门式刚架轻钢厂房采用砌体外围护墙的几点设计建议.docx

门式刚架轻钢厂房采用砌体外围护墙的几点设计建议
摘要：门式刚架轻钢厂房已广泛应用于工业建筑，某些轻钢厂房由于使用功能、安全美观、防火等需求，要求墙体采用砌体材料。本文结合相关规范、规程对此类项目从结构计算、构造措施、基础设计等设计过程中应注意的问题及合理建议进行阐述、说明，以供设计人员参考。
        关键词：门式刚架轻钢厂房；砌体围护墙；墙体高厚比
        引言
        门式刚架轻钢厂房外围护墙体通常是采用压型钢板，但某些特殊用处的厂房需要设置砌体围护墙，比如防冷桥要求的纺纱车间、腐蚀性介质作用的电镀车间、保温保湿要求严格的冷库以及防火等级较高需设计防火墙的车间。本文对此类车间的设计提出一些建议、观点、经验供设计人员参考。
        一、适用范围。
        《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002 中，1.0.2 条说明，门式刚架轻型房屋的外墙可采用砌体，此时应符合本规程第 4.4.3 条的规定，即门式刚架轻型房屋的外墙当抗震设防烈度不高于 6 度时，可采用嵌砌或非嵌砌砌体（砌在钢柱外侧的砌体）；当抗震设防烈度为 7 度、8 度时，可采用非嵌砌（贴砌）砌体，在构造上与刚架柱保持柔性连接。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015（以下简称《门规》）中，5.3.3条说明，门式刚架轻型房屋的外墙，当抗震设防烈度在8度及以下时，宜采用轻钢金属墙板或非嵌砌砌体；当抗震设防烈度为9度时，宜采用轻型金属墙板或柱柔性连接的轻质墙板。同时《门规》表3.3.1刚架柱顶位移限值（mm）
        建议：抗震设防烈度在8度及以下的无吊车的轻钢厂房可以采用砌体墙体，并且应采用非嵌砌的砌筑方式。当有吊车时特别是重型吊车和重级工作制的吊车不建议采用砌体维护墙。
        二、结构计算。
        1.墙体和主刚架的相互作用。门式刚架轻型房屋一般都采用二维计算模型，轻型墙面荷载一般不计入结构计算中，也不考虑轻型墙体对主刚架的影响。但砌体墙体荷载（自重）以及刚度都比较大，故不能不考虑其对主刚架的影响。门式钢架结构的砌体围护墙一般是直接落地的，用墙下基础梁或条形基础承担墙体自重。在工程设计中砌体墙体和主刚架的连接通常有两种做法：墙体与刚架完全脱开和墙体与刚架柔性连接。采用完全脱开形式则可以不考虑墙体的影响，但墙体自身的高厚比很难满足要求。采用墙体与刚架柔性连接形式时，刚架可作为砌体墙的护壁柱，同时需考虑墙体对柱刚架的影响。
        建议：砌体墙体和主刚架柔性连接，考虑相互作用的影响。
        2.主刚架的地震作用计算。《门规》6.2.4条说明“当采用砌体墙做围护墙体时，砌体墙的质量应沿高度配到不少于两个质量集中点作为钢柱的附加质量，参与刚架横向的水平地震作用计算”。结构计算软件STS二维设计中有附加重量的输入，此附加重量与恒荷载是有差异的。恒荷：永久作用在结构上的荷载；附加重量：正常使用情况下不作用于结构上，但是在地震作用下，其水平剪力需要由刚架来承担。组合 1：1.3 恒 +1.5 活 +0.6x1.4 风，组合 2：1.2（恒 +0.5 活）+1.3 地震中，仅“1.3 地震”这一项力计算附加重量。因附加荷载的输入可能导致原地震组合由非控制作用变为控制作用，同时由《门规》3.4.3条可知门式刚架轻型房屋钢结构的抗震构造措施要比非抗震构造措施更为严格，如高宽比、柱的长细比、隅撑的设置等。
        建议：主刚架计算时把墙体质量按附加重量输入到主刚架上，查看计算结果，如果地震作用组合效应控制结构设计时，应按《门规》3.4.3条设计构造要求。
