摘要:对外包砌体围护墙轻型门式刚架结构厂房设计中的关键问题进行了探讨,指出该类型结构应从砌体围护墙、轻型刚架结构、相互连接节点三个紧密关联方面综合考虑结构的变形差异和稳定问题,并且采取合理的计算和构造措施。同时结合工程实践,给出了一种纵向柔性连接的实用方法。结论为提高该类结构的设计安全提供参考。
关键词:外包砌体围护墙;轻型门式刚架结构;变形协调
由烧结砖或加气混凝土砌块等构成的轻钢厂房砌体护墙具有隔热保温、防火性能好、抗腐蚀特殊环境的能力强、造价和维护费用低等优点,在部分工程项目中仍有着大量的应用。但由于砌体和钢材这两种材料的强度、弹性模量和延性等力学性能指标差异较大,尤其在工艺上吊车运行要求或抗震设防烈度较高时,如何保证这两种结构形式在各种荷载作用及其不利组合下正常协调工作,一直是该类结构设计的重点和难点。抗规[1]对这种结构的应用范围和相关措施做出了一些规定,文献[2]结合轮胎厂对该类结构的参数控制指标、连接方式等进行了探讨。本文进一步针对该类型结构的破坏形式、墙体稳定和轻钢刚架变形控制、相互连接节点等技术问题进行分析和探讨。
1结构设计内容和要点
砌体围护墙轻型吊车钢结构厂房结构的设计主要包括三个方面:外包砌体维护墙设计、轻型门式刚架结构设计、相互连接节点的设计。这三个方面的设计是相互独立又紧密关联的,不同的连接节点形式和相对刚度差异将会产生不同的破坏方式。主要会有3种破坏方式:1)轻型门式刚架发生过大变形破坏,然后连带导致砌体围护墙破坏,2)外包砌体围护墙发生过大变形破坏,然后连带导致刚架破坏,3)两者各自发生破坏,不影响另一方。第一种情况是绝对不允许的,第三种情况是理想情况。目前工程中最多还是第二种情况,这种情况的合理设计目标是:轻型刚架在各种工况下的变形不对砌体围护墙产生破坏,砌体围护墙通过设计和构造措施满足各种工况下的自身稳定要求。下面将针对满足第二种情况的设计控制要求进行深入讨论。这种结构设计的难点主要是两个:1)由两种力学和刚度差异较大的材料组成结构的变形协调控制问题,包括竖向变形、横向变形、纵向变形的控制。设计时可根据拟设计砌体围护墙和轻型刚架两者的纵向和横向刚度差异的大小来选择连接方式,刚度差异越大越宜采用柔性连接方式,并采用设计和构造措施保证;2)各种工况下的结构稳定或倒塌问题,由于砌体材料的脆性及破坏的严重性,需要对第二种情况中的砌体围护墙及连接进行重点设计,并提出相应的控制指标。
2砌体围护墙的设计
砌体围护墙的常用材料有烧结砖、加气混凝土砌块,主要设计内容包括:1)墙体在自重和风荷载作用下、地震作用下、吊车横向运动作用、温度作用及其不利组合下的强度计算;2)墙体高厚比验算、刚度或稳定计算,3)解决计算假定和简化等采取设计构造措施。
2.1墙体高厚比。墙体高厚比是用来控制墙体稳定和刚度的构造要求,与钢、木结构的长细比相类似[3]。砌体规范中高厚比计算时给出的刚性、刚弹性或弹性方案均是指墙顶端有支承的情况,对于轻钢结构外包围护墙体是不适用的(顶端多是天沟或其支架),其允许高厚比应按顶端自由的自承重墙计算。需要指出的是,加气混凝土砌体墙的高厚比验算应按JGJ/T17—2008《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》的要求进行。两种材料的允许高厚比的计算结果的比较见表1。需要注意的是,轻钢厂房的刚度很难达到刚性横墙的要求,即厂房刚架柱即便拉结再紧也不能作为外包砌体围护墙的平面外刚性支承,计算高度应按墙顶自由,取为2H(H为墙高)。但是轻型刚架实际上仍是有一定刚度的,对围护墙起到一定弹性支承作用,目前规范没有明确规定其对高厚比的影响,设计时只作为安全余量了。
2.2对墙体稳定的定量设计。目前尚无统一设计规定。文献[3]中给出的围护墙位移指标是结合多层砌体结构的抗侧层间位移提出的,不适用于单层钢结构厂房的护墙。对自承重墙体在各种工况及组合下的稳定计算问题,本文认为,可以参考结构抗倒塌设计的原则,简化为通过墙体变形指标来间接控制。根据GB50003—2011《砌体结构设计规范》中自承重墙在偏心受压条件下稳定破坏的计算公式,通过限制截面偏心距来进行稳定设计,这是一个与墙顶位移和墙体高度均相关的指标。砌体结构设计规范中把轴向作用力的偏心距作为控制砌体墙发生大小偏心受拉破坏的界限,“轴向力的偏心距不应超过0.6y,y为截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离”,“对双向偏心受压构件为0.5y”,条文说明指出此值与实验结果吻合较好[5]。文献[4]条文说明“加气混凝土砌体的偏心受压试验表明,大小偏心受压破坏的界限偏心距e=(0.48~0.51)y范围内。当e>0.5y时,砌体的一侧出现拉应力,极限承载力很低,且破坏突然。”因此,此偏心距可以作为自承重墙在罕遇地震作用下,墙顶所发生位移的限值,即对烧结砖砌体可取0.3h,对加气混凝土砌体为0.25h,h为截面高度。由于罕遇地震为多遇地震的5~7倍(设防烈度高时取小值,6度时取7倍,8度时取5倍)。如果较为保守的按照简单线性比例计算,则可得墙顶位移的限值为:烧结砖砌体取0.042h,加气混凝土砌体为0.036h。而0.042h/H和0.036h/H(H为外包砌体围护墙高度)即为厂房在多遇地震下的刚架柱顶横向位移控制限值,若按外包墙允许最大高厚比反算的最大高度考虑,其值约为1/400。其同样适用于风荷载、轻级别轻型工作吊车横向荷载作用的工况验算。
