第六章砌体结构房屋的墙

第四章砌体房屋结构的形式和内力分析引言第一节砌体房屋结构的形式和组成第二节砌体结构的布置第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递第四节刚性方案结构的计算第五节弹性方案结构的计算第六节刚弹性方案结构的计算第七节上柔下刚和上刚下柔多层房屋的内力计算第八节地下室墙的内力计算第九节最不利荷载效应组合第六章砌体房屋结构的形式和内力分析引言砌体的特性：抗压性能较好，抗拉性能较差。因而一般用作墙或柱。承受水平和竖向力的悬臂构件墙体布置应使侧向力作用在墙水平截面较宽的方向，即水平力应作用在墙的平面内才是较合理的。墙在其平面外承受水平力的能力较小。(a)平面外受力(b)平面内受力砌体房屋结构的形式和组成1．“混合结构”房屋定义：由砌体墙、柱和其他材料楼屋盖组成的房屋常称为“混合结构”房屋。（砖混结构房屋、砖木结构房屋）2．房屋构件：墙－砌体柱－砌体、钢筋混凝土楼盖、屋盖－钢筋混凝土楼板、木楼盖；(a)x向不可变形(b)y向受力不对称(c)x、y向均不可变形第一节砌体结构的布置一.横墙承重体系竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载→横墙→基础→地基横墙承重体系特点：1.横墙为承重墙，间距较小（3～4.5m），结构整体性好，空间刚度大，有利于抵抗水平作用和调整地基的不均匀沉降。2.纵墙作为围护、隔断墙，其设置门窗洞口的限制较少，纵墙立面处理比较灵活，可提高横墙的侧向稳定。3.楼盖的材料用量较少，但墙体的用料较多，施工方便。――适用于宿舍、住宅、旅馆等居住建筑和由小房间组成的办公楼等二.纵墙承重体系竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载→屋架（梁）→纵墙→基础→地基纵墙承重体系特点：1.纵墙为承重墙，横墙数量相对较少，承重墙间距一般较大，房屋的空间刚度比横墙承重体系小；纵墙上门窗洞口的大小和位置受到限制。2.横墙为自承重墙，可提高纵墙的侧向稳定和房屋的整体刚度，房屋的划分比较灵活。3.楼盖的材料用量较多，墙体的材料用量较少。――适用于教学楼、图书馆、食堂、俱乐部、中小型工业厂房等单层和多层空旷房屋。三.纵横墙承重体系竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载↗纵墙↘基础→地基↘横墙↗纵横墙承重体系特点：兼有横墙和纵横墙承重体系的特点，房屋平面布置比较灵活，空间刚度较好。――适用于住宅、教学楼、办公楼及医院等建筑。四.内框架承重体系竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载↗(梁)→外墙↘基础→地基↘梁→框架柱↗内框架承重体系特点：1.室内空间较大，梁的跨度并不相应增大2.由于横墙少，房屋的空间刚度和整体性较差3.由于钢筋混凝土柱和砖墙的压缩性能不同，结构易产生不均匀的竖向变形4.框架和墙的变形性能相差较大，在地震时易由于变形不协调而破坏内框架承重体系与其他体系相结合就成为混合承重体系混合承重体系五.底层框架承重体系竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载→上层墙体→墙梁→框架柱→基础→地基底层框架承重体系特点：1.底层使用空间较大，梁的尺度并不相应增大2.由于底层墙体较少，沿房屋高度方向，结构空间刚度将发生变化；3.经过合理设计，可获得使用和抗震性能较好的底层框架结构体系，实现强柱弱梁的目标。――适用于上部住宅底层商店或车库类房屋。第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递在混合结构房屋中，屋盖（包括屋面板、屋面梁）、楼盖（包括楼面板、楼面梁）、墙、柱和基础等主要构件构成一个空间受力体系，共同承受作用在房屋上的各种竖向荷载（结构自重、屋面和楼面活荷载、雪荷载等）和水平荷载（风荷载等）。由于各种构件通过结构结点相互联系，不仅直接承受荷载的构件抵抗荷载的作用，而且与其相连接的其他构件也都不同程度地参加工作，抵抗所分担的荷载。