7.4 Masonry Structural Design

7.4.1 Walls

1. Wall Distributions

Masonry structures gain stability from the support.Lateral support may be in the vertical or horizontal direction.The former consists of floor/roof bearing on the wall,and the latter consists of cross walls,piers or buttresses.Lateral supports can limit slenderness of a masonry element so as to prevent or reduce possibility of buckling of the member due to vertical loads,and resist horizontal components of forces so as to ensure stability of a structure against overturning.

A structure should have adequate stability in the direction of both the principal axes.The so-called “cross wall” construction may not have much lateral resistance in the longitudinal direction (Figure 7.11b).In multi-storey buildings,it is desirable to adopt ”cellular” or “box type” construction from consideration of stability and economy as illustrated in Figure 7.11a.Walls are to be uniformly distributed along each principal axis of the plan, and minimum thickness of structural walls should be 240mm.

Figure 7.11 Distribution of structural walls in plan

Cross walls acting as stiffening walls continuous from outer wall to outer wall or outer wall to a load bearing inner wall.The maximum spacing of cross wall in masonry structure with reinforced concrete floor and roof is 18m for seismic fortification intensity of 6 and 7,15m for seismic fortification intensity of 8,and 11m for seismic fortification intensity of 9.

Load bearing walls are structurally more efficient when the load is uniformly distributed and the structure is so planned that eccentricity of loading on the members is as small as possible. Providing adequate bearing of floor/roof on the walls can avoid eccentric loading,provide adequate stiffness in slabs and avoid fixity at the supports.

2.Height to Thickness Ratio of Walls

Load carrying capacity of a masonry member depends upon its height to thickness ratio,which is the ratio of effective height to effective thickness.A masonry member may fail,either due to excessive stress or due to buckling.For materials of normal strength with height to thickness ratio less than 30,the load carrying capacity of a member at ultimate load is limited by stress,while for members with higher value of height to thickness ratio failure is initiated by buckling.Further,mode of failure of a very short member having height to thickness ratio of less than 4 is predominantly through shear action,while with height to thickness ratio of equal or greater than 4 failure is by vertical tensile splitting.

From consideration of structural soundness and economy of design,the maximum height to thickness ration of walls and column shall be controlled so as to ensure failure by excessive stress rather than buckling.The height to thickness ratio for a wall shall not exceed 26 when the grade of mortar is not less than M7.5.Limiting value of height to thickness ratio for column is less than that of walls because column can buckle around either of the two horizontal axis while walls can buckle around the weak horizontal axis only.The height to thickness ratio for a load bearing unreinforced column shall not exceed 17 when the grade of mortar is not less than M7.5.

3.Double-Leaf Walls

The traditional stone masonry construction with two outer layers of uncoursed irregularly sized rubble stones with an inner infill consisting of smaller piece of stone bound together with lime mortar is not recommended in earthquake zones.

Single-leaf walls should be preferred to double-leaf walls.Double-leaf cavity walls,where the cavity is filled with concrete,should be preferred to normal cavity walls,since they ensure monolithic behavior of the wall under seismic conditions.

7.4.2 Bond Beams

The function of bond beams is to transfer horizontal shear induced by the earthquakes from the floor and roof to the structural walls.They connect the structural walls with each other and improve the rigidity of the horizontal diaphragms.

Bond beams should be constructed in-situ from reinforced concrete and cast simultaneously with the floor slab.Bond beams should be cast on top of all structural walls at every floor level.The minimum cross-section of bond beam is recommended to be 240*120mm.The bigger dimension being the thickness of the wall.Typical examples of monolithic cast in-situ reinforced concrete bond beams with reinforced concrete slabs are shown in Figure 7.12.

Figure 7.12 Details of cast in-situ reinforced concrete slabs with bond beams

The minimum bond beam reinforcement in clay masonry shall be four 10mm diameter bars with 6mm diameter stirrups at spacing of maximum 250mm for seismic fortification intensity of 6 and 7.Reinforcement should be spliced and anchored at corners and wall intersections.

7.4.3 Tie Columns

Although the tie columns and bond beams do not provide frame system,adequate splicing and anchoring of rebars are required at all joints.At least four 12mm diameter rebars with 6mm diameter stirrups at vertical spacing of maximum 250mm are required.Closely spaced stirrups should be provided at the top and bottom of columns.

To enforce the confinement of plane masonry by the confining members,design code requires connecting the masonry and tie columns by two 6mm diameter rebars diameter at maximum 500mm apart.These links should be placed in the bed joints and be anchored at least 1000m into the mortar joints,as shown in Figure 7.13.

