第0章绪论





砌体结构（masonry structure)是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称为砌体结构，它包括砖结构、石结构和其他块体材料与胶结材料构成的结构。
我国80％以上的建筑都属于砌体结构，学习研究砌体结构具有十分重要的意义。
0.1砌体结构的优缺点
1. 砌体结构的主要优点
① 容易就地取材。砖主要用黏土或其他无机材料烧制或蒸压而成，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。
② 具有良好的耐火性和较好的耐久性。
③ 不需要模板和特殊的施工设备。在寒冷地区，冬季可用冻结法砌筑，不需特殊的保温措施。
④ 砖墙和砌块墙体能够隔热和保温，既是较好的承重结构，也是较好的围护结构。
⑤ 价格相对比较低廉。
2. 砌体结构的缺点
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，施工劳动量大。
③ 由于砖、石、砌块和砂浆间粘结力较弱，因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很低。
④ 由于其组成的基本材料和连接方式决定了它的脆性性质，从而使其遭受地震时破坏较重，抗震性能很差。
⑤ 黏土砖需用黏土制造，在某些地区过多占用农田，影响农业生产。
0.2砌体结构发展状况
砌体结构的历史悠久，天然石是最原始的建筑材料之一。古代大量具有纪念性的建筑物都是用砖、石建造。如古埃及用巨大石块建成的金字塔一直保存到现在。举世闻名的万里长城，是两千多年前我国劳动人民的杰作。保存至今的用砖木建造的寺院、庙宇、宫殿和宝塔等，体现了中国古代砌体结构的成就。其中砖塔是一种高层建筑，如河南登封嵩岳寺塔为砖砌单筒体结构； 西安大雁塔也为砖砌单筒体结构，高60多米，1200多年来，历经数次地震，仍巍然屹立。中世纪在欧洲用天然石材和砖砌筑的拱、券、穹隆和圆顶等结构型式得到很大发展。如公元532—537年在君士坦丁堡建造的圣索菲亚教堂，东西长77m，南北长71.7m，正中是直径32.6m,高15m的穹顶，墙和穹顶都是砖砌。
在桥梁建筑方面，中国隋朝李春建造的赵州桥是中国最古和当时跨径最大的单孔空腹式石拱桥。又如北宋时期建造的福建漳州虎渡桥，石梁最大跨径达23m，梁宽1.9m、厚约1.7m，重达200t,三根石梁并列为桥面，是中国古代最重的简支石梁桥。
1949年新中国成立后，砌体结构得到很大的发展和广泛应用，住宅建筑、多层民用建筑大量采用砖墙承重，中小型单层工业建筑和多层轻工业建筑也常采用砖墙承重。中国传统的空斗砖墙，经过改进已经用作2~4层建筑的承重墙。20世纪50年代末开始，采用振动砖墙板建造五层住宅，承重墙厚度仅为12cm。在地震区，采取在承重砖墙转角和内外纵横墙交接处设置钢筋混凝土抗震柱也称构造柱，及在空心砖或空心砌块孔内配置纵向钢筋和浇灌混凝土等措施，提高砌体结构的抗震性能。
20世纪80年代以来，我国开始学习国外先进经验，配筋混凝土砌块得到很大发展。利用配筋砌块，我国各地建造了不少的砌体高层建筑： 1983年、1986年在南宁修建了配筋砌块10层住宅楼和11层办公楼试点房屋。1988年本溪用煤矸石混凝土砌块配筋修建了一批10层住宅楼； 1997年根据哈尔滨建筑大学、辽宁建科院等单位的研究结果，在辽宁盘锦市建成一栋15层配筋砌块剪力墙点式住宅楼； 1998年，上海建成了一栋配筋砌块剪力墙18层塔楼，这是我国最高的18层砌块高层房屋，而且是建在7度抗震设防的地区； 2000年抚顺建成一栋6.6m大开间12层配筋砌块剪力墙板式住宅楼； 2001年哈尔滨阿继科技园修建了12层配筋砌块房屋，其后一幢18层砌块高层也建成。
0.3我国近年来在开发新型砌体材料方面取得的成就
1. 积极开发节能环保形的新型砌块与胶结建材

