砌体结构设计规范_的回顾与进展

V ol131No16J une2010004文章编号:1000-6869(2010)06-0022-07

5砌体结构设计规范6的回顾与进展

金伟良1,岳增国1,高连玉2

(1.浙江大学结构工程研究所,浙江杭州310058;2.东北建筑设计研究院,辽宁沈阳110006)

摘要:近年来随着我国砌体结构理论研究和应用的发展,出现了许多新的结构体系、研究成果,对砌体结构有了新的功能要求,因而需要对原有砌体结构设计规范进行完善和修订。结合规范编制工作,对砌体结构设计规范的发展历程进行了回顾,概述了我国砌体结构在新型墙材应用、新的承重体系、砌体结构的节能体系及数值分析方法等方面的进展,并对2010版砌体结构设计规范修订的重点内容,即砌体结构耐久性、框架填充墙的连接方式和裂缝控制、夹心墙的设计以及砌体抗剪强度等进行简要介绍,进而展望了砌体结构的主要研究方向。

关键词:砌体结构设计规范;耐久性;框架填充墙;夹心墙;墙梁;配筋砌体;预应力砌体

中图分类号:TU31814TU3文献标志码:A

State-o-f the-art develop ment on-Code for desi gn of

masonry structures.

JIN W eiliang1,YUE Zengguo1,GAO Lianyu2

(1.Instit ute of S tructural Engineeri ng,Zheji ang Universit y,H angz hou310058,Ch i na;

2.A rch i tect uralDesi gn&Research Institute of Nort heast Ch i na,Shenyang110006,Ch i na)

Abstract:W ith t he develop m ent of theoretical researc h and appli cat i on of m asonry structure,m any ne w structural syste m sw ith ne w f unctional require m e nts have e m er ged along w it h ne w research fi ndi ngs.T hese m i pel the need for the rev i si on of-Code for desi gn o f masonry str uctures..Th is paper revie ws the state-o-f the-art devel op m ent o f the code and the latest achieve m ents on ne w w all m ateri als,ne w load-beari ng syste m s,energy-efficie nt syste m s,nu m erical analysismethods ofm asonry structures and so on.T he basis for the revisi on of-Code for design of masonr y str uctures. is d i scusse d,al ong w ith i ntroducing t he m i portant content of rev i si on of the code,such as connecti on and cr ack control of infilled-fr a m e,durab ility ofm asonry structures,desi gn of cavity wall f illed w ith insulation,shear strength.F i nally, directi ons of fut ure research develop m ent on m asonry str ucture are suggested.

K ey wor ds:Code for desi gn of masonry str uctures;durability;inf illed fra m e;cav ity wall filled w ith i nsulati on;w all bea m;rei nforced m asonry str ucture;prestressed masonr y

基金项目:国家重大科技支撑计划(2006BA J03A04-03,2006BAJ03A02-02,2006BA J03A03-03),杭州市墙体改革科研项目(2005333)。

作者简介:金伟良(1961)),男,浙江杭州人,工学博士,教授。E-ma i:l ji n w@l zj u1ed u1cn

收稿日期:2010年4月1前言

砌体结构是由块材和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构,是砖砌体、砌块砌体和石砌体结构的总称,在我国已有2000多年的历史,并大量应用于工业与民用建筑。近10多年来,随着科技的发展、社会的进步以及功能要求的改变,我国的砌体结构理论和应用得到了迅速的发展,已经由单一的砖石结构发展到以烧结和非烧结、实心和空心、无筋和配筋、多层和高层等多种材料和多种结构体系并存的格局,它的变化赋予了砌体结构以新的内涵,同时也给砌体结构的研究和规范的编制带来了新的挑战[1]。

本文结合我国砌体结构设计规范的编写及修订对砌体结构理论研究进行了简要的总结回顾,并总结了砌体结构设计规范修订的最新进展。

2砌体结构设计规范历史回顾

我国砌体结构设计规范的发展大体分为三个阶段,每一阶段的历程各具特点。

211第一阶段

1950年以前我国尚未涉及关于砌体结构设计方面的理论研究。1956年12月,原国家建委在全国推荐使用苏联规范H Ty120-555砖石及钢筋砖石结构设计标准和技术规范6[2]。1973年颁布了国家试行标准GBJ3)735砖石结构设计规范6并于1974年5月1日开始试行。这是我国第一部砖石结构设计规范,从此我国的砌体结构设计进入了一个崭新的阶段。这部规范以60至70年代初全国范围内的砖石结构试验研究和调查为基础,建立了砌体强度计算公式,提出了按刚弹性方案考虑房屋空间工作的分析方法,建立了无筋砌体受压构件承载力计算的荷载偏心影响系数[2-3]。