Figure 7.13 Anchoring of bed joint reinforcement to a tie column at a corner

7.4.4 Floors and Roofs

During earthquakes,floors and roofs should act as

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7.4 砌体结构设计

7.4.1 墙体

1. 墙体分布

砌体结构能从支座中获得稳定。横向支撑可以在垂直方向或水平方向上。前者包括墙上地板和承重屋顶，后者包括横墙、柱或扶壁。侧向支撑可以限制砌体单元长细比以便于防止或减少由于垂直载荷作用下构件的屈曲的可能性，并且能抵制力的水平分量从而可以保证结构的抗倾覆稳定性。

一个结构应该在两个主轴方向上都有足够的稳定性。所谓“横墙”建筑不可能在纵向方向上有太多的横向阻力（图7.11b）。在多层建筑中，从稳定性和经济性两个方面考虑，宜采用“蜂窝”或“箱式”建筑结构，就如图7.11a所说明的。墙体是沿着平面图中的每个主轴线均匀分布的，并且其中作为结构墙体的最小厚度应为240mm。

图7.11 结构墙的平面分布

横墙的作用是作为外墙到外墙面或外墙到承重墙的连续加劲墙。而对于使用钢筋混凝土楼盖和钢筋混凝土屋盖的砌体结构中的横墙的最大间距，在抗震设防烈度为6度或7度时为18m，在抗震设防烈度为8度时为15m，在抗震设防烈度为9度时为11m。

当作用在结构上的荷载均匀分布并且在所设计的结构中构件上的荷载的偏心率尽可能的小时，承重墙体结构的作用会更加明显。给墙体上的楼盖或屋盖提供适当的支座能够有效地避免偏心荷载的产生，并且能给板提供足够的刚度进而避免支撑的固定性。

1. 墙体的高度与厚度之比

砌体构件的承载能力取决于其高度与厚度之比，在这里指的是有效厚度与有效厚度之比。砌体构件可能会因为承受过大的压力或者有过大的屈曲而造成构件失效。对于高度和厚度之比小于30的拥有正常强度的材料，承受最大荷载的构件的极限承载能力会因为应力因素受到限制，而对于具有较高的高度和厚度之比的构件，它的失效往往是由于屈曲的产生。此外，对于一个非常短的并且高度和厚度之比小于4的构件来说，它往往会因为剪切作用而失效，而对于高度和厚度之比等于或大于4的构件，它的失效往往是因为垂直拉伸劈裂的作用。

从结构设计要更加合理和经济的方面考虑，要对墙体和柱子的最大的高度与厚度之比进行控制，这样做是为了确保构件在破坏时是承受了过大的应力而不是发生过大的屈曲。其中对于墙体的高度与厚度之比不应超过26，并且所使用的砂浆等级不应低于M7.5。柱子的高度与厚度之比的限制值可以小于墙体，因为柱子在两个水平轴线的方向上都能搭扣扣紧，而墙体只能在较弱的水平轴线方向上搭扣扣紧。对于一个承重未加固的柱子，它的高度与厚度之比不应超过17，并且所使用的砂浆等级不应低于M7.5。

3. 双叶墙

在地震多发的地区，那种内外两层由不分层的大小不规则的且内填充为小石头与石灰砂浆相结合的块石所组成的传统的石材砌筑施工建筑不被推荐使用。

单叶墙应该优选为双叶墙。在地震作用下，空腔中充满混凝土的双叶型腔壁应该优选为正常的空腔壁，因为它们能确保在地震作用下的整体性能。

7.4.2 结合梁

结合梁的作用是传递从楼板和屋顶到结构墙的地震作用所引起的水平剪力。他们连接的结构墙相互提高了水平隔板的刚度。

结合梁应该是现浇的钢筋混凝土梁，并且它和楼板同时浇筑。结合梁应该放在每层楼的所有结构墙的顶部。结合梁的最小截面建议尺寸为240times;120mm。其中较大的尺寸表示结合梁的厚度。与钢筋混凝土板一起整体现浇的钢筋混凝土结合梁的典型例子如图7.12所示。

图7.12 现浇钢筋混凝土板与结合梁浇筑详图

在抗震设防烈度为6度和7度的地区，粘土砌体中最小结合梁的加固应采用四根直径为10mm的钢筋以及最大间距为250mm，直径为6mm的箍筋。加固时钢筋应该拼接和锚定在角落和墙壁之间相交的部分。

7.4.3 构造柱

虽然构造柱和结合梁不组成框架系统，但是钢筋在所有接头处还是要满足有充足的拼接和锚固的要求。并且至少采用四根直径为12mm的钢筋以及直径为6mm的箍筋，箍筋在垂直方向要满足最大间距为250mm的要求。另外在柱子的顶部和底部要进行箍筋加密。

为了加强围压构件平面砌体的约束，设计规范要求砌体与构造柱连接时采用两根直径为6mm，最大间距为500mm的钢筋。这些连接应该放在关键接头处并且锚固的地方距离砂浆接缝至少为1000mm，如图7.13所示。