        3.柱顶位移控制和柱脚形式。《门规》3.3.1条和《钢结构设计标准》GB50017-2017附录B.2.1条可知采用砌体围护墙时柱顶的位移限值是h/240（mm），h是刚架柱高度。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（简称《抗规》）中5.5.1条未对单层工业厂房的弹性位移角限值做规定，5.5.5条弹塑性层间位移角限值单层钢筋混凝土柱排架为1/30，而多、高层钢结构为1/50。《门规》5.1.4条“门式刚架的柱脚宜按铰接支承设计。当用于工业厂房有5T以上桥式吊车时，可将柱脚设计成刚接”。一般无吊车时都设计成铰接柱脚，钢柱做成楔形截面，但当柱顶高度较高时，要满足h/240的柱顶位移限值，往往需要梁柱截面都较大。
        建议：柱顶位移限值是h/240（mm），h是刚架柱高度。当柱顶高度大于10米时柱脚宜设计成刚接，以此降低用钢量，提高安全度。
        4.基础设计。砌体围护墙体的自重一般分墙下基础梁或条形基础承担两种情况，这两种基础型式综合造价考虑还是基础梁占优势。在主刚架的基础设计时墙下基础梁型式应计入附加墙重量。对主刚架的基础设计应控制零应力区应加强控制，《抗规》4.2.4条要求零应力区面积不应超过基础底面面积的15%；《机械工业厂房结构设计规范》GB 50906-2013中6.2.2条“无起重机厂房，当基础底面与地基之间出现零应力区时，其零应力区的面积不应大于基础底面积的25％；有起重机厂房，有起重机荷载组合时，基础底面与地基之间不宜出现零应力区”。
        建议：主刚架基础设计应考虑砌体附加墙重量，并应控制零应力区范围，可控制在10%以内，以免过大的变形对墙体造成影响。
        三、构造措施
        1.砌体墙体高厚比控制。因钢柱可作为墙体的护壁柱，砌体墙体按带护壁柱的自承重墙设计。《砌体结构设计规范》GB50003-2011（简称《砌归》）第6.1.1条，无筋砌体墙高厚比最大能取26，采用240mm的多孔砖墙时，考虑6.1.3的增大系数1.3，H0=8112mm。《砌规》第5.1.3条的注2“对于上端为自由端的构件，H0=2H”，故上端自由的围护墙体最大高度也仅有4米。《砌规》6.1.2条“设有钢筋混凝土圈梁的带壁柱墙或带构造柱墙，当b/s>1/30时，圈梁可视作壁柱间墙或构造柱间墙的不动铰支点（b为圈梁宽度）。当不能满足上述条件且不允许增加圈梁宽度时，可按墙体平面外等刚度原则增加圈梁高度，此事圈梁仍可视为壁柱间或构造柱间墙的不动铰支座”，如仅考虑壁柱作用，钢柱间距可以控制在7200mm以内，大于此柱距可以采用提高截面高度，圈梁间距根据砌体墙面材料及墙体厚度设计。
        建议：按刚架柱作为砌体墙体护壁柱设计，圈梁可以作为墙体的不动铰支座，圈梁宽度不能满足s/30要求，可以加高圈梁高度，圈梁间距一般约4米左右，同时按《砌规》6.3条的填充墙设置构造柱。
        2、伸缩缝设置。《门规》5.2.4条温度区段长度，纵向不宜大于300m，横向不宜大于150m；《砌规》6.5.1条砌体房屋伸缩缝的最大间距应根据屋盖类别确定，轻钢屋盖间距为100m，伸缩缝间距砌体房屋远小于门式刚架结构。为避免砌体维护结构因胀缩产生裂缝，应适当减小伸缩缝设置间距。
        建议：每50米设置设置一道30mm宽的伸缩缝，缝内填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。
        结束语
        门式刚架采用砌体围护墙体设计时存在一定的适用性和特殊性，从主体结构计算到墙体的构造设计都需特别处理，尤其是墙体的高厚比的计算。通过上述描述，为设计人员提供设计思路，但对不同工程需不同对待。
        参考文献：
        [1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002
        [2]《钢结构设计标准》GB50017-2017
        [3]《砌体结构设计规范》GB50003-2011
        [4]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
        [5]《机械工业厂房结构设计规范》GB 50906-2013