某门式刚架冷库填充墙结构设计

某门式刚架冷库填充墙结构设计

肖体祥

云南省设计院集团工程投资有限公司

摘要：填充墙作为分隔和围护房间的重要构件，在常规民用建筑中，当房屋层高较低时，其高厚比容易满足，但对于高大厂房、体育馆、大型公共建筑等层高较高的房屋，若填充墙采用砌体墙，其高厚比可能超限。对于层高较高的房屋，需重视填充墙的做法，采取合理的填充墙方案，避免填充墙高厚比超限。

关键词：门式刚架 高大填充墙  高厚比 非结构构件 柔性连接

一、前言

在房屋建筑中，填充墙是围护和分隔房间的重要构件，使用十分广泛。《建筑抗震设计规范》规定，框架结构的填充墙采用砌体墙时，应采取措施减少对主体结构的不利影响，其布置应避免使结构形成刚度和强度分布上的突变。在混凝土结构中，常通过刚度折减和将填充墙与主体结构采用柔性连接等方式来考虑填充墙刚度的影响。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（以下简称《门规》）规定，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，宜采用轻型金属墙板或非嵌砌砌体；当抗震设防烈度为9度时，应采用轻型金属墙板或与柱柔性连接的轻质墙板。

在实际工程设计中，填充墙与主体设计的连接和其自身高厚比属于非结构构件，对于高大的填充墙，设计师往往容易忽略高厚比和稳定性问题。一方面，结构工程师往往把主要精力放在主体结构布置和计算上，对非结构构件重视不够；另一方面，很多建筑师对填充墙稳定没有清晰的认识，在建筑填充墙布置时，常不假思索的将墙厚定为200mm甚至100mm厚，若结构设计人员未及时发现，将导致填充墙高厚比超限。

填充墙设计主要分为两个问题：填充墙与主体的连接问题和其自身高厚比问题。

1、填充墙与主体结构的连接方式

填充墙与主体结构的连接直接影响到结构的受力状态，尤其是对于布置不规则或不对称的填充墙，如果与主体采用刚性连接，将直接影响结构的受力状态，填充墙不均匀布置可能导致结构整体刚度突变等。由于计算模型不能真实反映结构的实际受力状态，将导致计算结果不真实，从而产生安全隐患。

（1）对于常规混凝土结构，填充墙布置可采用刚性连接或柔性连接，刚性连接时需考虑周期折减、填充墙布置不均匀导致刚度突变等问题。由于计算模型不能真实反映填充墙的作用，故混凝土结构也建议采用柔性连接。

（2）对于轻型门式刚架结构，砌体结构相对于刚架而言其刚度校大，砌体填充墙对结构受力影响更大，《门规》5.5.3条明确8度及以下时，宜采用轻型金属墙板或非嵌砌墙板；9度时应采用轻型金属墙板或与柱柔性连接的轻质墙板。故对于较高的门式刚架单层厂房填充墙而言，需将墙的两端和上部与刚架梁柱之间按铰接处理。

2、填充墙的高厚比

在常规民用建筑中，因填充墙墙高普遍不高，其强度、稳定性和高厚比易满足规范要求，但是在大型公共建筑、厂房、冷库等建筑中，由于层高较高，填充墙的高厚比需要重点关注，进行专门设计，确保结构安全。

本文以某门式刚架冷库为例，分析门式刚架填充墙的结构解决方案。

二、项目概况

某项目位于云南省大理市弥渡县，该单体为一个轻型钢结构冷库，平面长151.2m，宽51m，刚架跨度25.5m，刚架间距8.8m。地梁顶标高为室外地面以下0.1m。建筑内部分为两个防火分区，中间设防火墙，扣除梁高后，防火墙在檐口处墙高度约13.80m，屋脊处约15.20m。屋面采用轻型彩钢瓦屋面，外墙为彩钢瓦墙板；部分内填充墙为防火墙，防火墙上无门窗洞口。刚架在檐口和屋脊3个轴共设置3道柱间支撑。建筑剖面如下图：

本项目抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组第三组。结构设计工作年限为50年，结构安全等级为二级，建筑场地类别为Ⅲ类。

本项目主要功能为冷库，无吊车，结构体系为轻型门式刚架结构，梁柱均采用变截面焊接H型钢。由于内填充墙（防火墙）较高，需进行专门设计，本文通过几种方案的对比，探讨高大填充墙的结构设计方案。

本项目防火墙设于钢柱之间，若采用砌体墙，砌体墙与柱子考虑采用柔性连接，并设置足够的变形缝，以减小填充墙对主体的影响。填充墙端头和上部与刚架梁柱按铰接处理。填充墙与刚架梁柱之前设置一定距离的缝隙，保证与主体相连又不影响主体刚架的变形。

