鋼墻梁的設(shè)計及計算

劉 建

(湖北省工業(yè)建筑集團有限公司設(shè)計咨詢分公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

門式剛架輕型房屋具有成本低，建造速度快，構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，常適用于倉庫、工業(yè)廠房等建筑領(lǐng)域[1]。鋼墻梁亦稱為墻檁條，它作為門式剛架墻面系統(tǒng)的重要圍護構(gòu)件，承受墻體自重等豎向荷載和水平風(fēng)荷載，是一種雙向受彎構(gòu)件，當(dāng)采用壓型鋼板等自承重墻時可不考慮墻體豎向荷載。在實際工作中，部分設(shè)計人員過度依賴相關(guān)設(shè)計軟件，對墻梁的計算方法、計算時的基本假設(shè)尚未弄清，導(dǎo)致設(shè)計的墻梁構(gòu)件鋼材用量偏大或承載力不足。

1 鋼墻梁的選型及布置

1.1 鋼墻梁的選型

墻梁的截面形式可根據(jù)其跨度選擇單角鋼、槽鋼、C型鋼、H型鋼。當(dāng)豎向荷載較大時，可采用兩個C型鋼與撐桿形成組合墻梁，豎向荷載通過拉條傳遞給組合墻梁，組合墻梁再傳遞給墻架柱，而水平風(fēng)荷載直接通過墻梁傳遞給墻架柱。

根據(jù)各種墻梁的截面特性及鋼材的用量，工程中，對于一般的墻梁，水平風(fēng)荷載是主要荷載，宜采用平放的C型鋼；當(dāng)跨度大于6 m且風(fēng)荷載較大時，可采用平放的高頻焊H型鋼。

1.2 鋼墻梁的布置

墻梁布置的間距應(yīng)根據(jù)其跨度、風(fēng)荷載大小及墻面板類型等因素計算確定，結(jié)合工程經(jīng)驗，一般不大于1.5 m。墻梁可以設(shè)計成單跨簡支梁或雙跨連續(xù)梁，考慮到墻梁的連續(xù)接點施工不便，簡支墻梁是工程中常用的連接方式。C型鋼槽口可向上或向下，槽口向上時與柱的連接較為方便，但容易積灰、積水，長時間潮濕的積灰會引起墻梁的銹蝕，故除門窗洞口上部的墻梁槽口向上外，其余的墻梁均宜槽口向下。

2 拉條的作用及布置

2.1 拉條的作用

墻梁拉條的作用與檁條拉條有不同之處。當(dāng)墻板為自承重時，墻梁拉條與檁條拉條作用一樣，起到側(cè)向支撐的作用，減少墻梁或檁條計算整體穩(wěn)定性時受壓翼緣的自由長度；當(dāng)墻板為非自承重時，拉條不但有側(cè)向支撐的作用，還有將墻面板的豎向荷載通過斜拉條傳遞到墻架柱上的作用，斜拉條一般在檐口處及窗洞下設(shè)置，當(dāng)廠房高度較大時，用拉條懸吊的橫梁數(shù)超過5根時，應(yīng)在中間加設(shè)斜拉條將豎向荷載分段傳到墻架柱上。設(shè)置斜拉條的墻梁之間應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的撐桿，以組成幾何不變體系的桁架墻梁，撐桿一般由直拉條外加鋼套管D32×2.5組成。

2.2 拉條的布置

當(dāng)墻梁跨度L=4 m～6 m時，可在跨中設(shè)置一道拉條；跨度L>6 m時，在墻梁三分點處設(shè)置兩道拉條。拉條一般采用直徑d=12 mm的圓鋼制作，當(dāng)豎向荷載較大時，應(yīng)按照軸心受拉構(gòu)件計算確定[2]。

當(dāng)墻板為自承重時，拉條不承擔(dān)墻面的豎向荷載，拉條起到約束受壓翼緣的側(cè)向位移的作用，設(shè)置拉條與否，應(yīng)計算墻梁的整體穩(wěn)定性確定。風(fēng)壓力工況下，墻梁外側(cè)翼緣受壓，應(yīng)將拉條布置在墻梁靠近外翼緣側(cè)；風(fēng)吸力工況下，墻梁內(nèi)側(cè)翼緣受壓，應(yīng)將拉條布置在墻梁靠近內(nèi)翼緣側(cè)，內(nèi)側(cè)拉條應(yīng)在最下部兩個墻梁間設(shè)置斜拉條及撐桿，組成下部桁架墻梁以保證內(nèi)側(cè)拉條拉緊。

當(dāng)墻板為非承重時，應(yīng)將拉條設(shè)置在靠近墻梁外翼緣側(cè)，此時拉條還有承擔(dān)豎向的墻板自重的作用。內(nèi)側(cè)拉條設(shè)置與否，應(yīng)在風(fēng)吸力工況下計算墻梁的整體穩(wěn)定性確定。若需要設(shè)置內(nèi)側(cè)拉條，設(shè)置方法同墻板為自承重時內(nèi)側(cè)拉條的設(shè)置方法。

2.3 關(guān)于構(gòu)造能否起到阻止墻梁側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)的作用

