结构设计原理辅导资料资料讲解.docx

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结构设计原理辅导资料资料讲解

结构设计原理辅导资料

砌体建筑的结构型式

砌体房屋结构的静力设计内容包括：

选择承重结构型式并进行结构布置，确定结构计算简图，墙、柱高厚比验算，结构内力分析，承载力验算，房屋整体及各部位的构造设计等。

砌体房屋的结构型式是指房屋的竖向荷载承重结构体系，通常分为砌体墙柱承重结构体系、混合承重结构体系两大类。

前者主要包括纵墙承重结构、横墙承重结构和纵横墙承重结构，后者包括底部框架砌体剪力墙承重结构和内框架砌体承重结构，两类结构体系的受力特点是有显著区别的。

1、砌体墙柱承重结构体系

其特点是在结构整个高度上都由墙柱承重。

平行于房屋短向布置的墙体称横墙，平行于房屋长向布置的墙体称纵墙，房屋周边的墙体称外墙（长方向端部外墙又称山墙，）其余则称内墙。

在墙体承重结构房屋的设计中，确定承重墙、柱的布置方案十分重要，因为它不仅影响房屋平面、空间的划分，更涉及荷载的传递途径和房屋的空间刚度等结构设计的基本问题。

（1）纵墙承重体系

纵墙承重结构是指由纵墙直接承受楼、屋面荷载的结构。

荷载分为两种方式传递到纵墙上。

一种是单向楼（屋）面板直接搁支在纵墙上，一种是搁支于进深梁上，进深梁又搁支于纵墙上。

（2）横墙承重结构

横墙承重结构是单向楼（屋）面直接搁支于横墙上形成的结构布置方案。

（3）纵横墙承重结构

2、混合承重结构体系

（1）底部框架——剪力墙砌体结构

（2）内框架砌体结构

防止或减轻墙体开裂的主要措施

1、裂缝的性质

引起砌体结构墙体裂缝的因素很多，既有地基、温度、干缩，也有设计上的疏忽、施工质量、材料不合格及缺乏经验等。

根据工程实践和统计资料这类裂缝几乎占全部可遇裂缝的80%以上。

而最为常见的裂缝有两大类，一是温度裂缝，二是干燥收缩裂缝，简称干缩裂缝，以及由温度和干缩共同产生的裂缝。

（1）温度裂缝

温度的变化会引起材料的热胀、冷缩，当约束条件下温度变形引起的温度应力足够大时，墙体就会产生温度裂缝。

最常见的裂缝是在混凝土平屋盖房屋顶层两端的墙体上，如在门窗洞边的正八字斜裂缝，平屋顶下或屋顶圈梁下沿砖（块）灰缝的水平裂缝，以及水平包角裂缝（包括女儿墙）。

导致平屋顶温度裂缝的原因，是顶板的温度比其下的墙体高得多，而混凝土顶板的线胀系数又比砖砌体大得多，故顶板和墙体间的变形差，在墙体中产生很大的拉力和剪力。

剪应力在墙体内的分布为两端附近较大，中间渐小，顶层大，下部小。

温度裂缝是造成墙体早期裂缝的主要原因。

这些裂缝一般经过一个冬夏之后才逐渐稳定，不再继续发展，裂缝的宽度随着温度变化而略有变化。

（2）干缩裂缝

烧结粘土砖，包括其它材料的烧结制品，其干缩变形很小，且变形完成比较快。

只要不使用新出窑的砖，一般不要考虑砌体本身的干缩变形引起的附加应力。

但对这类砌体在潮湿情况下会产生较大的湿胀，而且这种湿胀是不可逆的变形。

对于砌块、灰砂砖、粉煤灰砖等砌体，随着含水量的降低，材料会产生较大的干缩变形。

如混凝土砌块的干缩率为0.3～0.45mm/m，它相当于25～40℃的温度变形，可见干缩变形的影响很大。

轻骨料块体砌体的干缩变形更大。

干缩变形的特征是早期发展比较快，如砌块出窑后放置28d能完成50%左右的干缩变形，以后逐步变慢，几年后材料才能停止干缩。

但是干缩后的材料受湿后仍会发生膨胀，脱水后材料会再次发生干缩变形，但其干缩率有所减小，约为第一次的80%左右。

这类干缩变形引起的裂缝在建筑上分布广、数量多、裂缝的程度也比较严重。

如房屋内外纵墙中间对称分布的倒八字裂缝；在建筑底部一至二层窗台边出现的斜裂缝或竖向裂缝；在屋顶圈梁下出现的水平缝和水平包角裂缝；在大片墙面上出现的底部重、上部较轻的竖向裂缝。

