无筋砌体承载力计算.ppt

3无筋砌体构件承载力的计算 本章提要本章较详细地介绍了无筋和有筋砌体结构构件受压 局部受压 轴心受拉 受弯和受剪承载力的计算方法 并给出了相应例题 3 1受压构件 Nu y h h e Nu b 在砌体结构中 最常用的是受压构件 例如墙 柱等 砌体受压构件的承载力主要取决于构件的截面面积 砌体的抗压强度 轴向压力的偏心距及构件的高厚比 构件的高厚比是构件的计算高度H0与相应方向边长h的比值 用 表示 即 H0 h 当构件的 3时称为短柱 3时称为长柱 对短柱的承载力可不考虑构件高厚比的影响 3 1 1受压短柱的承载力 砌体截面破坏时的轴向承载力极限值与偏心距的大小有关 规范 采用承载力的影响系数来反映截面承载力受高厚比和偏心距的影响程度 图3 1砌体受压时截面应力变化 设砌体匀质 线弹性 按材力公式 截面受压边缘的应力 1 偏心距对承载力的影响 2 偏心影响系数 对矩形截面砌体 规定砌体受压时的偏心距影响系数按下式计算 式中i 截面的回转半径 e 荷载设计值产生的轴向力偏心距 对于T形或十字形截面砌体 折算厚度 hT 3 5i 图3 2砌体的偏心距影响系数 偏压短柱的承载力可用下式表示 3 1 2受压长柱的承载力 1 轴心受压长柱 图3 3受压构件的纵向弯曲 根据材料力学公式可求得轴心受压柱的稳定系数为 式中 构件长细比 3 5 式中 与砂浆强度等级有关的系数 当砂浆强度等级大于或等于M5时 0 0015 当砂浆强度等级等于M2 5时 0 002 当砂浆强度等级f2等于0时 0 009 当为矩形截面时 有 当为T形或十字形截面时 也有 因此式 3 5 可表示为 式中 a 与砂浆强度有关的系数 a根据试验测定取值如下表 注 对矩形截面 3为短柱 由图知 长柱最不利截面的偏心距为 影响系数 当轴心受压时 e 0 则有 即 2 偏心受压长柱 图3 3受压构件的纵向弯曲 对矩形截面 代入上式 有 规范 给出的矩形截面单向偏心受压构件承载力的影响系数 式中 对T形或十字形截面受压构件 应以折算厚度hT 3 5i代替上式中的h 3 1 3受压构件承载力的计算 规范规定无筋砌体受压构件的承载力按下式计算 式中N 轴向力设计值 高厚比 和轴向力偏心矩e对受压构件承载力的影响系数 f 砌体抗压强度设计值 A 截面面积 对各类砌体均应按毛截面计算 3 12 应注意的问题1 对矩形截面的构件 当轴向力偏心方向的边长大于另一方向的边长时除按偏心受压计算外 还应对较小边长方向按轴心受压进行验算 对矩形截面 对T形截面 3 13 3 14 式中H0 受压构件的计算高度 查表4 4 h 矩形截面轴向力偏心方向的边长 当轴心受压时取截面较小边长 hT T形截面的折算厚度 可近似按3 5i计算 i 截面回转半径 不同砌体材料的高厚比修正系数 查表3 13 2 由于各类砌体在强度达到极限时的变形值有较大的差别 因此砌体的类型对构件的承载力有较大的影响 为了考虑不同种类砌体在受力性能上的差异 计算影响系数 或查 值表时 构件高厚比 应按砌体的类型及构件的高厚比乘以不同砌体材料的高厚比修正系数 3 轴向力的偏心距离较大时的设计方法偏心距较大的受压构件在荷载较大时 往往在使用阶段砌体边缘就产生较宽的水平裂缝 致使构件刚度降低 纵向弯曲的影响增大 构件的承载能力显著下降 这样的结构既不安全也不够经济 对于偏心距超过限值的构件应优先考虑采取适当的措施来减小偏心距 如采用垫块来调整偏心距 也可采取修改构件截面尺寸的方法调整偏心距 规范 规定 按荷载设计值计算轴向力的偏心距 并不应超过0 6y 即 e 0 6y式中y 截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离 当轴向力的偏心距e超过0 6y时 