较大层高厂房的外围护墙结构设计分析

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[摘要]建筑物常用的外围护有砌体墙、板材、幕墙等。较大层高厂房的外围护墙由于工艺等功能需要，常采用砌体围护墙。砌体围护墙既需要满足建筑功能要求，还应满足结构要求。砌体外围护墙，作为非结构构件，需要重视其设计，避免造成外倾、倒塌等破坏。文章从墙体自身稳定性、平面外抗风承载力、平面外抗震承载力等方面对一较大层高厂房的外围护墙进行了分析和设计。

[关键词]外围护墙；非结构构件；抗风承载力；抗震承载力

0引言

外围护墙作为建筑中除承重骨架体系以外的非结构构件，在目前结构设计中一般得不到重视。由于主体结构的分析设计软件多样及高效，主要构件计算均可由软件完成。非结构构件的分析计算一般需要大量的手算，较大层高厂房的外围护墙若不经过合理设计，容易造成外倾、倒塌等破坏。外围护墙作为自承重砌体墙，作用的荷载主要包括自重、附加在墙体上的附着物重量以及风荷载和地震作用。较大层高厂房的外围护墙除了需要满足稳定和自承重外，尚应考虑水平风荷载和地震作用计算。文章从围护墙自身稳定性、平面外抗风承载力、平面外抗震承载力等方面对一较大层高厂房的外围护墙进行了计算分析和设计。

1较大层高厂房的外围护墙结构设计

1.1设计参数

苏州园区某生产车间，主要功能为芯片封装及测试，根据工艺要求，典型柱网间距9000mm，最大层高8400mm，周边框架梁高1500mm，建筑剖面图见图1。基本风压0.45kN/m2（重现期50年），地面粗糙度为B类。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组。围护墙采用A5.0蒸压轻质加气混凝土砌块，Ma5.0专用砂浆砌筑。

1.2高厚比验算

墙的高厚比过大，虽然强度计算满足要求，也可能在施工砌筑阶段因施工误差过大造成鼓凸，或使用中由于外力等因素造成丧失稳定。可以认为高厚比是保证墙正常使用极限状态的构造规定。《砌体结构设计规范》（GB50003—2011）[1]规定：本项目自承重墙的计算高度暂不考虑圈梁及构造柱作用，先按楼板处支承条件计算，扣除框架梁高度后，H0=8400-1500=6900mm，预估墙厚大于240mm，μ1=1.0，μ2=1.0，根据砌体类型及砂浆强度等级，查表[β]=24。由上式计算，取墙厚h=300mm，可满足墙的高厚比构造要求，满足墙体自身稳定。

1.3平面外抗风承载力

外围护墙作为直接承受风荷载的围护构件，在平面外风荷载作用下，可近似看成四边简支双向板。板在两个方向可能产生弯曲破坏，根据板的内力分布和砌体在两个材料主方向的抗弯强度特点，得出墙体可能的两种破坏:当墙高与墙长比≤1.5时，可能产生沿水平方向通缝受弯破坏；当墙高与墙长比＞1.5时，可能产生沿竖向齿缝方向受弯破坏[2]。由于本项目为非嵌砌围护墙，属于墙高与墙长比较小的情况，可简化为上下简支单向板，发生水平通缝受弯破坏，平面外抗风承载力验算如下：《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）[3]规定，计算围护结构时，风荷载标准值wk应按下式计算：wk=βgzμs1μzw0=1.70×（1.0+0.2）×1.0×0.45kN/m2=0.918kN/m2风荷载产生的墙高中点处弯矩标准值：Mk=18wkH02=18×0.918×6.92=5.46kN•m取可变荷载分项系数γQ1=1.5,风荷载产生的墙高中点处弯矩设计值M=1.5×5.46kN•m=8.19kN•m。砂浆强度为Ma5.0时，沿砌体灰缝截面破环时的弯曲抗拉强度设计值ftm=0.08N/mm2，远小于计算弯曲拉应力，说明不采取措施的情况下，围护墙本身不能承受平面外的风荷载作用。