另外不同材料和构件的差异变形也会导致墙体开裂。

如楼板错层处或高低层连接处常出现的裂缝，框架填充墙或柱间墙因不同材料的差异变形出现的裂缝；空腔墙内外叶墙用不同材料或温度、湿度变化引起的墙体裂缝，这种情况一般外叶墙裂缝较内叶墙严重。

（3）温度、干缩及其它裂缝

对于烧结类块材的砌体最常见的为温度裂缝，面对非烧结类块体，如砌块、灰砂砖、粉煤灰砖等砌体，也同时存在温度和干缩共同作用下的裂缝，其在建筑物墙体上的分布一般可为这两种裂缝的组合，或因具体条件不同而呈现出不同的裂缝现象，而其裂缝的后果往往较单一因素更严重。

另外设计上的疏忽、无针对性防裂措施、材料质量不合格、施工质量差、违反设计施工规程、砌体强度达不到设计要求，以及缺乏经验也是造成墙体裂缝的重要原因之一。

如对混凝土砌块、灰砂砖等新型墙体材料，没有针对材料的特殊性，采用适合的砌筑砂浆、注芯材料和相应的构造措施，仍沿用粘土砖使用的砂浆和相应的抗裂措施，必然造成墙体出现较严重的裂缝。

2、砌体裂缝的控制

（1）裂缝的危害和防裂的迫切性

砌体属于脆性材料，裂缝的存在降低了墙体的质量，如整体性、耐久性和抗震性能，同时墙体的裂缝给居住者在感观上和心理上造成不良影响。

特别是随着我国墙改、住房商品化的进展，人们对居住环境和建筑质量的要求不断提高，对建筑物墙体裂缝的控制的要求更为严格。

由于建筑物的质量低劣，如墙体裂缝、渗漏等涉及的纠纷或官司也越来越多，建筑物的裂缝已成为住户评判建筑物安全的一个非常直观、敏感和首要的质量标准。

因此加强砌体结构，特别是新材料砌体结构的抗裂措施，已成为工程量、国家行政主管部门，以及房屋开发商共同关注的课题。

因为这涉及到新型墙体材料的顺利推广问题。

（2）裂缝宽度的标准问题

实际上建筑物的裂缝是不可避免的。

此处提到的墙体裂缝宽度的标准（限值），是一个宏观的标准，即肉眼明显可见的裂缝，砌体结构尚无这种标准。

但对钢筋混凝土结构其最大裂缝宽度限值主要是考虑结构的耐久性，如裂缝宽度对钢筋腐蚀，以及外部构件在湿度和抗冻融方面的耐久性影响。

我国到现在为止对外部构件（墙体）最危险的裂缝宽度尚未作过调查和评定。

但根据德国资料，当裂缝宽度≤0.2mm时，对外部构件（墙体）的耐久性是不危险的。

对砌体结构来说，墙体的裂缝宽度多大是无害呢？

这是个比较复杂的问题。

因为它还涉及到可接受的美学方面的问题。

它直接取决于观察人的目的和观察的距离。

对钢筋混凝土结构，裂缝宽度＞0.3mm，通常在美学上是不能接受的，这个概念也可用于配筋砌体。

而对无筋砌体似乎应比配筋砌体的裂缝宽度标准放宽些。

但是对于客户来讲二者是完全一样的。

这实际上是直观判别裂缝宽度的安全标准。

3、现有控制裂缝的原则和措施

长期以来人们一直在寻求控制砌体结构裂缝的实用方法，并根据裂缝的性质及影响因素有针对性的提出一些预防和控制裂缝的措施。

从防止裂缝的概念上，形象地引出“防”、“放”、“抗”相结合的构想，这些构想、措施有的已运用到工程实践中，一些措施也引入到《砌体规范》中，也收到了一定的效果，但总的来说，我国砌体结构裂缝仍较严重，纠其原因有以下几种。

