孫 旻 徐靈通

(中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200030)

0 引言

在外圍護采用壓型鋼板等輕質(zhì)板材的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房和倉庫的設(shè)計中，建筑設(shè)計常會采用砌體墻作為各防火分區(qū)或者建筑功能分區(qū)的分隔內(nèi)墻。砌體墻如何在高大的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑中保持穩(wěn)定及如何減少砌體墻對主結(jié)構(gòu)地震作用的影響，在相關(guān)的規(guī)范和設(shè)計手冊中很少涉及這方面的內(nèi)容，本文從墻體穩(wěn)定、主體結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造措施方面進行較全面的分析和探討，供設(shè)計同行參考，也希望得到專家的指正。

1 砌體內(nèi)隔墻的結(jié)構(gòu)布置

某一上海地區(qū)單層廠房采用門式剛架輕型結(jié)構(gòu)，柱腳與基礎(chǔ)剛接?？v向柱距為9 m，建筑長度為9 m×8=72 m;橫向共3跨，每跨跨度為24 m，檐口標(biāo)高9.000 m，屋面坡度為3%，屋面及外墻圍護采用壓型鋼板。在①軸，②軸，③軸，④軸縱向柱列設(shè)有兩道柱間支撐，采用Ф30圓鋼。建筑平面內(nèi)部沿②軸，③軸縱向設(shè)有兩道砌體隔墻，墻體高約10 m，并在?軸橫向跨度方向亦設(shè)有到屋頂?shù)钠鲶w墻。墻體與剛架柱貼砌。墻體采用200 mm厚A5.O級蒸壓加氣混凝土砌塊，采用專用砂漿砌筑，容重為11 kN/m3。見圖1～圖3。本項目的設(shè)計使用年限為50年，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，場地類別為Ⅵ類，特征周期為 0.9 s。屋面恒載為0.25 kN/m2，主結(jié)構(gòu)屋面活荷載為0.3 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，基本雪壓為0.20 kN/m2，地面粗糙度為 B類。風(fēng)荷載體型系數(shù)根據(jù)CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012年版)［6］附錄A風(fēng)荷載的參數(shù)取值。

當(dāng)砌體內(nèi)隔墻沿廠房柱列縱向設(shè)置時，可在墻體位置布置主結(jié)構(gòu)柱，利用主結(jié)構(gòu)柱作為墻體的壁柱，墻體與柱貼砌。當(dāng)砌體墻沿廠房跨度橫向布置時，在建筑跨度內(nèi)增加墻柱來保證墻體的穩(wěn)定。墻柱頂部與屋面梁鉸接，梁底設(shè)節(jié)點板并采用豎向長橢圓孔與墻柱連接，墻柱不承受屋面豎向荷載，墻柱柱腳與基礎(chǔ)可采用鉸接形式。屋面在墻柱相應(yīng)位置增加水平系桿及屋面水平支撐來保證墻體水平荷載(地震荷載、可能的風(fēng)荷載)能有效傳遞到基礎(chǔ)并加強主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

砌體內(nèi)隔墻為自承重墻，與結(jié)構(gòu)柱采用貼砌，并與結(jié)構(gòu)柱進行拉結(jié)。當(dāng)結(jié)構(gòu)進行地震作用計算時需計入其全部自重，當(dāng)采取有效措施時，可不計入對主體結(jié)構(gòu)剛度的影響。

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)采用砌體隔墻時，為防止由于主結(jié)構(gòu)的過大變形而引起砌體墻開裂，應(yīng)控制主結(jié)構(gòu)的柱頂水平位移。對于門式剛架輕型房屋在《金屬建筑系統(tǒng)設(shè)計與規(guī)范》［8］中建議“對于有砌體墻或混凝土外墻與金屬剛架相連的情況，采用傳統(tǒng)建筑的側(cè)移限值是合理的，如地震作用下取H/200，風(fēng)荷載作用下取H/200”(H為柱頂高度);而在CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的勘誤［9］中提出“無吊車采用砌體墻時的柱頂位移限值h/100應(yīng)改為h/240”。當(dāng)建筑為普通單層鋼結(jié)構(gòu)廠房時，GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［7］附錄A中規(guī)定在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下無橋式吊車的單層框架柱頂位移不宜超過H/250(H為柱頂高度);多層框架的層間相對位移不宜超過h/400(h為層高);GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［1］中第5.5.1條規(guī)定:在多遇地震作用下，多、高層鋼結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值不大于1/250。因此，筆者認為對于有砌體隔墻并與主結(jié)構(gòu)拉結(jié)的單層鋼結(jié)構(gòu)建筑，柱頂位移可按下列數(shù)值控制，在風(fēng)荷載作用下不大于H/400，在多遇地震作用下不大于H/250。