1.4平面外抗震承载力

抗震设防区较大层高外围护墙由于惯性及主体结构引起的平面外侧移，使得墙体承受平面外地震作用，因此外围护墙除需满足平面外抗风承载力外，还应满足平面外抗震承载力要求。非结构构件地震作用计算，一般采用简化方法，即等效侧力法计算，本工程可不考虑支座间的相对位移产生的附加内力。等效侧力法一般由设计加速度、构件功能系数、构件类别系数、状态系数、位置系数、动力放大系数和构件重力等多个因素所决定。《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）（2016年版）[4]规定，采用等效侧力法时，水平地震作用标准值宜按下式计算：其中：非承重围护外墙的功能系数γ取1.0，ξ1取1.0，位置系数ξ2取中部1.5，αmax=0.08，每延米墙重G=1.4×6×0.3×1×6.9kN=17.388kN。F=γηξ1ξ2αmaxG=1.5×0.08×17.388=2.09kN取水平地震作用分项系数γEh=1.3,考虑围护墙的地震力施加于重心，方向为垂直于墙面的水平方向，则水平地震作用产生的墙高中点处弯矩设计值：砂浆强度为Ma5.0时，沿砌体灰缝截面破环时的弯曲抗拉强度设计值ftm=0.08N/mm2，考虑承载力抗震调整系数γRE=1.0后，远小于计算弯曲拉应力，说明不采取措施的情况下，围护墙本身不能承受平面外的地震作用。

2考虑钢筋混凝土带和构造柱的分析方法

2.1计算简图

根据上述计算，满足稳定性要求的高厚比控制的墙厚不能通过平面外抗风承载力验算和平面外抗震承载力验算。为满足构件设计需要，常用方法有两种，提高抗力和降低荷载效应。提高抗力即需要提高砌体沿通缝的弯曲抗拉强度设计值。从砌体材料的特性来看提高砂浆强度等级对弯曲抗拉强度设计值提高不明显。降低荷载效应，需要降低受弯构件的弯曲拉应力，即需要增加截面抵抗矩，这样就会大大增加墙厚，不利于减轻结构自重，与主体结构设计概念相违背。另外围护结构自重加大，地震力加大，需要加强非结构构件与主体结构的连接设计。在不增加墙厚的情况下，设计可考虑采取砌体中设置钢筋混凝土带和构造柱的整体分析方法。根据构造要求，构造柱的水平间距不大于4m，混凝土带的宽度300mm，满足不小于相邻构造柱间距的1/30要求，因此混凝土带和构造柱可以作为构造柱间墙的不动铰支点。构造柱间墙的计算高度和计算长度较小，一般可满足平面外抗风及抗震承载力的要求。考虑混凝土带和构造柱的整体作用，立面杆系布置图见图2。

2.2设计分析

根据上述布置图，建立平面杆系模型。抗风承载力验算较抗震承载力验算不利，取风荷载作用作为活荷载，并不考虑墙体自重的有利作用，按平面外纯弯计算。混凝土等级C25,钢筋HRB400。构件配筋简图及挠度简图见图3、图4。由图3可知，混凝土带的构造配筋即可满足计算要求，由于混凝土带兼作平面外受力要求，需要在施工图中注明纵筋的连接，并与构造柱进行可靠锚固。构造柱配筋适当加强即可满足受力要求，由于构造柱兼作平面外受力要求，需要在施工图中注明纵筋的连接，并与主体结构进行可靠锚固。由图4可知，混凝土带的平面外最大挠度较小。构造柱平面外最大挠度d=12.1mm，计算跨度L0=6900mm，L0/d=571，满足限值要求。综上计算分析，采用混凝土带和构造柱的整体分析方法，适当加强构造柱的配筋即可满足承载力及正常使用极限状态的要求，满足安全、适用、经济的设计原则。

3结论

（1）较大层高厂房的外围护墙在常规墙厚条件下，一般能满足墙体自身稳定的要求，但不能通过平面外抗风承载力和抗震承载力验算。（2）较大层高厂房的外围护墙平面外抗风承载力和抗震承载力验算可考虑采用混凝土带和构造柱作用的整体分析法，该体系具有清晰的传力路径：围护墙→混凝土带→构造柱→主体结构。（3）较大层高厂房的外围护墙仅需要在常规构造柱配筋的基础上适当增加纵向配筋，并采取一定合理的构造，即可满足承载力和正常使用极限状态要求，具有一定的经济性。

作者：朱宏程 单位：启迪设计集团股份有限公司