砌体砌体结构设计方法PPT课件

1、砌 体 结 构2.1 2.1 砌体结构设计方法的沿革砌体结构设计方法的沿革发展轨迹：发展轨迹： 古代经验法古代经验法容许应力设计法容许应力设计法破坏阶段设计法破坏阶段设计法极限状态极限状态设计法设计法 1 1、直接经验法、直接经验法： 2 2、容许应力设计法、容许应力设计法： 将砌体看成是将砌体看成是理想的弹性材料理想的弹性材料，未考虑结构材料的，未考虑结构材料的塑性性能，按材料力学的方法计算构件在外荷载作用下塑性性能，按材料力学的方法计算构件在外荷载作用下的应力的应力 ，要求荷载作用下构件的计算应力，要求荷载作用下构件的计算应力 不超过不超过砌体材料的容许应力砌体材料的容许应力 ，这种方法称

2、作，这种方法称作容许应力设计容许应力设计法法。其一般表达式为：。其一般表达式为： 第1页/共37页砌 体 结 构 为保结构安全，根据经验引入一大于为保结构安全，根据经验引入一大于1 1的的安全系数安全系数K K，则容许应力则容许应力 ： mfK3 3、破坏强度设计法、破坏强度设计法 通过研究发现，上述通过研究发现，上述容许应力法与实际相差较大容许应力法与实际相差较大，在，在2020世纪世纪4040年代，砌体结构中采用年代，砌体结构中采用破坏强度设计法，破坏强度设计法，又称为又称为极限荷载设计法极限荷载设计法： (, )ikmKNR fa式中：式中： 安全系数安全系数 荷载标准值产生的内力荷载标

3、准值产生的内力ikNK 结构构件抗力函数结构构件抗力函数(.)Rmf 砌体平均极限强度砌体平均极限强度第2页/共37页砌 体 结 构 截面几何特征值截面几何特征值a4 4、三系数表达的极限状态设计法、三系数表达的极限状态设计法 考虑考虑荷载的不确定性荷载的不确定性以及以及材料强度的变异性材料强度的变异性，19551955年前苏年前苏联颁布了按极限状态进行设计的规范（联颁布了按极限状态进行设计的规范（HNTY120-55HNTY120-55）。）。其一般其一般表达式为：表达式为：( , )iikkn NR m kfa式中：式中： 荷载系数荷载系数in 构件工作条件系数构件工作条件系数m 砌体匀质

4、系数砌体匀质系数 砌体强度标准值砌体强度标准值kkf 对承载能力极限状态对承载能力极限状态第3页/共37页砌 体 结 构三种三种极限极限状态：状态：（1 1）承载能力极限状态；）承载能力极限状态；（2 2）极限变形状态；）极限变形状态；（3 3）裂缝出现和开展极限状态。）裂缝出现和开展极限状态。三系数：三系数：（1 1）荷载系数荷载系数 n n 考虑统计荷载标准值的超载考虑统计荷载标准值的超载（2 2）材料系数材料系数 k k 考虑材料性能变异考虑材料性能变异（3 3）工作系数工作系数 m m 考虑材料在不同工作条件下作用发挥程度考虑材料在不同工作条件下作用发挥程度 2020世纪世纪5050年

5、代至年代至2020世纪世纪7070年代初，我国砌体结构设年代初，我国砌体结构设计采用前苏联规范的三系数极限状态设计方法计采用前苏联规范的三系数极限状态设计方法 ，也是，也是我国砌体结构设计方法及在应用规范方面的第一阶段。我国砌体结构设计方法及在应用规范方面的第一阶段。第4页/共37页砌 体 结 构5、多系数分析总系数表达的极限状态设计法（第二阶段）、多系数分析总系数表达的极限状态设计法（第二阶段） 改进采用了多系数分析、单一系数表达的方法改进采用了多系数分析、单一系数表达的方法，19731973年我国自行编制的第一部砌体结构设计规范年我国自行编制的第一部砌体结构设计规范砖石结构设砖石结构设计规

6、范计规范（GBJ3GBJ37373），采用半概率极限状态设计方法，），采用半概率极限状态设计方法，承载能力设计表达式为承载能力设计表达式为： (, )kmKNR fa12345KK K K K K C上式中安全系数：上式中安全系数： K1K1砌体强度变异影响系数（同类试件统计分析）砌体强度变异影响系数（同类试件统计分析）K2K2缺乏系统试验对砌体强度变异影响系数缺乏系统试验对砌体强度变异影响系数K3K3砌筑质量影响系数砌筑质量影响系数第5页/共37页砌 体 结 构K4K4尺寸偏差，计算假定误差等影响系数尺寸偏差，计算假定误差等影响系数K5K5荷载变异影响系数荷载变异影响系数C C 考虑各种最不

