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1、砌体结构砌体结构（Masonry Structure）航天与建筑工程学院航天与建筑工程学院Harbin Engineering UniversityHarbin Engineering University第第3章章砌体结构设计的计算方法砌体结构设计的计算方法砌砌体体结结构构3.2 极限状态设计方法极限状态设计方法第第3章章3.1 历史回顾历史回顾航天与建筑工程学院23.1历史回顾历史回顾Ancientexperientialmethod古代经验法古代经验法Allowablestressdesignmethod容许应力设计法容许应力设计法Failurestagedesignmethod破坏阶段
2、设计法破坏阶段设计法Limitstatedesignmethod极限状态设计法极限状态设计法设计理论的发展设计理论的发展航天与建筑工程学院4发展轨迹：发展轨迹： 古代经验法古代经验法容许应力设计法容许应力设计法破坏阶段设计法破坏阶段设计法极限状态极限状态设计法设计法 1 1、直接经验法、直接经验法： 2 2、容许应力设计法、容许应力设计法： 将砌体看成是将砌体看成是理想的弹性材料理想的弹性材料，未考虑结构材料的塑性性能，未考虑结构材料的塑性性能，按材料力学的方法计算构件在外荷载作用下的应力按材料力学的方法计算构件在外荷载作用下的应力 ，要求荷载作用下构件的计算应力要求荷载作用下构件的计算应力
3、不超过砌体材料的容许应力不超过砌体材料的容许应力 ，其一般表达式为：，其一般表达式为： 为保结构安全，根据经验引入一大于为保结构安全，根据经验引入一大于1 1的的安全系数安全系数K K，则容许应力则容许应力 ： 航天与建筑工程学院3 3、破坏强度设计法、破坏强度设计法 通过研究发现，上述通过研究发现，上述容许应力法与实际相差较大容许应力法与实际相差较大，19431943年年原苏联在规范（原苏联在规范（Y57Y574343）中引入修正系数调整弹性理论计算）中引入修正系数调整弹性理论计算和破坏试验结果的差异，和破坏试验结果的差异，其一般表达式为：其一般表达式为：式中： 安全系数，有试验得到 荷载标
4、准值产生的内力 结构构件抗力函数 砌体平均极限强度 截面几何特征值解放初期，我国部分地区采用前苏联规范按破坏阶段进行设计。解放初期，我国部分地区采用前苏联规范按破坏阶段进行设计。航天与建筑工程学院4 4、三系数表达的极限状态设计法、三系数表达的极限状态设计法 考虑考虑荷载的不确定性荷载的不确定性以及以及材料强度的变异性材料强度的变异性，19551955年前苏年前苏联颁布了按极限状态进行设计的规范（联颁布了按极限状态进行设计的规范（HNTY120-55HNTY120-55）。）。其一般其一般表达式为表达式为：三种极限状态：三种极限状态：（1 1）承载能力极限状态；）承载能力极限状态；（2 2）极
5、限变形状态；）极限变形状态；（3 3）裂缝出现和开展极限状态。）裂缝出现和开展极限状态。三系数：三系数：（1 1）荷载系数荷载系数 n n 考虑统计荷载标准值的超载考虑统计荷载标准值的超载（2 2）材料系数材料系数 k k 考虑材料性能变异考虑材料性能变异（3 3）工作系数工作系数 m m 考虑材料在不同工作条件下作用发挥程度考虑材料在不同工作条件下作用发挥程度 20 20世纪世纪5050年代至年代至2020世纪世纪7070年代初，我国砌体结构设年代初，我国砌体结构设计采用前苏联规范的三系数极限状态设计方法计采用前苏联规范的三系数极限状态设计方法 ，也是，也是我国砌体结构设计方法及在应用规范方
6、面的第一阶段。我国砌体结构设计方法及在应用规范方面的第一阶段。n n实际上，所有实际上，所有实际上，所有实际上，所有影响结构安全度的因素影响结构安全度的因素影响结构安全度的因素影响结构安全度的因素至今很难都作为至今很难都作为至今很难都作为至今很难都作为随机变量随机变量随机变量随机变量处理而加以统计。处理而加以统计。处理而加以统计。处理而加以统计。航天与建筑工程学院85、多系数分析总系数表达的极限状态设计法（第二阶段）、多系数分析总系数表达的极限状态设计法（第二阶段） 改进采用了多系数分析、单一系数表达的方法改进采用了多系数分析、单一系数表达的方法，19731973年我国自行编制的第一部砌体结构