图7.13 拐角处构造柱的床缝加固

7.4.4 楼板和屋顶

在地震期间，楼板和屋顶应为刚性横隔板，其中结构墙体间地震力的分布与它们的刚度成比例。形成现有砌体房屋的不良反应的主要原因之一是楼板和屋顶结构缺乏适当的水平隔膜作用或者是楼板与屋顶之间缺乏适当的连接以及支撑它们的结构墙。在高风险的地震区使用木制楼板和屋顶时，只被要求必须有较好的木工技能和一些特殊的细节设计以保证各单位的完整性以及它们支撑墙的锚固。

在低层砌体房屋中用木材建造的常见的屋顶系统为龙骨椽屋顶和桁架屋盖。龙骨椽屋顶系统倾向于展开和推翻砌体墙。因此需要一个环梁连接的椽子。以确保在托梁的平面以及椽的平面这两个正交方向的平面上建立隔板支撑。且只有周边的屋顶和椽子可以包括在支撑中。同时在纵向脊面的垂直交叉支撑也是需要的。为了获得较好的约束效果，应该在结合梁浇筑前将钢片放在结合梁的位置处，进而将吊顶龙骨固定在屋面结合梁中，如图7.14所示。

图7.14 木屋顶在结合梁上的锚固

就钢筋混凝土楼板和屋盖而言，双向板的使用偏好于单向板。连接到墙壁上的细节如图7.12所示。钢筋混凝土楼板、屋面板应支撑在支撑墙以及横墙100mm范围内。当预制钢筋混凝土单元用于楼板和屋顶时，就很有必要将它们连接起来，并将它们适当地锚定到横墙上，这样它们就可以将侧向力传递给横墙。

7.4.5 过梁

过梁是承重构件，支撑着上方开口的墙壁和楼板的重量。过梁可以由现浇钢筋混凝土，木材和钢筋砌体所做成。在地震区建议使用现浇钢筋混凝土过梁。如果开口顶部和楼板顶部之间的距离小于600mm，则此时过梁可以与结合梁和楼板整体浇筑，具体如图7.15所示。在距离较大的情况下，过梁可以分别浇筑（如图7.15），并且应注意通过横向钢筋将过梁与相邻墙体的砌筑结合在一起。

图7.15 在地震区对过梁的要求

过梁在两端应该有至少240mm的支撑长度，这样可以防止地震中支撑产生局部坍塌。

7.4.6 非承重构件

非承重构件的失效，如隔墙、烟囱、砌体单板、建筑细部等，都会造成人员伤亡和结构破坏。为了防止砌体非结构构件的破坏和掉落，应验证其在地震荷载作用下的平面稳定性。

隔墙是由包括固体的大多类型的块体所组成的。通常隔墙的厚度为120mm，它们可以是素混凝土墙或是钢筋混凝土墙。隔墙的加固可以每隔500mm在砌体灰缝处放置两根直径为6mm的钢筋。隔断墙通常由于水泥基砂浆的接缝而在垂直方向限制于地板上。而对于水平方向，隔墙由于钢锚或普通连接受限于构造柱或结构墙。

当构建木材脊顶时，由倾斜的两端的屋顶形成的三角区域可以填充砌体形成端墙。在强烈的地震作用下，山墙端壁面的破坏是常见的，这种情况需要进行特殊考虑。这里建议将山墙端壁和高度超过0.5m的阁楼锚定到最上层的结合梁中。山墙端壁由于结合梁沿屋顶线的连续性而受到限制。在山墙端壁的高度超过4m的情况下，中间应每隔不超过2m的距离添加结合梁，具体如图7.16所示。