从1988年第一次国际材料研究会议上首次提出“绿色建材”的概念，到1992年6月联大巴西里约热内卢环境和发展世界各国首脑会议，通过了“21世纪议程”宣言，确认了“可持续发展”的战略方针，其目标是： 依据环境再生、协调共生、持续自然的原则，尽量减少自然资源的消耗，尽可能对废弃物的再利用和净化，保护生态环境以确保人类社会的可持续发展。
近年来发达国家在实施《绿色建材》计划上取得了较大的进展，我国以1992年联合国环境与发展首脑会议为契机，广泛研制“绿色建材”产品，取得了初步成果。
（1） 加大限制高能耗、高资源消耗、高污染低效益的产品的生产力度
如国家早就对黏土砖（按1996年生产6000亿块的代价是毁田10万多亩、能耗6000万吨标煤）出台了减少和限制的政策。近年的限制力度越来越大，如北京、上海等城市在建筑上不准采用黏土实心砖，这间接地促进了其他新材的发展。
(2) 大力发展蒸压灰砂废渣制品
蒸压灰砂废渣制品包括钢渣砖、粉煤灰砖、炉渣砖及其空心砌块、粉煤灰加气混凝土墙板等。这些制品我国20世纪80年代以前生产量曾达2.5亿块，吃掉工业废渣几百万吨，但由于种种原因大多数厂家已停产，致使黏土砖生产回潮。今后应加大科研投入、改进工艺、提高产品性能和强度等级、降低成本，向多功能化发展。
（3) 利用页岩生产多孔砖
我国页岩资源丰富，分布地域较广。烧结页岩砖具有能耗低、强度高、外观规则，其强度等级可达MU15~MU30，可砌清水墙和中高层建筑。页岩砖在四川、湖北和大连等地已初步应用，如成都的“绵城苑”小区16万m2的建筑均采用这种砖。
(4) 大力发展废渣轻型混凝土墙板
这种墙板利用粉煤灰代替部分水泥，骨料为陶粒、矿渣或炉渣等轻骨料，加入玻璃纤维或其他纤维以及其他轻材料墙板，提高砌体施工技术的工业化水平。
（5） 玻璃纤维增强水泥(GRC）板的改进与提高
这种板自重轻、防火、防水、施工安装方便。GRC空心条板是大力发展的一种墙体制品，需用先进的生产工艺和装配，以提高板的产量和质量。
(6) 蒸压纤维水泥板
我国是世界上第三大粉煤灰生产国，仅电力工业年排灰量达上亿吨，目前的利用率仅为38%。其实粉煤灰经处理后可生产价值更高的墙体材料，如高性能混凝土砌块、蒸压纤维增强粉煤灰墙板等。它具有容重低、导热系数小、可加工性强、颜色白净的特点，目前全国的产量已达700万ｍ2。
（7） 大力推广复合墙板和复合砌块
目前国内外没有单一材料，既能满足建筑节能保温隔热，又能满足外墙的防水、强度的技术要求，因此只能用复合技术来满足墙体的多功能要求，如钢丝网水泥夹芯板。目前看来，现场湿作业，抹灰后难以克服龟裂现象，有待改进。
复合砌块墙体材料，也是今后的发展方向，如采用矿渣空心砖、灰砂砌块、混凝土空心砌块中的任一种与绝缘材料相复合都可满足外墙的要求，目前已有少量生产。我国在复合墙体材料的应用方面已有一定基础，宜进一步改善和完善配套技术，大力推广，这是墙体材料“绿色化”的主要出路。
