第六章砖、石及混凝土砌体结构

1、第六章 砖、石及混凝土砌体结构第一节 砌体结构的基本概念及设计原则 公路桥涵的基础、墩台、拱圈，隧道的衬砌，重力式挡土墙及涵洞的边墙等，一般采用素混凝土或砌石结构，可以充分利用材料的抗压能力强和就地取材的优点。混凝土与石结构通常称为圬工结构。6.1.1 材料1 混凝土混凝土一般采用整体灌注的形式形成结构，也可以采用混凝土预制块砌体结构。在结构尺寸较大的大体积混凝土中，可掺入不超过混凝土结构体积25的片石，而成为片石混凝土。混凝土预制块砌体形状、尺寸应统一，其规格应与粗料石相同，砌体表面应整齐美观。2 石料石砌体的石料，依其凿切和加工程度的不同，有片石、块石、粗料石及拱石。石料的抗压极限强度，是

2、以边长为200mm的立方体试件，在浸水饱和状态下进行试验确定。片石：一般由爆破或楔劈法开采的石块，使用时形状不受限制，但中部的厚度一般不小于150mm，石料的抗压极限强度宜大于30MPa。块石：形状应大致方正，顶、底面大致平整，厚度为200mm300mm，宽度约为厚度的11.5倍，长度约为厚度的1.53倍。块石一般不经修凿加工，但应敲去其尖角突出的部分。粗料石：它由岩层或大块石料开劈，并经粗略加工修凿而成，外形应方正，成六面体，厚度为200mm300mm，宽度约为厚度的11.5倍，长度约为厚度的254倍，表面凹陷深度不大于20mm。石料的极限抗压强度宜大于40MPa。拱石：可根据设计设计要求采

3、用粗料石、块石或片石。拱石应立纹破料，岩石面应与拱轴垂直，各排拱石沿拱圈内弧的厚度应一致。拱石高度应为最小厚度的1.22倍，长度应为最小厚度的2.54倍。3 砂浆砌体结构是用水泥砂浆或小石子混凝土作为胶结料进行砌筑。水泥砂浆强度等级用Mxx表示，为边长为70.7mm的立方体试件，在标准条件下养护28d的抗压强度。常用的砂浆强度等级分别为M20，M15，M10，M7.5，M5，M2.5六个等级。砂浆必须具有良好的和易性，其稠度以标准圆锥体沉入度表示，用于石砌体时宜为5070mm，气温较高时可适当增大。 小石子混凝土是由水泥和粒径不大于20mm的细卵石或碎石、细砂和水配制而成，但含石率不宜超过30

4、。小石子混凝土拌和物应具有良好的和易性，坍落度宜为5070mm（片石砌体）或70100mm（块石砌体）。4 砌体材料最低强度等级 砖、石和混凝土材料及其砌筑砂浆的最低强度等级 表6-1结构物种类材料最低强度等级砌筑砂浆最低强度等级拱圈30号石料、C20混凝土（现浇）、C25混凝土（预制）、7.5号砖（小桥）大中桥M7.5，小桥M5大中桥墩台及基础、梁式轻型桥台25号石料、C15混凝土、10号砖圬工里层M2.5，圬工表面层不宜低于M5小桥涵墩台及基础挡土墙25号石料、C15混凝土、7.5号砖墩台及基础不宜低于M5，挡土墙不宜低于M2.56.1.2 砌体的力学性能1 砌体的种类根据所用块材的不同，

5、常用砌体分为以下几类：(1) 片石砌体片石应分层砌筑，砌筑时敲击其尖锐凸出部分，并交错排列，互相咬接，竖缝应相互错开，不得贯通。片石应放置平稳，避免过大空隙，并用小石子填塞空隙，砂浆用量不宜超过砌体体积的40，以防砂浆的收缩过大，砌缝宽度一般不应大于4cm，用小石子混凝土砌筑时不应大于5cm。(2) 块石砌体块石应平砌，每层石料高度大致相等，并应错缝砌筑，砌缝宽度不宜过宽，否则影响砌体强度，一般水平缝不得超过3cm，竖缝不应大于4cm。(3) 粗料石砌体砌筑前应按石料厚度与砌缝宽度预先计算层数，选好石料。砌筑时石料应安放端正，保证砌缝平直，缝宽度不大于2cm，并应错缝砌筑，错缝距离不小于l0c

6、m。(4) 混凝土预制块砌体 砌筑要求同粗料石砌体，但砌缝宽度不大于1cm。(5) 砖砌体 砌筑时应上下错缝，内外搭砌，砌缝宽度不大于1cm。2 砌体的抗压强度砌体是由单块块材用砂浆粘结砌筑而成，其受压工作性能与单块块材有较大差异。（1） 砌体受压时的应力状态a. 砌体中块材处于压、弯、剪复合受力状态砌体在砌筑过程中，水平砂浆铺设不饱满、不均匀，加之块材表面可能不平整，使块材在砌体中并非均匀受压，而是处于压、弯、剪复合受力状态（如图6-1）。通常块材的抗拉、抗剪强度较低，弯曲产生的拉应力和剪应力可使单块块材首先出现裂缝。图6-2 块材横向拉应力图6-1 受压砌体中块材的受力状态b. 砌体中块材