图7.16 结合梁与构造柱为端墙和阁楼提供安全的锚固

单词和短语

carpentry [ˈkɑ:rpəntri] n. 木工活

attic [ˈaelig;tɪk] n. 阁楼

collar beam 屋面圈梁

cross wall 横墙

gable [geɪbl] n. 山墙

height to thickness ratio 高厚比

inner wall 内墙

outer wall 外墙

rafter [ˈraelig;ftə(r)] n. 椽

seismic fortification intensity 抗震设防烈度

uncoursed [ʌnkɔ:st] adj. 不分层的，乱砌的

问题：

1. 什么是墙布局的要求？

2. 约束砌体的因素是什么？

3. 过梁的作用是什么？

8.2 钢管混凝土结构

8.2.1 引言

钢管混凝土（CFST）其实就是在钢管中填充混凝土。根据横截面的类型，它可分类为圆形，方形，或多边形钢管混凝土。常用的截面如图8.6所示。

图8.6 钢管混凝土构件的一般截面类型

钢管混凝土柱体系与普通钢或钢筋混凝土系统相比，具有许多优点，它们在下面列出。

1. 钢管与混凝土之间的相互作用

（1）由于混凝土的约束效果，钢管的局部压曲延迟产生，并且局部压曲后的强度劣化有所缓和；

（2）钢管能防止混凝土的剥落，即钢管的约束效果会使混凝土强度增加或使混凝土强度退化减轻；

（3）钢管混凝土中混凝土的干燥收缩和徐变比普通的钢筋混凝土小得多。

2. 横截面特性

（1）钢管混凝土横截面的含钢率要比普通钢筋混凝土横截面的含钢率大得多；

（2）对于钢管混凝土而言，横截面钢的塑化较为良好，因为它位于弯曲部分的外面。

3. 施工效率

（1）由于一些形式和钢筋被省略，且混凝土浇注采用的是导管或泵的方法，所以节省了劳动力和施工成本；

（2）施工现场能较好的保持清洁。

4. 防火性能

由于混凝土提高了结构的耐火性能，所以可以减少耐火材料的用量甚至耐火材料的使用可以被忽略。

对于钢管混凝土系统，它的缺点是关于混凝土梁和柱连接处的紧凑性，特别是在内部的情况，通过横隔板，在钢筋与混凝土之间的间隙会由于下面混凝土的泌水性产生隔膜。到目前为止仍然没有办法来解决这个问题，因此在施工实际中较为普遍的做法是通过高效减水剂的使用进而来采用低含水量、高工作性能的优质混凝土。因此，由于钢管混凝土构件具有高强度、高韧性和能量吸收能力大等优势，所以被广泛应用于高层建筑、桥、塔、地下平台的建设和其他类型的结构。

8.2.2 钢管混凝土的基本性能

1. 混凝土围压效应

钢管混凝土的核心混凝土在多轴应力状态下会通过钢管来提供被动约束。而围压不是恒定的，它取决于轴向荷载作用下混凝土芯的横向变形和围钢的应力-应变关系。

1. 核心混凝土和钢管之间的相互作用

在混凝土芯和钢管之间的接口中，因为不具有任何机械剪切接头，所以具有实际的经济性。因此，载荷应当在法线方向接口传输。结构中的不同位置对粘结强度的要求有着不同的变化。在几何不连续性的区域，如连接和基础支撑，会有高粘结强度的要求。而在元素穿透混凝土核心的地方，比如在钢上的连接，则连接中需要较少的粘结强度。荷载传递的机理有以下几个方面：

（1）通过水化过程中形成的毛细管作用，产生了沿界面化学粘附力。在加载的早期阶段，粘附力是活跃的且相对位移较小。在荷载的作用下，对于复合材料柱，由于其滑移值小于0.01，所以其贡献可以忽略不计。此外，混凝土芯的收缩对粘附力的发展有不利的影响。

（2）混凝土与钢之间的微观联锁来自于钢管表面的不规则性，这种微观联锁当混凝土界面的局部应变达到与混凝土的抗压破碎相关的3.5permil;时会被破坏。

（3）混凝土芯与钢管之间的摩擦是由于受压缩载荷作用下混凝土的体积增大而引起的。摩擦力的大小取决于围压效应和管壁的正刚度。

（4）由施加兼容的整体变形带来的约束曲率效应是关于荷载、曲率、柱长、和相对于钢筋混凝土相对滑动的函数。在短柱中的约束效应减小，随荷载偏心率的增大而增大，这种荷载传递机制在弯矩作用下是占主导地位的。

更好的压实导致更高的粘结强度。此外，粘结强度不受混凝土强度、管壁厚度、钢管直径或混凝土钢界面长度的影响。

8.2.3 连接

由钢管混凝土（CFST）柱和H型梁组成的框架系统已成为非常受欢迎的结构形式。然而因为钢管混凝土梁到柱的连接行为是复杂的，该设计还没有被充分地验证，所以其使用已经被限制。因此，提高梁柱连接的设计方法，以避免梁的延性和面板区的延性破坏，是近年来研究的热点。

钢管混凝土梁柱的连接可分为两大类。最方便的连接是将钢梁直接连接到钢管的外皮或通过隔膜板，如图8.7所示。在抗弯框架中，不应使用直接焊接梁的钢管，因为严重的管壁变形会阻止梁的塑性弯曲能力的发展，导致卷边焊缝和管壁的应力和应变非常大。

图8.7 简单的连接

为了避免这些缺点，在实践中这种类型的钢管混凝土柱与钢梁之间的连接改为图8.8所示。梁柱连接的所有制造都是进行的车间焊接，且梁在现场用螺栓连接到支架上。在使用内部和通过式膜片连接的情况下，如图8.8b和8.8c所示，隔膜板位于管内

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