可采取修改构件截面尺寸的方法 当梁或屋架端部支承反力的偏心距较大时 可在其端部下的砌体上设置带中心装置的垫块或带缺口垫块 如图3 4所示 中心装置的位置或缺口垫块的缺口尺寸 可视需要减小的偏心距而定 图3 4减小偏心距的措施 a 设置中心装置垫块 b 设置带缺口的垫块 例3 1 一无筋砌体砖柱 截面尺寸为370mm 490mm 柱的高度H 3 3m 计算高度H0 H 柱顶承受轴心压力作用 可变荷载标准值为30kN 永久荷载标准值150kN 不包括砖柱自重 砖砌体的重力密度18kN m3 结构的安全等级为二级 设计使用年限为50a 采用MU15蒸压灰砂普通砖和M5混合砂浆砌筑 施工质量控制等级为B级 试验算该砖柱的承载力 若施工质量控制等级降为C级 该砖柱的承载力是否还能满足要求 解 该柱为轴心受压 控制截面应在砖柱底部 1 轴向力设计值的计算 0 1 0 L 1 0 砖柱自重标准值18 0 37 0 49 3 3 10 77kN可变荷载控制组合为 N 1 0 1 2 150 10 77 1 0 1 4 30 234 9kN永久荷载控制组合为 N 1 0 1 35 150 10 77 1 4 1 0 0 7 30 246 4kN 234 9kN所以最不利轴向力设计值N 246 4kN 5 设计表达式 当仅有一个可变荷载时 应按下列公式中最不利组合进行计算 当可变荷载多于一个时 应按下列公式中最不利组合进行计算 2 11 2 12 2 13 2 14 2 施工质量控制等级为B级的承载力验算柱截面面积A 0 37 0 49 0 181m2 0 3m2砌体强度设计值应乘以调整系数 a a 0 7 0 181 0 881查表2 9得砌体抗压强度设计值1 83Mpaf 0 881 1 83 1 612Mpa 查表3 1得 0 853 满足要求 砌体强度设计值的调整系数考虑到实际工程中的一些不利的因素 各类砌体的强度设计值 当符合表2 15所列情况时 其砌体强度设计值应乘以调整系数 a 表2 15砌体强度设计值的调整系数 注 1 表中构件截面面积A以m2计 2 当砌体同时符合表中所列几种使用时 应将砌体的强度设计值连续乘以调整系数 a 施工阶段砂浆尚未硬化的新砌砌体的强度和稳定性 可按砂浆强度为零进行验算 对于冬期施工采用掺盐砂浆法施工的砌体 砂浆强度等级按常温施工的强度等级提高一级 砌体强度和稳定性可不验算 配筋砌体不得用掺盐砂浆施工 3 施工质量控制等级为C级的承载力验算当施工质量控制等级为C级时 砌体抗压强度设计值应予降低 此时 不满足要求 点评 本例是砌体结构的第一个计算例题 内容简单 但也涉及不少基本概念 控制截面的概念 轴心受压柱的控制截面在构件底部 砖砌体自重的计算 荷载效应组合的设计值应从两组组合值中取最不利值 强度设计值调整系数 a的采用 高厚比修正系数 的采用 影响系数 的线性插值 施工质量控制等级为C级时 砌体抗压强度设计值应予降低 这都是应该熟练掌握的 例3 2 一承受轴心压力的砖柱 截面尺寸为370mm 490mm 采用MU15混凝土普通砖和M5混合砂浆砌筑 施工阶段 砂浆尚未硬化 施工质量控制等级为B级 柱顶截面承受的轴向压力设计值N 53kN 柱的高度H 3 5m 计算高度H0 H 砖砌体的重力密度22kN m3 试验算该砖柱的承载力是否满足要求 解 1 轴向力设计值的计算砖柱自重22 0 37 0 49 3 5 1 35 18 85kN 采用以承受自重为主的内力组合 柱底截面上的轴向力设计值N 53 18 85 71 85kN 2 承载力验算柱截面面积A 0 37 0 49 0 181m2 0 3m2 砌体强度设计值应乘以调整系数 a a 0 7 0 181 0 881轴心受压砖柱e 0 施工阶段 砂浆尚未硬化 查表3 3得 0 