7、设计规范年我国自行编制的第一部砌体结构设计规范砖石结构设砖石结构设计规范计规范（GBJ3GBJ37373），采用半概率极限状态设计方法，），采用半概率极限状态设计方法，承载能力设计表达式为承载能力设计表达式为： 上式中安全系数：上式中安全系数： K1K1砌体强度变异影响系数（同类试件统计分析）砌体强度变异影响系数（同类试件统计分析）K2K2缺乏系统试验对砌体强度变异影响系数缺乏系统试验对砌体强度变异影响系数K3K3砌筑质量影响系数砌筑质量影响系数K4K4尺寸偏差，计算假定误差等影响系数尺寸偏差，计算假定误差等影响系数航天与建筑工程学院9K5K5荷载变异影响系数荷载变异影响系数C C 考虑各种最
8、不利因素同时出现的组合系数考虑各种最不利因素同时出现的组合系数优点：优点：以多系数分析、单系数表达确定安全系数，计算方便以多系数分析、单系数表达确定安全系数，计算方便直观；直观；缺点缺点：无法定量计算所设计的结构具有多少保证率无法定量计算所设计的结构具有多少保证率6 6、以分项系数表达的极限状态设计法（第三阶段）、以分项系数表达的极限状态设计法（第三阶段） 将将概率理论概率理论引入结构的设计，可定量估计结构的可靠引入结构的设计，可定量估计结构的可靠水平，水平，19881988年我国年我国砌体结构设计规范砌体结构设计规范（GBJ3GBJ38888）、）、 （GB50003-2001GB50003
9、-2001）及（）及（GB50003-2011GB50003-2011）采用了以）采用了以概率理论为概率理论为基础的极限状态设计法基础的极限状态设计法。以。以19841984年颁布的年颁布的建筑结构设计统建筑结构设计统一标准一标准（GBJ68GBJ688484）为依据，设计考虑了）为依据，设计考虑了两种极限状态。两种极限状态。航天与建筑工程学院103.2极限状态设计方法极限状态设计方法3.2.1结构的极限状态结构的极限状态 结构的结构的功能要求功能要求（1 1）安全性）安全性（2 2）适用性）适用性（3 3）耐久性）耐久性定义：整个结构物或结构物的一部分超过某一特定状态时就不能满足设计规定的某
10、一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。设计统一标准中规定，结构的极限状态分为两类：承载力极限状态和正常使用极限状态。航天与建筑工程学院11 这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形。 在砌体结构设计中，对任何承载的结构或构件都需要按承载力极限状态进行计算，以保证各个控制截面不发生破坏。 当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了承载力极限状态： 整个结构物或结构物的一部分作为刚体失去平衡；(如倾覆等) 结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；(包括疲劳破坏) 结构变为机动体系； 结构或结构构件丧失稳定。(如压曲等)承载力极限状态航天与建筑工程学院12正常使用极
11、限状态 这种极限状态对应于结构或结构这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定极构件达到正常使用或耐久性能的某项规定极限。如变形过大、裂缝过大、振动过大等影限。如变形过大、裂缝过大、振动过大等影响正常使用，即超过了正常使用极限状态。响正常使用，即超过了正常使用极限状态。 在砌体结构设计中，对于正常使在砌体结构设计中，对于正常使用极限状态，主要通过构造措施加以保证，用极限状态，主要通过构造措施加以保证，一般不进行验算一般不进行验算。仅仅在个别情况下，才需。仅仅在个别情况下，才需要对构件进行变形验算。要对构件进行变形验算。航天与建筑工程学院133.2.2 结构的作用效应S和结