2.3设计应注意采取的构造措施。1)尽管砌筑砂浆强度、构造柱和圈梁设置、墙体拉结筋在按规范规定计算高厚比时所起作用有限,设计时仍应加强这些措施的设置,如圈梁和构造柱的配筋率,以提高围护墙体的延性;2)为避免围护墙体自身的沉降对刚架柱的轴力产生过大影响,施工时必须后浇构造柱和刚柱的连接部位;且当砌体墙直接落到地梁上时,地梁设计除满足承载力要求外,尚应注意控制竖向挠变;3)砌体围护墙底部1/3的拉结筋应通长设置并沿竖向加密设置,条件允许时两侧抹灰层内加设互相拉结的钢筋网;4)砌体墙上的门窗开洞方式和大小要符合计算假定,保证传力简单可靠;5)为减小墙体纵向刚度和连续破坏,要尽量减小护墙的结构缝(兼温度缝)间距,建议取2~4倍柱网距离。
3连接设计
砌体围护墙和轻型刚架的连接方式不同,组合的整体结构则表现出不同的受力、变形和破坏特征。刚架和砌体围护墙之间的连接,包括刚性连接,柔性连接和无连接,设计时采用哪种连接方式需要根据厂房的功能要求、所选围护材料类型等来确定。按照抗规9.2.6条和13.3.6条的规定,单层厂房的砌体围护墙应与刚架柱贴砌、并与柱有拉结,尚应采取措施使墙体不妨碍厂房柱列沿纵向的水平位移。需要指出的是,实际上对轻型门式刚架,即便与外包墙体紧密拉结,对墙体稳定起到的作用也有限;而且规定的说法似乎相互矛盾,紧贴会影响两者的纵向相对变形,且轻型刚架很可能会顶撞或拉拽墙体的要求,不一定合理。结合前面分析,在保证外包墙体稳定的前提下,对一般厂房可采取横向刚接、纵向刚接或柔性连接的方法;对于有轻型吊车或设防烈度较高的厂房,其纵向必须采用柔性连接的方式,而横向则考虑“半刚性连接”(即正常情况下不影响使用,极端情况下起到等效拉结帮扶作用),可考虑在紧密拉结的同时两者脱开<10mm结构缝的方式。文献[2]提供了几种纵向柔性连接方式。作者在某轻型吊车厂房工程设计中,结合实际情况,采用了现场随焊随砌随连接的半开口双套筒的柔性连接方式,拉筋在双套筒中间后焊,如图1所示。工程目前已竣工运行一年,未发现外包围护墙体开裂等问题。
4轻型门式刚架的设计
按照以上砌体围护墙和连接设计的轻型门式刚架,除按照CECS102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的要求设计外,尚需注意一下问题:1)横向地震作用验算时应计入外包墙体的全部自重。护墙对刚架刚度的影响钢柱可根据具体的连接方式,可按横向、纵向两个方向的情况分别考虑。虽然纵向采用柔性连接,设计时亦应重视厂房的纵向抗震计算,尽量提高厂房纵向的刚度。2)由于自承重墙的刚度及支承方式与压型钢板护墙不同,很大一部分风荷载直接传给了基础。自承重墙横向刚度越大,围护墙体传递到基础的比例越多。究竟有多少比例的风荷载传到主刚架,尚需要进一步调研分析。
5结论
1)外包砌体围护墙轻型门式刚架结构设计应从砌体围护墙、轻型刚架、相互连接节点三个紧密关联方面综合考虑,按照合理的破坏方式选用连接方式,并进行相应的计算和采取构造措施。2)轻型刚架不能作为墙体的侧向刚性支承,护墙体应按顶端自由的自承重墙计算高厚比和稳定,偏心距可作为墙体稳定和轻型刚架结构柱顶横向位移控制限值,烧结砖砌体取0.042h/H,加气混凝土砌体为0.036h/H(h为截面高度,H为外包砌体围护墙高度)。3)给出一种工程实用的半开口特制双套筒的纵向柔性连接方法。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范:GB50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.
[2]周庆林,石晶.轮胎厂轻钢厂房砌体维护墙(隔墙)做法探讨[J].橡胶技术与装备,2013,39(8):55-59.
[3]唐岱新,龚绍熙,周炳章.砌体结构设计规范理解与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4]蒸压加气混凝土建筑应用技术规程:JGJ/T17—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.
作者:高志辉 单位:北方工程设计研究院有限公司