2. 发展高强砌体材料
我国中美合资大连太平洋砖厂可生产出20~100MPa的页岩砖。由于强度高、耐久性、耐磨性和独特的色彩，可作清水墙和装饰材料，已出口和广泛用于高档建筑。高强块材具有比低强材料高得多的价格优势。
根据我国对黏士砖的限制政策，可就地取材、因地制宜，在黏土较多的地区，如西北高原，发展高强黏土制品、高空隙率的保温砖和外墙装饰砖、块材等； 在少黏土的地区发展高强混凝土砌块、承重装饰砌块和利废材料制成的砌块等。
在发展高强块材的同时，还应研制高强度等级的砌筑砂浆。目前的砂浆强度等级最高为M15。当与高强块材匹配时需开发大于M15以上的高性能砂浆。我国新颁布的《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）已给出Mb20混凝土专用砂浆与MU20单排孔混凝土砌块的对孔砌筑砌体的抗压强度设计值。未来专用砂浆的强度等级可能达到Mb30,灌孔混凝土的强度达到Cb40~Cb50。这是混凝土砌块配套材料方面的重要进展，对推动高强砌体材料结构的发展有重要作用。
根据发展趋势，为确保质量，发展干拌砂浆和商品砂浆具有很好的前景。前者是把所有配料在干燥状态下混合装包供应现场按要求加水搅拌。天津舒布洛克水泥砌块公司已供应这种干拌砂浆，价格约高20%。商品砂浆的优点同商品混凝土。这类砂浆的发展一旦取代传统砂浆，将是一个巨大的变化。
0.4砌体结构未来发展和展望
1. 进一步提高块材质量
目前我国的砌体材料和发达国家相比，强度低、耐久性差。如普通砖的抗压强度一般为10~30MPa,承重空心砖的孔隙率小于等于25%； 而发达国家的抗压强度一般均达到30~60MPa,甚至能达到100MPa，承重空心砖的孔洞率可达到40%，容重一般为13kN/m3，最轻可达0.6kN/m3。根据国外经验和我国的条件，只要在配料、成型、烧结工艺上进行改进，是可以显著提高烧结砖的强度和质量的。
2. 继续加强配筋砌体和预应力砌体的研究
我国虽已初步建立了配筋砌体结构体系，但需研制和定型生产砌块建筑施工用的机具，如铺砂浆器、小直径振捣棒（≤25）、小型灌孔混凝土浇注泵、小型钢筋焊机、灌孔混凝土检测仪等。这些机具对配筋砌块结构的质量至关重要。
预应力砌体其原理同预应力混凝土，能明显地改善砌体的受力性能和抗震能力。国外，特别是英国在配筋砌体和预应力砌体方面的水平很高。我国这方面还刚刚起步。
3. 进一步加强砌体结构理论研究
进一步研究砌体结构的破坏机理和受力性能，通过数学和力学模式，建立完善而精确的砌体结构理论，是全世界各国都关心的课题。我国在这方面有较好的基础，但目前跟发达国家相比还有较大的差距，因此应继续加强这方面的工作，加强对砌体结构的试验技术和数据处理的研究，对促进砌体结构发展有着深远的意义。