圖1 柱網(wǎng)及砌體墻布置圖

圖2 剛架立面示意圖

墻體材料應(yīng)優(yōu)先選用輕質(zhì)塊材，如蒸壓加氣混凝土砌塊等，詳見表1，自承重砌體墻用塊體密度不宜大于1 200 kg/m3。自承重墻體不應(yīng)采用非蒸壓硅酸鹽磚(砌塊)及非蒸壓加氣混凝土制品。地面以下或者防潮層以下與土壤長期接觸的砌體，不應(yīng)采用空心塊體材料砌筑。內(nèi)隔墻塊體的最低強度等級和最大干表觀密度見表1。

圖3 ②軸，③軸柱間支撐立面布置圖

表1 內(nèi)隔墻塊體的最低強度等級和最大干表觀密度

砌筑砂漿的強度等級不應(yīng)低于M5。室內(nèi)地坪以下以及潮濕環(huán)境砌體的砂漿強度等級不宜低于M7.5，且應(yīng)為水泥砂漿、預(yù)拌砂漿或?qū)Ｓ闷鲋皾{。蒸壓加氣混凝土砌塊宜優(yōu)先選用專用砂漿或粘合劑砌筑。

2 墻體高厚比驗算及構(gòu)造要求

以?軸，?軸所設(shè)砌體墻為例，闡述高厚比驗算過程。

墻體高厚比需滿足GB 50003-2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［2］中公式 6.1.1:

H0的取值:由于墻高10 m大于剛架柱距9 m，則H0=0.6×柱距 =0.6 ×9=5.4 m。

［β］的取值:根據(jù)CECS 289∶2011蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［5］中表4.1.1 的要求取24，見表2。

表2 墻體的允許高厚比［β］值

μ1的取值:根據(jù) CECS 289∶2011［5］中第4.1.1 條規(guī)定，非承重墻的允許高厚比修正系數(shù)為1.3。

μ2的取值:由于柱距內(nèi)設(shè)有4 000 mm寬的卷簾門，則:

因此，μ1μ2［β］=1.3 ×0.822 ×24=25.65 ＜27，高厚比不滿足要求。在墻體內(nèi)每隔4.5 m設(shè)置截面為200 mm×400 mm的構(gòu)造柱，按帶構(gòu)造柱墻重新驗算墻體高厚比。

β =H0/h≤μ1μ2μc［β］中除 μc外其余參數(shù)不變。

其中，γ 的取值:根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］第 6.1.2 條，γ取1.5;bc的取值:bc為構(gòu)造柱沿墻長方向的寬度，取400 mm;l的取值:構(gòu)造柱的間距，取4 500 mm。

則 μ1μ2μc［β］=1.3 ×0.822 ×1.133 ×24=29.07 ＞27，帶構(gòu)造柱墻的高厚比滿足要求。而構(gòu)造柱間墻的高厚比H0/h=0.6×4 500/200=13.5，亦能滿足規(guī)范要求。

《蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》［5］第5.2.4條規(guī)定:內(nèi)部砌體填充墻高厚比大于18時，應(yīng)在墻中設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土帶。本工程在墻體高度范圍內(nèi)每隔3 500 mm以及墻體頂部設(shè)置截面為200 mm×200 mm鋼筋混凝土圈梁，內(nèi)配縱向鋼筋為4Ф10，箍筋為 Ф6@200。

