单层钢结构厂房中砌体内隔墙的设计

孙 旻 徐灵通

(中国海诚工程科技股份有限公司，上海 200030)

0 引言

在外围护采用压型钢板等轻质板材的单层钢结构厂房和仓库的设计中，建筑设计常会采用砌体墙作为各防火分区或者建筑功能分区的分隔内墙。砌体墙如何在高大的单层钢结构厂房建筑中保持稳定及如何减少砌体墙对主结构地震作用的影响，在相关的规范和设计手册中很少涉及这方面的内容，本文从墙体稳定、主体结构计算和构造措施方面进行较全面的分析和探讨，供设计同行参考，也希望得到专家的指正。

1 砌体内隔墙的结构布置

某一上海地区单层厂房采用门式刚架轻型结构，柱脚与基础刚接。纵向柱距为9 m，建筑长度为9 m×8=72 m;横向共3跨，每跨跨度为24 m，檐口标高9.000 m，屋面坡度为3%，屋面及外墙围护采用压型钢板。在①轴，②轴，③轴，④轴纵向柱列设有两道柱间支撑，采用Ф30圆钢。建筑平面内部沿②轴，③轴纵向设有两道砌体隔墙，墙体高约10 m，并在Ⓓ轴横向跨度方向亦设有到屋顶的砌体墙。墙体与刚架柱贴砌。墙体采用200 mm厚A5.O级蒸压加气混凝土砌块，采用专用砂浆砌筑，容重为11 kN/m3。见图1～图3。本项目的设计使用年限为50年，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅵ类，特征周期为 0.9 s。屋面恒载为0.25 kN/m2，主结构屋面活荷载为0.3 kN/m2，基本风压为0.55 kN/m2，基本雪压为0.20 kN/m2，地面粗糙度为 B类。风荷载体型系数根据CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)［6］附录A风荷载的参数取值。

当砌体内隔墙沿厂房柱列纵向设置时，可在墙体位置布置主结构柱，利用主结构柱作为墙体的壁柱，墙体与柱贴砌。当砌体墙沿厂房跨度横向布置时，在建筑跨度内增加墙柱来保证墙体的稳定。墙柱顶部与屋面梁铰接，梁底设节点板并采用竖向长椭圆孔与墙柱连接，墙柱不承受屋面竖向荷载，墙柱柱脚与基础可采用铰接形式。屋面在墙柱相应位置增加水平系杆及屋面水平支撑来保证墙体水平荷载(地震荷载、可能的风荷载)能有效传递到基础并加强主体结构的稳定。

砌体内隔墙为自承重墙，与结构柱采用贴砌，并与结构柱进行拉结。当结构进行地震作用计算时需计入其全部自重，当采取有效措施时，可不计入对主体结构刚度的影响。

单层钢结构厂房内采用砌体隔墙时，为防止由于主结构的过大变形而引起砌体墙开裂，应控制主结构的柱顶水平位移。对于门式刚架轻型房屋在《金属建筑系统设计与规范》［8］中建议“对于有砌体墙或混凝土外墙与金属刚架相连的情况，采用传统建筑的侧移限值是合理的，如地震作用下取H/200，风荷载作用下取H/200”(H为柱顶高度);而在CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的勘误［9］中提出“无吊车采用砌体墙时的柱顶位移限值h/100应改为h/240”。当建筑为普通单层钢结构厂房时，GB 50017-2003钢结构设计规范［7］附录A中规定在风荷载标准值作用下无桥式吊车的单层框架柱顶位移不宜超过H/250(H为柱顶高度);多层框架的层间相对位移不宜超过h/400(h为层高);GB 50011-2010建筑抗震设计规范［1］中第5.5.1条规定:在多遇地震作用下，多、高层钢结构的弹性层间位移角限值不大于1/250。因此，笔者认为对于有砌体隔墙并与主结构拉结的单层钢结构建筑，柱顶位移可按下列数值控制，在风荷载作用下不大于H/400，在多遇地震作用下不大于H/250。

图1 柱网及砌体墙布置图

图2 刚架立面示意图

墙体材料应优先选用轻质块材，如蒸压加气混凝土砌块等，详见表1，自承重砌体墙用块体密度不宜大于1 200 kg/m3。自承重墙体不应采用非蒸压硅酸盐砖(砌块)及非蒸压加气混凝土制品。地面以下或者防潮层以下与土壤长期接触的砌体，不应采用空心块体材料砌筑。内隔墙块体的最低强度等级和最大干表观密度见表1。

图3 ②轴，③轴柱间支撑立面布置图

表1 内隔墙块体的最低强度等级和最大干表观密度

砌筑砂浆的强度等级不应低于M5。室内地坪以下以及潮湿环境砌体的砂浆强度等级不宜低于M7.5，且应为水泥砂浆、预拌砂浆或专用砌筑砂浆。蒸压加气混凝土砌块宜优先选用专用砂浆或粘合剂砌筑。