212第二阶段

根据原国家建委(81)建发设字第546号文件的要求,由原城乡建设环境保护部会同有关部门对GBJ 3)735砖石结构设计规范6进行修订并更名为砌体结构设计规范。为修订GBJ3)73规范,从试验研究、有限元计算、工程实测和理论分析等多方面对砌体结构进行了研究,并取得了丰硕的成果。本阶段的主要研究内容包括:砌体结构设计方法、多层房屋空间工作性能、墙梁协同工作、砌块力学性能、砌块房屋设计、配筋砌体、构造柱和砌体房屋的抗震性能[2-7]。在总结本阶段研究出成果的基础上,1988年11月28日建设部以(88)建标字第383号文件批准GBJ3)885砌体结构设计规范6为国家标准,自19年9月1日起施行。GBJ3)735砖石结构设计规范6于1991年1月1日废止。

GBJ3)885砌体结构设计规范6采用概率理论为基础的极限状态设计方法,确定了考虑空间工作的多层房屋的静力分析方法,建立了按组合作用分析的墙梁和挑梁的设计方法,提出了适用于各类砌体抗压强度的统一计算模式,改进了无筋砌体受压构件的受压和局部受压承载力的计算,并修改了配筋砖砌体构件受压承载力的计算公式[2]。GBJ3)88 5砌体结构设计规范6的颁布使我国砌体结构设计理论和方法趋于完善,砌体结构可靠度的设计方法也已达到当时的国际先进水平[5]。

213第三阶段

1998年建设部以建标[1998]94号文件要求对GBJ3)885砌体结构设计规范6进行修订。对GBJ 3)885砌体结构设计规范6的修编主要在砌体结构可靠度、配筋混凝土砌块砌体、墙梁的抗震性能等方面进行调整和补充。2002年1月10日建设部以(2002)建标字第9号文件批准GB50002)20015砌体结构设计规范6为国家标准,GBJ3)885砌体结构设计规范6于2002年12月31日废止。

GB50002)20015砌体结构设计规范6相比于GBJ3)885砌体结构设计规范6具有以下特点[2-7]:¹提高了砌体结构的可靠度,引入了砌体施工质量控制等级;º根据我国主编的国际标准I S09652-3 5配筋砌体结构设计规范6和试验研究和试点建筑的经验,完善了配筋砌体结构理论,扩大了配筋砌体结构的应用范围;»增补了墙梁在地震区的设计方法,进一步扩大了该结构形式的使用范围;¼根据多年来砌体结构,特别是新型墙体材料结构的温度裂缝、干燥收缩裂缝普遍比较严重的情况,增加了比较有效的抗裂构造措施;½建立了偏心构件承载力计算方法;¾与墙体材料发展形式相适应,增加了蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖及轻集料混凝土小型砌块等新型砌体材料;¿采用统一模式的砌体强度计算公式,并建立了合理反映砌块材料和灌孔影响的灌孔混凝土砌块砌体强度计算方法;À完善了以剪切变形理论为依据的考虑空间工作的静力分析方法。

3砌体结构设计理论的研究进展

从GB50002)20015砌体结构设计规范6颁布实施以来,国内外砌体结构的应用取得很大发展,出现了许多新的墙体材料和砌体结构体系,对砌体结构提出了新的功能要求,砌体结构试验及理论研究也取得了丰硕的成果。

311结构体系的发展

通过科研院所长期不懈的努力,在大量试验和理论研究的基础上,砌体结构承重体系取得了长足的发展,不仅进一步完善了无筋砌体理论与应用技术,同时发展出许多新型结构形式,承重砌体结构的承载能力、抗震性能都有很大提高,使砌体结构的应用范围越来越广。

31111配筋砌体剪力墙体系

通过砌块砌体的竖向孔洞和水平凹槽,在墙体的水平和竖向配置不小于最小配筋率的受力钢筋,并浇筑专用灌芯混凝土,形成配筋砌块砌体剪力墙结构[8]。该体系与钢筋混凝土剪力墙结构的性能相似,具有强度高、延性好的特点,同时具有配筋量低、墙体施工不用模板、施工快、造价低、增加建筑使用面积等优点[9]。在美国规范中,其建筑适用高度与钢筋混凝土剪力墙结构相同[10]。目前,世界上采用配筋砌体剪力墙体系建设的最高建筑为1990年建筑的美国内华达州拉斯维加斯28层Excali bur H otel[11],我国采用该结构体系的建筑为株洲国脉家园19层的配筋砌块砌体剪力墙房屋[12]。

