砌体结构房屋静力计算方案优化

砌体结构房屋墙体的结构计算包括两个方面：内力计算和截面承载力验算。墙体结构在荷载作用下的内力计算方法与墙体的计算简图有关，因此，在房屋墙体布置方案确定后，应先确定房屋和墙体的计算简图，也就是确定房屋的静力计算方案。

1.房屋的空间工作性能

砌体结构房屋实际上是由屋盖、楼盖、墙柱以及基础等主要承重构件相互连接所构成的空间结构体系，要承受各种竖向荷载、水平荷载以及地震作用，墙体的设计计算（包括内力和承载力计算）一定要符合空间工作特点，由此确定其计算简图。在荷载作用下，空间受力体系与平面受力体系的变形以及荷载传递的路径是不同的，下面以受水平荷载作用的单层房屋为例说明荷载传递和空间工作特点。

如图5.22所示的无山墙和横墙的单层房屋，其屋盖支承在外纵墙上。如果从两个窗口中间截取一个单元，则这个单元的受力状态与整个房屋的受力状态是一样的。可以用这个单元的受力状态来代表整个房屋的受力状态，这个单元称为计算单元，如图5.22（a）、（b）所示。沿房屋纵向各个单元之间不存在相互制约的空间作用，因此这种房屋的计算简图可以简化为一单跨平面排架［图5.22（d）］。可对此排架进行平面受力分析，排架柱顶的侧移为up，其变形如图5.22（c）、（d）所示。

图5.22　无山墙单跨房屋在水平力作用下的变形情况

若在上述单层房屋的两端设置山墙，则屋盖不仅与纵墙相连，而且也与山墙（横墙）相连。图5.23（a）为风压力作用下的外纵墙计算单元。外纵墙计算单元可看成是竖立的柱子，一端支承在基础上，一端支承在屋面上，屋面结构可看作水平方向的梁，跨度为房屋长度s，两端支承在山墙上，而山墙可看成是竖向的悬臂柱支承在基础上。屋面梁承受部分风载R后，可分成两部分：一部分R1通过屋面梁的平面弯曲传给山墙，再由山墙传给山墙基础，这属于空间传力体系；另一部分R2通过平面排架，直接传给外纵墙基础，这属于平面传力体系。因此，风荷载的传递路线为：

图5.23　有山墙单跨房屋在水平力作用下的变形情况

当水平荷载作用于外墙纵面时，屋盖结构如同水平方向的梁而弯曲，水平位移包括两个部分：一部分是屋盖水平梁的水平位移，最大值在中部；另一部分为山墙顶点的水平位移。因此，屋盖的最大水平总侧移是两者之和。沿房屋的纵向，其墙体中部的侧移为最大，靠近山墙两端的纵墙侧移最小，这也是屋盖、山墙和纵墙所组成的空间受力体系共同工作的结果。由此可见，砌体结构房屋在水平荷载作用下各种构件将相互支承，相互影响，处于空间工作状态。房屋在水平荷载作用下产生的水平侧移大小与房屋的空间刚度有关。房屋的空间刚度愈大，各种结构构件协同工作的效果就愈好，房屋的水平侧移就愈小。

2.房屋静力计算方案类别

试验分析表明，房屋的空间刚度主要与楼（屋）盖的水平刚度、横墙的间距和墙体本身的刚度有关。《砌体结构设计规范》按房屋的空间刚度大小，将房屋的静力计算方案分为刚性方案、弹性方案和刚弹性方案。

1）刚性方案

房屋的横墙间距较小，屋盖和楼盖的水平刚度较大，则房屋的空间刚度也较大，在水平荷载作用下，房屋的水平侧移较小，可以忽略水平位移的影响，这时屋盖可视为纵向墙体上端的不动铰支座，墙体内力可按上端有不动铰支座的竖向构件进行计算，这类房屋称为刚性方案房屋。一般砌体结构的多层住宅、办公楼、教学楼、宿舍、医院等均属于刚性方案房屋。单层刚性方案房屋的计算简图如图5.24（a）所示。

图5.24　房屋的静力计算简图

2）弹性方案

房屋的横墙间距较大，屋盖和楼盖的水平刚度较小，则房屋的空间刚度也小，在水平荷载的作用下，房屋的水平侧移就较大。墙顶的最大水平位移接近于平面结构体系，这时墙柱内力可按不考虑空间作用的排架或框架计算，这类房屋称为弹性方案房屋。一般单层弹性方案房屋墙体的计算简图，可按墙、柱上端与屋架铰接，下端嵌固于基础顶面的铰接平面排架考虑。单层弹性方案房屋的计算简图如图5.24（b）所示。(www.xing528.com)

3）刚弹性方案

若房屋的空间刚度介于上述两种方案之间，在水平荷载的作用下，纵墙顶端水平位移比弹性方案要小，但又不可忽略不计，受力状态介于刚性方案和弹性方案之间，这时墙柱内力可按考虑空间作用的排架或框架计算，这类房屋称为刚弹性方案房屋。刚弹性方案房屋静力计算简图，可视作在墙、柱顶与屋架连接处具有一弹性支座的平面排架。单层刚弹性方案房屋的计算简图如图5.24（c）所示。

3.静力计算方案的确定

1）静力计算方案

按照上述原则，为了方便设计，《砌体结构设计规范》将房屋按屋盖或楼盖的刚度划分为3种类型，并按房屋的横墙间距按表5.15确定静力计算方案。表中s为房屋横墙间距，其长度单位为m；当屋盖、楼盖类别不同或横墙间距不同时，可按《砌体结构设计规范》的有关规定确定房屋的静力计算方案；对无山墙或伸缩缝处无横墙的房屋，应按弹性方案考虑。

表5.15　房屋的静力计算方案

2）刚性和刚弹性方案房屋的横墙规定

（1）横墙中开有洞口时，洞口的水平截面面积不应超过横墙截面面积的50%。

（2）横墙的厚度不宜小于180mm。

（3）单层房屋的横墙长度不宜小于其高度，多层房屋的横墙长度不宜小于H/2（H为横墙总高度）。

当横墙不能同时符合上述要求时，应对横墙的刚度进行验算。如其最大水平位移值umax≤H/4 000时，仍可视作刚性或刚弹性方案房屋的横墙；凡符合前述刚度要求的一段横墙或其他结构构件（如框架等），也可视作刚性或刚弹性方案房屋的横墙。

3）带壁柱墙的计算截面翼缘宽度

带壁柱墙的计算截面翼缘宽度bf，可按下列规定采用：

（1）多层房屋，当有门窗洞口时，可取窗间墙宽度；当无门窗洞口时，每侧翼墙宽度可取壁柱高度（层高）的1/3，但不应大于相邻壁柱间的距离。

（2）单层房屋，可取壁柱宽加2/3墙高，但不大于窗间墙宽度和相邻壁柱间距离。

（3）计算带壁柱墙的条形基础时，可取相邻壁柱间的距离。