2 墙体高厚比验算及构造要求

以Ⓑ轴，Ⓒ轴所设砌体墙为例，阐述高厚比验算过程。

墙体高厚比需满足GB 50003-2011砌体结构设计规范［2］中公式 6.1.1:

H0的取值:由于墙高10 m大于刚架柱距9 m，则H0=0.6×柱距 =0.6 ×9=5.4 m。

［β］的取值:根据CECS 289∶2011蒸压加气混凝土砌块砌体结构技术规范［5］中表4.1.1 的要求取24，见表2。

表2 墙体的允许高厚比［β］值

μ1的取值:根据 CECS 289∶2011［5］中第4.1.1 条规定，非承重墙的允许高厚比修正系数为1.3。

μ2的取值:由于柱距内设有4 000 mm宽的卷帘门，则:

因此，μ1μ2［β］=1.3 ×0.822 ×24=25.65 ＜27，高厚比不满足要求。在墙体内每隔4.5 m设置截面为200 mm×400 mm的构造柱，按带构造柱墙重新验算墙体高厚比。

β =H0/h≤μ1μ2μc［β］中除 μc外其余参数不变。

其中，γ 的取值:根据《砌体结构设计规范》［2］第 6.1.2 条，γ取1.5;bc的取值:bc为构造柱沿墙长方向的宽度，取400 mm;l的取值:构造柱的间距，取4 500 mm。

则 μ1μ2μc［β］=1.3 ×0.822 ×1.133 ×24=29.07 ＞27，带构造柱墙的高厚比满足要求。而构造柱间墙的高厚比H0/h=0.6×4 500/200=13.5，亦能满足规范要求。

《蒸压加气混凝土砌块砌体结构技术规范》［5］第5.2.4条规定:内部砌体填充墙高厚比大于18时，应在墙中设置现浇钢筋混凝土带。本工程在墙体高度范围内每隔3 500 mm以及墙体顶部设置截面为200 mm×200 mm钢筋混凝土圈梁，内配纵向钢筋为4Ф10，箍筋为 Ф6@200。

墙体沿长度方向在墙体端部，伸缩缝两端及不小于2 100 mm宽的门洞两侧设置截面为200 mm×400 mm的构造柱，构造柱间距不大于4 500 mm，内配纵向钢筋为4Ф12，箍筋为Ф6@200。构造柱与砌体之间结合处采用马牙槎，并每隔500 mm～600 mm设2Ф6拉结筋，拉结筋在柱边每侧伸入墙内长度不小于1 000 mm。

由于考虑构造柱有利作用的高厚比验算不适用于施工阶段，所以在砌筑墙体时要合理安排每天的砌筑，每天的砌筑高度不大于1.5 m并及时浇筑构造柱。

当墙体长度大于40 m时设置一道30 mm宽的伸缩缝。缝内填充聚苯乙烯泡沫塑料板等压缩性能好的填充材料，当墙体有防火要求时缝内填充能满足耐火时间的柔性防火材料。

3 墙柱的设计

砌体内墙的墙体是自承重的，内墙的墙柱亦不承受风荷载，但要考虑在地震作用下，砌体墙自重对墙柱的水平地震作用。墙柱垂直于墙面的截面高度不宜小于平面外水平支点距离的1/40，其长细比按压弯构件控制不小于150。

对于在水平地震作用下控制墙柱的水平挠度控制，在《金属建筑系统设计与规范》［8］中第11.2.10节写到“标准建筑法规(SBC)限制用脆性装饰材料的内、外墙及隔墙的水平挠度不得大于H/240”。而在CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)［6］中第3.4.2条规定“支承砌体墙的墙梁的水平挠度限值为L/180且小于等于50 mm”。因此，在水平地震作用下控制墙柱的水平挠度不大于H/240，且不大于50 mm。

本项目的墙柱截面为 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。墙柱H约为9.5 m。

墙柱两端铰接，计算长度取实际长度9.5 m，则 λx=71.1，λy=149，满足长细比要求。

墙柱沿高度每米的水平地震作用标准值按下式计算:

墙柱柱中在水平地震作用标准值作用下弯矩MEK=FeKH2/8=79.42 kN·m，经计算墙柱最大水平挠度为31.53 mm，小于9 500/240=39.58 mm且小于50 mm，满足要求。

4 砌体内隔墙与主结构连接的抗震措施

与主结构贴砌并与主结构拉结的砌体隔墙，其对主结构的影响主要体现在地震作用时砌体墙的刚度对主结构的影响以及其质量对主结构的影响。而主结构亦要控制荷载和地震作用下的柱顶位移，以免对砌体墙产生不利作用。接下来以本项目为例，针对以上内容，概述一下设计思路。