7、利因素同时出现的组合系数考虑各种最不利因素同时出现的组合系数优点：优点：以多系数分析、单系数表达确定安全系数，计算以多系数分析、单系数表达确定安全系数，计算方便直观；方便直观；缺点：无法定量计算所设计的结构具有多少保证率缺点：无法定量计算所设计的结构具有多少保证率6 6、以分项系数表达的极限状态设计法（第三阶段）、以分项系数表达的极限状态设计法（第三阶段） 将将概率理论概率理论引入结构的设计，可定量估计结构的可靠引入结构的设计，可定量估计结构的可靠水平，水平，19881988年我国年我国砌体结构设计规范砌体结构设计规范（GBJ3GBJ38888）及）及目前使用的（目前使用的（GB50003-2

8、011GB50003-2011）采用了以）采用了以概率理论为基础的概率理论为基础的极限状态设计法极限状态设计法。以现行的。以现行的建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准（GB50068GB5006820012001）为依据，设计考虑了）为依据，设计考虑了两种极限状态两种极限状态： 第6页/共37页砌 体 结 构（1 1）承载能力极限状态）承载能力极限状态 设计验算保证设计验算保证（2 2）正常使用极限状态）正常使用极限状态 构造措施保证构造措施保证砌体结构按砌体结构按承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计时的计算公式为：时的计算公式为： 0r SR1112nGGkQQkQiQiciikiS

9、C GC QCQ,kRR f a （,.）建筑结构的安全等级建筑结构的安全等级 第7页/共37页砌 体 结 构2.3 2.3 以概率理论为基础的极限状态设计法以概率理论为基础的极限状态设计法一、极限状态一、极限状态 砌体结构的设计方法和钢筋混凝土结构及其他材料结砌体结构的设计方法和钢筋混凝土结构及其他材料结构一样构一样，采用，采用建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准（GB GB 5006850068）规定的以规定的以概率理论为基础的极限状态设计方法概率理论为基础的极限状态设计方法，以，以可靠指标度量结构构件的可靠度可靠指标度量结构构件的可靠度，采用分项系数的设计表，采用分项系数

10、的设计表达式进行计算。达式进行计算。 结构可靠度结构可靠度：结构在规定的时间内，在规定的条件下，结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为完成预定功能的概率，称为结构可靠度结构可靠度。第8页/共37页砌 体 结 构 极限状态定义极限状态定义：整个结构或结构的一部分超过某一：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为状态称为该功能的极限状态该功能的极限状态。 承载能力极限状态承载能力极限状态 正常使用极限状态正常使用极限状态 建筑结构必须满足下列功能建筑结构必须满足下列功能（安全性、适用

11、性、耐久性）（安全性、适用性、耐久性）：1 1能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用（荷载、温度等）。（荷载、温度等）。相应于这一功能的极限状态是承载相应于这一功能的极限状态是承载能力极限状态。能力极限状态。结构或构件出现下列状态之一时，即认结构或构件出现下列状态之一时，即认为为超过了超过了承载能力极限状态：承载能力极限状态：第9页/共37页砌 体 结 构v 整个结构或结构的一部分作为刚体整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡失去平衡 （如倾覆等）；（如倾覆等）；v 结构构件或连接因结构构件或连接因材料强度被超过材料强度被超过而破坏；而破坏

12、；v 结构变为结构变为机动体系机动体系；v 结构或结构构件结构或结构构件丧失稳定丧失稳定（如压曲等）。（如压曲等）。 对于砌体结构，对于砌体结构，主要应对结构和构件按承载能力极限状主要应对结构和构件按承载能力极限状态进行计算，态进行计算，以保证各个控制截面不致发生破坏，一般以保证各个控制截面不致发生破坏，一般是考虑第是考虑第2 2种情况（材料强度）；对于某些构件（如挑种情况（材料强度）；对于某些构件（如挑梁、挡土墙）还需考虑第梁、挡土墙）还需考虑第1 1种情况（倾覆）。种情况（倾覆）。 第10页/共37页砌 体 结 构2. . 在正常使用时具有良好的工作性能。相应于这一功能在正常使用时具有良好