7、承受水平拉应力砌体在受压时要产生横向变形，块材和砂浆的弹性模量及横向变形系数不同，一般情况下，块材的横向变形小于砂浆的变形。由于块材与砂浆之间粘结力和摩擦力的作用，使二者的横向变形保持协调，块材与砂浆的相互制约使块材内产生横向拉应力，使砂浆内产生横向压应力。c. 竖向灰缝应力集中砌体中竖向灰缝一般不密实饱满，加之砂浆硬化过程中收缩，使砌体在竖向灰缝处整体性明显削弱。位于竖向灰缝处的块材内产生较大的横向拉应力和剪应力的集中，加速砌体中单块块材开裂，降低砌体强度。综上所述，砌体的抗压强度明显低于单块块材的抗压强度。（2）影响砌体抗压强度的主要因素a. 块体的强度及外形尺寸试验证明，块体的抗压强度对

8、砌体的抗压强度有明显的影响。在其他条件相同时，块体抗压强度越高，砌体的抗压强度越高。块体厚度和外形规整程度对砌体的抗压强度影响也很大。从前面对砌体受力状态的分析可以看出，块体厚度大，外形规则平整，其在砌体中所受的拉、弯、剪应力较小，有利于推迟块体裂缝的出现，从而延缓了砌体的破坏，使其抗压强度提高。b. 砂浆的强度试验证明，在砂浆强度等级不是很高时，块体强度等级一定，提高砂浆强度等级，砌体的抗压强度有较明显增长。当砂浆强度等级过高时，对砌体抗压强度的提高并不明显。c砂浆的变形性能在其他条件相同时，随着砂浆变形率的增大，块体在砌体中的弹性地基梁作用加大，使块体中的弯、剪应力加大。同时，随着砂浆变形

9、率的增大，块体与砂浆在发生横向变形时的交互作用加大，使块体中的水平拉应力增大。从而会导致砌体抗压强度的降低。d砂浆的流动性和保水性砂浆的流动性和保水性好，容易使铺砌的灰缝饱满、均匀和密实，减小单块块材在砌体中的弯、剪应力，使抗压强度提高。但过大的流动性会造成砂浆变形率过大，砌体强度反而降低。纯水泥砂浆虽然抗压强度较高，但由于其流动性和保水性较差，不易保证砌筑时砂浆均匀、饱满和密实，因此会使砌体强度降低1020。e施工砌筑质量e.1 水平灰缝的均匀和饱满程度水平灰缝的均匀饱满可改善块体在砌体中的应力状态，提高砌体的抗压强度。砌块砌体水平灰缝砂浆饱满度按净面积计算不得低于90，竖向灰缝砂浆饱满度不

10、小于80。e.2 灰缝的厚度灰缝愈厚，灰缝变形愈大，砌体强度愈低。但灰缝厚度太薄，砂浆不易均匀、不易饱满和密实，也会使砌体强度降低。e.3 块体的含水率当采用含水率太小的块体，特别是砖砌筑时，砂浆中大部分水分会很快被砖吸收，这不利于砂浆的均匀铺设和硬化，会使砌体强度降低。但砖中含水率过高，会使砌体的抗剪强度降低，同时当砌体干燥时，会产生较大的收缩应力，导致砌体垂直裂缝出现。e.4 块体的搭接方式砌筑时块体的搭接方式影响砌体的整体性。整体性不好，会导致砌体强度的降低。为了保证砌体的整体性，烧结普通砖和蒸压砖砌体应上、下错缝，内外搭砌。实心砌体宜采用一顺一丁、梅花丁或三顺一丁的砌筑形式。块石应平砌

11、，每层石料高度应大致一致，应丁顺相间或两顺一丁排列，砌缝宽度不应大于30mm，上下层竖缝错开距离不小于80mm。3砌体的抗拉、拉弯与抗剪强度圬工砌体除主要用于承压结构外，砌体也常处于受拉、拉弯或受剪状态。图6-3a所示挡土墙，在土压力作用下，沿通缝截面1-1弯曲受拉。图6-3b所示有扶壁柱的挡土墙，沿齿缝截面2-2弯曲受拉。图6-3c所示的拱脚附近，由于水平推力的作用，将发生沿通缝截面3-3受剪。 a. 挡土墙底部弯拉 b. 挡土墙垂直截面弯拉 c. 拱脚截面受剪图6-3 砌体种常见的几种受力情况砌体的抗拉、抗弯与抗剪强度远低于砌体的抗压强度，这是因为砌体的抗压强度主要取决于块材的强度，然而在

