蒸压灰砂砖和粉煤灰砖属免烧砖，利用工业废料，符合绿色建筑方向烧结多孔砖砌块类块体01小型砌块主规格390×190×190mm，施工灵活，应用最广泛的砌块类型02混凝土砌块强度高、耐久性好，适用于多层和高层配筋砌体承重墙体03加气混凝土砌块质轻保温优异但强度较低，用于框架填充墙和非承重隔墙混凝土小型空心砌块石材类块体01料石砌体采用经加工的规则石材，外形整齐、承载力高，用于重要承重墙体02毛石砌体采用自然石材，施工简单造价低，常用于基础、挡土墙和围墙03毛石混凝土砌体兼具石材经济性和混凝土整体性，适用于大体积基础毛石挡土墙工程MATERIALSTRENGTH块体强度等级与选用要求块体强度等级以"MU+数值"表示，数值即抗压强度标准值（MPa）。烧结砖强度覆盖MU10~MU30，砌块覆盖MU5~MU20，石材可达MU100。工程中需根据结构部位、受力要求和耐久性条件合理选择强度等级，地下及潮湿部位有更严格的最低强度限制。各类块体的强度等级范围块体类型强度等级（MU）说明烧结普通砖/烧结多孔砖MU30、MU25、MU20、MU15、MU10多层住宅墙体常用MU10~MU15蒸压灰砂砖/蒸压粉煤灰砖MU25、MU20、MU15、MU10免烧砖，适合非严寒地区混凝土砌块MU20、MU15、MU10、MU7.5、MU5配筋砌体宜选用MU10及以上石材MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30、MU20基础和挡土墙常用MU30~MU50不同类型块体的强度等级覆盖范围不同，石材最高可达MU100，砖类和砌块一般在MU5~MU30之间MortarClassification&Selection砂浆种类、强度等级与选用原则砂浆分为水泥砂浆、混合砂浆、石灰砂浆和粘土砂浆四类，强度等级从M2.5到M15共5级；混合砂浆因施工性好成为地上墙体首选，水泥砂浆用于地下及潮湿部位。水泥砂浆由水泥+砂+水组成，强度高且耐水性好，适用于基础、地下室外墙及防潮层以下的砌体地下·基础·防潮强度等级分为M15、M10、M7.5、M5、M2.5五级，数字代表28天立方体抗压强度平均值（MPa）28天抗压·MPa混合砂浆掺入石灰膏改善和易性，保水性好、砌筑方便，是地上承重墙体的首选砂浆类型地上·承重·首选住宅选用多层砌体住宅承重墙通常选用M5~M10混合砂浆，底层和受力较大部位可适当提高至M10~M15M5–M10·承重墙石灰与粘土砂浆强度低且耐水性差，仅适用于干燥环境中的临时建筑或非承重隔墙临时·非承重·干燥地下耐久性地面以下或防潮层以下砌体必须采用水泥砂浆，且最低强度不低于M5，以保证耐久性≥M5·水泥砂浆CHAPTER05·MASONRYSTRUCTURE块体与砂浆的耐久性选用要求地面以下和防潮层以下砌体的材料选择受基土潮湿程度和气候条件双重约束。严寒地区含饱和水基土中，砖最低需MU20、砂浆不低于M10，以抵抗冻融循环的破坏作用。地面以下砌体材料最低强度等级要求基土潮湿程度粘土砖（严寒地区）粘土砖（一般地区）混合砂浆水泥砂浆稍潮湿的MU10MU10MU10M5很潮湿的MU15MU10MU15M7.5含饱和水的MU20MU15MU20M10基土越潮湿、气候越严寒，对砌体材料的最低强度等级要求越高，以抵抗水分侵入和冻融循环造成的耐久性问题CHAPTER5·MASONRYSTRUCTURES砌体的抗压强度与影响因素砌体抗压强度是砌体结构设计的核心力学指标，受块体强度、砂浆强度、砂浆和易性和施工质量等多因素综合影响。