13、的工作性能。相应于这一功能的极限状态主要是的极限状态主要是正常使用极限状态正常使用极限状态。如变形过大、。如变形过大、裂缝过大、振动过大等而影响正常使用，即裂缝过大、振动过大等而影响正常使用，即超过了正超过了正常使用极限状态。常使用极限状态。 对于正常使用极限状态，砌体结构主要体现在对于正常使用极限状态，砌体结构主要体现在墙体和墙体和柱的高厚比验算柱的高厚比验算，其余一般通过，其余一般通过构造措施加以保证构造措施加以保证，不进行验算；仅仅在个别情况下，才需要对构件进行不进行验算；仅仅在个别情况下，才需要对构件进行变形验算变形验算。 3.3.在正常维护下具有在正常维护下具有足够的耐久性足够的耐久

14、性。砌体结构中由。砌体结构中由构造构造 措施措施加以保证。加以保证。第11页/共37页砌 体 结 构4. 4. 在偶然事件（如地震）发生时及发生后，在偶然事件（如地震）发生时及发生后，仍能保仍能保持结构的整体稳定性。持结构的整体稳定性。北川中学教学楼北川中学教学楼第12页/共37页砌 体 结 构二、结构构件的极限状态方程二、结构构件的极限状态方程 由于荷载效应由于荷载效应 和抗力和抗力 都不是确定性变量，而随都不是确定性变量，而随荷载、材料强度、计算模式及几何尺寸等的变化具有明荷载、材料强度、计算模式及几何尺寸等的变化具有明显的随机性，应采用随机变量或随机过程加以描述。显的随机性，应采用随机变

15、量或随机过程加以描述。 SR 代表结构或构件截面上的代表结构或构件截面上的“作用效应作用效应”，即，即由各种作用产生的内力和变形。由各种作用产生的内力和变形。 S 表示结构或构件截面上的表示结构或构件截面上的“抗力抗力”，即，即结构结构或构件承受内力和变形的能力或构件承受内力和变形的能力。 R第13页/共37页砌 体 结 构 作用效应作用效应 和和结构抗力结构抗力 的分布曲线如图，纵坐标为的分布曲线如图，纵坐标为概率概率密度密度 。由图中可见，当。由图中可见，当 的平均值的平均值 大于大于 平均值平均值 时，并时，并不能说明结构是绝对安全的，因为两条曲线还有相互交叉的部不能说明结构是绝对安全的

16、，因为两条曲线还有相互交叉的部分。例如，对应于图上分。例如，对应于图上 点的作用效应点的作用效应 ，就存在，就存在 的概的概率。所谓率。所谓结构的可靠度就是指结构的可靠度就是指 这一事件的概率这一事件的概率。 faSRSRSRfRRSSaSSR SR 第14页/共37页砌 体 结 构 概率法认为概率法认为，保证保证“结构绝对安全结构绝对安全”的设计是困难的的设计是困难的，结构设计不可能不冒一定的风险，只是风险要小到，结构设计不可能不冒一定的风险，只是风险要小到人们可以接受的程度。人们可以接受的程度。也就是在结构设计中，结构到也就是在结构设计中，结构到达极限状态时的概率要足够的小。达极限状态时的

17、概率要足够的小。 第15页/共37页砌 体 结 构三、可靠指标三、可靠指标假定假定 和和 两个独立的随机变量都是两个独立的随机变量都是正态分布正态分布，则它们的差值也按则它们的差值也按正态分布正态分布。其：。其： 平均值平均值 标准差（或均方差）标准差（或均方差）RSzRS22()ZRSZ Z的概率密度函数的概率密度函数第16页/共37页砌 体 结 构 00ZfdZfZPPZZfP)()( 1fP失效概率失效概率： 即即阴影部分面积阴影部分面积。定义结构构件的定义结构构件的可靠指标可靠指标 为：为：可靠指标可靠指标 与失效概率与失效概率 间存在间存在对应关系对应关系： 标准正态分布函数标准正态

18、分布函数 第17页/共37页砌 体 结 构q 由公式可见，随由公式可见，随 的的增大增大，失效概率，失效概率 会会减小减小。从图中也可看出，从图中也可看出， 值是随值是随 的的增大增大或或 的的减小减小而而增增大大的，的， 的增大表示曲线往右移动，的增大表示曲线往右移动， 的减小意味着的减小意味着 曲线变得更为陡尖，这两点都会使图中阴影线部曲线变得更为陡尖，这两点都会使图中阴影线部分的分的面积（即失效概率面积（即失效概率 ）减小。由此可见，）减小。由此可见， 值的值的大小可以反映结构可靠度的大小，是衡量可靠性的一大小可以反映结构可靠度的大小，是衡量可靠性的一个指标个指标。 值越大，结构构件越可