12、大多数情况下，砌体的受拉、受弯及受剪破坏一般均发生于砂浆与块材的连接面上。因此，砌体的抗拉、抗弯与抗剪强度将取决于砌缝的强度，亦即取决于砌缝中砂浆与块材的粘结强度。4砌体的变形性能及弹性模量(1) 砌体受压应力应变曲线试验表明，砖、石及混凝土预制块砌体是属于弹塑性材料，当它们受压时，从开始加载起，其应力与变形就不呈直线变化规律。随着荷载的增加，变形增长速度逐渐加快，在接近破坏时，荷载即使增加很少，其变形也急剧增长。砌体受压时的应力应变曲线如图64所示。图6-4 砌体受压时的应力-应变曲线根据国内外资料，砌体变压时的应力应变()关系曲线可按下列对数规律采用： (6-1)式中：、砌体的应变、应力；

13、 与块体类别和砂浆强度有关的弹性特征值； 砌体的抗压强度。（2） 砌体的弹性模量在工程实际中，砌体受压应力一般不超过，而在此范围内，应力-应变曲线与割线较接近，为此，公路桥规中取时的割线弹性模量作为弹性模量（图6-4中的割线OA），即 （6-2）6.1.3 砌体的计算原则 砖、石及混凝土构件的计算，系采用分项安全系数的极限状态法设计，其设计原则是使荷载效应不利组合的设计值要小于或等于结构抗力效应的设计值，若用通式来表示，则为： (6-3)式中：荷载效应函数； Q 荷载在结构上产生的效应，如轴向力、剪力、弯矩等；结构的重要性系数，当计算跨径L50m时，1.00；当50m时， 1.03；L>

14、100m时，1.05；菏载安全系数，对于结构自重，当其产生的效应与汽车（或挂车或履带车）产生的效应同号时，；异号时，则；对于其他荷载；荷载组合系数，按表6-2采用；结构抗力效应函数；材料或砌体的极限强度；材料或砌体的安全系数，按表6-3采用；结构的几何尺寸。荷载组合系数值 表6-2荷载组合组合I1.00组合II、III、IV0.80组合 V0.77 值 表6-3 砌体种类受力情况受 压受弯、受拉和受剪石 料1.852.31片 石 砌 体片石混凝土砌体2.312.31块 石 砌 体粗 料 石 砌 体混凝土预制块砌体砖 砌 体1.922.31混 凝 土1.542.316.2 轴心受压构件正截面强度

15、计算6.2.1 轴心受压短柱轴心受压短柱是指高厚比3或长细比10的轴心受压构件，其承载能力计算公式为： （6-4）式中 按式（6-3）左边计算的纵向力； 构件的截面面积，对于组合截面按强度比换算，即,为标准层截面积，、为其他层的截面积，、，为标准层的极限强度，、为其他层的极限强度；材料的抗压极限强度，对于组合截面为标准层的极限强度；材料安全系数，按表6-3采用，对于组合截面，为第 层材料的安全系数，为第层截面面积。6.2.2 轴心受压长柱当高厚比3或长细比10的轴心受压构件，由于荷载作用位置的偏差、砌体材料的不均匀及施工偏差，使轴心受压构件产生附加弯矩和侧向挠曲变形，致使构件的承载能力明显降低

16、。因此，对于轴心长柱，应引入稳定系数对其承载能力予以降低。稳定承载力计算公式为： （6-5）式中 受压构件的纵向弯曲系数，按表6-4采用；、意义及取用与式（6-4）中规定相同。中心受压构件纵向弯曲系数 表6-4或或混凝土构件砌体砂浆标号52.513101.001.001.001.004140.990.990.990.986210.960.960.960.938280.930.930.910.8610350.880.880.850.7812420.820.820.790.7014490.760.760.720.6216560.710.710.660.5518630.650.650.600.482

17、0700.600.600.540.4222760.540.540.490.3724830.500.500.440.3326900.460.460.400.3028970.420.420.360.26301040.380.380.330.24注： 受压构件的计算长度，按表6-5采用；轴心受压构件矩形截面短边长度；轴心受压构件任意形状截面较小的回转半径；偏心受压构件矩形截面在弯曲平面内的高度；偏心受压构件任意形状截面在弯曲平面内的回转半径；对于组合截面构件，均按强度换算后的截面尺寸计算。构件纵向弯曲计算长度 表6-5构件及其两端结合情况计算长度 直 杆 两端固结 一端固定，一端为不移动的铰 两端均

18、为不移动的铰 一端固定，一端自由0.50.71.02.0拱 三铰拱 双铰拱 无铰拱0.58S0.54S0.36S 注：构件支点间长度； 拱轴线长度。6.3 偏心受压构件正截面强度计算6.3.1 偏心受压构件的强度计算我国公桥规对砖、石及混疑土结构偏心受压构件采用双控制进行设计，即强度控制和偏心距控制。一般要求偏心距不得超过表6-6的规定。 （6-6） 容许偏心距 表6-6荷载组合结构名称容许偏心距组 合 I中、小跨径拱圈其 他 结 构0.6y0.5y组合II、III、IV中、小跨径拱圈其 他 结 构0.7y0.6y组 合 V0.7y注： 当混凝土结构截面受拉一边布设有不小于截面面积0.05%的纵向钢筋时，表内 规定值可增加0.1y； 当截面配筋率符合表6-7规定时，按钢筋混凝土截面计算，偏心距不受限制； 当荷载组合I中考虑了水的浮力或基础变