砌体结构设计与复习

砌体结构设计与复习2003年5月20日1目录1设计依据11.1砌体结构房屋的整体空间作用11.2内力计算11.3承载力验算122抗震计算的基本原理302.1动力方程的质量、刚度矩阵形成302.2时程分析原理的简单说明3221设计依据1.1砌体结构房屋的整体空间作用砌体结构房屋一般是由屋盖、楼盖、纵墙、横墙和基础组合而成，整个房屋如同一个空间盒子，承受着各种垂直方向和水平方向荷载的作用[2]。对于空旷单层或多层砌体房屋在规范的静力计算方案一章中，介绍了根据横墙间距与屋盖或楼盖类别要按弹性、刚性和刚弹性三种方案之一进行计算（见表1-1）。对弹性方案按刚架或半刚结刚架进行计算；对刚性方案按连续梁考虑风荷载作用的出平面弯矩，也给出了连续梁支座弯矩简化计算的公式：122iwH；对刚弹性方案则要根据规范所给的有关表格，根据楼盖（屋盖）类型和横墙间距确定空间工作系数，按规范有关规定进行分析。对于单层或多层空旷厂房一般可能要做弹性或刚弹性静力分析，对其他的一般房屋一般都属于刚性方案房屋，就不需要考虑空间整体作用了。表1-1房屋的静力计算方案Table1-1StaticAnalysisSchemeofBuilding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、钢筋混凝土楼盖s＜3232≤s≤72s＞722装配式有檩体系钢筋混凝土屋盖、轻钢屋盖和密铺望板的木屋盖、木楼盖s＜2020≤s≤48s＞483瓦材屋面的木屋盖和轻钢屋盖s＜1616≤s≤36s＞3631.2内力计算对砌体结构房屋，屋盖类型和横墙间距直接影响其空间刚度[3]。一般软件主要适用于横墙间距较小，刚度较大的多层房屋，因此一般选择刚性方案进行房屋静力计算（图1-1）。竖向荷载主要指重力荷载，包括结构自重、非结构构件自重及活荷载。活荷载取用依据荷载规范。一般软件中没有考虑活荷载的不利布置。在竖向荷载作用下，墙在每层高度范围内，可近似地视作两端铰支的竖向构件。水平荷载包括了风荷载和水平地震作用。在水平荷载作用下，墙在每层高度范围内，可近似地视作竖向连续梁。1.1图多层刚性方案Fig.1-1RigidAnalysisSchemeofMultistoreyBuilding1.2.1竖向荷载竖向荷载计算中，上层传来的竖向荷载不考虑其弯矩影响，而为作用与上一楼层墙的截面重心处。本层传来的竖向荷载考虑其对墙的实际偏心影响。其对墙外边缘的距离根据理论研究和试验的实际情况，对屋盖梁取0.33a0（a0为梁端有效支承长度），对楼盖梁考虑上部荷载和内力重分配的塑性影响取0.4a0[5]。4(a)屋盖梁(b)楼盖梁1.2图梁端有效支承长度Fig.1-2EddectiveSupportLengthofBeamEnd设墙厚为h，则偏心距分别为0033.02ahe和004.02ahe(1-1)其中a0近似计算为fhac100(1-2)式中，hc——梁的截面高度；f——砌体的抗压强度。作用于每层墙上端的垂直荷载N和弯矩M分别为：llllNNeNNMeeNMNNN0000(1-3)式中，Ng——本层墙体自重；e——N0、Nl的合力对墙重心轴的偏心距。每层墙的弯矩图为三角形，上端M=Ml·e，N=N0+Nl，弯矩最大，垂直荷载最小，下端M=0，N=N0+Nl+Ng，弯矩最小，垂直荷载最大。对于梁跨度大于9m的墙承重的多层房屋，除按上述方法计算墙体承载力5外，宜按梁两端固结计算梁端弯矩，再将其乘以系数γ后，按墙体线性刚度分到上层墙底部和下层墙顶部，修正系数γ可取为：ha2.0(1-4)a——梁端实际支承长度；h——支承墙体厚度，当上下墙厚度不同时取下部墙厚，当有壁柱时取hf。这种方法将墙视作两端铰接，大大简化了砌体结构的设计，且偏于安全，是世界各国目前较为广泛采用的方法。1.2.2风荷载是否考虑风荷载作用，可由用户指定。一般说来，风荷载引起的内力，对刚性方案房屋而言，其值不大，往往不足全部内力的5%，风荷载组合时，可以乘以小于1的组合系数，承载能力由竖向荷载所控制。《砌体结构设计规范》5003-2001规定，当刚性方案多层房屋的外墙符合下列要求时，静力计算可不考虑风荷载的影响（注意：当设计单层或多层空旷厂房时，风荷载的计算要考虑空间整体作用）：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1-2的规定；3．屋面自重不小于0.8kN/m2。4．对于多层砌块房屋190mm厚的外墙，当层高不大于2.8m，总高不大于19.6m，基本风压不大于0.7kN/m2。表1-2外墙不考虑风荷载影响的最大高度Table1-2MostHeightofExteriorWallwithoutregardtoWindLoad基本风压值(kN/m2)层高(m)总高(m)0.44.0280.54.0240.64.0180.77.518当需要考虑风荷载时，计算受风面积及风力作用点取法可为：第i层受风面6积为Si，风力作用点为：竖向在层标高Hi处，水平在迎风投影面积的形心Xi处，则iiihXS2(1-5)其中，hi——第i层的层高。垂直于建筑物表面上的风荷载标准值w按下式计算[8]：0wwszz(1-6)式中w0——基本风压，应根据《建筑结构荷载规范》（GBJ9-8）中“全国基本风压分布图”中的数值乘以系数1.1采用；对于特别重要和有特殊要求的建筑，可按图中数值乘以系数1.2采用。用户按修正后的基本风压在总体信息中输入。μz——风压高度变化系数，可按地面粗糙度分类，由用户指定地面粗糙度，软件根据建筑物高度按表1-3选用；μs——风荷载体型系数，可按下列方法取用。1)圆形和椭圆形平面建筑，μs=0.8。2)正多边形和截角三角形平面建筑，风荷载体型系数μs由下式决定：ns2.18.0（n代表多边形边数）(1-7)3)矩形、鼓形、十字形平面建筑（除细高的塔式建筑物外），μs=1.3。4)V形、Y形、双十字形、井字形、L形、槽形平面建筑，μs=1.4。5)当需要细致地进行风荷载计算时，风荷载体型系数可以由风洞试验等其它方法确定。