块体强度是主要决定因素，砂浆强度的贡献存在上限效应。砌体抗压强度设计值还需根据施工质量控制等级进行调整。BLOCKSTRENGTH块体强度主导砌体抗压强度随块体强度等级提高而增大，块体是砌体受压时的主要承载骨架，其强度对砌体抗压承载力的贡献最为显著。主承载骨架MORTARSTRENGTH砂浆强度上限效应砂浆强度对砌体抗压强度的影响存在上限效应：低强度砂浆时提升明显，但当砂浆强度超过块体强度的一定比例后增益递减。增益递减WORKABILITY砂浆和易性砂浆和易性影响灰缝的饱满度和均匀性，和易性好的砂浆能保证砌体应力均匀传递，减少局部应力集中导致的提前破坏。应力均匀传递QUALITYCONTROL施工质量控制等级施工质量等级分A、B、C三级，B级质量控制下砌体强度设计值需乘以调整系数0.89，C级需乘以0.79。×0.89/0.79第5章·砌体结构砌体抗拉、抗剪强度与弹性模量砌体的抗拉和抗剪强度远低于抗压强度，主要取决于砂浆与块体的粘结力。弹性模量是计算变形和内力分配的关键参数，与砌体抗压强度正相关。01轴心抗拉强度仅为抗压强度的1/10～1/20，由砂浆与块体界面粘结力控制，应尽量避免承受轴心拉力1/10~1/2002弯曲抗拉模式分沿齿缝截面与沿通缝截面两种，需根据受力方向选取对应强度设计值分别验算齿缝·通缝03抗剪强度由砂浆粘结力和正压力摩擦力组成，正压力越大抗剪承载力越高粘结+摩擦04弹性模量E与抗压强度设计值f正相关，用于计算构件变形、侧移和超静定结构内力分配E∝f05变形与裂缝控制线膨胀与收缩系数影响温度应力和干缩裂缝，需设伸缩缝和构造柱控制伸缩缝·构造柱Chapter02砌体结构静力计算方案与内力分析从结构空间刚度出发，理解刚性方案、弹性方案和刚弹性方案的受力差异与计算方法Section05·MasonryStructure砌体结构房屋承重体系与计算方案分类砌体结构房屋按承重体系分为横墙承重、纵墙承重、纵横墙混合承重和内框架承重四种。静力计算方案则根据房屋空间刚度分为刚性方案、弹性方案和刚弹性方案，其核心区别在于楼盖对墙体的水平约束程度不同，决定了不同的结构计算模型。四种承重体系01横墙承重：横墙间距小（≤4.2m），整体刚度好，多层住宅首选≤4.2m02纵墙承重：适合大开间教学楼和办公楼，纵墙承受主要荷载大开间适用03纵横墙混合：纵横墙均承受荷载，适用于平面布局复杂的建筑双向受力04内框架承重：内部框架与外部墙体共同承重，适合大空间需求大空间适用三种静力计算方案01刚性方案：楼盖刚度大且横墙间距小，可假定墙体在楼盖处有不动铰支座，计算最为简化空间刚度好·不动铰支座02弹性方案：楼盖刚度小或横墙间距大，不能约束墙体水平位移，按平面排架计算空间刚度差·平面排架03刚弹性方案：楼盖对墙体有部分水平约束，需引入空间性能影响系数η来反映实际约束程度部分约束·系数ηStaticAnalysisScheme静力计算方案的判定条件与横墙间距静力计算方案的判定取决于横墙间距s和屋盖/楼盖类型两个因素。横墙间距越小、楼盖刚度越大，房屋空间刚度越好，越趋向刚性方案。房屋静力计算方案分类表屋盖或楼盖类型刚性方案刚弹性方案弹性方案

