砌体结构是指由砖砌体、石砌体或砌块砌体建造的结构。砌体结构的历史源远流长,其发源时间约为5000年前。万里长城、嵩岳寺塔都是我国古代经典的砌体结构。

　　 1949年新中国成立后,我国工程建设的需求量日益增长,砌体结构因其美观舒适、造价较低等优点在政府的支持下得到迅速发展,这也推动了我国砌体结构基础理论、设计理论及计算方法的进步^[1,2,3,4]。我国主要采用砌体结构建造多层建筑,近二十多年来扩展到高层建筑。在进行了系统的砌体结构抗震性能的研究和总结国内外砌体结构抗震经验和方法的基础上,我国建立了砌体结构的抗震设计方法,在抗震设防区设计建造了很多砌体结构房屋,这些房屋大多数经受住了地震的考验。21世纪以来我国相继颁布了两部《砌体结构设计规范》(GB 50003—2001和GB 50003—2011),这两部规范的颁布标志着我国建立了较为完整的砌体结构设计的理论体系和应用体系,使我国砌体结构的设计方法跃升到一个新的水平。

　　 党的十九大将“乡村振兴战略”列为决胜全面建成小康社会需要坚定实施的七大战略之一。未来,新时代的新型砌体材料、高质量砌体结构和装配式砌体结构的快速发展将会为我国乡村振兴提供强大的推力,也是今后我国砌体结构的研究重点和发展方向。

　　 在战国时期,我国已能烧制大型空心砖,到了秦汉时代,我国的砌体材料步入了繁荣发展阶段。在这之后,历代都大量采用实心黏土砖砌筑砌体结构建筑物或构筑物工程。一百多年前混凝土砌块的问世,为砌体材料体系增添了重要一员。20世纪50年代以后,我国砖产量逐年增长,这时实心黏土砖是我国的主要砌体材料,并且其地位一直维持了近五十年。由于实心黏土砖的生产可能会毁坏大量的耕地,且我国烧结工艺和方法比较落后,对环境会造成污染,因此在我国陆续出台的“十一五”、“十二五”和“十三五”规划中,淘汰落后产能,禁实限黏,大力推进墙体材料革新。

　　 随着国家高度重视节能环保,未来砌体材料的发展将会侧重于以下几个方面:

　　 近十年来,我国的工程建设总量日益增长,建筑垃圾年产生量已经超过35亿吨,而其中工程弃土类建筑垃圾又占到了60%左右^[5]。工业固废也高达三十多亿吨,其中尾矿矿渣约占工业固废总量的29%^[6]。如果把这些固体废物用于砌体材料,既解决了这些废物存在给我国带来的诸多环境问题,又能解决我国目前砂石骨料等天然材料的短缺问题。建筑垃圾中的废弃混凝土、废弃砖石以及部分无害的尾矿矿渣可以用来制作各种混凝土砌块,部分工程弃土可以循环再利用,采用清洁能源或者利废的生物质能源生产各种高品质的烧结砌体制品,这类烧结砌体制品的耐久性能良好,保温隔热性能优秀。

　　 自保温砌体材料。自保温砌体材料包括自保温块体及专用砂浆,自保温砌体墙体不需要做内、外或夹芯保温就可以达到当地节能保温的要求,其施工工艺简单,经济性好,同时解决了建筑外保温的耐久性问题,具有诸多优点。目前已有的自保温块体材料有烧结自保温砌块、混凝土自保温砌块、复合保温砌块以及蒸压加气混凝土砌块等^[7,8,9,10]。未来我国自保温砌体材料将迈向高品质的自保温砌体材料,其将具有更好的节能性能,更轻的自重,更好的耐久性。

　　 保温装饰一体化砌体材料。砌体材料在工厂生产出来就带装饰面,甲方可以自行选择砌体墙体的颜色、质地和图案,美观大方。同时因为极大地减少了装饰层的施工工序,施工简单快速,是砌体墙体发展的趋势^[11]。

