同济大学砌体结构设计第四章

Page1同济大学TONGJIUNIVERSITY第四章砌体房屋结构的形式和内力分析主讲：熊学玉Page2第四章砌体房屋结构的形式和内力分析本章内容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Page3无筋砌体的特性：墙体抗压性能较好，抗拉性能较差。为与侧向力分布和地震烈度、传递特性有关的常数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。引言矩形截面不产生拉应力的条件：16PGNBHPage4砌体结构房屋设计步骤：①确定房屋结构布置方案（横纵墙布置）；②确定房屋的静力计算方案（刚弹性、计算简图）；③进行墙、柱的内力分析（内力组合）；④验算墙、柱的承载力并采取相应的构造措施（承载计算、验算）。引言Page51.“混合结构”房屋定义：由砌体墙和钢筋混凝土楼屋盖组成的房屋常称为“混合结构”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房屋结构的形式和组成Page6一、横墙承重体系1.竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载→横墙→基础→地基第二节砌体结构的布置Page72.横墙承重体系特点横墙为承重墙，间距较小（3～4.5m），整体性好，空间刚度大，有利于抵抗沿横墙方向的水平作用（风、地震），也有利于调整地基的不均匀沉降。纵墙起围护、隔断、拉结横墙（保证横墙的侧向稳定）的作用。其在外立面设置门窗洞口的限制较少，纵墙立面处理比较灵活。结构简单，施工方便。楼盖的材料用量较少，但墙体的用料较多。――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。第二节砌体结构的布置Page8二、纵墙承重体系1.竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载→屋架（梁）→纵墙→基础→地基第二节砌体结构的布置Page92、纵墙承重体系特点横墙为自承重墙，其设置主要是满足房间的使用要求，保证纵墙的侧向稳定和房屋的整体刚度。因此房屋的划分比较灵活。纵墙为承重墙，墙上门窗洞口的大小和位置受到限制。横墙数量相对较少，承重墙间距一般较大，因此房屋的空间刚度比横墙承重体系小。楼盖的材料用量较多，墙体的材料用量较少。第二节砌体结构的布置――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。（使用上有较大空间的房屋）Page10三、纵横墙承重体系1.竖向荷载传力路线：↗纵墙↘屋（楼）面荷载基础→地基↘横墙↗2.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。第二节砌体结构的布置Page11四、内框架承重体系1.竖向荷载传力路线：↗(梁)→外墙↘屋（楼）面荷载基础→地基↘梁→框架柱↗第二节砌体结构的布置Page122.内框架承重体系特点：室内空间较大，梁的跨度并不相应增大；由于横墙少，房屋的空间刚度和整体性较差；由于钢筋混凝土柱和砖墙的压缩性能不同，且柱基础和墙基础的沉降也不一致，结构易产生不均匀的竖向变形；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。第二节砌体结构的布置Page13五、混合承重体系内框架承重体系与其他体系相结合就成为混合承重体系第二节砌体结构的布置Page14六、底层框架承重体系1.竖向荷载传力路线：屋（楼）面荷载→上层墙体→墙梁→框架柱→基础→地基第二节砌体结构的布置Page152.底层框架承重体系特点：底层使用空间较大，梁的尺度并不相应增大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；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。第二节砌体结构的布置Page16七、竖向荷载的传递1．楼面竖向荷载的传递2．梁端竖向荷载的传递（1）较刚的梁下的反力分布（2）较柔的梁下的反力分布（3）梁下加垫块时的反力分布（4）梁端有效支承长度第二节砌体结构的布置Page17八、有效支承长度考虑钢筋混凝土梁的挠曲变形和砌体受压后的塑性性能，根据常用材料性能经简化计算可得到梁端有效支承长度：上式中，hc为混凝土梁截面的高度，f为砌体抗压强度设计值，各量的量纲均按N-mm制计。由梁端有效支承长度a0可确定梁端集中荷载作用点到支座内边缘的距离。对于屋面梁和楼面梁，均取此距离为0.4a0。在设计中，一般假定扩散角为：45°。第二节砌体结构的布置fh10ac0Page18一、砌体结构的计算简图第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递Page19砌体房屋的计算单元第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递Page20根据房屋空间工作的程度不同，砌体房屋计算单元应采用相应的计算简图。《砌体结构设计规范》根据横墙和楼盖对计算单元约束程度，将砌体结构静力计算方案分为刚性、刚弹性和弹性三种计算方案。刚性方案计算简图刚弹性方案计算简图弹性方案计算简图第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递Page21二、砌体房屋空间性能影响系数η△re为该计算单元顶部的水平位移，△e为该单元在无侧向约束时的水平位移；根据对砌体房屋实测结果的统计，寻找影响空间工作效应的主要因素，《砌体结构设计规范》按照横墙间距S、屋盖或楼盖的类别确定了砌体结构房屋各层空间性能影响系数η。