單層鋼結構廠房中砌體內隔墻的設計

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板材的單層鋼結構廠房和倉庫的設計中，建筑設計常會采用砌體墻作為各防火分區或者建筑功能分區的分隔內墻。砌體墻如何在高大的單層鋼結構廠房建筑中保持穩定及如何減少砌體墻對主結構地震作用的影響，在相關的規范和設計手冊中很少涉及這方面的內容，本文從墻體穩定、主體結構計算和構造措施方面進行較全面的分析和探討，供設計同行參考，也希望得到專家的指正。

1 砌體內隔墻的結構布置

某一上海地區單層廠房采用門式剛架輕型結構，柱腳與基礎剛接?？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軸縱向柱列設有兩道柱間支撐，采用Ф30圓鋼。建筑平面內部沿②軸，③軸縱向設有兩道砌體隔墻，墻體高約10 m，并在?軸橫向跨度方向亦設有到屋頂的砌體墻。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。本項目的設計使用年限為50年，所在地區的抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，設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，主結構屋面活荷載為0.3 kN/m2，基本風壓為0.55 kN/m2，基本雪壓為0.20 kN/m2，地面粗糙度為 B類。風荷載體型系數根據CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012年版)［6］附錄A風荷載的參數取值。

當砌體內隔墻沿廠房柱列縱向設置時，可在墻體位置布置主結構柱，利用主結構柱作為墻體的壁柱，墻體與柱貼砌。當砌體墻沿廠房跨度橫向布置時，在建筑跨度內增加墻柱來保證墻體的穩定。墻柱頂部與屋面梁鉸接，梁底設節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，墻柱柱腳與基礎可采用鉸接形式。屋面在墻柱相應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、可能的風荷載)能有效傳遞到基礎并加強主體結構的穩定。

砌體內隔墻為自承重墻，與結構柱采用貼砌，并與結構柱進行拉結。當結構進行地震作用計算時需計入其全部自重，當采取有效措施時，可不計入對主體結構剛度的影響。

單層鋼結構廠房內采用砌體隔墻時，為防止由于主結構的過大變形而引起砌體墻開裂，應控制主結構的柱頂水平位移。對于門式剛架輕型房屋在《金屬建筑系統設計與規范》［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，采用傳統建筑的側移限值是合理的，如地震作用下取H/200，風荷載作用下取H/200”(H為柱頂高度);而在CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程的勘誤［9］中提出“無吊車采用砌體墻時的柱頂位移限值h/100應改為h/240”。當建筑為普通單層鋼結構廠房時，GB 50017-2003鋼結構設計規范［7］附錄A中規定在風荷載標準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建筑抗震設計規范［1］中第5.5.1條規定:在多遇地震作用下，多、高層鋼結構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構拉結的單層鋼結構建筑，柱頂位移可按下列數值控制，在風荷載作用下不大于H/400，在多遇地震作用下不大于H/250。

圖1 柱網及砌體墻布置圖

圖2 剛架立面示意圖

墻體材料應優先選用輕質塊材，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，不應采用空心塊體材料砌筑。內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低于M5。室內地坪以下以及潮濕環境砌體的砂漿強度等級不宜低于M7.5，且應為水泥砂漿、預拌砂漿或專用砌筑砂漿。蒸壓加氣混凝土砌塊宜優先選用專用砂漿或粘合劑砌筑。

2 墻體高厚比驗算及構造要求

以?軸，?軸所設砌體墻為例，闡述高厚比驗算過程。

墻體高厚比需滿足GB 50003-2011砌體結構設計規范［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CECS 289∶2011蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結構技術規范［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 CECS 289∶2011［5］中第4.1.1 條規定，非承重墻的允許高厚比修正系數為1.3。

μ2的取值:由于柱距內設有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。在墻體內每隔4.5 m設置截面為200 mm×400 mm的構造柱，按帶構造柱墻重新驗算墻體高厚比。

β =H0/h≤μ1μ2μc［β］中除 μc外其余參數不變。

其中，γ 的取值:根據《砌體結構設計規范》［2］第 6.1.2 條，γ取1.5;bc的取值:bc為構造柱沿墻長方向的寬度，取400 mm;l的取值:構造柱的間距，取4 500 mm。