近年来,国内专家学者通过工程实践和理论研的进一步发展与完善了配筋砌块砌体剪力墙体系[10,13-15],研究了该体系的抗震、受剪性能、承载力等方面,分析了高层配筋剪力墙的最大适用高度,并发展出配筋砌块短肢砌体剪力墙体系。

31112预应力砌体结构

针对砌体材料抗压强度高而受拉、受弯性能弱的特点,在砌体中加入一定数量钢筋以承受拉力或约束作用而形成的砌体结构形式,这种结构形式具有强度高、抗震耗能性好、抗裂性好、施工便捷、性价比高的优点[16]。总体上,国际上预应力砌体研究和应用不够深入,国内更是直到20世纪90年代,才开始预应力砌体结构的研究。近年来,国内许多专家学者对预应力砌体结构的抗震、抗裂性能、预应力损失、预应力砌体施工构造、承载力计算等问题进行了试验和理论研究,为预应力砌体的设计、施工提供了理论基础[16-18]。

31113钢筋混凝土与砌块约束结构体系

利用混凝土空心砌块建造的房屋在墙体边缘(或局部)设置构造柱或芯柱,形成钢筋混凝土与砌块约束结构体系。研究表明,这种新型结构体系不仅提高房屋整体性和变形能力,而且有效改善砌体结构的受力状态。国内学者对于这种结构体系进行了大量的试验和理论分析,研究了约束砌块墙体的受剪承载力计算公式以及变形能力[18-20]。目前,这种结构体系被大量应用于砌体结构的裂缝控制,提高砌体结构的承载能力和抗震性能。312新型墙体材料的应用与发展

近年来,随着我国墙体材料革新和建筑节能工作的进展,原有的高耗能、施工周期长、耗费土地资源的墙体材料逐渐被新型墙体材料所代替。到2006年,全国新型墙体材料产量达到3850亿块标准砖,占墙体材料总量的46%,比2000年增加了18%。全国近一半的省、市、区新型墙体材料产量占墙体材料总量的比例超过50%。其中北京、上海、成都达到100%;全国城镇新建建筑采用新型墙材的建筑面积已占建筑总面积的5716%。随着新农村建设步伐的加快,新型墙材开始向农村市场推广[3]。

在新型墙材应用过程中存在一些问题,从技术层面上讲,主要因为[22]:

(1)对材料的性能研究不够充分。新型墙体的推广应用,要经过大量的试验,确定墙材及墙体的力学性能、热工性能以及各种设计参数。

(2)没有配套的技术应用导致墙体/裂0、/漏0、/渗0等适应性问题。影响砌体质量的因素很多,包括产品质量、施工工艺及质量、材料强度、构造措施及结构设计。对于新墙材的应用应提供相应的配套技术。

(3)新型墙材产品质量、性能参差不齐,没有规范进行统一管理、引导。因而规范的发展,要满足市场及经济发展的需要,为新型墙体材料的发展提供技术指导与规范。

313砌体结构的节能体系

随着/十一五0建设节约型社会目标的提出,建筑节能也成为建筑行业的发展热点。我国砌体结构节能墙体模式主要有外墙外保温、外墙内保温、复合保温夹芯墙以及自保温体系[21-23]。

砌体结构节能体系的研究应注意以下问题:¹完善标准规范,尽快建立符合建筑节能要求的规范标准体系;º框架结构体系中冷热桥的处理。»各种保温形式的热工性能分析比较;¼自保温体系砌块墙体的力学性能分析;½复合夹芯墙体拉结件的连接强度及耐久性研究;¾新型保温墙材的力学性能及热工性能分析;¿保温节能体系寿命周期成本分析理论的建立与完善;À保温节能措施与防/裂0、/漏0一体化研究。

314新规范的编制

砌体结构委员会高度重视砌体结构的基础理论研究,尤其面对国家墙体材料改革,建筑节能及新技术、新体系的发展现状,做到了与时俱进。砌体结构委员会每两年召开一次全国性的砌体结构基本理论与材料工程应用学术交流大会,每次会议均有汇集各委员在基础理论研究方面举足轻重的学术成果。近几年编制CECS2565蒸压粉煤灰砖建筑技术规范6、CECS2575混凝土砖建筑技术规范6及国家标准5墙体材料应用统一技术规范6所进行的新型墙材工程应用基础理论研究,已对行业发展起到重要影响。