在对混合结构房屋进行静力计算时，通常是将复杂的空间结构简化为平面结构，取出一个计算单元进行计算。因此必须弄清房屋的空间工作状况，才能正确地确定墙、柱等构件的静力分析方法。一、砌体结构的计算单元与计算简图图示为一纵墙承重方案的单层房屋。该房屋的两端没有山墙，中间也没有横墙，屋盖由预制钢筋混凝土空心板和屋面大梁组成。由于作用在房屋上的荷载是均匀分布的，外纵墙上的洞口也是均匀排列的，因此可以从两个窗洞中线间截取一个单元，来代替整个房屋的受力状态，称这个单元为计算单元。在水平荷载的作用下，房屋各单元的墙顶水平位移相同。如果将屋盖比拟为横梁，将基础看作为墙的固定端支座，屋盖与墙的连接视为铰接，计算单元的纵墙比拟为柱，因而计算单元的受力状态将如同一个单跨平面排架，墙顶的水平位移为up。这样，空间受力房屋的计算就简化成了平面受力体系的计算。二、静力计算方案•当房屋的两端设有山墙时，在水平荷载作用下，荷载的传递路线和房屋的变形情况将发生变化。这时，山墙则像一竖向的悬臂柱，屋盖可看作为水平平面内的梁，屋盖的两端支承在山墙上。在水平荷载作用下，整个结构的变形如图所示。此时不仅纵墙承受水平荷载，屋盖也承受由纵墙传来的一部分水平荷载。水平荷载传递的路线是：•水平荷载→纵墙→屋盖→山墙→山墙基础→纵墙基础•作用在屋盖的那部分水平荷载将引起屋盖梁发生水平挠曲变形，其跨中挠度最大值为umax，水平荷载也使山墙发生侧移，山墙顶端的侧移最大值为△max，显然，屋盖水平梁跨中的水平位移最大值应为us=umax+△max•在上述传力系统中，有多少荷载是经过屋盖传给了山墙，又有多少荷载传给了纵墙基础，这就取决于房屋的空间刚度。当山墙的距离很近时，水平梁的跨度小，排架计算单元的侧移趋近于零。当山墙的距离很远时，大部分的水平荷载将通过平面排架传给基础。•比较有、无山墙情况下房屋墙顶的水平位移us和up，可以看出，us＜up。在一般情况下，up的大小取决于纵墙、柱的刚度。us的大小主要与两端山墙（横墙）间的水平距离、山墙在其平面内的刚度和屋盖的水平刚度有关。•当横墙间距大，水平方向屋盖梁跨度大时，屋盖受弯时中间的挠度大；横墙刚度差时，墙顶侧移大，屋盖平移也大；屋盖平面内刚度小时，也加大了其自身的弯曲变形，中间水平位移大，房屋的空间性能差。反之屋盖水平侧移小，房屋的空间性能好。•将山墙（横墙）间的水平距离、山墙在其平面内的刚度、屋盖的水平刚度等对计算单元受力的影响叫做房屋的空间作用。通常用“空间性能影响系数η”来反映房屋空间作用的大小。空间性能影响系数η可用下式表示：psuuη值愈大，表示房屋的纵墙顶的最大水平位移与平面排架的位移愈接近，即房屋的空间性能较差。反之，η愈小，房屋空间刚度愈好。在《规范》中，为简化房屋内力计算，只考虑屋（楼）盖刚度和横墙间距两个主要因素的影响，将混合结构房屋的静力计算方案分成三种，由屋盖或楼盖的类别和横墙间距s（m）按表确定。房屋的静力计算方案屋盖或楼盖类别刚性方案刚弹性方案弹性方案1整体式、装配整体式和装配式无檩体系钢筋混凝土屋（楼）盖s＜3232≤s≤72s＞722装配式有檩体系钢筋混凝土屋盖、轻钢屋盖和有密铺望板的木屋（楼）盖s＜2020≤s≤48s＞483瓦材屋面的木屋盖和轻钢屋盖s＜1616≤s≤36s＞36（1）刚性方案当房屋的横墙间距较小、楼盖和屋盖的水平刚度较大时，房屋的空间刚度较大，因而在荷载的作用下，房屋墙、柱顶端的相对位移uS/H（H为墙、柱高度）很小，可认墙、柱顶端的水平位移等于零。在确定墙、柱的计算简图时，楼盖和屋盖均可视作墙、柱上下端的带水平连杆的不动铰支承，墙、柱的内力按两端为不动铰支承的竖向构件进行计算。按这种方法进行静力计算的房屋属刚性方案房屋。（2）弹性方案当房屋的横墙间距较大、楼盖和屋盖的水平刚度较差时，房屋的空间刚度较差，在荷载的作用下，房屋的墙、柱顶端的相对位移US/H较大。此时屋架、大梁与墙、柱为铰接，并按不考虑空间作用的平面排架进行计算。按这种方法进行静力计算的房屋属弹性方案房屋。（3）刚弹性方案房屋的空间刚度介于上述两种方案之间。在荷载作用下，纵墙顶端的相对水平位移较弹性方案房屋的要小，但又不能忽略不计。