　　 高质量、高精度的砌体材料均采用先进设备经打磨工艺制作而成,其胶结材料采用胶、胶浆、薄灰缝砂浆,同时配置专业的铺浆设备,保证施工作业高质量的同时兼顾方便快捷。德国生产的高精度砌块及砌墙工艺分别如图1、图2所示。目前我国对此类砌块的生产和研究尚处起步阶段,但高精度、高质量的砌体材料符合我国砌体结构未来绿色发展的重大需求。

　　 在20世纪50年代之前,我国处于百废待兴的特殊年代,建造的砌体结构房屋仅凭经验设计而且层数低。例如,当时上海市,选定砌体墙的厚度时,主要根据砌体结构房屋的层数来确定。因此可以说在20世纪50年代以前,我国缺乏成体系的砌体结构设计理论,但这种状态很快就被打破了。在1949年中苏建交及苏联20世纪50年代对华援助等政策背景下,国家建委批准于1956年12月推广使用定值的极限状态设计法的《砖石及钢筋砖石结构设计标准及技术规范》(НиТУ120-55)。直至20世纪60年代,我国仍由上述规范指导砌体结构设计^[12]。

　　 在有关部门的支持下,从20世纪60年代初至20世纪70代初,高等院校、设计院等单位的研究人员在全国范围内进行了第一次较大规模的砌体结构设计理论的探索,建立了砌体强度计算公式、无筋砌体受压构件承载力计算方法等一整套系统性理论。在1973年,经过了多年的研究与完善,我国自主制订的第一部砌体结构设计规范《砖石结构设计规范》(GBJ 3—73)问世,并于1974年5月2日起在全国试行,这意味着我国在砌体结构设计领域登上了一个新台阶。

　　 1976年的唐山大地震摧毁了当时唐山市大量的砌体结构建筑物,造成了无法估量的生命与财产损失,促使我国于20世纪70年代中期至80年代期间,第二次在砌体结构研究上大量投入资金与人力。对砌体结构的设计理论进行了改进并取得了良好的效果,并于1988年9月颁布了《砌体结构设计规范》(GBJ 3—88)。该规范标志着我国砌体结构设计理论已经达到世界先进水平,采用了以概率理论为基础的极限状态设计法分析建筑结构的可靠度。

　　 20世纪90年代,我国对《砌体结构设计规范》(GBJ 3—88)进行了全面修订,于2002年3月实施了新一代更合理的《砌体结构设计规范》(GB 50003—2001)。新一代的砌体结构设计规范所涵盖的内容更全面,在静力及抗震设计、无筋及配筋砌体结构设计、多层及高层砌体结构的设计等方面均取得了新的突破。2012年颁布的《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)遵照“增补、简化、完善”的原则,增加了混凝土普通砖、混凝土多孔砖及相应的砌体结构设计,同时补充了砌体结构的抗震设计等内容。这本规范反映了我国砌体结构研究的新成果和应用的新经验^[1,12,13]。我国砌体结构设计规范编制、修订主要历程见图3。

　　 随着国家对环境保护的力度越来越大,装配式结构和固废建材也越来越受到政府部门的重视,未来的砌体结构设计规范应及时地补充有关装配式砌体结构的设计及计算方法以及再生砌块砌体结构的设计注意事项,这样便能够与我国的可持续发展相辅相成。

　　 为部署改革标准和标准化管理体制,深化标准的实施和监督。2015年3月,国务院明确提出改革强制标准,制定覆盖各类工程建设项目全生命周期的全文强制性标准^[14]。2016年8月,中国住房和城乡建设部要求加快制定全文强制性标准,建立以强制性标准为核心,推动协会标准和团体标准相配套的标准体系^[15]。经过一年研编的《砌体结构通用规范》涵盖我国砌体结构设计、施工与验收方面的强制性规定,为我国砌体结构技术标准过渡到技术法规奠定了基础。2019年,《砌体结构通用规范》已进入正式编制(图3)。随着相关结构通用规范编制的启动,标志着我国工程建设标准化改革步入一个新里程。为提高《砌体结构通用规范》的水平和质量,加强与相关通用规范如《混凝土结构通用规范》、《建筑与市政工程抗震通用规范》等之间的协调与统一十分必要^[16,17]。