2005年以来委员会已发表砌体结构理论研究论文400余篇,其中有多篇参与国际学术交流。

4砌体结构设计规范修订主要内容

为了适应我国墙体材料改革、节能降耗和可持续发展的战略要求,解决现行设计规范中存在的问题,2007年建设部以建标[2007]125号文件要求对GB50002)20015砌体结构设计规范6进行修订。

基于国内外近年来在砌体结构方面取得的成熟研究成果及工程实践经验,结合近年来砌体结构应用的特点,砌体结构委员会对GB50002)20015砌体结构设计规范6开展了修订工作。着重补充了自承重砌体的块材指标、计算理论等相关内容,对框架填充墙的刚性连接与柔性连接构造做了明确的规定,并对砌体夹心墙的应用范围、拉结件的选择、夹心墙的防裂措施等进行调整和补充,完善了砌体夹芯墙的设计构造内容。

411耐久性

砌体结构耐久性包括两方面:一方面是对配筋砌体结构构件中钢筋的保护;另一方面是对砌体材料的保护。随着科技及社会的发展,砌体结构的耐久性受到广泛关注,对于上述两方面,原规范中虽有所反映,但分散在不同章节中,对于砌体耐久性的要求或保护措施相对薄弱,尤其是各种新型墙材和多孔薄壁材料的使用要求更显得不足[3]。为了适应对砌体结构耐久性要求,需要对砌体结构的耐久性条文进行增补和完善并单独作为一节,加强对砌体结构的耐久性设计。

砌体结构的耐久性与钢筋混凝土结构既有相同之处但又有其独特优势。相同之处是砌体结构中的钢筋保护增加了砌体部分,而比混凝土结构的耐久性好,无筋砌体尤其是烧结类砖砌体的耐久性更好。因此,参照国内外工程经验以及国际标准IS O9652-3 5配筋砌体结构设计规范6、英国标准BS5628、美国规范ACI530-05、GB50010)20025混凝土结构设计规范6,增补了砌体结构的环境分类及相应分类条件下配筋砌体中钢筋的保护措施,对处于冻胀或某些侵蚀环境条件下的非烧结块材或多孔块材砌体,则用提高砌体材料的强度等级的办法以达到耐久性的要求。

412框架填充墙

框架填充墙大多情况下为自承重墙,需要满足耐久性、正常使用、节能隔声等方面的要求。针对工程实践中框架填充墙存在的问题,结合最新研究成果及工程经验从以下几个方面进行了研究:

(1)填充墙与主体结构的连接方式。

填充墙与主体结构的连接方式对于整体结构在地震作用下的抗震性能有很大的影响。填充墙引起整体结构上下刚度、水平刚度的不均匀变化及改变了荷载和结构构件的内力分配。以往历次大地震(含汶川地震),框架(含框架-剪力墙)结构填充墙等非结构构件均遭到不同程度破坏,有的甚至造成的损害超出了主体结构,导致重大的经济损失和大量的人员伤亡。研究表明[24],通过改变填充墙与主体结构之间的连接方式能有效的防止或减轻填充墙的震害。

现行建筑抗震设计规范中,对于填充墙与主体结构的连接,采用柔性和刚性两种连接方式,推荐使用柔性连接。但该规范并未给出具体的柔性连接的构造措施和施工方法,实际采用的构造措施(含国家标准图)仍为刚性连接方法[10,24]。

本次修订增加了填充墙与主体结构脱开的柔性连接方式:框架柱脱开的填充墙,通过在墙中按一定间距设置小混凝土构造柱(简称微型柱)与框架梁或梁挑板、楼板连接,形成下部固端上部铰支受力明确的计算简图。框架填充墙与柱脱开后,墙体对框架结构的刚度影响很小,因此现行建筑抗震设计规范规定可不计入墙体刚度的影响,但必须指出在填充墙布置时尚应考虑墙体质量对结构的影响。另外本措施规定的墙柱脱开的尺寸要求未包括结构在罕遇地震作用下薄弱层部位,此时应根据计算确定其脱开尺寸和采取相应的措施。