本项目设计中砌体墙与结构柱的拉结节点，允许沿墙体方向滑动，因此在地震作用下主结构计算分析时不计入墙体刚度，但要计入墙体质量。该结构中无吊车荷载，对柱顶位移起控制作用的主要是风荷载和地震作用，节点中滑动空间长度不小于两者作用下计算结果的大值。

本项目建筑平面规则，厂房的横向抗震验算和结构内力分析均按平面框架进行计算，由于墙柱不承受屋面荷载因此建模时不考虑。

以Ⓗ轴刚架为例，计算模型中屋面均布恒荷载标准值为:0.25×9=2.25 kN/m;屋面均布活荷载为标准值:0.3 ×9=2.7 kN/m，见图4。

图4 H轴刚架恒载、活载布置图（单位：kN/m）

屋面左(右)风荷载标准值为:－1.0×1.05×0.55×9=－5.2 kN/m，－0.65 ×1.05 ×0.55 ×9= －3.38 kN/m。

柱间左(右)风荷载标准值为:0.25×1.05×0.55×9=1.3 kN/m，0.55 ×1.05 ×0.55 ×9=2.86 kN/m，见图5。

图5 H轴刚架左风荷载布置图（单位：kN/m）

③轴柱顶考虑附加砌体墙质量为:0.2×11×12×5=132 kN;

④轴柱顶考虑附加砌体墙质量为:0.2×11×12×5+0.2×11×9×5=231 kN，见图6。

图6 H轴刚架附加砌体质量布置图（单位：kN）

经PKPM系列软件中STS模块计算，得出Ⓗ轴刚架在风荷载和地震作用下柱顶最大位移分别为4.4 mm和21.8 mm，柱顶位移均小于H/250。

本项目中纵墙对称布置，厂房的纵向抗震验算和结构内力分析均按柱列分片独立计算。

以③轴柱列为例，计算模型中柱顶恒载标准值为:0.25×9×24=54 kN，边柱顶恒载标准值为:0.25×9×24=27 kN;

中柱顶活载标准值为:0.3×9×24=64.8 kN，边柱顶活载标准值为:0.3×9 ×24=32.4 kN，见图7。

图7 ③轴纵向排架恒载、活载布置图（单位：kN）

柱间左(右)风荷载标准值为:1.05×0.55×8×(－0.65)=3.0 kN/m，1.05 ×0.55 ×8 ×(－0.15)=0.69 kN/m。

柱顶左(右)风荷载标准值为:1.05×0.55×16×5×(－0.65)=30.03 kN/m，1.05 ×0.55 ×16 ×5 ×(－0.15)=6.93 kN/m，见图8。

图8 ③轴纵向排架左风荷载布置图

柱顶附加砌体质量为:0.2×11×9×5=99 kN。

交Ⓗ轴处柱顶附加砌体质量为:0.2×11×9×5+0.2×11×4×5=143 kN，见图9。

经PKPM系列软件中STS模块计算，得出③轴纵向排架在风荷载和地震作用下柱顶位移分别为6.4 mm和14.1 mm，柱顶位移均小于H/250。

图9 ③轴纵向排架附加砌体质量布置图（单位：kN）

经以上计算得出柱顶最大位移值21.8 mm，则墙体与柱的拉结节点中的可滑移空间设为25 mm，大于21.8 mm，满足钢结构的位移变形要求。拉结节点详见图10，图11。

图10 墙体与钢柱拉结节点

图11 墙体与钢柱拉结节点（伸缩缝处）

5 结论和建议

单层钢结构厂房内与主结构相连的内隔墙体，应优先选用压型钢板、硬质金属面夹芯板以及铝合金板等轻型墙体板材，当必须采用砌体墙时，也应优先选用轻质砌块。

厂房内的隔墙长度和高度都较大，要精心计算高厚比，采用合适的墙体厚度，合理布置构造柱和圈梁。

墙体与主结构柱的拉结要保证墙体稳定，又要考虑减少在地震作用下对主体结构的影响，墙体与结构柱的拉结节点采用地震作用方向可滑动节点。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］GB 50003-2011，砌体结构设计规范［S］.

［3］CECS 281∶2010，自承重砌体墙技术规程［S］.

［4］JGJ/T 17-2008，蒸压加气混凝土建筑应用技术规程［S］.

［5］CECS 289∶2011，蒸压加气混凝土砌块砌体结构技术规范［S］.

［6］CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.

［7］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［8］Newman A.金属建筑系统设计与规范［M］.余洲亮，译.北京:清华大学出版社，2009.

［9］CECS 102∶2002规程管理组.对CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的勘误和补遗［J］.钢结构，2006，21(4):5-6.