12、构抗力R结构上的作用施加在结构上的集中力或分布荷载（直接作用，也称为荷载）和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用）。 结构的作用效应S：作用对结构产生的效应（内力）等。结构抗力R：是指整个机构构件而言，即结构或结构构件所能承受荷载和变形的能力。 由于作用效应S和结构抗力R都不是确定性变量，而随荷载、材料强度、计算模式及几何尺寸等的变异具有明显的随机性，应采用随机变量或随机过程加以描述。航天与建筑工程学院143.2.3 结构的可靠度和可靠指标（Reliability index） 结构物在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为结构的可靠度。 概率法认为概率法认为，保证，保证
13、“结构绝对安全结构绝对安全”的设计是困难的设计是困难的，结构设计不可能不冒一定的风险，只是风险要小到的，结构设计不可能不冒一定的风险，只是风险要小到人们可以接受的程度。人们可以接受的程度。也就是在结构设计中，结构到达也就是在结构设计中，结构到达极限状态时的概率要足够的小。极限状态时的概率要足够的小。 引入函数Z，令Z=R-S=g (R, S),则结构的工作状态可用函数Z的不同取值加以描述：Z=R-S0，结构处于可靠状态；Z=R-S=0，结构处于极限状态；Z=R-S0，结构处于失效状态。 在可靠度设计中，一般把Z=g (R, S)称为功能函数，而Z=0则称为结构或构件的极限状态方程。单一的荷载效
14、应或荷载效应组合相对最大值航天与建筑工程学院15 作用效应作用效应 和和结构抗力结构抗力 的分布曲线如图，纵坐标为的分布曲线如图，纵坐标为概率概率密度密度 。由图中可见，当。由图中可见，当 的平均值的平均值 大于大于 平均值平均值 时，并时，并不能说明结构是绝对安全的，因为两条曲线还有相互交叉的部不能说明结构是绝对安全的，因为两条曲线还有相互交叉的部分。例如，对应于图上分。例如，对应于图上 点的作用效应点的作用效应 ，就存在，就存在 的概的概率。所谓率。所谓结构的可靠度就是指结构的可靠度就是指 这一事件的概率这一事件的概率。 fSR0航天与建筑工程学院16可靠指标可靠指标假定假定 和和 两个独
15、立的随机变量都是两个独立的随机变量都是正态分布正态分布，则它们的差值也按则它们的差值也按正态分布正态分布。其：。其： 平均值平均值 标准差（或均方差）标准差（或均方差）f (z)0z失效概率失效概率： 即即阴影部分面积阴影部分面积。定义结构构件的定义结构构件的可靠指标可靠指标 为：为：可靠指标可靠指标 与失效概率与失效概率 间存在间存在对应关系对应关系：航天与建筑工程学院17q 由公式可见，随由公式可见，随 的的增大增大，失效概率，失效概率 会会减小减小; ;q从图中也可看出，从图中也可看出， 值是随值是随 的的增大增大或或 的的减小减小而而增大增大的的; ;q 值越大，结构构件越可靠值越大，
16、结构构件越可靠。 航天与建筑工程学院18 为使设计者能针对所设计的结构的重要程度，正确选择适当的可靠度，设计统一标准将建筑结构的安全等级划分为三级：注：1.对于特殊的建筑物，其安全等级根据具体情况另行确定； 2.对于地震区的砌体结构设计，应按照建筑抗震设防分类 标准GB50223根据建筑物重要性区分建筑物类别。航天与建筑工程学院192、设计使用年限、设计使用年限类别类别设计使用年限（年）设计使用年限（年）示示 例例11-5临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构 表表 设计使用年限分类设计使用年限分类3.2.4 设计基准期和设计使用年限1、
17、设计基准期、设计基准期 我国设计基准期为50年。说明：当结构的使用年限达到或超过设计基准期后，并不意味着结构立即报废，只意味着结构的可靠度将逐年降低。 航天与建筑工程学院203.2.5 设计表达式（Design equation） 规范采用以概率为基础的极限状态方程，以可靠指标度量结构构件的可靠度。 值计算复杂，需要大量的统计信息，直接在设计中应用很不方便。规范的做法是采用分项系数的实用设计表达式，设计人员可不必直接计算可靠指标，只需按规范给定的各分项系数进行计算。航天与建筑工程学院21 砌体结构按承载力极限状态设计时，在考虑结构重要性调整后的荷载效应应结构抗力，即式中， 结构重要性系数； S