三、本项目填充墙结构方案

1、砌体填充墙方案：

填充墙采用砌体填充墙，考虑圈梁、构造柱（壁柱）作用。此方案填充墙高厚比计算公式如下：

β＝H0/h≤μ1μ2 μc [β]；

μc=1+γ×bc/l

需注意的是，设置圈梁不能提高填充墙的整体高厚比限值，其作用主要是在填充墙整体高厚比满足规范的情况下，当带璧柱间墙和构造柱间墙的局部高厚比不满足要求时，通过设置圈梁，且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，即墙计算高度取圈梁的中心距离。其中b为圈梁沿墙厚方向的宽度，s为构造柱或璧柱中心距。

壁柱可以提高墙体高厚比限值，但因其需要突出墙面，对建筑影响大，建筑不容易接受，故此方案主要考虑构造柱对墙体高厚比的有利影响。

1.1 H

0的取值

根据《砌体结构设计规范》6.1.1和5.1.3条，本项目刚架跨度25.5m，H取中部高度，约为14.50m，填充墙端头和顶部与刚架柔性连接，2H＞S＞H，H0=1.25×14.5=18.125m。

1.2 自承重墙的高厚比验算，不同厚度自承重墙的允许计算高度

（1）自承重墙的修正系数μ1：

墙厚 h ＞ 240mm时，μ1 = 1.0 ；h = 240mm时，μ1 = 1.2 ；h = 90mm时，μ1 =1.5 ； 240mm ＞ h＞ 90mm时，μ1可按插入法取值。假定墙厚为200mm、300mm、400mm、500mm，μ1分别为1.28、1.2、1.2、1.2。

（2）自承重墙的修正系数μ2：

本项目填充墙无门窗洞口，取0。

（3）自承重墙的修正系数μc：

μc=1+γ×bc/l

其中γ最大可取1.5，bc/l的限值为0~0.25，故当采用普通砖砌体时，μc可取1~1.375。假设构造柱沿墙厚度方向与墙同厚，按常规间距2~4m时，要达到1.375的提高系数，则当l取2.5m、3m时，构造柱沿墙长方向的尺寸bc分别为625mm和750mm。实际工程中构造柱沿墙长方向尺寸bc取200~400mm、构造柱间距常采用2.5~3m。假设bc取400mm，l取3m，则μc为1.2。

（4）自承重墙的允许高厚比限值[β]：按规范最大值取值，砂浆强度等级M7.5时，[β]=26。

（5）根据各参数反算填充墙最大允许高度（H0），下表为μc取1.2时，不同墙厚的最大允许高度（H0）：

由上表可知，本项目若采用普通砖砌体时，按3m间距设置400×墙厚的构造柱时，填充墙墙厚需达到500mm才能满足高厚比要求。

此方案缺点：墙厚较厚，占用建筑面积；同时也加大地梁和基础的荷载；填充墙与刚架的连接也较为复杂。

2、填充墙采用轻钢龙骨墙板方案

    轻钢龙骨填充墙具有自重轻、安装方便、抗震性能好等优点，其跟刚架连接时对主体刚度影响也较小。墙厚相同时，其允许的最大高度更高，占用房间面积较少。

对于门式刚架轻型钢结构房屋，其外墙常采用彩钢瓦墙面。本项目内墙为防火墙，其主要要求是满足耐火极限，当采取合理的构造时，其耐火极限完全能满足建筑防火要求。防火墙可参考图集《轻钢龙骨石膏板填充墙、吊顶》07CJ03-1、《结构设计统一技术措施》（西南院2020）相关章节采用轻钢龙骨填充墙，其龙骨、面板、节点等需根据耐火极限、墙体高度等选用。龙骨材料和尺寸等也可通过计算选用。

四、设计建议

1、结构设计时需重视填充墙的布置，其布置应避免使结构形成刚度和强度分布上的突变，若其布置造成结构刚度突变，或对主体产生较大扭转时，应优先考虑与主体采用柔性连接的方案。

2、结构工程师要重视填充墙的高厚比，应对常规墙厚的填充墙的最大允许高度有比较清晰的认识，对于高度超出允许高厚比的填充墙采取合理的解决措施。如高厚比超限不多时，可采用适当加墙厚、提高砂浆强度、适当增加构造柱等进行解决。对于高度超限较多的填充墙，可考虑采用轻钢龙骨轻质隔墙方案。

3、结构工程师要对建筑设置的墙厚进行复核，及时发现问题。对高大的厂房、体育馆、大型公共建筑、常规民用建筑的首层、顶层斜屋面处的填充墙、卫生间100mm厚的填充墙等，需重点关注。不能不加判断直接按建筑专业设置的墙厚直接采用。

参考文献

[1]熊印生,刘璐.某影院高大后砌墙结构设计[J].2021.02.20.

[2]中国建筑标准设计研究院.07CJ03-1轻钢龙骨石膏板隔墙、吊顶[M].中国计划出版社,2007.06.01.

[3]中国建筑西南设计研究院有限公司.结构设计统一技术措施[M].中国建筑工业出版社,2020.07.

[4]百度百科.自承重墙[J].2023.04.

https://baike.baidu.com/item/%E8%87%AA%E6%89%BF%E9%87%8D%E5%A2%99/2953353