我国砌体结构房屋应用范围的变化

我国砌体结构房屋应用范围的变化

0砖体建造技术的发展历程20世纪80年代以前，致密土砖的性能、材料量大、成本低。考虑到经济和材料的需求，大多数建筑是单层或多层砖的混凝土结构。砌体结构广泛应用于住宅、办公房屋建筑,甚至一部分中小型工业厂房、影剧院、食堂、仓库以及烟囱、水塔等也常常采用砖砌体建造,砖砌体应用的比例占墙体材料的90%以上。20世纪90年代开始,我国从可持续发展的高度提出限制使用黏土砖,后来又进一步提出了绿色建筑的发展方针,以各种政策优惠手段大力发展、推广新型墙体材料。到目前为止,形成了以砖、块、板齐头并进的局面,所采用的材料也从单一的黏土制品向页岩、混凝土、硅酸盐等转变,块体形式也在不断向多孔和空心的方向转变。进入21世纪,我国经济建设飞速发展,土地价格大涨,各种结构材料不断丰富,城市建筑形式从多层向高层发展,承重结构大多以钢筋混凝土结构、钢结构、组合结构等为主,砌体结构作为承重结构已经大大减少。综上所述,墙体材料的革新和建筑结构形式的改变给砌体结构的发展方向提出了新的挑战,给砌体结构的研究和设计规范提出了新的课题。1混凝土结构材料的强度值和结构的可靠性1.1砌体结构加强20世纪60年代初至70年代初,在全国范围内对烧结普通黏土砖砌体结构进行了比较大规模的试验研究和调查,于1973年颁布了我国第一部《砖石结构设计规范》(GBJ3—73)(简称GBJ3—73)。在GBJ3—73的修订工作中,共收集了我国历年来全国各地4023个砌体强度试件的试验数据随着新型墙体材料和新结构体系的不断发展,材料强度等级不断提高,新型墙体材料种类不断发展和增多,GB50003—2001和《砌体结构设计规范》(GB50003—2011)(简称GB50003—2011)淘汰了部分性能差或不常用的材料,增补了一些新型墙体材料。GB50003—2001中砌块最高强度等级由MU15提高到MU20,砂浆最高强度等级也由M10提高到了Mb15,后来GB50003—2011中又提高到了Mb20;GB50003—2001增加了单排孔砌块对孔砌筑时灌孔砌体、蒸压灰砂砖砌体、多排孔轻骨料混凝土砌块砌体,GB50003—2011又增加了混凝土砖砌体、蒸压粉煤灰砖砌体和专用砌筑砂浆。为适应城市用地价格提高和我国建筑节能需要,通过试验研究,先后增补了配筋砌块砌体、夹心墙砌体、砌体结构抗震设计,扩大了砌体规范的适用范围。材料强度等级的提高、材料种类的增加以及新结构的使用,使得砌体结构的内容在GBJ3—88的基础上大大地扩充。但是,由于试验数量少、试验覆盖范围小,修订规范时并未对所增加部分进行全面的可靠度分析,仅仅将少量的试验数据与规范类似材料强度平均值公式进行对比后进行取值,这显然是不科学的。1.2砂浆底模的确定砌体砌筑时,块体会从砂浆中吸收水分,使得砂浆实际水灰比减小,从而使得砂浆密实度提高、砂浆强度提高墙体材料革新使得各种非烧结块体大量应用到砌体结构。长沙理工大学的试验为了解决GB50003—2011和JGJ70—2009之间关于底模的矛盾,JGJ70—2009在条文说明里偏安全地特别补充了修正系数K=1.35,在工程应用中是可行的,但研究结果将产生误差。若将GB50003—2011的砂浆底模修改为钢底模,则砂浆强度平均值和变异系数随之改变,需要找出所有原始数据,对结构可靠度做全面的可靠性分析,这将是个浩大的工程,在当前的形势下,一方面原始数据收集有难度,另一方面人力、物力、财力也得不到保障。