　　 砌体结构的主要组成部分是块体和砂浆。这两者之间存在复杂的力学关系,不同的受力形式对砌体结构的承载力有显著影响。因为砌体的受力性能具有明显的各向异性,与由单一材料特别是各向同性的单一材料制成的结构相比,砌体结构的有限元数值模拟难度明显大得多。在选择砌体结构的模型、确定材料的本构关系、破坏准则等方面,国内外都有大量相关的研究。目前,国内外普遍采用的模拟方法主要有三种,分别是整体式建模、简化的分离式建模和精细微观模型^{[18,19,20,21,22]}。

　　 至今,国内外尚未研发出完全适用于砌体结构的有限元计算软件。如何高效地利用非线性有限元软件解决砌体结构设计中的各种复杂状况是一个亟待解决的问题,因此有必要对以下几方面深入研究:1)开发大规模、开放型、专业化的砌体结构非线性分析软件。专用软件应使用广泛的试验数据进行测试;应包括在各种应力条件下砌体的本构关系;应提供灵活方便的接口;应允许用户应用特定工程或试验数据建立砌体、混凝土和钢筋的本构关系;应允许用户使用最新的试验数据修改破坏准则^{[23,24,25,26,27]}。 2)开发简单有效的通用分析单元。分析单元在可以保证数据有较高的精度的同时能够快速分析大型或者构造复杂的砌体结构^[28,29,30]。

　　 新中国成立以来,为了满足随着社会进步以及经济发展而日益增长的人们日常生产生活需要,在现有砌体结构的可靠性检测、鉴定与加固等方面,我国取得了巨大的进步。

　　 目前我国砌体结构的加固方式主要有:裂缝修补法、钢筋网水泥砂浆加固法、外包型钢加固法、扩大砌体截面法、钢筋混凝土面层加固法、增设砌体扶壁柱加固法和砌体结构构造性加固法等^{[31,32,33,34,35,36,37,38,39,40]}。同时,近些年出现的新型的砌体结构的加固方法也值得关注。

　　 嵌入式钢筋加固砌体墙体。嵌入式复材筋增强砌体墙体是一种新型加固技术。复材筋加固方法是在砌体结构墙体的水平和竖向灰缝处开槽,然后通过胶结材料使其嵌入到槽内。嵌入式钢筋加固能够增强砌体结构的平面抗弯及抗剪切能力和整体抗震性能。其界面粘结性能的研究有待进一步深入,它将在很大程度上影响复材筋加固砌体结构的效果^[41,42]。

　　 高延性混凝土加固砌体墙体。邓明科等^[43,44]研制了一种高延性混凝土,其抗压、抗弯性能优异。试验表明将这种高延性混凝土应用于加固砌体墙体,可以大幅度提高砌体墙体的开裂荷载和承载力,明显改善墙体的延性,从而增强砌体结构的抗震性能。国外教授研究的ECC混凝土(Engineered Cementitious Composite)也是一种高延性纤维增强水泥基复合材料,其加固砌体墙体也有类似性能。

　　 隔震加固多层砌体结构。在汶川和玉树地震之后,我国开始重视现阶段隔震加固多层砌体结构的研究。相对于传统的砌体结抗震加固技术,隔震加固技术的施工工艺简单、加固效果明显。未来大量的砌体结构房屋都需要抗震加固,因此在隔震加固砌体结构方面进行进一步的试验和理论研究十分有必要^{[45,46,47,48,49,50]}。

　　 “可恢复性”功能防震理念要求结构在保证建筑物内部人员生命安全的前提下,能够在震后快速恢复使用功能。可恢复性功能防震结构采用摇摆、自复位、可更换和附加耗能装置等技术来使结构具有快速可恢复性。

　　 可恢复性功能防震从广义的概念来说,相当于提高砌体结构的鲁棒性和冗余度,让其在遭受地震灾害时,损坏最小,修复最快,在不久的将来,砌体结构的可恢复性研究将会纳入砌体结构发展的重点研究方向之中,通过提升砌体结构可恢复能力,砌体结构抗震能力能得到明显改善。