512当验算施工中房屋的构件时 a为1 1查表2 8得砌体抗压强度设计值0 82Mpa f 1 1 0 881 0 82 0 795Mpa满足要求 点评 本例也是轴心受压柱 还需注意以下两点 施工阶段砂浆尚未硬化的新砌砌体的强度和稳定性 可按砂浆强度为零进行验算 注意多个强度设计值调整系数 a的采用 例3 3 一矩形截面偏心受压柱 截面尺寸为370mm 620mm 计算高度H0 6m 采用MU15蒸压粉煤灰普通砖和M5混合砂浆砌筑 施工质量控制等级为B级 承受轴向力设计值N 120kN 沿长边方向作用的弯矩设计值M 15kN m 试验算该偏心受压砖柱的承载力是否满足要求 解 1 沿截面长边方向按偏心受压验算 偏心距 查表3 1得 0 433柱截面面积A 0 37 0 62 0 229m2 0 3m2 a 0 7 0 229 0 929查表2 9得砌体抗压强度设计值为1 83Mpa f 0 929 1 83 1 70Mpa 满足要求 2 沿截面短边方向按轴心受压验算 查表3 1得 0 0 634因为 0 故轴心受压满足要求 点评 本例是偏心受压构件的计算问题 应注意如下概念 在进行偏心方向计算时 应注意偏心距的限值 e 0 6y 超过该值可采取修改构件截面尺寸的方法或采用配筋砌体构件 轴心受压方向的验算 当算得 0大于偏心受压方向 值时 即已表明轴心受压方向承载力大于偏心受压方向承载力 例3 4如图所示带壁柱窗间墙 砖MU10 混合砂浆M7 5 施工质量控制等级为B级 计算高度H0 5m 试计算当轴向力作用于该截面重心O点及A点时的承载力 1000 250 240 240 y1 y2 截面重心 压力作用点 解 1 截面几何特征值t计算 o 100 490 A 2 轴向力作用于截面重心点时的承载力 3 轴向力作用于A点时的承载力 点评 本例是T形截面受压构件的计算 可以看出 截面折算厚度hT的计算 关键是截面几何特征值的计算 当轴向力偏心距为69mm时 承载力降低41 33 AL A0 3 2局部受压局部承压的类型 均匀受压 非均匀受压 梁或屋架端受压 3 2 1砌体局部均匀受压1 砌体局部均匀受压的破坏形态 试验研究表明 局部受压有三种破坏形态 1 因纵向裂缝的充分发展而导致的破坏 2 劈裂式破坏 3 与垫板直接接触的砌体局部破坏 纵向裂缝充分发展 劈裂式 砌体局部受压时 直接受压的局部范围内的砌体抗压强度有较大程度的提高套箍强化效应 砌体纵向局部受压后 若横向变形受到约束 则呈三向或双向受压状态 使砌体抗压强度明显提高 称为套箍强化效应 AL A0 注意 在数值上 A0中还包含AL 常见 套箍强化效应 的情况 应力扩散现象 砌体内存在未直接承受压力的面积 就有应力扩散的现象 可在一定程度上提高砌体的抗压强度 2 砌体局部抗压强度提高系数 砌体局部均匀受压时的抗压强度可取为 为砌体抗压强度设计值 为砌体局部抗压强度提高系数 按下式计算 式中 砌体的局部抗压强度提高系数 A0 影响砌体的局部抗压强度的计算面积 AL 局部受压面积 3 16 砌体截面中受局部均匀压力时的承载力计算公式为 3 17 A0和Al的值 a A0 a c h h1Al abA0 a 2h hAl ab b A0 a 2h hAl ab c A0 a h1 h1 b h2 h1 h2Al ab d A0 a h hAl ah 图3 8影响局部抗压强度的面积A0 的上限值 1 在图3 8的情况下 2 5 2 在图3 8的情况下 2 0 3 在图3 8的情况下 1 5 4 在图3 8的情况下 1 25 4 对多孔砖砌体和混凝土砌块灌孔砌体 除应满足 4 的情况外 尚应符合 1 5 当未灌孔时 1 0 砌体截面中受局部均匀压力时的承载力计算公式为 3 17 d b c a 3 3 2梁端局部承压 