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砌体结构

/masonry structure/
条目作者徐建梁建国
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徐建

梁建国

梁建国

最后更新 2023-06-05
浏览 392
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在建筑物、构筑物和设施中,以砖石为主材、砂浆(或灰泥)等为辅材垒筑而成的,能够承担自身重量、活荷载和外力作用,满足使用和安全要求的一定形式的构造体。

英文名称
masonry structure
所属学科
土木工程

在铁路、公路、桥涵等工程中又称为圬工结构。由于砌体的抗压强度较高而抗拉强度很低,因此,砌体结构一般用于民用和工业建筑的墙、柱和基础。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。烟囱、隧道、涵洞、挡土墙、坝、桥和渡槽等,也常采用砖、石或砌块砌体建造。

石材和砖是两种古老的土木工程材料,石结构和砖结构具有悠久的历史。人们用砌体建造了大量建筑物,公元前2723~前2563年,埃及在尼罗河三角洲的吉萨采用石块建造的三座大金字塔(图1),工程浩大。公元前63~前13年,古罗马帝国在法国南部用料石建成了加尔水道桥。大桥总高49米,总长275米,共3层,下层为行人道,最上层为输水渠(图2)。公元70~82年,罗马用块石建造了可以容纳5万~8万观众的罗马竞技场(科洛西姆竞技场)(图3)。中国早在5000年前就建造有石砌祭坛和围墙。中国长城始建于公元前7世纪,采用乱石和土筑成。公元595~605年,李春在中国河北赵县主持建造了赵州桥(安济桥),是世界上最早建造的空腹式单孔圆弧石拱桥。

图1 埃及古王国时代吉萨的三大金字塔图1 埃及古王国时代吉萨的三大金字塔

图2 法国加尔水道桥图2 法国加尔水道桥

图3 意大利罗马竞技场图3 意大利罗马竞技场

人们生产和使用烧结砖也有3000年以上的历史。中世纪在欧洲用加工的天然石和砖砌筑的拱、券、穹窿和圆顶等结构形式得到很大发展。如公元532~537年在君士坦丁堡(今土耳其伊斯坦布尔)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(图4)。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。中国在战国时期(公元前475~前221)已能烧制大尺寸空心砖。南北朝以后砖的应用更为普遍。建于公元523年的河南登封嵩岳寺塔,平面为十二边形,共15层,总高43.5米,是中国最古老的密檐式砖塔(图5)。

图4 土耳其圣索菲亚大教堂图4 土耳其圣索菲亚大教堂

图5 中国嵩岳寺塔图5 中国嵩岳寺塔

砌块中以混凝土砌块的应用较早。混凝土砌块于1882年问世,混凝土小型空心砌块起源于美国,第二次世界大战后混凝土砌块的生产技术和应用传至美洲和欧洲的一些国家,继而又传至亚洲、非洲和大洋洲。

20世纪上半叶,中国砌体结构发展缓慢,20世纪50年代以来,砌体结构在中国得到很大的发展和广泛应用,到20世纪80年代末,90%以上的墙体材料采用砌体材料。中国已从过去用砖石建造低矮民房,发展到能以砖石作为承重构件建造大量的多层住宅、办公楼等民用建筑和中小型单层工业厂房、多层轻工业厂房以及影剧院、食堂、仓库等建筑,此外,还可以用砖石建造各种构筑物,如烟囱、筒仓、拱桥、挡土墙、渡槽、拱坝等。

1988年,为了适应可持续发展战略,中国提出了逐步限制黏土砖的生产和使用,大力发展新型墙体材料。到21世纪初,又倡导发展绿色建筑,从简单的限制黏土制品向“节能”“节材”“节土”“节水”和“环境保护”的方向发展,给砌体结构赋予了新的内容。①在新材料方面,块体由原来量大面广的普通砖发展成了砖、砌块、板齐头并进的局面;原材料由原来的黏土为主改用页岩、煤矸石、建筑废弃物、工业废弃物等替代;生产工艺由原来以烧结为主发展成了烧结、蒸压养护、蒸汽养护、自然养护等齐头并举;块型由普通砖发展成多孔砖、空心砖、空心砌块等各种形式。②在新技术方面,建立了具有中国特点的配筋混凝土砌块砌体剪力墙体系,大大拓宽了砌体结构在高层房屋及其在抗震设防地区的应用。在辽宁、上海、黑龙江、吉林等地先后建成了许多高层配筋砌块砌体剪力墙结构房屋(图6)。20世纪60年代初至2016年,在中国范围内对砌体结构做了较为系统的研究和理论探讨,总结了一套具有中国特色、比较先进的墙体结构理论、计算方法和应用经验。《砖石结构设计规范》(GBJ 3—73)是中国根据自主研究成果制定的第一部砌体结构设计规范。《砌体结构设计规范》(GBJ 3—88)在采用以概率理论为基础的极限状态设计方法、多层砌体结构中考虑空间工作,以及考虑墙和梁的共同工作设计墙梁等方面,已经达到世界先进水平。《砌体结构设计规范》(GB 500032001)增补了砌体结构房屋抗震设计和高层配筋砌块砌体房屋设计规定。《砌体结构设计规范》(GB 500032011)结合墙体材料的革新要求,对各种新型砌体材料墙体进行了规定,并对设计要求提出了更为严格的规定。