（1）设计者重视强度设计而忽略抗裂构造措施

长期以来住房公有制，人们对砌体结构的各种裂缝习以为常，设计者一般认为多层砌体房屋比较简单，在强度方面作必要的计算后，针对构造措施，绝大部分引用国家标准或标准图集，很少单独提出有关防裂要求和措施，更没有对这些措施的可行性进行调查或总结。

因为裂缝的危险仅为潜在的，尚无结构安问题，不涉及到责任问题。

（2）我国《砌体规范》抗裂措施的局限性

我认为这是最为重要的原因。

《砌体规范》GBJ3-88的抗裂措施主要有两条，一是第5.3.1条：

对钢混凝土屋盖的温度变化和砌体的干缩变形引起的墙体开裂，可采取设置保温层或隔热层；采用有檩屋盖或瓦材屋盖；控制硅酸盐砖和砌块出厂到砌筑的时间和防止雨淋。

未考虑我国幅原辽阔、不同地区的气候、温度、湿度的巨大差异和相同措施的适应性。

二是第5.3.2条：

防止房屋在正常使用条件下，由温差和墙体干缩引起的墙体竖向裂缝，应在墙体中设置伸缩缝。

从规范的温度伸缩缝的最大间距可见，它主要取决于屋盖或楼盖的类别和有无保温层，而与砌体的种类、材料和收缩性能等无直接关系。

可见我国的伸缩缝的作用主要是防止因建筑过长在结构中出现竖向裂缝，它一般不能防止由于钢混凝土屋盖的温度变形和砌体的干缩变形引起的墙体裂缝。

由此可见，《砌体规范》的抗裂措施，如温度区段限值，主要是针对干缩小、块体小的粘土砖砌体结构的，而对干缩大、块体尺寸比粘土砖大得多的混凝土砌块和硅酸盐砌体房屋，基本是不适用的。

因为如果按照混凝土砌块、硅酸盐块体砌体的干缩率0.2～0.4mm/m，无筋砌体的温度区段不能越过10m；对配筋砌体也不能大于30m。

在这方面，国外已有比较成熟的预防和控制墙体开裂的经验，值得借鉴：

一是在较长的墙上设置控制缝（变形缝），这种控制缝和我国的双墙伸缩缝不同，而是在单墙上设置的缝。

该缝的构造既能允许建筑物墙体的伸缩变形，又能隔声和防风雨，当需要承受平面外水平力时，可通过设置附加钢筋达到。

这种控制缝的间距要比我国规范的伸缩缝区段小得多。

如英国规范对粘土砖为10-15m，对混凝土砌块及硅酸盐砖一般不应大于6m；美国砼协会（ACI）规定，无筋砌体的最大控制缝间距为12-18m，配筋砌体控制缝间距不超过30m。

二是在砌体中根据材料的干缩性能，配置一定数量的抗裂钢筋，其配筋率各国不尽相同，从0.03%～0.2%，或将砌体设计成配筋砌体，如美国配筋砌体的最小含钢率为0.07%，该配筋率又抗裂，又能保证砌体具有一定的延性。