TYPEI整体式/装配式钢筋混凝土屋盖或楼盖s≤32m32<s≤72ms>72m

TYPEII轻钢屋盖/有檩体系钢筋混凝土屋盖s≤20m20<s≤48ms>48m

TYPEIII木屋盖/轻屋面s≤16m16<s≤36ms>36m楼盖刚度越大、横墙间距越小，房屋空间刚度越好，越趋向于刚性方案；反之则趋向于弹性方案。作为判定依据的横墙本身需满足刚度和承载力要求。STRUCTURALANALYSIS刚性方案房屋的内力计算方法刚性方案房屋将每层墙体简化为两端铰支的竖向构件，楼盖处假定有不动铰支座。竖向荷载下每层墙体可独立计算，梁端反力的偏心弯矩是关键控制因素。水平风荷载下墙体按竖向连续梁计算，但多层砌体中风载内力通常不是主要控制因素。01竖向荷载计算模型：每层墙体上下端均为铰支座，上层墙体传来的轴力作用于截面形心，本层楼盖梁端反力存在偏心距铰支模型02梁端反力偏心距e₀的计算取决于梁在墙体上的搁置长度和梁端反力大小，偏心弯矩M=Nₗ·e₀需在截面承载力验算中考虑e₀偏心距03底层墙体下端固定于基础上，计算高度取层高加基础顶面至室内地面的距离一半，底层轴力最大为控制截面底层控制04多层刚性方案房屋的轴力自上而下逐层累加，底层墙体的轴向力最大，是承载力验算的关键截面逐层累加弹性方案与刚弹性方案的内力计算弹性方案将房屋简化为平面排架结构，需同时分析竖向荷载和水平风荷载的共同作用。刚弹性方案在弹性方案基础上引入空间性能影响系数η来反映楼盖的部分约束作用。弹性方案计算要点01房屋简化为平面排架结构，墙柱为排架柱，屋架或屋面梁为排架横梁，按排架进行内力分析02需同时考虑竖向荷载（自重+屋面荷载）和水平风荷载的共同作用，进行荷载效应组合03排架柱底为固定端，柱顶与屋架铰接，计算简图与钢结构排架厂房类似但需考虑砌体的弹塑性特征刚弹性方案计算要点01引入空间性能影响系数η（0＜η＜1），η越小表示楼盖对墙体的水平约束越强、房屋空间刚度越好02计算方法为在弹性方案计算结果基础上乘以η系数，折减水平位移和相应内力03η值取决于屋盖类型和房屋长度，可查规范表格确定；当η接近0时趋近刚性方案，接近1时趋近弹性方案STRUCTURALVERIFICATION墙体与柱的高厚比验算高厚比验算是保证砌体墙体稳定性的关键构造措施，防止墙体因过于细高而发生侧向失稳。01高厚比定义为墙体计算高度H₀与墙厚h之比β=H₀/h，计算高度取决于墙体的支承条件和静力计算方案02允许高厚比[β]随砂浆强度等级提高而增大：M2.5砂浆时[β]=22，M5砂浆时[β]=24，M7.5及以上时[β]=2603自承重墙（非承重隔墙）的允许高厚比可适当放宽，乘以修正系数μ₁（一般取1.2~1.5），因为不承受竖向荷载04设有构造柱的墙体允许高厚比可提高，乘以修正系数μc，反映构造柱对墙体侧向变形的约束作用BASICFORMULAβ=H₀/h计算高度H₀取决于支承条件墙厚h为截面实际厚度M2.522[β]限值M524[β]限值M7.5+26[β]限值μ₁自承重墙修正1.2~1.5μc构造柱修正系数CHAPTER03受压构件承载力分析与验算从无筋砌体轴心受压到偏心受压，再到局部受压，系统掌握砌体构件的承载力计算方法CHAPTER05·MASONRYSTRUCTURE无筋砌体受压构件承载力计算公式无筋砌体受压构件承载力公式N≤φfA是砌体结构设计的核心公式。