静力计算时，可根据房屋空间刚度的大小，将其在水平荷载作用下的反力进行折减，即乘以房屋的空间性能影响系数η，然后按平面排架进行计算。按照这种方法进行静力计算的房屋属刚弹性方案房屋。•关于刚性和刚弹性方案房屋的横墙：•作为刚性和刚弹性方案房屋的横墙，必须有足够的刚度，这就要求横墙应符合下列条件：1．横墙的厚度不宜小于180mm。2．横墙中开有洞口时，洞口的水平截面面积不应超过横墙水平全截面面积的50%。3．单层房屋的横墙长度不宜小于其高度；多层房屋的横墙长度不宜小于横墙总高的1/2。•当横墙不能同时符合上述要求时，应对横墙的刚度进行验算。如其最大水平位移umax≤H/4000（H为横墙总高度）时，仍可视作刚性和刚弹性方案房屋的横墙。一、墙、柱的高厚比验算在进行墙体设计时，承重墙、柱除了要满足承载力要求外，还必须保证其稳定性。对于自承重墙，为防止其截面尺寸过小，也必须满足稳定性要求。墙、柱的稳定性，主要是通过限制其高厚比来保证的(略)。第四节刚性方案结构计算与设计二、单层房屋承重墙体承载力计算单层房屋承重纵墙的计算（1）计算单元计算单层房屋承重纵墙时，可取其中具有代表性的一段进行，一般可取一个开间的墙体作为计算单元。（2）计算简图刚性方案的单层房屋在荷载作用下，可将墙视为上端不动铰支承于屋盖、下端嵌固于基础顶面的竖向构件。计算简图如图所示由于墙顶无侧移，Ａ、Ｂ两墙可以独立进行内力分析。1）屋面荷载。屋面荷载包括屋面恒荷载、屋面活荷载或积雪荷载，它们以集中力（Ｎ１）的形式通过屋架或屋面梁作用于墙体顶部。轴向力Ｎ１一般对墙体中心线存在偏心距e1。对屋架，N1的作用点位于屋架下弦端部上下弦中心线交点处，一般距墙定位轴线150mm；对屋面梁，N1至墙内边缘的距离取0.4ao；则e1=h/2—0.4ao。ao为梁端有效支承长度。2）风荷载。风荷载由作用于屋面的和墙面的两部分荷载组成。屋面风荷载（包括女儿墙上风荷载在内）常简化为作用于墙顶端的集中力W。它直接通过屋盖传至横墙，再传给基础和地基，在纵墙内不产生内力，故纵墙计算中可不考虑屋面风荷载W的作用。作用于墙面的风荷载在计算时，一般简化为沿高度均匀分布的线荷载q。3）墙体自重。墙体的自重作用于截面的形心，对等厚度墙，墙体的自重不引起截面内的附加弯矩；对变截面阶形墙，上阶墙的自重G1对下阶墙各截面产生偏心力距M=G1e1（e1为上、下阶墙截面形心线间的距离）。（4）控制截面与内力组合•在进行承载力验算时，墙体的截面宽度取窗间墙宽度。•需复核的截面一般为墙的上端截面Ⅰ-Ⅰ、下端截面Ⅱ-Ⅱ和在水平均布荷载作用下的最大弯矩截面。•截面Ⅰ-Ⅰ除轴向力外，还有弯矩的作用，故既要验算偏心受压承载力，还要验算梁下砌体的局部受压承载力。截面Ⅱ-Ⅱ，受有最大的轴向力和相应的弯矩，需按偏心受压进行承载力验算。•设计时，应先求出各种荷载单独作用下的内力，然后将可能同时作用的荷载产生的内力进行组合，求出上述控制截面中的最不利内力，作为选择墙截面尺寸和进行承载力验算的依据。三、多层房屋承重纵墙的计算（1）计算单元通常从纵墙中选取荷载较大及截面较弱的部位、宽度等于一个开间的竖条墙作为计算单元，计算单元承受荷载的范围宽度取s=（s1+s2）/2（s1、s2为计算单元所在的两个开间的宽度）。（2）计算简图墙体的计算截面面积，在墙体开设有门窗洞口时取窗间墙宽度乘以墙厚，无门窗洞口时，取一个开间宽度内的墙截面面积。在竖向荷载作用下，计算单元如同一竖立的连续梁，屋盖、楼盖及基础顶面均作为连续梁的支点。由于屋盖、楼盖中的梁端或板端搁置于墙内，使墙体的连续性受到削弱，墙截面上能传递的弯矩很小，假定屋盖、楼盖为墙的不连续的铰支承。在基础顶面处，由于轴向力远比弯矩的作用效应大，也假定墙铰支于基础顶面。墙在每层层高范围内均被简化为两端铰支的竖向偏心受压构件可单独进行内力计算。各层的计算高度可取相应的层高，底层墙的计算高度取底层层高加上室内地面至基础顶面的距离。《规范》规定，当刚性方案的多层房屋满足以下要求时，可不考虑风荷载对外墙内力的影响：1）洞口水平截面面积不超过全截面面积的2/3。2）层高和总高不超过表中所规定的数值。3）屋面自重不小于