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

《蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結構技術規范》［5］第5.2.4條規定:內部砌體填充墻高厚比大于18時，應在墻中設置現澆鋼筋混凝土帶。本工程在墻體高度范圍內每隔3 500 mm以及墻體頂部設置截面為200 mm×200 mm鋼筋混凝土圈梁，內配縱向鋼筋為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寬的門洞兩側設置截面為200 mm×400 mm的構造柱，構造柱間距不大于4 500 mm，內配縱向鋼筋為4Ф12，箍筋為Ф6@200。構造柱與砌體之間結合處采用馬牙槎，并每隔500 mm～600 mm設2Ф6拉結筋，拉結筋在柱邊每側伸入墻內長度不小于1 000 mm。

由于考慮構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并及時澆筑構造柱。

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

3 墻柱的設計

砌體內墻的墻體是自承重的，內墻的墻柱亦不承受風荷載，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《金屬建筑系統設計與規范》［8］中第11.2.10節寫到“標準建筑法規(SBC)限制用脆性裝飾材料的內、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構技術規程(2012年版)［6］中第3.4.2條規定“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準值按下式計算:

墻柱柱中在水平地震作用標準值作用下彎矩MEK=FeKH2/8=79.42 kN·m，經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 砌體內隔墻與主結構連接的抗震措施

與主結構貼砌并與主結構拉結的砌體隔墻，其對主結構的影響主要體現在地震作用時砌體墻的剛度對主結構的影響以及其質量對主結構的影響。而主結構亦要控制荷載和地震作用下的柱頂位移，以免對砌體墻產生不利作用。接下來以本項目為例，針對以上內容，概述一下設計思路。

本項目設計中砌體墻與結構柱的拉結節點，允許沿墻體方向滑動，因此在地震作用下主結構計算分析時不計入墻體剛度，但要計入墻體質量。該結構中無吊車荷載，對柱頂位移起控制作用的主要是風荷載和地震作用，節點中滑動空間長度不小于兩者作用下計算結果的大值。

本項目建筑平面規則，廠房的橫向抗震驗算和結構內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準值為:0.25×9=2.25 kN/m;屋面均布活荷載為標準值: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)風荷載標準值為:－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)風荷載標準值為: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軸剛架左風荷載布置圖（單位：kN/m）

③軸柱頂考慮附加砌體墻質量為:0.2×11×12×5=132 kN;

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

圖6 H軸剛架附加砌體質量布置圖（單位：kN）

經PKPM系列軟件中STS模塊計算，得出?軸剛架在風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構內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準值為:0.25×9×24=54 kN，邊柱頂恒載標準值為:0.25×9×24=27 kN;

中柱頂活載標準值為:0.3×9×24=64.8 kN，邊柱頂活載標準值為: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)風荷載標準值為: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)風荷載標準值為: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軸縱向排架左風荷載布置圖

柱頂附加砌體質量為:0.2×11×9×5=99 kN。

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

經PKPM系列軟件中STS模塊計算，得出③軸縱向排架在風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量布置圖（單位：kN）

經以上計算得出柱頂最大位移值21.8 mm，則墻體與柱的拉結節點中的可滑移空間設為25 mm，大于21.8 mm，滿足鋼結構的位移變形要求。拉結節點詳見圖10，圖11。

圖10 墻體與鋼柱拉結節點

圖11 墻體與鋼柱拉結節點（伸縮縫處）

5 結論和建議

單層鋼結構廠房內與主結構相連的內隔墻體，應優先選用壓型鋼板、硬質金屬面夾芯板以及鋁合金板等輕型墻體板材，當必須采用砌體墻時，也應優先選用輕質砌塊。

廠房內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，合理布置構造柱和圈梁。

墻體與主結構柱的拉結要保證墻體穩定，又要考慮減少在地震作用下對主體結構的影響，墻體與結構柱的拉結節點采用地震作用方向可滑動節點。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］GB 50003-2011，砌體結構設計規范［S］.

［3］CECS 281∶2010，自承重砌體墻技術規程［S］.

［4］JGJ/T 17-2008，蒸壓加氣混凝土建筑應用技術規程［S］.

［5］CECS 289∶2011，蒸壓加氣混凝土砌塊砌體結構技術規范［S］.

［6］CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］.

［7］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［8］Newman A.金屬建筑系統設計與規范［M］.余洲亮，譯.北京:清華大學出版社，2009.

［9］CECS 102∶2002規程管理組.對CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程的勘誤和補遺［J］.鋼結構，2006，21(4):5-6.