(2)填充墙的裂缝控制

由于当前填充墙材料多为非烧结块材,这些材料的干缩值较大,所以在填充墙上,特别是填充墙与主体结构连接处裂缝非常普遍。为解决填充墙的裂缝问题,国内外专家、学者通过对工程实践的总结及理论分析,提出了/防0、/放0、/抗0等裂缝控制原则,并提出了构造柱、分布钢筋及控制缝、控制砌筑含水率等具体措施。浙江大学通过试验和数值研究确定了蒸压加气混凝土砌块、轻集料混凝土砌块、混凝土多孔砖等填充墙体裂缝控制墙体长度限值,确定了构造柱、分布钢筋及控制缝等措施的设置方法[25]。为解决框架填充墙裂缝问题提供了理论及试验依据。

413夹芯墙

夹心墙是一种重要的保温节能墙体形式,与其它保温墙体相比具有耐久性好、性价比高的优势。随着我国建筑节能设计标准的不断提升,外墙围护结构的保温设计成为一个墙体设计中的一个重要要求,出现了许多新型夹芯墙体材料。原有的砌体结构设计规范对于夹心墙的设计与构造要求过于简单,对于这些新型的墙材没有做明确的划分。

本次修订基于文献[26-27]的研究成果,参照国外标准及我国近年来开展的夹芯墙体试验研究成果,对砌体夹心墙的应用范围、拉结件的选择、夹心墙的防裂措施等进行调整和补充,完善了砌体夹心墙的设计构造内容。明确将复合保温砌块划为砌体夹芯墙,不仅在夹心墙的设计理论上有所突破,而且也具有较大的现实意义。

414砌体抗剪强度

国内外学者对墙体的抗剪强度进行了大量的理论分析和试验研究,并提出了两种抗剪强度公式:即以主拉应力破坏理论为基础的主拉型抗剪强度强度公式和以库伦破坏理论为基础的剪摩型抗剪强度公式。GB50011)20015建筑抗震设计规范6中采用主拉型抗剪强度公式,GB50002)20015砌体结构设计规范6中,采用剪摩型的抗剪强度公式[28-29]。两个公式在现有的多层砌体结构房屋中的取值相差不多,因而通过参照美国规范统一两者的强度计算公式,完善砌体结构基本理论[1]。国内专家施楚贤、顾祥林等通过试验研究得到了混凝土砌块墙体抗剪强度统一公式[28-29]。

同时由于砌体结构的抗剪强度受剪压比、砌块种类、块型、销键、砌筑含水率等多种因素的影响,而GB50002)20015砌体结构设计规范6首次引入砖砌体剪压复合受力的/变摩擦系数0的剪摩理式,与国外标准相比,砌体抗剪强度取值比较简单,未包括开洞和孔形及材料方面的区别。因此本次修订通过对烧结页岩矩形条孔砖、蒸压粉煤灰实心砖和圆孔砖以及烧结页岩圆孔砖等不同7类型砖砌体的剪压复合受力性能及抗剪强度的试验研究,使其得以进一步完善[30]。

5展望

在GB50002)20015砌体结构设计规范6的修编工程中,以理论研究、科学试验和工程实践为基础,砌体结构的理论与应用水平取得了巨大的进步,针对目前存在的一些问题,本文建议应从以下几个方面展开研究:

(1)新型墙体材料性能研究[1]。我国目前所提出的砌体结构理论,多数局限于烧结粘土砖,随着国家对烧结粘土砖的使用,各类新型砌块的性能和烧结粘土砖会有差别,因而应加强对新型墙体材料性能、破坏机理的试验与理论研究。

(2)加强新型砌体结构体系的研究[7]。我国已经建立了配筋砌体结构体系,预应力砌体结构及约束砌体结构的应用也取得了长足的进步,但与国外相比,尚有差距,应进一步加强新型结构体系的力学性能研究,扩大其应用范围,提高施工技术。

(3)节能建筑体系配套技术研究。我国新型节能建筑体系的发展、应用过程中缺少相应的配套技术,带来诸多问题,主要体现在:保温隔热材料的耐久性问题研究;保温层与结构层的可靠性连接;不同保温体系中热桥控制技术研究;保温隔热与/裂0、/渗0、/漏0问题一体化技术研究;保温砂浆组分及级配试验及材料性能研究。

(4)砌体结构理论研究。应进一步研究砌体结构的破坏机理和受力性能,建立精确而完整的砌体结构理论,发展均质化和分离式砌体结构数值计算模型,提高砌体结构数值分析的精度和模拟水平。

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