承载力影响系数φ综合反映了高厚比和偏心距对承载力的折减效应，偏心距限值为0.6y。砌体墙体受压承载力试验场景01基本公式N≤φfA—N为轴向力设计值，φ为承载力影响系数，f为砌体抗压强度设计值，A为截面面积02影响系数φ—是β（高厚比）和e/h（偏心距与截面高度之比）的函数，可查规范附录表格确定03轴心受压—e=0时φ仅取决于高厚比β；β越大构件越细长，稳定性越差，φ值越小04偏心限值—偏心距e≤0.6y（y为截面重心至边缘距离），超过应采用配筋砌体或加大截面e≤0.6y第五章·砌体结构设计偏心受压影响与承载力影响系数φ偏心受压导致砌体截面受压区减小、承载力显著降低。承载力影响系数φ综合了纵向弯曲效应（高厚比β）和荷载偏心效应（e/h），通过规范表格查取。T形等异形截面需折算为等效矩形截面后确定φ值。⚙️偏心受压的力学效应01受压区面积减小偏心距增大导致截面受压区面积减小，砌体抗拉强度极低使受拉区几乎退出工作，有效承载力显著下降，截面应力分布呈现明显的不均匀特征。02纵向弯曲效应（P-Δ效应）细长构件在偏心压力作用下产生纵向弯曲变形，附加偏心距使实际偏心距大于初始偏心距，形成内力与变形的耦合作用，进一步降低承载能力。03偏心距限值e≤0.6y规范限制偏心距是为了保证截面有足够的受压区面积，避免出现过大裂缝和失稳破坏，确保砌体结构在正常使用极限状态下的安全性和适用性。📊φ值确定方法01双参数控制：β与e/hφ值由β和e/h两个参数确定，β反映构件细长程度，e/h反映荷载偏心程度，两者越大φ越小，承载力降低越明显。02规范附录查表方法规范附录提供φ值查表，按砂浆强度等级分组：M5及以上一组、M2.5一组、砂浆为0时一组，便于工程设计快速取值。03T形截面折算处理T形截面需先计算折算厚度hT=3.5i（i为截面回转半径），再按等效矩形截面查表确定φ值，保证异形截面计算的准确性。STRUCTURALANALYSIS砌体局部受压承载力分析砌体局部受压时，周围未直接受力的砌体对受压区提供"套箍"约束，使局部抗压强度高于全截面均匀受压强度。梁端搁置在砌体墙体上的施工场景01局部均匀受压：Nₗ≤γfAₗ，其中γ=1+0.35√(A₀/Aₗ-1)，A₀为影响面积，Aₗ为局部受压面积02梁端支承处：梁端反力Nₗ通过有效支承长度a₀作用于砌体，a₀取决于梁的刚度和砌体弹性模量03γ值上限：一般情况γ≤2.5，梁端设刚性垫块时γ≤2.0，防止局部压碎导致脆性破坏04加固措施：当承载力不满足要求时，可设置混凝土刚性垫块或钢筋混凝土垫梁来扩大局部受压面积CHAPTER05·MASONRYSTRUCTURE刚性垫块与垫梁下的砌体局部受压设置混凝土刚性垫块或钢筋混凝土垫梁是解决梁端局部受压不足的常用工程措施。刚性垫块通过扩大受压面积降低砌体局部压应力，垫梁则通过弹性地基梁效应将集中力均匀扩散至更大范围的砌体。两者设计时均需满足构造尺寸要求和承载力验算。