建议施工验收规范按JGJ70—2009,不对强度进行修正;设计规范GB50003—2011仍维持不变,偏于安全。1.3热桥保温挡墙效果随着新型节能块体的出现(如复合砌块、轻骨料混凝土空心砌块等),传统的砂浆缝将形成热桥,墙体传热系数较大,保温隔热效果不显著。长沙理工大学的研究国内外试验表明,薄灰缝砌体的抗压强度和抗剪强度与普通灰缝厚度砌体完全不同,若将薄灰缝用于承重结构,应通过试验研究在设计规范中给出砌体强度设计指标和相应的构造要求。2混凝土建筑面积的计算方法2.1刚性、刚、弹性和弹性房屋随着我国经济实力的不断发展和新材料新结构的不断推出,砌体结构的用途与20世纪80年代以前相比,发生了巨大的变化。在大中型城市,砌体结构主要用于填充墙或者配筋砌块砌体高层建筑,在小型城镇或偏远欠发达地区尚存一部分多层砌体承重结构,在广大农村地区仍大量采用砌体结构作为承重构件。现行规范GB50003—2011中,根据楼屋盖类别和横墙间距不同将多层砌体房屋分为刚性、刚弹性和弹性三种计算方案。规范中即便是刚度最小的瓦材屋面的木屋盖和轻钢屋盖,横墙间距小于16m时仍然属于刚性方案,因此实际工程中刚弹性方案和弹性方案房屋非常少见。刚弹性和弹性方案的房屋开间很大,侧向刚度小,抗震能力差,因此规范应明确限制采用砌体结构,使砌体结构设计规范中的内力分析得到大大简化。对现行规范GB50003—2011规定的刚性方案房屋,根据房屋的力学特性不同,可分别采用不同的设计计算方法:(1)多层砌体房屋:按现行规范GB50003—2011中的刚性方案房屋设计方法计算,同时根据楼(屋)盖刚度不同,设置砌体结构最大允许横墙间距,并满足一定的横墙刚度要求。(2)配筋砌块砌体房屋:在国外,配筋砌块砌体结构常用于高层建筑和大跨度房屋,我国在高层建筑中也得到了较多的应用,一般按弹性材料采用力学方法进行设计计算。(3)低层砌体住宅房屋:汶川地震和玉树地震的震害表明,我国农村砖混结构住宅破坏或倒塌最为严重,其主要原因是农民自建房没有按照我国规范进行正常设计和正常施工。英国于1995年率先颁布了一套系列标准《低层房屋设计标准》(BS8103)2.2梁下和板下砌体的受荷机理现行规范GB50003—2011规定了梁传荷载条件下墙、柱顶部偏心距的计算方法,而对板传荷载未做规定。由于梁和板的刚度相差较大,梁下和板下砌体的受力和传力机理也存在较大差异,实际工程中绝大多数属于板传荷载的情况。按现行GB50003—2011进行工程设计时,板传荷载墙体一般采用以下两种方法:一是计算墙体时不计偏心影响,按轴心荷载考虑;二是按规范中梁传荷载的方法考虑其偏心影响,这两种处理方法显然缺乏足够的理论依据。国际标准《无筋砌体设计规范》(ISO9652-1)规定,当可变荷载不大于5kN/m3适应社会发展需要的结构体制3.1取消不适应社会发展需要的结构体系在特殊的年代,我国曾出现过各种经济型的建筑结构形式,恰恰我国的第一本《砖石结构设计规范》(GBJ3—73)在当时的背景下出版,随着建筑质量和建筑抗震要求的提高,很多结构形式(如下文所述)已经不适应结构安全和社会发展要求,应该淘汰。3.1.1上柔下刚多层无叠式结构顶层为空旷、横墙间距较大或中间无横墙的柔性结构,而以下各层为横墙间距较小的刚性结构,这类房屋称为上柔下刚多层房屋,如顶层为礼堂、以下各层为办公室的多层房屋。这类房屋由于顶层刚度比下层小很多,地震时容易产生“鞭梢效应”,造成顶层振幅剧烈增大,地震作用也大大增加,且抗震墙很少,容易发生破坏或倒塌。