墻體沿長度方向在墻體端部，伸縮縫兩端及不小于2 100 mm寬的門洞兩側(cè)設(shè)置截面為200 mm×400 mm的構(gòu)造柱，構(gòu)造柱間距不大于4 500 mm，內(nèi)配縱向鋼筋為4Ф12，箍筋為Ф6@200。構(gòu)造柱與砌體之間結(jié)合處采用馬牙槎，并每隔500 mm～600 mm設(shè)2Ф6拉結(jié)筋，拉結(jié)筋在柱邊每側(cè)伸入墻內(nèi)長度不小于1 000 mm。

由于考慮構(gòu)造柱有利作用的高厚比驗算不適用于施工階段，所以在砌筑墻體時要合理安排每天的砌筑，每天的砌筑高度不大于1.5 m并及時澆筑構(gòu)造柱。

當(dāng)墻體長度大于40 m時設(shè)置一道30 mm寬的伸縮縫。縫內(nèi)填充聚苯乙烯泡沫塑料板等壓縮性能好的填充材料，當(dāng)墻體有防火要求時縫內(nèi)填充能滿足耐火時間的柔性防火材料。

3 墻柱的設(shè)計

砌體內(nèi)墻的墻體是自承重的，內(nèi)墻的墻柱亦不承受風(fēng)荷載，但要考慮在地震作用下，砌體墻自重對墻柱的水平地震作用。墻柱垂直于墻面的截面高度不宜小于平面外水平支點距離的1/40，其長細比按壓彎構(gòu)件控制不小于150。

對于在水平地震作用下控制墻柱的水平撓度控制，在《金屬建筑系統(tǒng)設(shè)計與規(guī)范》［8］中第11.2.10節(jié)寫到“標(biāo)準(zhǔn)建筑法規(guī)(SBC)限制用脆性裝飾材料的內(nèi)、外墻及隔墻的水平撓度不得大于H/240”。而在CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012年版)［6］中第3.4.2條規(guī)定“支承砌體墻的墻梁的水平撓度限值為L/180且小于等于50 mm”。因此，在水平地震作用下控制墻柱的水平撓度不大于H/240，且不大于50 mm。

本項目的墻柱截面為 H300×250×5×10，截面的 Ix=11 431.33 cm4，Iy=2 604.45 cm4，ix=13.36 cm，iy=6.37 cm，A=64 cm2。墻柱H約為9.5 m。

墻柱兩端鉸接，計算長度取實際長度9.5 m，則 λx=71.1，λy=149，滿足長細比要求。

墻柱沿高度每米的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算:

墻柱柱中在水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值作用下彎矩MEK=FeKH2/8=79.42 kN·m，經(jīng)計算墻柱最大水平撓度為31.53 mm，小于9 500/240=39.58 mm且小于50 mm，滿足要求。

4 砌體內(nèi)隔墻與主結(jié)構(gòu)連接的抗震措施

與主結(jié)構(gòu)貼砌并與主結(jié)構(gòu)拉結(jié)的砌體隔墻，其對主結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在地震作用時砌體墻的剛度對主結(jié)構(gòu)的影響以及其質(zhì)量對主結(jié)構(gòu)的影響。而主結(jié)構(gòu)亦要控制荷載和地震作用下的柱頂位移，以免對砌體墻產(chǎn)生不利作用。接下來以本項目為例，針對以上內(nèi)容，概述一下設(shè)計思路。

本項目設(shè)計中砌體墻與結(jié)構(gòu)柱的拉結(jié)節(jié)點，允許沿墻體方向滑動，因此在地震作用下主結(jié)構(gòu)計算分析時不計入墻體剛度，但要計入墻體質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)中無吊車荷載，對柱頂位移起控制作用的主要是風(fēng)荷載和地震作用，節(jié)點中滑動空間長度不小于兩者作用下計算結(jié)果的大值。

本項目建筑平面規(guī)則，廠房的橫向抗震驗算和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析均按平面框架進行計算，由于墻柱不承受屋面荷載因此建模時不考慮。

以?軸剛架為例，計算模型中屋面均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:0.25×9=2.25 kN/m;屋面均布活荷載為標(biāo)準(zhǔn)值:0.3 ×9=2.7 kN/m，見圖4。

圖4 H軸剛架恒載、活載布置圖（單位：kN/m）

屋面左(右)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:－1.0×1.05×0.55×9=－5.2 kN/m，－0.65 ×1.05 ×0.55 ×9= －3.38 kN/m。