刚性垫块设计01刚性垫块采用预制混凝土制作，厚度不宜小于180mm，伸出梁侧长度不大于垫块厚度的2倍02垫块面积Ab应使砌体局部受压承载力N≤γ₁fAb满足要求，γ₁为设垫块后的局部抗压提高系数03垫块上梁端有效支承长度a₀需按垫块的刚度重新计算，垫块刚度大于砌体时有效支承长度增大钢筋混凝土垫梁设计01垫梁相当于砌体上的弹性地基梁，将梁端集中力沿垫梁长度方向扩散至更大范围的砌体02垫梁截面高度不小于180mm，纵向钢筋不少于4φ12，箍筋不少于φ6@200以保证垫梁自身承载力03需同时验算垫梁下砌体的局部受压承载力和垫梁本身的受弯、受剪承载力，取两者中的控制值SEISMICDESIGN·MASONRY砌体结构抗震设计与构造措施砌体结构因脆性特征抗震性能有限，抗震设计需同时满足承载力验算和构造措施双重要求。构造柱施工现场实拍CALCULATION底部剪力法计算各层地震剪力，按墙体侧移刚度将楼层地震剪力分配到各片墙体，验算最不利墙段的抗剪承载力STRUCTURE构造柱设置在墙体交接处和端部，与圈梁形成弱框架约束砌体，显著提高房屋延性和抗倒塌能力STRUCTURE圈梁沿楼层标高处设置，将纵横墙连接成整体，增强空间刚度和抗扭性能，防止墙体在地震中散落STANDARDGB55007-2021《砌体结构通用规范》为强制性国家标准，全部条文必须严格执行，对抗震构造措施提出了更高要求CHAPTER04过梁、挑梁与墙梁构件设计掌握砌体结构中门窗过梁、悬挑构件和墙梁的受力特点与设计计算方法STRUCTURALDESIGN·CHAPTER05过梁的类型与荷载计算方法过梁承受洞口上方砌体自重和可能的楼面荷载，砌体"拱效应"使过梁实际承担的墙体荷载存在上限（ln/3高度范围内）。钢筋混凝土过梁承载力高、适应性强，是当前工程首选；砖砌过梁仅适用于小跨度轻荷载情况。过梁类型与适用范围01钢筋混凝土过梁：承载力高、跨度适应范围广，适用于各类门窗洞口，是当前工程中最主要的过梁形式02钢筋砖过梁：在砖缝中配置钢筋，跨度不宜超过1.5m，适用于荷载较轻且无振动的小型洞口03砖砌平拱过梁：利用砖的拱作用跨越洞口，跨度不宜超过1.2m，对施工质量要求高，已较少采用过梁荷载计算01当洞口上方砌体高度hw≥ln/3时，仅取ln/3高度范围的砌体自重，上部荷载通过拱效应传至两侧墙体02当hw<ln/3时，取全部砌体自重作为过梁荷载，因为拱效应尚未充分形成03当过梁上方有楼面荷载时（梁板底面至洞口顶的距离小于ln），还需叠加楼面传来的均布荷载或集中荷载STRUCTURALDESIGN挑梁的受力特点与设计验算挑梁作为悬臂构件，需同时满足自身承载力和抗倾覆稳定性两项验算。挑梁根部弯矩和剪力最大，需配置足够的纵向钢筋和箍筋。抗倾覆安全系数不低于1.5，埋入长度与悬挑长度之比宜大于1.2，确保嵌固段上方砌体自重足以平衡倾覆力矩。挑梁悬挑段承受均布荷载和端部集中荷载，根部弯矩M=ql²/2+Pl最大，需按受弯构件配置纵向受力钢筋。抗倾覆验算：Mov≤0.8Mr，其中Mov为倾覆力矩设计值，Mr为抗倾覆力矩设计值（由嵌固段上方砌体和楼面荷载提供）。挑梁埋入砌体长度l₁宜≥1.2l（l为悬挑长度），埋入段上方需有足够砌体自重以提供抗倾覆力矩。挑梁下方砌体局部受压也需验算，挑梁端部反力作用于砌体上的局部压应力不得超过砌体局部抗压强度设计值。阳台悬挑梁建筑施工实拍STRUCTURALDESIGN墙梁的受力机理与设计要点墙梁由钢筋混凝土托梁与上方砌体墙组合而成，两者共同工作形成深梁效应。托梁不仅承担砌体自重和楼面荷载，还与砌体协同受力分担弯矩和剪力。