关于在砌体内配置抗裂钢筋的数量（含钢率）和效果，是普遍比较关注的问题。

因为它涉及到用钢量和造价的增幅问题。

4、防止墙体开裂的具体构造措施建议

本文在综合了国内外砌体结构抗裂研究成果的基础上，结合我国当前的具体情况，提出的更具体的抗裂构造措施。

它是对“防”、“放”、“抗”的具体体现。

笔者认为这些措施可根据具体条件选择或综合应用。

该措施已反映到我院为大庆油田砌块厂编制的《混凝土砌块建筑构造图集》中。

（1）防止混凝土屋盖的温度变化与砌体的干缩变形引起的墙体开裂，宜采取下列措施

a、屋盖上设置保温层或隔热层；

b、在屋盖的适当部位设置控制缝，控制缝的间距不大于30m；

c、当采用现浇混凝土挑檐的长度大于12m时，宜设置分隔缝，分隔缝的宽度不应小于20mm，缝内用弹性油膏嵌缝；

d、建筑物温度伸缩缝的间距除应满足《砌体结构设计规范》BGJ3-88第5.3.2条的规定外，宜在建筑物墙体的适当部位设置控制缝，控制缝的间距不宜大于30m。

（2）防止主要由墙体材料的干缩引起的裂缝可采用下列措施之一：

a、设置控制缝

①控制缝的设置位置

在墙的高度突然变化处设置竖向控制缝；

在墙的厚度突然变化处设置竖向控制缝；

在不大于离相交墙或转角墙允许接缝距离之半设置竖向控制缝；

在门、窗洞口的一侧或两侧设置竖向控制缝；

竖向控制缝，对3层以下的房屋，应沿房屋墙体的全高设置；对大于3层的房屋，可仅在建筑物1-2层和顶层墙体的上述位置设置；

控制缝在楼、屋盖处可不贯通，但在该部位宜作成假缝，以控制可预料的裂缝；

控制缝作成隐式，与墙体的灰缝相一致，控制缝的宽度不大于12mm，控制缝内应用弹性密封材料，如聚硫化物、聚氨脂或硅树脂等填缝。

②控制缝的间距

对有规则洞口外墙不大于6mm；

对无洞墙体不大于8m及墙高的3倍；

在转角部位，控制缝至墙转角的距离不大于4.5m；

b、设置灰缝钢筋

在墙洞口上、下的第一道和第二道灰缝，钢筋伸入洞口每侧长度不应小于600mm；

在楼盖标高以上，屋盖标高以下的第二或第三道灰缝，和靠近墙顶的部位；

灰缝钢筋的间距不大于600mm；

灰缝钢筋距楼、屋盖混凝土圈梁或配筋带的距离不小于600mm；

灰缝钢筋宜采用小螺纹钢筋焊接网片，网片的纵向钢筋不小于25，横筋间距不宜大于200mm；

对均匀配筋时含钢率不少于0.05%；局部截面配筋，如底、顶层窗洞上下不小于38；

灰缝钢筋宜通长设置，当不便通长设置时，允许搭接，搭接长度不应小于300mm；

灰缝钢筋两端应锚入相交墙或转角墙中，锚固长度不应小于300mm；

灰缝钢筋应埋入砂浆中，灰缝钢筋砂浆保护层，上下不小于3mm，外侧小于15mm，灰缝钢筋宜进行防腐处理；

当利用灰缝钢筋作砌体抗剪钢筋时，其配筋量应按计算确定，其搭接和锚固长度尚不应小于75d和300mm；

不配筋的外叶墙应设控制缝，控制缝间距不宜大于6m；

设置灰缝钢筋的房屋的控制缝的间距不宜大于30m。

c、在建筑物墙体中设置配筋带

在楼盖处和屋盖处；

墙体的顶部；

窗台的下部；

配筋带的间距不应大于2400mm，也不宜小于800mm；

配筋带的钢筋，对190mm厚墙，不应小于2ф12，对250～300mm厚墙不应小于2ф16，当配筋带作为过梁时，其配筋应按计算确定；

配筋带钢筋宜通长设置，当不能通长设置时，允许搭接，搭接长度不应小于45d和600mm；

配筋带钢筋应弯入转角墙处锚固，锚固长度不应小于35d和400mm；

当配筋带仅用于控制墙体裂缝时，宜在控制缝处断开，当设计考虑需要通过控制缝时，宜在该处的配筋带表面作成虚缝，以控制可预料的裂缝位置；

对地震设防裂度≥7度的地区，配筋带的截面不应小于190mm×200mm，配筋不应小于410；

设置配筋带的房屋的控制缝的间距不宜大于30m；

（3）也可根据建筑物的具体情况，如场地土及地震设防裂度、基础结构布置型式、建筑物平面、外形等，综合采用上述抗裂措施。

三、典型习题

简答题

1、圈梁

答：

砌体结构房屋墙体内沿水平方向设置的封闭状按构造配筋的现浇钢筋混凝土梁式构件称为圈梁，圈梁的作用是增强房屋的整体性和整体刚度，有效改善由于地基不均匀沉降或较大振动荷载对砌体的不利影响。

2、何谓砌体局压的“套箍强化”作用？

答：

当在砌体局部面积上施加均匀压力时，局部受压的砌体在产生纵向变形的同时还会发生横向变形，而周围未承受压力的砌体会对受压区砌体有一定的约束，所以在荷载作用面至某一高度范围内的砌体处于双向或三向受压状态，使砌体局部受压面积处的抗压强度得到提高，这叫做“套箍强化”作用。