3.1.2上刚下柔多层无筋砌体墙房屋多层房屋底层为空旷、横墙间距较大、不满足刚性方案要求的柔性结构,而以上各层为横墙间距较小的刚性结构,这类房屋称为上刚下柔多层房屋,如底层为俱乐部、食堂、商店而上面各层为宿舍、办公室等的房屋。这类房屋底层若为无筋砌体墙(柱)承重,则形成砌体支承的墙梁。这样一来,其底层的水平地震作用最大,而底层的砌体抗震墙又最少,由于无筋砌体结构的脆性性质和支承墙梁砌体平面外性能非常差,很难确保房屋“大震不倒”。3.1.3结构体系的不足20世纪,一些工业厂房、食堂、仓库等有时采用无筋砌体结构建造。这种房屋外墙因为采光通风的要求需开启较多洞口,但墙体数量有限,整体刚度和变形性能均很差,抗震性能很难得到保障。当前采用轻钢结构等新的结构形式建造这种房屋,其造价并不比无筋砌体结构(无筋砌体结构空旷的房屋目前已很少采用)高太多。3.2推广应用能力强的结构体系3.2.1约束砌体体系多次地震表明,纯粹的无筋砌体结构的抗震性能很差,房屋倒塌很严重。自从唐山地震以后,我国首先提出在无筋砌体房屋中设置构造柱和圈梁的结构体系,经过大量试验研究和地震实践,证明这种构造措施能大大提高房屋的变形性能,对无筋砌体房屋的抗裂、抗倒有十分明显的作用。这种体系在欧盟规范EC6和南美国家砌体设计规范中得到了推广应用。这种体系可以分为两种:一是以我国抗震规范为代表的结构体系,根据房屋层数、抗震设防烈度的不同在房屋不同部位设置钢筋混凝土构造柱和圈梁,其作用是提高房屋整体的变形性能;二是以欧盟规范EC6为代表的约束砌体(图2),在所有楼层处设置钢筋混凝土或配筋砌体水平构件,在墙体交叉处以及洞口面积大于1.5m这种结构体系的抗震性能已经和无筋砌体完全不同,随着我国抗震构造措施的不断加强,我国绝大多数地区都属于6度或6度以上的抗震设防区,建议明确提出约束砌体设计方法,按两种计算方式进行设计:当采取整体约束砌体结构(我国抗震规范方法)时,按无筋砌体构件进行计算;当采用约束砌体(欧盟规范EC6方法)时,可按照组合墙砌体进行设计计算。3.2.2复合墙的设计复合砌体房屋的墙体内页墙采用砌体承重结构,外页采用烧结或其他饰面砖,中部留有间隙,设置保温层和空气层,保证水分能从墙下的滞水孔漏出(图3)。这种体系可采用增减保温层材料和厚度的方法,使得满足不同地区的保温隔热要求,其防渗、冷凝、耐火、隔声等性能十分优越,在欧美一些国家应用比较广泛。复合墙的另外一种特殊形式是取消空腔(图4),这种墙体的厚度虽然减小了,但由于外墙裂缝或者灰缝不饱满,导致风夹雨将雨水渗入而无法排除,影响墙体节能效果和墙体耐久性。GB50003—2011虽然也提出了复合墙的设计计算方法,但是在以下几个方面还存在问题,需要进一步研究:(1)外页墙到底是否承受竖向荷载作用?欧美国家的标准中明确规定外页墙是非承重的饰面墙,内页墙是承重墙,而GB50003—2011并没有明确说明这种墙体的承载力设计计算方法。(2)外页墙和内页墙受到的竖向应力的大小以及所采用的材料不同,长期荷载作用下将产生徐变差,通常应设置水平控制缝,且应明确指出控制缝的设置方法。(3)外页墙上往往承受风荷载和水平地震作用,这些作用是通过拉结件来传递的,但GB50003—2011并没有结合我国实际情况进行研究。(4)夹芯墙(图5)和讨论的复合墙是两种不同的结构形式,前者是内外页墙均承受竖向荷载,是一个整体,而后者完全不同,GB50003—2011没明确区分。