18、 内力设计值； R 结构构件抗力安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，航天与建筑工程学院22q 在多数情况下，砌体结构是以在多数情况下，砌体结构是以承重结构承重结构为主为主的。砌体结构按的。砌体结构按承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计时，应按时，应按下列公式中下列公式中最不利组合最不利组合进行计算：进行计算： 可变可变荷载荷载效应效应永久永久荷载荷载效应效应航天与建筑工程学院23式中：式中： 结构重要性系数；结构重要性系数； 永久荷载标准值的效应；永久荷载标准值的效应； 在基本组合中起控制作用的一个可变在基本组合中起控制作用的一个可变 荷载标准值的效应；荷载标准值的效应； 第第
19、 个可变荷载标准值的效应；个可变荷载标准值的效应； 结构构件的抗力函数；结构构件的抗力函数； 第第 个可变荷载的分项系数；个可变荷载的分项系数； 第第 个可变荷载的组合值系数，一般个可变荷载的组合值系数，一般 情况下取情况下取0.70.7； 砌体的强度设计值砌体的强度设计值 几何参数标准值几何参数标准值 结构构件的抗力模型不定性系数。航天与建筑工程学院24 当当仅有一个可变荷载仅有一个可变荷载时，第二个组合的第二个系时，第二个组合的第二个系数为数为 ，可简化取为，可简化取为1.01.0，则按，则按下列两个下列两个最不利组合进行计算：最不利组合进行计算： 航天与建筑工程学院25 当砌体结构作为一
20、个刚体，需要验证整体稳定性时，例如倾覆、滑移、漂浮等，应采取下列设计表达式进行验算：式中， 起有利作用的永久荷载内力标准值; 起不利作用的永久荷载内力标准值.新增航天与建筑工程学院263.2.6砌体强度设计值(Design value）1. 砌体强度标准值 fk fk 是考虑砌体强度的变异性，按设计统一标准的要求统一规定为强度的概率密度函数的0.05分位值，即强度标准值应具有95%的保证率，这说明强度标准值是一个偏低的强度取值。由统计资料可知，各类砌体强度服从正态分布，则砌体强度变异系数砌体类型砌体抗压强度砌体抗拉、抗弯、抗剪强度各种砖、砌块、毛料石砌体 0.17 0.20 毛石砌体 0.24
21、 0.26 砌体强度变异系数航天与建筑工程学院272. 砌体强度设计值 f 一般情况下，宜按施工控制等级为B级考虑，取材料分项系数 ，当施工控制等级为C级时，取材料分项系数 。 砌体的抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度设计值分别为：考虑到结构材料强度与试件强度的区别，以及几何参数和计算模式不定性对结构抗力的影响，将材料强度进一步降低。航天与建筑工程学院28砌体施工质量控制等级航天与建筑工程学院29 砌体结构设计规范给出了龄期为28d的以毛截面计算的各类砌体抗压强度设计值，当施工质量控制等级为B级时，应根据块体和砂浆的强度等级分别按下列规定采用：航天与建筑工程学院30删除航天与建筑工程学院31航天与建筑
22、工程学院32 单排孔混凝土对孔砌筑时，灌孔砌体的抗压强度设计值 ： 航天与建筑工程学院33孔洞率35%的双排孔或多排孔轻骨料混凝土砌块砌体的抗压强度设计值 航天与建筑工程学院34块体高度为180350mm1.4航天与建筑工程学院35航天与建筑工程学院36航天与建筑工程学院37 单排孔混凝土对孔砌筑时，灌孔砌体的抗剪强度设计值 ：式中， 灌孔砌体的抗压强度设计值(MPa) 航天与建筑工程学院38(1) 对于无筋砌体构件，其截面面积A0.3m2时， ；对配筋砌体构件，当砌体截面面积A0.2m2时， 。构件截面面积以m2计； 考虑局部破损或缺陷对小截面砌体构件的相对影响较大，个别块体强度的变异可能影
23、响到全面截面的强度，局部受压计算中强度不乘以此系数。 下列情况的各类砌体，其砌体强度设计值应乘以调整系数 ：航天与建筑工程学院39(3) 当砌体用水泥砂浆砌筑时，其抗压强度设计值乘以调整系数 ，而轴心抗拉、弯曲抗拉和抗剪强度设计值乘以调整系数 ；。 试验表明，水泥砂浆由于其和易性较差，砂浆中应力分布均匀性差，砂浆强度相同时的水泥砂浆砌体强度比混合砂浆砌体强度略低。航天与建筑工程学院40(4)当施工质量控制等级为C级时， ； （注：配筋砌体不允许采用C级）(3)当验算施工中房屋的构件时， 。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0进行计算；对于冬期施工采用掺盐砂浆法施工的砌