受力特点 局压面积上一般有两种荷载 大梁产生的支座压力NL 上部砌体荷载引起的压力N0 N0 1 梁端有效支承长度 梁的搁置长度a 有效支承长度a0 砌体局部受压面积AL a0b b为梁宽 因为大梁产生了挠曲变形 所以a0 aa0的计算公式 有效支承长度a0 一般小于搁置长度a 一般情况取值 简支砼梁的简化 式中h 梁的截面高度 mm 砌体抗压强度设计值 N mm2 2 上部荷载对局部抗压的影响 砖墙的内拱卸载作用 当 0 m较小 而大梁荷载较大时 因梁端下陷 内拱作用很强 N0极小 当 0 m较大 而大梁荷载相对较小时 内拱作用不明显 N0则较大 内拱的卸载作用还与的A0 Al大小有关 根据试验结果 当A0 Al 2时 可不考虑上部荷载对砌体局部抗压的影响 偏于安全 规范规定当A0 Al 3时 不考虑上部荷载的影响 上部荷载传递特点 部分通过拱作用传至梁侧 形成拱的作用 实际效应 3 梁端支承处砌体局部受压承载力计算 根据试验结果 设计应满足下式 式中N0 局部受压面积内的上部轴向力设计值 上部荷载的折减系数 当时 取 0 梁端底面应力图形的完整系数 一般 0 7 过梁和墙梁 1 0 3 2 3梁下设有刚性垫块 若局压不满足时 可设垫块解决 目的 局压面积扩大 应力减小 类型 预制钢筋砼垫块 预制素砼垫块 垫块与梁端同时现浇 刚性垫块定义 伸入翼墙 120 厚度tb 180 挑出梁侧c tb 墙垛 壁柱 大梁 1 1 bb 120 tb tb N0 0 4a0 tb Nl ab 1 1 壁柱上设有垫块时梁端局部受压 按哈建工试验 试验还表明 刚性垫块下砌体的局部受压可采用砌体偏心受压的公式计算 在梁端下设有预制或现浇刚性垫块的砌体局部受压承载力按下列公式计算 式中N0 垫块面积Ab内上部轴向力设计值 垫块上及合力的影响系数 3时 1 垫块外砌体面积的有利影响系数 Ab 垫块面积 ab 垫块伸入墙内的长度 bb 垫块的宽度 3 47 3 48 3 49 刚性垫块上表面梁端有效支承长度a0按下式计算 3 26 式中 1 刚性垫块计算公式的系数 垫块上Nl合力点位置可取0 4a0处 表3 5系数 1值表 3 2 4梁下设有长度大于 h0钢筋砼垫梁 当垫梁长度 h0时 称为柔性垫梁 当柔性垫梁置于砖墙上 相当于承受集中荷载的 弹性地基 上的无限长梁 按弹性力学的平面应力问题 3 27 3 28 3 29 试验指出 当采用钢筋砼垫梁时 1 5 1 6 因此 规范规定 垫梁应满足下式 3 30 3 31 砌体局部受压承载力计算公式 3 32 3 33 3 34 式中N0 垫梁上部轴向力设计值 Bb hb 分别为垫梁在墙厚方向的宽度和垫梁的高度 2 当荷载沿墙厚方向均匀分布时 2取1 0 不均匀时 2取0 5 h0 垫梁的折算高度 mm Eb Ib 分别为垫梁的混凝土弹性模量和截面惯性矩 E 砌体的弹性模量 h 墙厚 mm 3 梁端支承处砌体局部受压承载力计算 根据试验结果 设计应满足下式 式中N0 局部受压面积内的上部轴向力设计值 上部荷载的折减系数 当时 取 0 梁端底面应力图形的完整系数 一般 0 7 过梁和墙梁 1 0 例3 6某房屋的基础采用MU15混凝土普通砖和Mb7 5水泥砂浆砌筑 其上支承截面尺寸为250mm 250mm的钢筋混凝土柱 如图3 14所示 柱作用于基础顶面中心处的轴向力设计值Nl 215kN 试验算柱下砌体的局部受压承载力是否满足要求 解 1 查表2 8得砌体抗压强度设计值f 2 07Mpa砌体的局部受压面积Al 0 25 0 25 0 0625m2影响砌体抗压强度的计算面积A0 0 62 0 62 0 3844m2 2 砌体局部抗压强度提高系数 3 砌体局部受压承载力 Nl 215kN满足要求 点评 本例是砌体基础为局部均匀受压 