图6 高层配筋砌块砌体剪力墙结构房屋示意图图6 高层配筋砌块砌体剪力墙结构房屋示意图

优点:①分布广,容易就地取材,价格低廉。砌体原材料可采用天然材料(如页岩、黏土、砂、石等)、建筑废弃物和工业废弃物(如粉煤灰、煤矸石、脱硫石膏、尾矿渣、电石渣等)。②砌体具有良好的耐火性和较好的耐久性。③砖或砌块可以制成空心,减轻砌体墙的重量,减少砌体结构房屋的地震作用力,提高砌体墙的隔热和保温性能,满足建筑节能需要。④砌体结构的施工设备和方法简单,能较好地连续施工,节约大量木材、钢材以及水泥,造价低。⑤砌体结构既是较好的承重结构,也是较好的围护结构。

缺点: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,劳动量大,生产率较低。③砌体的抗拉和抗剪强度都很低,因而抗震性能较差,在使用上受到一定限制。④采用黏土制砖,占用农田,影响农业生产,不符合可持续发展要求,中国现已有法规加以限制。

砌体结构可按不同分类方法进行分类。按照块体材料的不同,砌体结构可分为砖砌体结构、石砌体结构和砌块砌体结构;按照砌体结构的受力性能不同,砌体结构可分为无筋砌体结构、配筋砌体结构和约束砌体结构。①无筋砌体结构,通常为了增加结构的整体性和结构抗震性能,需要在四角等部位设置钢筋混凝土构造柱,在某些楼层的楼盖处设置钢筋混凝土圈梁,还需要在容易开裂的墙体(如顶层墙两端、底层墙窗肚墙等)设置水平灰缝构造钢筋,但是墙体的总配筋率不超过0.07%。②配筋砌体结构,包括水平灰缝配筋砖砌体结构、组合砖砌体结构和配筋混凝土砌块砌体结构,其墙体内水平和竖向配筋率之和不应小于0.2%。③约束砌体结构中,所有楼层处设置钢筋混凝土或配筋砌体圈梁,在墙体交叉处以及洞口面积大于1.5平方米的洞口两侧设置钢筋混凝土或配筋砌体构造柱,且水平和竖向钢筋混凝土或配筋砌体构件的间距不大于4米,其墙体内水平和竖向配筋率之和不小于0.07%,且不大于0.2%。约束砌体和无筋砌体不同的是钢筋混凝土构造柱和圈梁的设置数量不同。约束砌体中砌体墙和钢筋混凝土构造柱及圈梁形成了有效的组合体,其受压承载力按配筋砌体组合墙计算。约束砌体的墙片四周都有混凝土构件约束,其抗震性能比无筋砌体更优越。 

根据可持续发展要求,砌体结构将朝着以下几个方向发展:

块体材料革新,使砌体结构适应可持续性发展的要求。块体多孔、空心化,减轻墙体自重,提高墙体保温隔热性能、隔声性能;采用复合砌块,满足墙体建筑节能要求;采用高强轻质砌块,减少材料用量;改进块体生产工艺,提高块体尺寸误差,采用薄灰缝砌筑,提高砌体抗压强度,减小墙体砂浆引起的热桥;充分利用各种废弃物制作,减少环境污染;采用与块体性能相适应的配套专用高强砌筑砂浆。

淘汰不适应社会发展需要的结构体系。20世纪,中国曾出现过各种经济型的砌体结构形式,如上柔下刚多层砌体结构、上刚下柔多层砌体结构和不满足刚性方案要求的单层大空间砌体结构,这类结构竖向刚度突变,抗震横墙很少,不利于抗震,已经不适应结构安全和社会发展要求,应该淘汰。

推广应用配筋混凝土砌块砌体结构体系。由于混凝土砌块的干燥收缩大部分在砌块生产养护期间完成,砌筑后的砌体的干燥收缩和徐变变形较现浇混凝土小很多,因此配筋混凝土砌块砌体墙的最小配筋率要比现浇混凝土剪力墙小很多,从而达到节约钢筋的目的。进一步推广应用高层配筋混凝土砌块砌体剪力墙结构、大跨度单层配筋混凝土砌块砌体结构、钢或钢筋混凝土-配筋混凝土砌块砌体组合结构。

进一步明确约束砌体结构的设计方法。约束砌体结构的变形性能相对于无筋砌体结构大大提高,对砌体结构的抗裂抗倒有十分明显的作用。这种结构体系在EC6和南美国家砌体设计规范中已有明确设计方法。

推广复合墙砌体结构。复合砌体房屋的墙体内页墙采用砌体承重结构,外页采用烧结饰面砖,中部留有间隙,设置保温层和空气层(图7)。这种体系可采用调节保温层材料和厚度,以满足不同地区的保温隔热要求。其防渗、冷凝、耐火、隔声等性能也十分优越,在欧美一些国家应用比较广泛。

图7 复合砌体墙图7 复合砌体墙

  • 施楚贤.砌体结构.3版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

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