19、靠值越大，结构构件越可靠。 fPZZZZZffP第18页/共37页砌 体 结 构四、设计表达式四、设计表达式按承载能力极限状态设计时：按承载能力极限状态设计时： 在实际设计中，为了满足该不等式的要求，考虑到在实际设计中，为了满足该不等式的要求，考虑到荷载效应荷载效应 和结构抗力和结构抗力 的随机变量性质，的随机变量性质， 应取用应取用某个足够大的荷载效应值某个足够大的荷载效应值，而，而 则应取用某个足够小则应取用某个足够小的结构抗力值的结构抗力值，并使在这种取值情况下所推算出来的，并使在这种取值情况下所推算出来的可靠指标可靠指标 能满足砌体结构的要求。能满足砌体结构的要求。 RS 0SRSR第

20、19页/共37页砌 体 结 构q 在多数情况下，砌体结构是以在多数情况下，砌体结构是以承重结构承重结构为主的。为主的。规范规范增加了以增加了以承受自重为主的内力组合承受自重为主的内力组合。砌砌体结构按体结构按承载能力极限状态承载能力极限状态设计时，应按下列公设计时，应按下列公式中式中最不利组合最不利组合进行计算：进行计算： P33P33？可变荷载效应永久荷载效应第20页/共37页砌 体 结 构式中：式中： 结构重要性系数；结构重要性系数； 永久荷载标准值的效应；永久荷载标准值的效应； 在基本组合中起控制作用的一个可变在基本组合中起控制作用的一个可变 荷载标准值的效应；荷载标准值的效应； 第第

21、个可变荷载标准值的效应；个可变荷载标准值的效应； 结构构件的抗力函数；结构构件的抗力函数； 第第 个可变荷载的分项系数；个可变荷载的分项系数； 第第 个可变荷载的组合值系数，一般个可变荷载的组合值系数，一般 情况下取情况下取0.70.7；对；对某些情况某些情况下取下取0.9.0.9. 砌体的强度设计值砌体的强度设计值 几何参数标准值几何参数标准值 0GkSkQS1QikSi RQiiciifka第21页/共37页砌 体 结 构 当当仅有一个可变荷载仅有一个可变荷载时，第二个组合的第二个系时，第二个组合的第二个系数为数为 ，可简化取为，可简化取为1.01.0，则按，则按下列两个下列两个最不利组合

22、进行计算：最不利组合进行计算： 98. 07 . 04 . 101.351.0,.GkLQkkSSRf a01.21.4,.GkLQkkSSRf a 如果砌体结构作为一个刚体，需要验算整体稳定性时，例如：倾覆、滑移、漂浮等，应该按照下式式进行验算。第22页/共37页砌 体 结 构第23页/共37页砌 体 结 构 经经分析表明分析表明，采用两种荷载效应组合模式后，采用两种荷载效应组合模式后，提高了以自重为主的砌体结构可靠度提高了以自重为主的砌体结构可靠度，两个设，两个设计表达式的界限荷载效应值计表达式的界限荷载效应值 为为0.3760.376， 为为可可变荷载效应与永久荷载效应的比值变荷载效应与

23、永久荷载效应的比值，即：，即： 当当 时，由时，由 ， 控制控制 当当 时，由时，由 ， 控制控制 376. 035. 1G0 . 1Q376. 02 . 1G4 . 1Q第24页/共37页砌 体 结 构2.4 2.4 砌体强度的标准值和设计值砌体强度的标准值和设计值 一、砌体强度标准值一、砌体强度标准值 （characteristic value of masonry strengthcharacteristic value of masonry strength） 是考虑砌体强度的变异性，按是考虑砌体强度的变异性，按建筑结构可靠度设建筑结构可靠度设计统一标准计统一标准的要求统一规定为强度平

24、均值的要求统一规定为强度平均值 的概率密的概率密度分布函数度分布函数0.050.05分位值，即标准值应具有分位值，即标准值应具有9595的保证率。的保证率。这说明强度标准值是一个偏低的强度取值这说明强度标准值是一个偏低的强度取值，小于此标准值，小于此标准值的强度出现概率为的强度出现概率为5%5%。由统计资料可知，各类砌体强度服。由统计资料可知，各类砌体强度服从正态分布，则：从正态分布，则： kfkfmf第25页/共37页砌 体 结 构kfmfkfktf,ktmf,kvf,)645. 11 (fmkff变异系数强度标准差平均变异系数强度标准差平均值值 表表2-3 砌体的抗压、轴心抗拉、弯曲抗拉及

25、抗剪强度标准砌体的抗压、轴心抗拉、弯曲抗拉及抗剪强度标准值分别表示为：值分别表示为： 、 、 、 5%5%第26页/共37页砌 体 结 构二、砌体强度设计值二、砌体强度设计值 砌体结构的材料性能分项系数砌体结构的材料性能分项系数，一般情况下，一般情况下，宜按宜按施工质量控制等级施工质量控制等级为为B B级考虑，取级考虑，取 ；当施工质；当施工质量控制等级为量控制等级为C C级时，取级时，取 。当为当为A A级时，取级时，取1.51.5 砌体的砌体的抗压、轴心抗拉、弯曲抗拉及抗剪强度设计抗压、轴心抗拉、弯曲抗拉及抗剪强度设计值值分别表示为：分别表示为： 、 、 、 ffkfff6 . 1f8 .