柱間左(右)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:0.25×1.05×0.55×9=1.3 kN/m，0.55 ×1.05 ×0.55 ×9=2.86 kN/m，見圖5。

圖5 H軸剛架左風(fēng)荷載布置圖（單位：kN/m）

③軸柱頂考慮附加砌體墻質(zhì)量為:0.2×11×12×5=132 kN;

④軸柱頂考慮附加砌體墻質(zhì)量為:0.2×11×12×5+0.2×11×9×5=231 kN，見圖6。

圖6 H軸剛架附加砌體質(zhì)量布置圖（單位：kN）

經(jīng)PKPM系列軟件中STS模塊計算，得出?軸剛架在風(fēng)荷載和地震作用下柱頂最大位移分別為4.4 mm和21.8 mm，柱頂位移均小于H/250。

本項目中縱墻對稱布置，廠房的縱向抗震驗算和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析均按柱列分片獨立計算。

以③軸柱列為例，計算模型中柱頂恒載標(biāo)準(zhǔn)值為:0.25×9×24=54 kN，邊柱頂恒載標(biāo)準(zhǔn)值為:0.25×9×24=27 kN;

中柱頂活載標(biāo)準(zhǔn)值為:0.3×9×24=64.8 kN，邊柱頂活載標(biāo)準(zhǔn)值為:0.3×9 ×24=32.4 kN，見圖7。

圖7 ③軸縱向排架恒載、活載布置圖（單位：kN）

柱間左(右)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:1.05×0.55×8×(－0.65)=3.0 kN/m，1.05 ×0.55 ×8 ×(－0.15)=0.69 kN/m。

柱頂左(右)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為:1.05×0.55×16×5×(－0.65)=30.03 kN/m，1.05 ×0.55 ×16 ×5 ×(－0.15)=6.93 kN/m，見圖8。

圖8 ③軸縱向排架左風(fēng)荷載布置圖

柱頂附加砌體質(zhì)量為:0.2×11×9×5=99 kN。

交?軸處柱頂附加砌體質(zhì)量為:0.2×11×9×5+0.2×11×4×5=143 kN，見圖9。

經(jīng)PKPM系列軟件中STS模塊計算，得出③軸縱向排架在風(fēng)荷載和地震作用下柱頂位移分別為6.4 mm和14.1 mm，柱頂位移均小于H/250。

圖9 ③軸縱向排架附加砌體質(zhì)量布置圖（單位：kN）

經(jīng)以上計算得出柱頂最大位移值21.8 mm，則墻體與柱的拉結(jié)節(jié)點中的可滑移空間設(shè)為25 mm，大于21.8 mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)的位移變形要求。拉結(jié)節(jié)點詳見圖10，圖11。

圖10 墻體與鋼柱拉結(jié)節(jié)點

圖11 墻體與鋼柱拉結(jié)節(jié)點（伸縮縫處）

5 結(jié)論和建議

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)與主結(jié)構(gòu)相連的內(nèi)隔墻體，應(yīng)優(yōu)先選用壓型鋼板、硬質(zhì)金屬面夾芯板以及鋁合金板等輕型墻體板材，當(dāng)必須采用砌體墻時，也應(yīng)優(yōu)先選用輕質(zhì)砌塊。

廠房內(nèi)的隔墻長度和高度都較大，要精心計算高厚比，采用合適的墻體厚度，合理布置構(gòu)造柱和圈梁。

墻體與主結(jié)構(gòu)柱的拉結(jié)要保證墻體穩(wěn)定，又要考慮減少在地震作用下對主體結(jié)構(gòu)的影響，墻體與結(jié)構(gòu)柱的拉結(jié)節(jié)點采用地震作用方向可滑動節(jié)點。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］GB 50003-2011，砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］CECS 281∶2010，自承重砌體墻技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］JGJ/T 17-2008，蒸壓加氣混凝土建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］CECS 289∶2011，蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］Newman A.金屬建筑系統(tǒng)設(shè)計與規(guī)范［M］.余洲亮，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［9］CECS 102∶2002規(guī)程管理組.對CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的勘誤和補遺［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2006，21(4):5-6.