24、体，砂浆强度等级按常温施工的强度等级提高一级时，砌体强度和稳定性可不验算。 （注：配筋砌体不得用掺盐砂浆施工）配筋砌体不许采用C级航天与建筑工程学院41例题 以截面为240370mm2的棱柱体为例，该砌体的砖强度等级为MU10，混合砂浆强度等级为M5，求该砌体的抗压强度平均值 ，标准值 和设计值 。解：1.抗压强度平均值航天与建筑工程学院422.抗压强度标准值3.抗压强度设计值砖砌体B级3.3 耐久性设计（Duralbility Design ）由于建筑的耐久性问题越来越受到人们的关注，原规范中的内容已显得不够全面，对砌体耐久性的要求或保护措施相对比较薄弱。GB5003-2011对砌体结构的耐
25、久性进行了增补和完善，并单独作为一节“43耐久性规定”。3.3 .1 环境类别根据国际标准配筋砌体结构设计规范IS09652.3和英国标准BS5628，将砌体结构所处的环境作了分类3.3 .2 砌体材料的耐久性规定3.3 .3 钢材的耐久性规定Thanks for Your Attention!1、砌体沿齿缝截面破坏的抗拉强度,主要是由( )决定的。A.块体强度 B.砂浆强度C.砂浆和块体的强度 D.上述A、B、C均不对解：由砌体的性能可知,砌体轴心抗拉强度主要取决于块体与砂浆之间的粘结强度,一般与砂浆粘结强度有关;当沿齿缝截面破坏时,其抗拉强度ft.m与砂浆抗压强度有关,故应选B项。 2、砌
26、体在轴心受压时,块体的受力状态为( ) :(A)压力; (B)剪力、压力;(C)弯矩、压力; (D)弯矩、剪力、压力、拉力。 5、下面关于砖砌体的强度与砂浆和砖强度的关系哪种说法是正确的? ( )(1)砖砌体抗压强度取决于砖和砂浆的强度等级; (2)烧结普通砖的抗剪强度仅取决于砂浆的强度等级; (3)烧结普通砖轴心抗拉强度仅取决于砂浆的强度等级; (4)烧结普通砖沿通缝截面破坏时,弯曲抗拉强度取决于砂浆的强度等级; (5)烧结普通砖沿齿缝截面破坏时,弯曲抗拉强度取决于砖的强度等级。(A) (1) (2) (3) (5); (B) (1) (2) (5);(C) (1) (2) (3) (4);
27、 (D) (1) (3) (4)。3、砌体轴心抗拉、弯曲抗拉、抗剪强度主要取决于( ) :(A)砂浆的强度; (B)块体的抗拉强度;(C)块体的尺寸和形状; (D)砌筑方式。 4、砌体弹性模量的取值为:( )(A)原点初始弹性模量; (B)=0.43fm时的割线模量;(C)=0. 43fm时的切线模量; (D)=fm时的割线模量。 6、进行砌体结构设计时、进行砌体结构设计时,必须满足下面哪些要求必须满足下面哪些要求?()砌体结构必须满足承载能力极限状态砌体结构必须满足承载能力极限状态;砌体结构必须满足正常使用极限状态砌体结构必须满足正常使用极限状态;一般工业与民用建筑中的砌体构件一般工业与民用
28、建筑中的砌体构件,可靠指标可靠指标3.2;一般工业与民用建筑中的砌体构件一般工业与民用建筑中的砌体构件,可靠指标可靠指标3.7。(A);(B);(C);(D)。7、块体和砂浆的强度等级是按块体和砂浆的强度等级是按()划分。划分。(A)抗拉强度抗拉强度;(B)抗压强度抗压强度;(C)抗剪强度抗剪强度;(D)弯曲抗压强度。弯曲抗压强度。8、下面关于砂浆强度等级为、下面关于砂浆强度等级为0的说法哪些是正确的的说法哪些是正确的?(A)施工阶段尚未凝结的砂浆施工阶段尚未凝结的砂浆;抗压强度为零的砂浆抗压强度为零的砂浆;用冻结法施工解冻阶段的砂浆用冻结法施工解冻阶段的砂浆;抗压强度很小接近零的砂浆。抗压强度很小接近零的砂浆。(A)、; (B)、; (C)、; (D)。9、下面关于砌体抗压强度的说法哪种正确?( )(A)由于砖的表面不平整、砂浆铺砌又不可能十分均匀,所以轴心受压的砌体中的 砖都不是均匀受压,且同时受弯曲和剪切的作用。因此砖砌体抗压强度恒小于 砖的抗压强度;(B)由于砂浆横向变形比砖小,两者之间要共同变形,砖阻止砂浆变形,使砂浆在横 向也受到压力。因此砂浆是处于各向受压状态,砌体的抗压强度恒大于砂浆的抗 压强度;(C)砂浆和砖的横向变形相差很小,二者相互作用不明显,砌体的抗压强度不能高于 砂浆的抗压强度;(D)砌体抗压强度恒小于砂浆和块体的抗压强度。