第1章砌体结构设计的基本原则






重点：
（1） 承载能力极限状态效应表达式及各种系数取值； 
（2） 砌体构件作为刚体保持稳定性的验算公式。
1.1概述
截至1950年，我国谈不上有任何结构设计理论。国家建委于1956年批准在我国推广应用苏联《砖石及钢筋砖石结构设计标准和技术规范》（NUTY 120—55），直到20世纪60年代。70年代初，在我国有关部门的领导和组织下，在全国范围内对砖石结构进行了比较大规模的试验研究和调查，总结出一套符合我国实际、比较先进的砖石结构理论、计算方法和经验。在砌体强度计算公式、无筋砌体受压构件的承载力计算、按刚弹性方案考虑房屋的空间工作，以及有关构造措施方面具有我国特色。在此基础上于1973年颁布了国家标准《砖石结构设计规范》（GBJ 3—1973）。这是我国第一部砖石结构设计规范。从此我国的砌体结构设计进入了一个崭新的阶段。70年代中期至80年代末期，为修订《砖石结构设计规范》（GBJ 3—1973），我国对砌体结构进行了第二次较大规模的试验研究，其中收集我国历年来各地试验的砌体强度数据4023个，补充长柱受压试件近200个，局压试件100多个，墙梁试件200多根及2000多个有限元分析数据和进行了11栋多层的砖房空间性能实测和大量的理论分析工作等。这样在砌体结构的设计方法、多层房屋的空间工作性能、墙梁的共同工作，以及砌块的力学性能和砌块房屋的设计方面取得了新的成绩。此外对配筋砌体、构造柱和砌体房屋的抗震性能方面也进行了许多试验研究。相继出版了《中型砌块建筑设计与施工规程》（JGJ 5—1980）、《混凝土小型空心砌块建筑设计与施工规程》（JGJ/T 114—2011）、《冶金工业厂房钢筋混凝土墙梁设计规程》(YS 07—1979）、《多层砖房设置钢筋混凝土构造柱抗震设计与施工规程》（JGJ 13—1982）等，特别是《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）（以下简称《砌体规范》），使我国砌体结构设计理论和方法趋于完善。
20世纪80年代以后，国际上在应用概率理论来研究和解决结构可靠度问题，并在统一各种结构基本设计原则方面取得了显著的进展。在学习国外科研成果和总结我国工程实践经验的基础上，我国于1984年颁布试行《建筑结构设计统一标准》（GBJ 68—1984），2001年又颁布了《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068—2001），将我国建筑结构可靠度设计提高到一个新的水平。根据《建筑结构可靠度设计统一标准》，我国颁布了《砌体结构设计规范》（GB 50003—2002），使我国砌体结构的设计水平提高了一大步。最新颁布的《砌体规范》对2002规范进行了修订，根据“增补、简化、完善”的原则，在考虑我国经济条件和砌体结构发展现状，总结了近年来砌体结构应用的新经验，调查了汶川、玉树地震中砌体结构的震害，进行了必要的试验研究，吸收砌体结构领域的成熟成果的基础上，增补了在节能减排、墙材改革的环境下涌现出来的部分新型砌体条款，完善了有关砌体结构耐久性、构造要求、配筋砌块砌体构件和砌体结构构件抗震设计等有关内容，同时还对砌体强度的调整系数等进行了必要的简化。新规范的颁布施行（2012年8月1日实施）将对我国砌体结构的设计施工产生重大影响。
1.2砌体结构的设计原则
砌体结构设计原则与混凝土结构设计原则是相同的，均以《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068—2001）为依据，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量结构的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行计算。
（1） 砌体结构按承载能力极限状态设计时，应按下列公式中最不利组合进行计算

γ0S≤R（1-1）

即可变荷载控制


γ01.2SGk+1.4γLSQ1k+γL∑ni=2γQiψciSQik≤R（f，ak，…）（1-2a）



永久荷载控制


γ01.35SGk+1.4γL∑ni=1ψciSQik≤R（f，ak，…）（1-2b）



式中：  γ0——结构的重要性系数，对安全等级为一级或设计使用年限为100年以上的结构构件，不应小于1.1；  对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；  对安全等级为三级或设计使用年限为1～5年的结构构件，不应小于0.9；  
γL——结构构件的抗力模型不定性系数； 对静力设计，考虑结构设计使用年限的荷载调整系数，设计使用年限为50年,取1.0; 设计使用年限为100年,取1.1；
SGk——永久荷载标准值的效应；  
SQ1k——在基本组合中起控制作用的一个可变荷载标准值的效应；  
SQik——第i个可变荷载标准值的效应；  
R（·）——结构构件的抗力函数；  
γQi——第i个可变荷载的分项系数；  
ψci——第i个可变荷载的组合值系数，一般情况下应取0.7，对书库、档案库、储藏室或通风机房、电梯机房应取0.9；  
f——砌体的强度设计值，f=fk/γf； 
ak——几何参数。

其中： fk——砌体的强度标准值，fk=fm-1.645σf；  
γf——砌体结构的材料性能分项系数，一般情况下，宜按施工控制等级为B级考虑，γf=1.6，当为C级时，取γf=1.8； 
fm——砌体的强度平均值；  
σf——砌体强度的标准差。
（2） 当砌体结构作为一个刚体，需验算整体稳定性时，如倾覆、滑动、漂浮等，应按下式验算


γ01.2SG2k+1.4γLSQ1k+γL∑ni=2SQik≤0.8SG1k(1-3a)

γ01.35SG2k+1.4γL∑ni=1ψciSQik≤0.8SG1k(1-3b)


式中：  SG1k——起有利作用的永久荷载标准值的效应； 
SG2k——起不利作用的永久荷载标准值的效应。
设计应明确建筑结构的用途，在设计使用年限内未经技术鉴定或设计许可，不得改变结构用途、构件布置和使用环境。
砌体结构除应按承载能力极限状态设计外，还应满足正常使用极限状态的要求。由于砌体结构自重大的特点，其正常使用极限状态的要求，在一般情况下可由相应的构造措施加以保证。
1.3砌体结构的安全等级
《砌体规范》规定： 根据建筑结构破坏可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，建筑结构应按表1-1划分为三个安全等级，设计时应根据具体情况适当选用。


