砌體結構在我國應用歷史
砌體結構的歷史悠久,天然石是最原始的建築材料之壹。古代大量具有紀念性。
砌體結構是最古老的壹種建築結構。我國的砌體結構有著悠久的歷史和輝煌的紀錄。在歷史上有舉世聞名的萬裏長城,它是兩千多年前用“秦磚漢瓦”建造的世界上最偉大的砌體工程之壹;建於北魏時期的河南登封嵩嶽寺塔為高40米的磚砌密檐式塔;建於隋大業年問的河北趙縣安濟橋,凈跨37.37米,全長50.82米,寬約9米,拱高7.2米,為世界上最早的空腹式石拱橋,該橋已被美國土木工程學會選為世界第12個土木工程裏程碑;還有如今仍然起灌溉作用的秦代李冰父子修建的都江堰水利工程;所有這些都是值得我們自豪和繼承的。 中國古代範例: 萬裏長城、趙州橋、大雁塔
砌體結構量大面廣
解放以來我國磚的產量逐年增長,1996 年增至6200 億塊,為世界其他各國磚每年產量的總和。全國基建中采用砌體作墻體材料約占90 %左右。在辦公、住宅等民用建築中大量采用磚墻承重。此外我國還積累了在地震區建造砌體結構房屋的寶貴經驗。我國絕大多數大中城市在6 度或6 度以上地震設防區。地震烈度≤6 度的砌體結構經受了地震的考驗。經過設計和構造上的改進和處理,還在7 度區和8 度區建造了大量的砌體結構房屋。
新材料、新技術、新結構的研究與應用
60 年代以來,我國黏土空心磚(多孔磚) 的生產和應用有較大的發展,根據節能進壹步要求,近年來我國消化吸收國外先進技術,在主要力學和熱工性能的指標接近或達到國際同類產品的水平。
近10 余年來,采用砼、輕骨料砼或加氣砼,以及利用河沙、各種工業廢料、粉煤灰、煤幹石等制無熱料水泥煤渣砼砌塊或蒸壓灰砂磚、粉煤灰矽酸鹽磚、砌塊等在我國有較大的發展。
從90 年代初期,在總結國內外配筋砼砌塊試驗研究經驗的基礎上,我國在配筋砌塊結構的配套材料、配套應用技術的研究上獲得了突破,中高層配筋砌塊建築具有明顯的社會經濟效益。作為粘土磚的主要替代材料和某些功能強於粘土磚的砌塊的發展前景是非常好的。
我國配筋砌體應用研究起步較晚,70 年代以來,尤其是1975 年海城- 營口地震和1976 年唐山大地震之後,對設置構造柱和圈梁的約束砌體進行了壹系列的試驗研究,其成果引入我國抗震設計規範。
砌體結構理論研究與計算方法
1956 年批準在我國推廣應用前蘇聯砌體結構設計標準。60~80 年代末,在全國範圍內對磚石結構進行了比較大規模的試驗研究和調查,總結出壹套符合我國實際、比較先進的磚石結構理論、計算方法和經驗。如1973 年頒布的國家標準《磚石結構設計規範》GBJ 3 - 73 ,是我國第壹部磚石結構設計規範。1988 年頒布的《砌體結構設計規範》GBJ 3 - 88 ,使我國砌體結構設計理論和方法趨於完善。2002年1 月10 日發布的最新《砌體結構設計規範》GB50003 - 2001 ,更加完善了砌體結構設計的理論和實際依據。最新《砌體結構設計規範》GB50003-2011,自2012年8月1日起實施。 砌體結構的建築物用磚、石建造。如用加工的巨大石塊建成的金字塔壹直保存到現代。其中在尼羅河三角洲的吉薩建造的三座大金字塔(公元前2723~前2563年),是精確的正方錐體,其中最大的胡夫金字塔,塔高146.6米,底邊長230.60米,約用230萬塊重2.5噸的石塊建成。 又如公元70~82年建造的羅馬大鬥獸場(科洛西姆圓形競技場)平面為橢圓形,長軸189米,短軸156.4米,高48.5米,分四層,可以容納5~8萬觀眾,也用塊石砌成。中世紀在歐洲用加工的天然石和磚砌築的拱、券、穹窿和圓頂等結構型式得到很大發展。如公元532~537年在君士坦丁堡建造的聖索菲亞教堂,東西長77米,南北長71.7米,正中是直徑32.6米,高15米的穹頂,墻和穹頂都是磚砌。12~15世紀西歐以法國為中心的哥特式建築集中了十字拱、骨架券、二圓心尖拱、尖券等結構形式。