需注意砌体局部抗压强度提高系数 的限值 局部受压面积小于0 3m2 可不考虑强度调整系数 a的影响 例3 7某房屋窗间墙上梁的支承情况如图3 15所示 梁的截面尺寸为b h 200mm 550mm 在墙上的支承长度a 240mm 窗间墙截面尺寸为1200mm 370mm 采用MU10烧结普通砖和M2 5混合砂浆砌筑 梁端支承压力设计值Nl 80kN 梁底墙体截面处的上部荷载轴向力设计值为165kN 试验算梁端支承处砌体的局部受压承载力 解 1 查表2 7得砌体抗压强度设计值f 1 30Mpa梁端底面压应力图形的完整系数 0 7 2 梁端有效支承长度 取a0 205 7mm 3 局部受压面积 影响砌体局部抗压强度的计算面积Al a0b 205 7 200 41140mm2A0 b 2h h 200 2 370 370 347800mm2 4 影响砌体局部抗压强度提高系数 故不考虑上部荷载的影响 取 0 5 局部受压承载力验算不满足要求 点评 梁端下砌体局部受压是典型的非均匀局部受压 对有效支承长度a0 A0 Al的计算至为关键 当A0 Al 3时 可不考虑上部墙体荷载对梁端下砌体局部受压的影响 而当A0 Al 3时 则应求出上部荷载折减系数 本例题梁端局部受压承载力不满足要求 可采用在梁端下设置预制或现浇混凝土垫块 3 3轴心受拉 受弯和受剪构件 3 3 1轴心受拉构件砌体的抗拉强度很低 故实际工程中很少采用砌体轴心受拉构件 对于容积较小的圆形水池或筒仓 在液体或松散材料的侧压力作用下 池壁或筒壁内只产生环向拉力时 可采用砌体结构 如图3 18所示 砌体轴心受拉构件的承载力应按下式计算 式中Nt 轴心拉力设计值 ft 砌体的轴心抗拉强度设计值 应按表2 14采用 3 3 2受弯构件 1 受弯构件的受弯承载力计算公式 3 36 2 受弯构件的受剪承载力应按下式计算 3 37 V N0 3 3 3受剪构件 沿通缝或沿阶梯形截面破坏时受剪构件的承载力的计算公式 3 38 当永久荷载分项系数 G 1 2时 3 39 当永久荷载分项系数 G 1 35时 3 40 1 1 式中V 截面剪力设计值 A 水平截面面积 当有孔洞时 取净截面面积 V 砌体的抗剪强度设计值 按表2 14采用 对灌孔的混凝土砌块砌体取 VG 修正系数 当永久荷载分项系数 G 1 2时 砖砌体取0 60 混凝土砌块砌体取0 64 当永久荷载分项系数 G 1 35时 砖砌体取0 64 混凝土砌块砌体取0 66 剪压复合受力影响系数 0 永久荷载设计值产生的水平截面平均压应力 砌体抗压强度设计值 0 轴压比 且不大于0 8 例3 7一砖砌圆形水池 壁厚370mm 采用MU10砖 M10水泥砂浆砌筑 施工质量控制等级为B级 经计算池壁承受设计值为50KN m的环向拉力 试验算池壁的受拉承载力 3 4 4计算例题 解 采用水泥砂浆砌筑 a 0 8 查表3 9 0 8 0 19 0 152Mpa 例3 8一矩形浅水池 壁高H 1 4m 壁厚490mm 采用MU10砖 M10混合砂浆砌筑 施工质量控制等级为B级 不考虑池壁自重产生的不很大的垂直应力 试验算池壁的受弯承载力 1m H 解 查表3 9 tm 0 17Mpa 取1m宽池壁计算 H 3 例3 9如图所示拱支座截面 受剪截面积为370mm 490mm 采用MU10砖 M5混合砂浆砌筑 施工质量控制等级为B级 拱支座处水平推力设计值为23 6KN 作用在受剪截面面积上由永久荷载设计值产生的竖向压力为30KN 永久荷载分项系数 G 1 35 试验算拱支座截面的受剪承载力 V No 1m H 已知 矩形水池 壁高H 1 5m 采用砖MU10 混合砂浆M7 5 壁厚490mm 施工质量控制等级为B级 若不考虑池壁自重时 验算池壁受弯 受剪承载力