墙梁设计需验算托梁受弯受剪、砌体局部受压和整体受剪等多项内容。墙梁分类与受力机理分类标准承重墙梁承受楼面荷载和墙体自重，自承重墙梁仅承受墙体自重，两者计算方法和安全等级不同协同作用托梁与上方砌体协同工作形成组合作用，砌体承担部分弯矩使托梁实际弯矩小于简支梁计算值跨度限制墙梁跨度不宜过大，单跨墙梁计算跨度l₀不宜超过9m，多跨连续墙梁不宜超过12m墙梁设计验算内容正截面受弯托梁正截面受弯承载力验算：考虑组合作用折减后的弯矩设计值，按钢筋混凝土受弯构件计算配筋斜截面受剪托梁斜截面受剪承载力验算：剪力设计值同样考虑组合作用折减，按混凝土构件斜截面抗剪公式计算砌体受剪砌体受剪承载力验算：验算墙梁上方砌体在支座附近的斜截面受剪承载力，防止砌体出现斜裂缝破坏REINFORCEDMASONRY配筋砌体构件的类型与应用配筋砌体通过在砌体中配置钢筋显著提高了承载力、延性和抗震性能，是砌体结构向中高层应用发展的关键技术路径。配筋混凝土砌块砌体施工现场·砌块孔洞中配置竖向钢筋MESH网状配筋砖砌体在水平灰缝中设置钢筋网片，约束横向变形，提高抗压承载力10%~30%，适用于轴压比大的柱和承重墙COMBO组合砖砌体在砖砌体表面设置钢筋混凝土面层或嵌入构造柱，砖与混凝土协同受力提高整体承载力BLOCK配筋混凝土砌块砌体在砌块孔洞中配置竖向钢筋并灌注混凝土，形成剪力墙受力体系，可用于18层以下中高层住宅SEISMIC抗震性能优势配筋砌体延性系数较无筋砌体提高2~3倍，是8度抗震区多层砌体结构的重要技术方案STRUCTURALMEASURES砌体结构墙体构造措施要点砌体结构的构造措施是保证安全性和耐久性的关键保障，其核心目的是将分散的砌体墙片连接成具有整体性和延性的结构体系。变形控制措施50m/40m伸缩缝：烧结砖砌体最大间距50m、混凝土砌块砌体40m，防止温度变形和干缩变形导致墙体开裂基础至屋顶全断开沉降缝：当建筑体型复杂、地基条件差异大或相邻部分荷载悬殊时设置，从基础到屋顶全部断开整体性增强措施≥190mm·≥120mm圈梁：沿每层楼盖标高处连续设置，截面宽度≥墙厚且≥190mm，高度≥120mm，纵筋≥4φ10240×180mm构造柱：设置在墙体转角、交接处和端部，纵筋≥4φ12，与圈梁可靠连接@500mm·2φ6拉结筋：纵横墙交接处设拉结筋，伸入每侧墙体≥1000mm，保证纵横墙协同工作CASESTUDY砌体结构墙体设计计算实例以6层砖混住宅底层横墙为例，完整演示从静力计算方案判定、荷载计算、高厚比验算到承载力验算的全流程。01工程概况6层砖混住宅，烧结多孔砖MU15+混合砂浆M7.5，横墙承重，横墙间距3.6m，层高2.8m，墙厚240mm240mm墙厚02方案判定现浇钢筋混凝土楼盖（第一类），横墙间距3.6m＜32m→刚性方案，每层墙体按两端铰支竖向构件计算刚性方案03高厚比验算β=H₀/h=2800/240=11.7，M7.5砂浆允许高厚比[β]=26，β=11.7＜26满足要求11.7＜[β]=2604承载力验算底层轴力设计值N经荷载组合计算，查表得φ值后验算N≤φfA，确认截面承载力满足要求N≤φfA满足NORMATIVEFRAMEWORK砌体结构设计规范体系与强制性要求GB55007-2021为砌体结构最高层级强制性标准，GB50003与GB50011分别提供