據(jù)有關(guān)文獻，屋面板每個或隔一個肋與檁條用自攻螺釘連接，且間距不大于300 mm或兩個肋寬時，可認(rèn)為屋面板能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)；采用扣合式屋面板，不能作為檁條的側(cè)向支撐[3]。墻梁的設(shè)計可參照此原則，當(dāng)墻面板采用壓型鋼板時，一般均采用自攻螺釘連接，能阻止墻梁外翼緣側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)；不設(shè)內(nèi)襯板時，則不能保證墻梁的內(nèi)翼緣側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)，設(shè)內(nèi)襯板且采用自攻螺釘連接時，可以阻止墻梁內(nèi)翼緣側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)。

3 簡支墻梁的計算方法

墻梁是受彎構(gòu)件，按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，應(yīng)進行強度、整體穩(wěn)定性及撓度驗算。

3.1 強度計算

按照GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[4]9.4.4。

(1)

(2)

(3)

其中，Mx,My分別為水平荷載和豎向荷載產(chǎn)生的彎矩設(shè)計值,N·mm，下標(biāo)x和y分別為墻梁的豎向軸x和y水平軸，當(dāng)墻板底部端頭自承重時，My=0；Vx,max,Vy,max分別為豎向荷載和水平荷載產(chǎn)生的剪力設(shè)計值,N，當(dāng)墻板底部端頭自承重時，Vx,max=0；Wenx,Weny分別為繞豎向軸x和y水平軸的有效凈截面模量,mm3；b0,h0分別為墻梁在豎向和水平方向的計算高度,mm，取板件彎折處兩圓弧起點之間的距離；t為墻梁壁厚,mm；f為鋼材抗彎強度設(shè)計值,N/mm2；fv為鋼材抗剪強度設(shè)計值,N/mm2。

3.2 整體穩(wěn)定性計算

按照GB 50018—2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[5]8.3.2及5.3.3:

(4)

其中，φbx為受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)按GB 50018—2002附錄A計算；Wex為對截面主軸x的受壓邊緣的有效截面模量。

3.3 撓度計算

4 計算實例

一輕型門式剛架墻梁，墻梁跨度9 m，間距1.5 m，采用單層壓型鋼板墻(非自承重墻)，墻板與墻梁用自攻螺釘連接，墻體荷載自重標(biāo)準(zhǔn)值0.1 kN/m2，墻梁采用C220×75×20×2，自重標(biāo)準(zhǔn)值0.06 kN/m，Q345鋼，口朝下布置，在跨度的3分點設(shè)置內(nèi)外側(cè)雙層拉條，外側(cè)拉條承擔(dān)墻體的自重，內(nèi)側(cè)墻梁約束墻梁內(nèi)翼緣。水平風(fēng)荷載壓力及吸力標(biāo)準(zhǔn)值0.4 kN/m2，試驗算該墻梁是否滿足規(guī)范要求。

驗算：

1)墻梁截面特性：

Wenx=5.22×104mm3;

Weny上=2.74×104mm3；Weny下=1.05×104mm3；

Ix=5.74×106mm3;Iy=5.69×105mm3;E=2.06×105N/mm2。

2)荷載計算：

水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：qky=1.5×0.4=0.6 kN/m,設(shè)計值：qy=1.5×qky=1.5×0.6=0.9 kN/m；

豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值：qkx=1.5×0.1+0.06=0.21 kN/m，設(shè)計值：qx=1.3×qkx=1.3×0.21=0.27 kN/m；

由靜力計算手冊計算墻梁跨中彎矩：

Mx=0.125qyl2=0.125×0.9×92=9.11 kN·m。

Vy,max=0.5qyl=0.5×1.35×9=6.08 kN。

3)強度驗算：

按式(1)：

按式(2)：

按式(3)：

強度驗算滿足要求。

4)穩(wěn)定驗算：

由GB 50018—2002附錄A計算得，φbx=0.828，按式(4)：

穩(wěn)定驗算滿足要求。

5)撓度驗算：

水平風(fēng)荷載下?lián)隙龋?/p>

由靜力計算手冊，豎向荷載下最大撓度：

撓度驗算滿足要求。

5 結(jié)語

介紹了鋼墻梁的選型及布置，拉條及撐桿的布置，對構(gòu)造是否能起到阻止墻梁側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)的作用做出了詳細(xì)的闡述。墻梁設(shè)計應(yīng)驗算其強度、整體穩(wěn)定性及撓度。其中整體穩(wěn)定性驗算有風(fēng)壓力及風(fēng)吸力兩種工況，當(dāng)外側(cè)單側(cè)掛板且能阻止外翼緣側(cè)向失穩(wěn)時，可不驗算風(fēng)壓力工況下的整體失穩(wěn)；當(dāng)墻梁內(nèi)外側(cè)均掛板且能阻止內(nèi)外翼緣側(cè)向失穩(wěn)時，可不驗算墻梁的整體穩(wěn)定性。墻梁整體穩(wěn)定性計算時，受壓翼緣的自由長度可取約束該翼緣拉條之間的距離。