26、 1fftftmfvf考虑到结构中材料强度与试件强度的区别以及考虑到结构中材料强度与试件强度的区别以及几何参数和计算模式不定性对抗力的影响，将几何参数和计算模式不定性对抗力的影响，将材料强度进一步降低。材料强度进一步降低。第27页/共37页砌 体 结 构 我国我国砌体工程施工质量验收规范砌体工程施工质量验收规范（GB 50203-2002GB 50203-2002）规）规定了定了施工质量控制等级施工质量控制等级，它根据，它根据现场质量管理现场质量管理，砂浆和混凝砂浆和混凝土强度土强度，砂浆拌和方式砂浆拌和方式及及砌筑工人技术等级砌筑工人技术等级等方面的综合水等方面的综合水平，将施工质量控制等级

27、分为平，将施工质量控制等级分为A A、B B、C C三级。施工质量控制三级。施工质量控制等级的选择由等级的选择由设计单位和建设单位设计单位和建设单位商定，并应在工程设计图商定，并应在工程设计图中明确设计采用的施工质量控制等级。中明确设计采用的施工质量控制等级。规范规范列出了当施列出了当施工质量控制等级为工质量控制等级为B B级时，各类砌体的抗压、抗拉和抗剪强级时，各类砌体的抗压、抗拉和抗剪强度设计值度设计值。当。当施工质量控制等级为施工质量控制等级为C C级时，表中数值应乘以级时，表中数值应乘以调整系数调整系数 ；当施工质量控制等级为；当施工质量控制等级为A A级时，可级时，可将表中将表中砌体

28、强度设计值提高砌体强度设计值提高5 5。 89. 08 . 16 . 1a第28页/共37页砌 体 结 构项目项目施工质量控制等级施工质量控制等级A AB BC C现场质量现场质量管理管理制度健全，并严格执行；非制度健全，并严格执行；非施工监督方人员经常到现场施工监督方人员经常到现场，或现场设有常驻代表；施，或现场设有常驻代表；施工方有在岗专业技术管理人工方有在岗专业技术管理人员，人员齐全，并持证上岗员，人员齐全，并持证上岗制度基本健全，并能执行制度基本健全，并能执行；非施工方质量监督人员；非施工方质量监督人员间断地到现场进行质量控间断地到现场进行质量控制；施工方有在岗专业技制；施工方有在岗专

29、业技术人员，并持证上岗术人员，并持证上岗有制度；非施工方质量有制度；非施工方质量监督人员很少作现场质监督人员很少作现场质量控制；施工方有在岗量控制；施工方有在岗专业技术人员专业技术人员砂浆、混砂浆、混凝土强度凝土强度试块按规定制作，强度满足试块按规定制作，强度满足验收规定，离散性小验收规定，离散性小试块按规定制作，强度满试块按规定制作，强度满足验收规定，离散性较小足验收规定，离散性较小试块强度满足验收规定试块强度满足验收规定，离散性大，离散性大砂浆拌和砂浆拌和方式方式机械拌和；配合比计量控制机械拌和；配合比计量控制严格严格机械拌和；配合比计量控机械拌和；配合比计量控制一般制一般机械或人工拌和；配合机械或人工拌和；配合比计量控制较差比计量控制较差砌筑工人砌筑工人中级工以上，其中高级工不中级工以上，其中高级工不少于少于2020高、中级工不少于高、中级工不少于7070初级工以上初级工以上施工质量等级的划分施工质量等级的划分第29页/共37页砌 体 结 构 下列情况的各类砌体，下列情况的各类砌体，其强度设计值应乘以调整其强度设计值应乘以调整 系数系数 ： a第30页/共37页砌 体 结 构n 对对无筋砌体无筋砌体构件，其截面面积构件，其截面面积 ， ； 对对配筋砌体配筋砌体构件，当其中砌体截面面积构件，当其中砌体截面面积 ， ； 考虑局部缺陷对小截面构件的相