βz——z高度上的风振系数，对于房屋高度不大于30m、高宽比小于1.5的建筑，风力振动影响可不考虑，βz=1.0；当房屋高度大于30m、高宽比大于1.5的建筑，风力振动系数按下列公式计算：zzz1(1-8)注意：对体型复杂的建筑物，计算的风荷载值可能不能完全反映实际情况。对风荷载，连续梁的弯矩近似取：2121iwHM(1-9)式中w——沿楼层高均布风荷载设计值；7Hi——层高。表1-3风压高度变化系数μzTable1-3HeightVariationalCoefficientμzwithWindPressure距离地面或海平面高度(m)地面粗糙度类别A类B类C类20015010090807060504030201052.832.642.402.342.272.202.122.031.921.801.631.381.172.612.382.092.021.951.861.771.671.561.421.251.000.802.362.111.791.721.641.551.461.361.241.110.940.710.54说明：A类指海岸、湖岸、海岛地区；B类指中小城镇和大城市郊区；C类指有密集建筑群的大城市市区。1.2.3地震作用结构地震分析主要指水平对水平地震作用的一般计算原则，依据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的有关规定。抗震设计中，多层砌体房屋的层数、高度、层高应符合下列要求：1)一般情况下，房屋的层数和高度不应超过表1-4的规定。2)对医院、教学楼等及横墙较少的多层砌体房屋，总高度应比表1-4的规定降低3m，层数相应减少一层；各层横墙很少（指同一楼层内开间大于4.2m的房间占该层总面积的40%以上）的多层砌体房屋，还应根据8具体情况再适当降低总高度和减少层数。3)横墙较少的多层砖砌体住宅楼，当按规定采取加强措施并满足抗震承载力要求时，其高度和层数应允许仍按表1-4。表1-4多层砌体房屋的层数、总高、层高限值（m）Table1-4ExtremumofMultistoreyBuilding房屋类型最小墙厚(mm)烈度6789高度层数层高高度层数层高高度层数层高高度层数层高普通砖2402487.62177.61867.61247.6多孔砖2402177.62177.61867.61247.6多孔砖1902177.61867.61557.6---小砌块1902177.62177.61867.6---建筑所在地区遭受的地震影响，应采用相应于抗震设防烈度的设计基本地震加速度和设计特征周期或中国地震动参数区划图规定的设计地震动参数来表征。抗震设防烈度和设计基本地震加速度取值应符合表1-5的规定。设计基本地震加速度为0.15g和0.30g地区内的建筑，除抗震规范另有规定外，应分别按抗震设防烈度7度和8度的要求进行抗震设计。建筑场地为Ⅲ、Ⅳ时，对涉及基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，除抗震规范另有对定外，宜分别按抗震设防烈度8度(0.20g)和9度(0.40g)时各类建筑的要求采取抗震构造措施。表1-5抗震设防烈度和设计基本地震加速度值对应关系Table1-5CorrelationCoefficientbetweenSeismicFortificationIntensityandDesignBasicAccelerationofGroundMotion抗震设防烈度6789设计基本地震加速度值0.05g0.10(0.15)g0.20(0.30)g0.40g建筑的设计特征周期应根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定。设计地震共分为三组。对Ⅱ类场地，第一组、第二组和第三组的设计特征周期，应分别为0.35s、0.40s、0.45s采用。9各类建筑结构的抗震计算，应采用下列方法：1)高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。2)除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。3)特别不规则的建筑、甲类建筑等，应采用时程分析法进行多余地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结构的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。其水平地震影响系数最大值按表1-6采用；特征周期应根据场地类别和设计地震分组按1-7采用，计算8、9度罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s。表1-6水平地震影响系数最大值Table1-6Max.InfluenceCoefficientofHorizontalEarthquakeAction地震影响6度7度8度9度多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32罕遇地震-0.5(0.72)0.90(1.20)1.40注意：括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。表1-7特征周期值Table1-7ChararcteristicPeriodofGroundMotion设计地震分组场地类别ⅠⅡⅢⅣ第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90一般软件内置的计算地震作用力的方法有：底部剪力法和振型分解反应谱法，此外，一般软件还可进行串联多自由度层间模型和双向地震激励空间协同的弹塑性时程反应分析计算，对弹塑性时程分析有关内容见第二章。采用底部剪力法：对于多层砌体房屋、底部框架房屋和多层多排柱内框架房屋的抗震计算，一般采用底部剪力法。各楼层可仅取一个自由度，结构的水平地震作用标准值，10按下列公式确定（如图1-3）：1.3图结构水平地震作用计算简图Fig.1-3CalculatingSketchofHorizontalEarthquakeActioneqEkGF1(1-10))21(11niFHGHGF