中國封建時期采用磚木建造的寺院、廟宇、宮殿和寶塔等,體現了中國古代砌體結構的成就。其中磚塔是壹種高層建築,如河南登封嵩嶽寺塔(見彩圖)為磚砌單筒體結構;西安大雁塔(圖1)也為磚砌單筒體結構,高60多米,1200多年來,歷經數次地震,仍巍然屹立。河北定縣料敵塔高約84米,為磚砌雙筒體結構。著名的長城,其中壹部分用燒制磚砌築。
在橋梁建築方面,中國隋朝李春建造的趙州橋是中國最古和當時跨徑最大的單孔空腹式石拱橋(見彩圖)。又如北宋時期建造的福建漳州虎渡橋,石梁最大跨徑達23米,梁寬1.9米、厚約1.7米,重達200噸,三根石梁並列為橋面,是中國古代最重的簡支石梁橋。
1949年中華人民***和國成立後,砌體結構得到很大的發展和廣泛應用,住宅建築、多層民用建築大量采用磚墻承重(圖2)。中小型單層工業建築和多層輕工業建築也常采用磚墻承重。中國傳統的空鬥磚墻,經過改進已經用作2~4層建築的承重墻。20世紀50年代末開始,采用振動磚墻板建造五層住宅,承重墻厚度僅為12厘米。在地震區,采取在承重磚墻轉角和內外縱橫墻交接處設置鋼筋混凝土抗震柱也稱構造柱,及在空心磚或空心砌塊孔內配置縱向鋼筋和澆灌混凝土等措施,提高砌體結構的抗震性能(見墻板結構)。
傳統的石拱橋的跨度已大大增加而厚度相對減薄。用於公路的變截面空腹式石拱橋的跨度已達100多米。此外,還采用石砌拱壩和渡槽。如在福建省建造的橫跨雲霄、東山兩縣的大型引水工程中的陳岱渡槽,全長4400多米,高20米。在新結構方面,研究和建造了各種型式的磚薄殼。在新材料方面,研制了粉煤灰和煤矸石燒結磚,蒸汽養護粉煤灰磚和煤渣磚,以及灰砂磚等;采用和改進矽酸鹽砌塊及各種承重和非承重空心磚。在新技術方面,采用各種配筋砌體,包括預應力空心磚樓板。磚砌的特種結構如煙囪等也較廣泛應用。 70年代以來,在試驗研究的基礎上,對砌體結構的設計方法做了某些改進。如砌體結構房屋的靜力計算,根據房屋的空間剛度,分別按剛性、剛彈性和彈性三種方案進行(見砌體結構房屋的靜力分析),使墻體在豎向和水平荷載***同作用下的內力計算更加接近實際情況。無筋砌體受壓構件的強度計算,改變了將構件區分為大、小偏心受壓的計算方法(見磚墻和磚柱),使計算更為簡便。
發展和趨向 采用高強度磚石和砂漿,用較薄的承重墻建造較高的建築物是現代砌體結構的主要特點。如瑞士在16層高的公寓建築中以15厘米厚的磚墻承重;並采用抗壓強度達40兆帕的特種BS磚建成18層高的公寓;采用抗壓強度達60兆帕、孔洞率為28%的多孔磚建成19層和24層高的塔式住宅建築,磚墻僅厚38厘米。英國用卡爾柯龍(Calculon)多孔磚,抗壓強度達35、49和70兆帕建成 11~19層高的公寓。美國用兩片9厘米厚的單磚墻中間夾7厘米厚的配筋灌漿層建成21層高的公寓;用灌漿配筋混凝土砌塊墻建成18層高的旅館。
預制磚墻板提高了施工機械化的程度,施工速度快,質量也易保證。預制粘士磚墻板的形式隨各國氣候和地理條件以及建築傳統不同而異,大多數用夾心式構造,少數用空心磚;有些用帶孔磚在孔內配筋灌漿;有些在內側用輕混凝土兼作保溫材料。墻板的大小和房間墻面的大小相同。預制磚墻板多用於低層居住建築,也用於高層公寓做承重墻或非承重墻。
砌體結構發展的主要趨向是要求磚及砌塊材料具有輕質高強的性能,砂漿具有高強度,特別是高粘結強度,尤其是采用高強度空心磚或空心砌塊砌體時。在墻體內適當配置縱向鋼筋,對克服砌體結構的缺點,減小構件截面尺寸,減輕自重和加快建造速度,具有重要意義。相應地研究設計理論,改進構件強度計算方法,提高施工機械化程度等,也是進壹步發展砌體結構的重要課題。