較大層高廠房的外圍護墻結構設計分析

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[摘要]建筑物常用的外圍護有砌體墻、板材、幕墻等。較大層高廠房的外圍護墻由于工藝等功能需要，常采用砌體圍護墻。砌體圍護墻既需要滿足建筑功能要求，還應滿足結構要求。砌體外圍護墻，作為非結構構件，需要重視其設計，避免造成外傾、倒塌等破壞。文章從墻體自身穩定性、平面外抗風承載力、平面外抗震承載力等方面對一較大層高廠房的外圍護墻進行了分析和設計。

[關鍵詞]外圍護墻；非結構構件；抗風承載力；抗震承載力

0引言

外圍護墻作為建筑中除承重骨架體系以外的非結構構件，在目前結構設計中一般得不到重視。由于主體結構的分析設計軟件多樣及高效，主要構件計算均可由軟件完成。非結構構件的分析計算一般需要大量的手算，較大層高廠房的外圍護墻若不經過合理設計，容易造成外傾、倒塌等破壞。外圍護墻作為自承重砌體墻，作用的荷載主要包括自重、附加在墻體上的附著物重量以及風荷載和地震作用。較大層高廠房的外圍護墻除了需要滿足穩定和自承重外，尚應考慮水平風荷載和地震作用計算。文章從圍護墻自身穩定性、平面外抗風承載力、平面外抗震承載力等方面對一較大層高廠房的外圍護墻進行了計算分析和設計。

1較大層高廠房的外圍護墻結構設計

1.1設計參數

蘇州園區某生產車間，主要功能為芯片封裝及測試，根據工藝要求，典型柱網間距9000mm，最大層高8400mm，周邊框架梁高1500mm，建筑剖面圖見圖1。基本風壓0.45kN/m2（重現期50年），地面粗糙度為B類。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組。圍護墻采用A5.0蒸壓輕質加氣混凝土砌塊，Ma5.0專用砂漿砌筑。

1.2高厚比驗算

墻的高厚比過大，雖然強度計算滿足要求，也可能在施工砌筑階段因施工誤差過大造成鼓凸，或使用中由于外力等因素造成喪失穩定。可以認為高厚比是保證墻正常使用極限狀態的構造規定。《砌體結構設計規范》（GB50003—2011）[1]規定：本項目自承重墻的計算高度暫不考慮圈梁及構造柱作用，先按樓板處支承條件計算，扣除框架梁高度后，H0=8400-1500=6900mm，預估墻厚大于240mm，μ1=1.0，μ2=1.0，根據砌體類型及砂漿強度等級，查表[β]=24。由上式計算，取墻厚h=300mm，可滿足墻的高厚比構造要求，滿足墻體自身穩定。

1.3平面外抗風承載力

外圍護墻作為直接承受風荷載的圍護構件，在平面外風荷載作用下，可近似看成四邊簡支雙向板。板在兩個方向可能產生彎曲破壞，根據板的內力分布和砌體在兩個材料主方向的抗彎強度特點，得出墻體可能的兩種破壞:當墻高與墻長比≤1.5時，可能產生沿水平方向通縫受彎破壞；當墻高與墻長比＞1.5時，可能產生沿豎向齒縫方向受彎破壞[2]。由于本項目為非嵌砌圍護墻，屬于墻高與墻長比較小的情況，可簡化為上下簡支單向板，發生水平通縫受彎破壞，平面外抗風承載力驗算如下：《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012）[3]規定，計算圍護結構時，風荷載標準值wk應按下式計算：wk=βgzμs1μzw0=1.70×（1.0+0.2）×1.0×0.45kN/m2=0.918kN/m2風荷載產生的墻高中點處彎矩標準值：Mk=18wkH02=18×0.918×6.92=5.46kN?m取可變荷載分項系數γQ1=1.5,風荷載產生的墻高中點處彎矩設計值M=1.5×5.46kN?m=8.19kN?m。砂漿強度為Ma5.0時，沿砌體灰縫截面破環時的彎曲抗拉強度設計值ftm=0.08N/mm2，遠小于計算彎曲拉應力，說明不采取措施的情況下，圍護墻本身不能承受平面外的風荷載作用。