表4-1房屋各层的空间性能影响系数η屋盖或楼盖类别横墙间距s(m)1620242832364044485256606468721————0.330.390.450.500.550.600.640.680.710.740.772—0.350.450.540.610.680.730.780.82——————30.370.490.600.680.750.81—————————备注屋盖或楼盖的类别中，1类为整体式、装配整体和装配式无檩体系钢筋混凝土屋盖或钢筋混凝土楼盖，2类为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盖或木楼盖，3类为冷摊瓦木屋盖和石棉水泥瓦轻钢屋盖。第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递erePage22三、水平荷载的传递横向水平荷载（风、地震）的传力路径（刚性方案）：↗相邻的楼屋盖→横墙→横墙基础纵墙上水平荷载→纵墙↘纵墙基础第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递Page23四、砌体房屋静力计算方案的确定1.根据房屋空间性能影响系数，为简化房屋内力计算，《砌体结构设计规范》GB50003－2011，按照横墙间距S和楼屋盖类别确定了砌体房屋计算方案。房屋静力计算方案的确定屋盖或楼盖类别刚性方案刚弹性方案弹性方案1整体式、装配整体和装配式无檩体系钢筋混凝土屋盖或钢筋混凝土楼盖s3232≤s≤72s722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盖或木楼盖s2020≤s≤48s483瓦材屋面的木屋盖和轻钢屋盖s1616≤s≤36s36备注S为房屋横墙间距，其长度单位为m；对无山墙或伸缩缝处无横墙的房屋，应按弹性方案考虑。第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递Page242.为保证横墙具有足够抗侧刚度，确定刚性和刚弹性方案的房屋时横墙应同时符合下列条件：①横墙中开有洞口时，洞口的水平截面面积不应超过横墙截面面积的50%；②横墙的厚度不宜小于180mm；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度的一半。――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。要求横墙保证墙顶最大水平位移：四、砌体房屋静力计算方案的确定第三节砌体结构的计算简图与水平荷载的传递4000maxHuPage25一、计算单元1．墙体计算单元：无洞墙段（单位宽）有洞墙段（窗间墙之间墙段长度）（荷载较大而截面较小的墙段）较薄弱的单元承受集中荷载的单元第四节刚性方案结构的计算Page26二、刚性方案单层房屋墙和柱的计算1．对符合刚性计算方案的墙体单元，取上端为不动铰支承、下端嵌固于基础的竖向杆件进行内力计算。2．考虑墙体自重、楼盖和风荷载，外墙计算考虑下列三种荷载效应组合：①恒载+风载；②恒载+屋面活载；③恒载+0.85（屋面活载+风载）；④恒载为主的组合。（当有吊车时，应与混凝土结构单层厂房相同，将吊车荷载效应参与组合）第四节刚性方案结构的计算Page273．刚性方案单层房屋外墙和柱的内力第四节刚性方案结构的计算单层刚性房屋墙体计算简图屋架N的作用点Page28竖向荷载作用下:水平均布荷载作用下:HMRRAHaH232MMIIHMVVAa232MMAa83qHRVaHa85qHRVAHA22qHMAa12892qHMII第四节刚性方案结构的计算Page29三、刚性方案多层房屋墙体的计算第四节刚性方案结构的计算刚性方案多层房屋外墙计算单元（竖向荷载下）Page301.刚性方案多层房屋墙体在竖向荷载作用下的计算（1）纵墙竖向荷载作用下刚性多层房屋结构计算简图的简化墙顶截面内力：当上、下墙厚不同时：墙底截面内力：第四节刚性方案结构的计算NNNuIeNMI0uIeNeNMIIuNNNG0IIMPage31（2）横墙取宽度为1m的横墙作为计算单元每层横墙视为两端铰支的竖向构件每层构件的高度H的取值与纵墙相同；坡顶层高取为层高加山墙尖高的1/2。内墙计算简图内墙承受的荷载风载内力第四节刚性方案结构的计算Page322.刚性方案多层房屋外墙在水平荷载作用下的计算规范规定，当刚性方案多层房屋的外墙同时符合下列要求时，静力计算中可不考虑水平风荷载的影响：①洞口水平截面积不超过全截面面积的2/3；②层高和总高不超过表4-3的规定；③屋面自重不小于0.8kN/m2。表：外墙不考虑风荷载影响时的最大高度基本风压值（kN/m2）层高（m）总高（m）0.44.0280.54.0240.64.0180.73.518当需要考虑风荷载时，在房屋沿高度较均匀的情况下，多层房屋外墙可简化为两端固定的单跨竖向梁。在线性分布的设计风荷载q的作用下，第i层纵墙中的最大弯矩为：12qHM2i第四节刚性方案结构的计算Page33一、弹性方案单层房屋的计算第五节弹性方案结构的计算弹性方案单层房屋的计算简图Page34多层弹性方案（铰接）多层弹性方案（刚接）二、弹性方案多层房屋的计算第五节弹性方案结构的计算Page35一、刚弹性方案单层房屋的计算由于线弹性结构的力与位移成正比，弹性方案结构顶部所受的水平力为R，刚弹性方案作用在结构上的相应的力就为ηR。第六节刚弹性方案结构的计算刚弹性方案单层房屋的计算Page36二、刚弹性方案多层房屋的计算多层房屋由于在平面和竖向均存在空间作用，实测和计算结果表明，多层房屋的空间工作性能优于单层房屋，为简化计算并偏于安全，规范规定，多层房屋的空间性能影响系数可按单层房屋采用。刚弹性方案多层房屋的计算第六节刚弹性方案结构的计算Page37一、上柔下刚多层房屋的内力计算1.适用条件：房屋顶层横墙间距较大，只能满足刚弹性方案的要求；房屋下面各层的横墙间距可满足刚性方案的要求。2.计算方法：顶层可近似按单层刚弹性方案房屋进行分析；下面各层仍按刚性方案进行计算。第七节上柔下刚和上刚下柔多层房屋的内力计算Page38二、上刚下柔多层房屋的内力计算1．适用条件：房屋上面各层的横墙间距可满足刚性方案的要求；房屋底层横墙间距较大，只能满足刚弹性方案的要求。2．计算方法：上面各层仍按刚性方案进行计算；考虑水平作用造成的倾覆力矩，底层可按单层排架结构进行分析设计；第七节上柔下刚和上刚下柔多层房屋的内力计算上