表1-1建筑结构的安全等级


安全等级破坏后果建筑物类型


一级很严重重要的房屋

二级严重一般的房屋

三级不严重次要的房屋

注：  1. 对于特殊的建筑物，其安全等级可根据具体情况另行确定； 

2. 对抗震设防区的砌体结构设计，应按现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）根据建筑物重要性区分建筑物类别。


1.4本章知识点
本章是砌体结构设计的基础，名词概念很多，要加强理解。主要的名词概念有： 结构的重要性系数、可靠度、可靠指标、安全等级、荷载效应和材料抗力的不同代表值、承载能力极限状态和作为刚体稳定性设计表达式等。
思考题
1-1承载能力极限状态表达式为什么是两个？所得结果不同时，应取哪个？
1-2作为刚体稳定性验算表达式的物理意义是什么？





第2章砌体结构的种类与材料





重点:
了解砌体结构的分类和常用材料的组成、规格与用途。
2.1无筋砌体
无筋砌体是由块材通过砂浆砌筑而成的构筑物。
2.1.1砌体的块材
砌体块材（masonry unit）是砌体的主要部分，目前我国常用的块材可以分为砖、砌块和石材三大类。按是否承重可分为承重结构块材与自承重结构块材。
1. 承重结构的块材
1) 烧结普通砖（图2-1(a)）、烧结多孔砖（图2-1(b)）
根据国家标准《烧结普通砖》（GB 5101—2003）的规定，烧结普通砖按其主要原料分为黏土砖(N)、页岩砖(Y)、煤矸石砖（M）和粉煤灰砖(F)，烧结普通砖的规格为240mm×115mm×53mm（公称尺寸）的直角六面体。烧结多孔砖为大面有孔的直角六面体，孔多而小，孔洞垂直于受压面。砖的主要规格有M型（190mm×190mm×90mm）及P型（240mm×115mm×90mm)。烧结普通砖和烧结多孔砖按强度等级分为MU30、MU25、MU20、MU15及MU10五个强度等级。



图2-1烧结砖


2） 蒸压灰砂普通砖、蒸养粉煤灰普通砖
蒸压灰砂普通砖是将磨细砂子，加入10%~20%的石灰，成坯后经高压蒸汽养护而形成的砖。蒸养粉煤灰普通砖是以粉煤灰，石灰为主要原料，加入适量石膏、外加剂、颜料和集料等，经坯料制备，压制成型，常压或高压蒸气养护而成的实心砖。《砌体规范》规定采用的强度等级为MU25、MU20、MU15三个强度等级。蒸压灰砂普通砖、蒸养粉煤灰普通砖的外观尺寸与烧结砖相同。
3) 混凝土普通砖、混凝土多孔砖（图2-2)
混凝土砖是以水泥为胶结材料，与砂、石（轻集料）等经加水搅拌、成型和养护而制成的一种实心砖（混凝土普通砖），若具有多排小孔或半盲孔，则为混凝土空心砖； 混凝土砖是继普通与轻集料混凝土小型空心砌块之后又一个墙体材料新品种。混凝土普通砖的主规格尺寸为240mm×115mm×53mm、240mm×115mm×90mm； 空心砖的主规格尺寸为240mm×115mm×90mm、240mm×190mm×90mm、190mm×190mm×90mm。其强度等级也分为MU30,MU25,MU20,MU15四个强度等级。


图2-2混凝土砖


4) 混凝土砌块、轻集料混凝土砌块（图2-3）
由水泥、粗细骨料加水搅拌，经装模、振动（或加压振动或冲压）成型，并经养护而成，其主要规格尺寸为390mm×190mm×190mm。强度等级分为五级： MU20、MU15、MU10、MU7.5和MU5。砌块的强度等级是根据单个砌块的抗压破坏荷载，按毛截面计算的抗压强度确定的。用于承重的双排孔轻集料混凝土砌块砌体的空洞率不应大于35%。