　　 目前在我国砌体结构的检测、鉴定与加固中,其计算方法存在矛盾和不完善之处,现以配筋砖砌体构件为例,如表1^[1]所示。

　　 表1的结果表明,今后应以静力计算方法作为砌体结构研究、分析的基础,建立完善、相互协调且配套的承载力计算方法。

　　 装配式建筑符合建筑工业化的发展趋势,它采用工厂预制、现场组装的方式来实现。装配式建筑不仅解决了传统现浇工艺需要大量现场施工人员的问题,节省劳动成本,而且能通过工业化生产模式降低建筑材料的离散性,提高工程质量与安全性。

　　 国外特别是欧洲经过数十年的研究,装配式砌体结构已经得到成熟应用,国内在这一块的研究基本处于起步阶段。前述的高精度砌体材料也可以应用于装配式砌体墙,进一步能够促进装配式砌体结构的发展。装配式砌体墙体采用机器砌筑或者机器辅助砌筑,可以采用更大或者更长的互锁砌块。各种砌墙机器可以为装配式砌块砌体提供更大的发展空间(图4)。

　　 湖南大学研究了用于装配式砌块填充墙的加长型高精砌块,完成了砌体抗压、抗剪试验,并进行了有限元分析。研究还提出了用于装配式砌块墙的加长型高精度砌块砌体的强度的计算公式和本构模型^[51]。湖南大学还对装配式混凝土砌块砌体墙以及混凝土框架结构中的装配式混凝土砌块填充墙的抗震性能展开试验研究,提出了一套适用于该墙体结构的施工方法^[52],见图5、图6。

　　 哈尔滨工业大学正在研究配筋砌块墙的预制、装配及施工工艺。研究指出,相比于传统砌筑的砌块剪力墙,预制配筋砌块剪力墙施工更快捷,并且抗震性能优于前者^[53,54]。

　　 至今,国内对装配式砌体结构的研究主要集中在砌块和墙体上,对装配式砌体结构的研究尚未形成体系,仍需进行进一步的试验研究、理论分析和工业化实践,从砌块、设备、墙体、施工、应用、规范等方面为装配式砌体结构建立一整套新型产业化模式。

　　 生土建筑指的是利用未经焙烧的土壤(如黏土、砂土等)或简单加工的原状土,辅以木、石等天然材料建造的结构。

　　 生土建筑因其具备天然、经济、节能、可循环等突出优点,受到了国内外的广泛关注,成为当下生态可持续建筑的研究热点。

　　 目前,国内虽然已有许多高校和研究院所在做相关的研究与应用,且在实际工程中,相关企业也在逐步探索生土材料在现代建筑设计中的运用^{[55,56,57,58,59,60]}。但由于土坯砖的抗压强度低,不符合我国对砌体材料最低强度等级的规定。因此如何提高生土材料的性能,是推广生土建筑的核心问题之一。

　　 (1)新中国成立70年来,在中国共产党的正确领导下,我国的科研工作欣欣向荣。我国砌体结构在新材料的研制与应用、设计理论的建立与完善、设计方法的更新、设计标准规范的建立与发展等方面取得了丰硕成果,充分说明了砌体结构的发展与国情和时代的发展紧密相连。我们一定守初心,担使命,为我国砌体结构的发展与创新不懈努力。

　　 (2)为贯彻推行“乡村振兴战略”,十分有必要建立和推广应用新型城乡砌体结构体系。该体系的显著特点是定位于建造多层城乡民用建筑;采用固废的高性能、低能耗、高精度的烧结保温砌块砌体;以均匀竖向配筋芯柱取代混凝土构造柱;且具有良好的预制装配功能。

　　 (3)为深化我国工程建设标准化的改革,提高我国《砌体结构通用规范》的质量和水平,当前一是要审慎确定强制的每一个条文,不能为了强制而制定强制性条文。二是要加强与相关结构通用规范的协调与统一。

　　 (4)要进一步提高我国砌体结构的检测、鉴定与加固的理论水平和应用技术,如若能将可恢复性功能防震理念运用于砌体结构,将大大减小砌体结构的损伤,相当于对砌体结构进行前期的补强加固。当前如何通过试验研究和采用专业的砌体结构分析软件,为砌体结构的加固建立配套的承载力设计计算方法,尤为迫切。