3.2.3钢筋混凝土砌块体系(1)配筋混凝土墙体墙的最小配筋率由于混凝土砌块的干燥收缩大部分在砌块养护期间完成,砌筑后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。虽然近年我国在高层配筋混凝土砌块砌体房屋的研究和实践方面取得了很大的成就,但是GB50003—2011对概念设计和计算方法并不全面。(2)单带混凝土砌块混凝土房欧美国家采用配筋混凝土砌块建造的超市等单层大空间建筑较多,而我国若推广应用这类建筑,目前现行规范中还缺乏相关规定。(3)刚度小,不利于抵抗地震作用钢结构或钢筋混凝土框架结构具有较好的变形性能,但是由于其侧向刚度较小,不利于抵抗地震作用。在这类结构的适当部位增加配筋混凝土砌块砌体剪力墙,不仅施工速度快,又能分担结构的水平地震作用,是一种良好的结构形式。建议在进一步研究的基础上推广应用。(4)配筋混凝土挡土墙的设计混凝土砌块砌体挡土墙的造价较低、施工速度快、外形美观,美国的高速公路、河堤、房屋的挡土墙常采用砌块砌体或配筋砌块砌体结构,我国规范中没有对这种结构形式提出设计规定,限制了这种结构的应用。4混凝土结构的裂缝4.1非烧结砌体房屋砌体结构房屋通常由于屋盖与墙体的体积变形差(温度变形和干湿变形)的作用,在房屋顶层或顶部两层端部墙体中出现斜裂缝,砌体设计规范通常采用伸缩缝来控制裂缝开展。GB50003—2011中砌体房屋的伸缩缝间距一直延用GBJ3—73的要求,只是对干燥收缩较大的非烧结砌体房屋笼统地提出了0.8的修正系数。随着社会的发展,夏季空调、冬季采暖已经成为常态,而且房屋围护结构采取各种不同的保温方式,将改变房屋围护结构的温度场,使得屋盖和墙体的温度差发生变化,GB50003—2011一直延用40年前的方式,不能起到控制裂缝的作用。长沙理工大学通过研究不同的室内工况和不同的围护结构保温方式时墙体温度场4.2端部窗间墙应力在屋盖和墙体温差及干燥收缩作用差作用下,顶层房屋窗间墙的剪力和轴力分布如图6,7所示。从图6,7中看出,端部窗间墙的剪力虽小,但轴力为拉力,从端部向内的第二个窗间墙剪力最大,压应力最小。因此,房屋顶层两侧2~3个窗间墙最容易发生开裂为了防止这种裂缝,可以在顶层端部三个窗间墙内设置适当的水平灰缝钢筋,并在门窗洞口设置抗裂柱,如图8所示。4.3采用预测值减少裂缝由于在端部窗间墙的竖向应力为拉应力,可以在端部墙肢的构造柱内适当施加预应力,提高砌体的抗剪承载力,从而提高墙体的抗裂能力。5料力学性质、结构及砌体砌体的耐久性主要包括碳化、盐析、抗酸碱腐蚀性和抗冻性等,与砌体材料力学性质、内部微孔结构以及砌体所处环境有关。为了使得砌体结构满足耐久性要求,一方面要求材料具有一定的耐久能力,即材料的耐久性指标要足够大,另一方面要求采取措施以避免环境作用降低砌体结构的耐久性。5.1最低强度等级长沙理工大学的试验在相关设计规范中,当非烧结砖用于下列部位时的最低强度等级分别为:1)BS5628:墙顶、压顶、窗台、挡土墙MU30;排水道及下水道大于MU50,其他部位大于MU20;2)GB50003—2011:一般情况MU15,非饱和环境MU20,饱和环境MU25。考虑到材料试验方法导致结果的差异,我国标准的最低强度等级和BS5628规定的相差不大。针对材料孔结构的影响,欧美常常在材料标准中采用限制块体吸水率来确保耐久性,而我国块体材料标准很多,有的材料标准没有规定块体的吸水特性是不合理的。5.2突出物一般也有3.2合层墙体砌体吸水率是影响耐久性的主要因