1.4平面外抗震承載力

抗震設防區較大層高外圍護墻由于慣性及主體結構引起的平面外側移，使得墻體承受平面外地震作用，因此外圍護墻除需滿足平面外抗風承載力外，還應滿足平面外抗震承載力要求。非結構構件地震作用計算，一般采用簡化方法，即等效側力法計算，本工程可不考慮支座間的相對位移產生的附加內力。等效側力法一般由設計加速度、構件功能系數、構件類別系數、狀態系數、位置系數、動力放大系數和構件重力等多個因素所決定。《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）（2016年版）[4]規定，采用等效側力法時，水平地震作用標準值宜按下式計算：其中：非承重圍護外墻的功能系數γ取1.0，ξ1取1.0，位置系數ξ2取中部1.5，αmax=0.08，每延米墻重G=1.4×6×0.3×1×6.9kN=17.388kN。F=γηξ1ξ2αmaxG=1.5×0.08×17.388=2.09kN取水平地震作用分項系數γEh=1.3,考慮圍護墻的地震力施加于重心，方向為垂直于墻面的水平方向，則水平地震作用產生的墻高中點處彎矩設計值：砂漿強度為Ma5.0時，沿砌體灰縫截面破環時的彎曲抗拉強度設計值ftm=0.08N/mm2，考慮承載力抗震調整系數γRE=1.0后，遠小于計算彎曲拉應力，說明不采取措施的情況下，圍護墻本身不能承受平面外的地震作用。

2考慮鋼筋混凝土帶和構造柱的分析方法

2.1計算簡圖

根據上述計算，滿足穩定性要求的高厚比控制的墻厚不能通過平面外抗風承載力驗算和平面外抗震承載力驗算。為滿足構件設計需要，常用方法有兩種，提高抗力和降低荷載效應。提高抗力即需要提高砌體沿通縫的彎曲抗拉強度設計值。從砌體材料的特性來看提高砂漿強度等級對彎曲抗拉強度設計值提高不明顯。降低荷載效應，需要降低受彎構件的彎曲拉應力，即需要增加截面抵抗矩，這樣就會大大增加墻厚，不利于減輕結構自重，與主體結構設計概念相違背。另外圍護結構自重加大，地震力加大，需要加強非結構構件與主體結構的連接設計。在不增加墻厚的情況下，設計可考慮采取砌體中設置鋼筋混凝土帶和構造柱的整體分析方法。根據構造要求，構造柱的水平間距不大于4m，混凝土帶的寬度300mm，滿足不小于相鄰構造柱間距的1/30要求，因此混凝土帶和構造柱可以作為構造柱間墻的不動鉸支點。構造柱間墻的計算高度和計算長度較小，一般可滿足平面外抗風及抗震承載力的要求。考慮混凝土帶和構造柱的整體作用，立面桿系布置圖見圖2。

2.2設計分析

根據上述布置圖，建立平面桿系模型。抗風承載力驗算較抗震承載力驗算不利，取風荷載作用作為活荷載，并不考慮墻體自重的有利作用，按平面外純彎計算。混凝土等級C25,鋼筋HRB400。構件配筋簡圖及撓度簡圖見圖3、圖4。由圖3可知，混凝土帶的構造配筋即可滿足計算要求，由于混凝土帶兼作平面外受力要求，需要在施工圖中注明縱筋的連接，并與構造柱進行可靠錨固。構造柱配筋適當加強即可滿足受力要求，由于構造柱兼作平面外受力要求，需要在施工圖中注明縱筋的連接，并與主體結構進行可靠錨固。由圖4可知，混凝土帶的平面外最大撓度較小。構造柱平面外最大撓度d=12.1mm，計算跨度L0=6900mm，L0/d=571，滿足限值要求。綜上計算分析，采用混凝土帶和構造柱的整體分析方法，適當加強構造柱的配筋即可滿足承載力及正常使用極限狀態的要求，滿足安全、適用、經濟的設計原則。

3結論

（1）較大層高廠房的外圍護墻在常規墻厚條件下，一般能滿足墻體自身穩定的要求，但不能通過平面外抗風承載力和抗震承載力驗算。（2）較大層高廠房的外圍護墻平面外抗風承載力和抗震承載力驗算可考慮采用混凝土帶和構造柱作用的整體分析法，該體系具有清晰的傳力路徑：圍護墻→混凝土帶→構造柱→主體結構。（3）較大層高廠房的外圍護墻僅需要在常規構造柱配筋的基礎上適當增加縱向配筋，并采取一定合理的構造，即可滿足承載力和正常使用極限狀態要求，具有一定的經濟性。

作者：朱宏程 單位：啟迪設計集團股份有限公司