厂房钢墙梁设计

摘要：钢墙梁用于轻型围护墙的墙架结构中，承受墙体自重等竖向荷载和水平风荷载，是围护结构的主要受力构件。为准确把握墙梁设计要点，本文以某工程拼装车间墙梁设计为依托，进行了以下工作：①总结了墙梁常用的截面形式，分析了拉条、撑杆和墙板对墙梁强度和稳定性的影响，在此基础上论述了拉条和撑杆的布置原则。②总结了墙梁的计算方法和风荷载取值的注意事项。③对某工程拼装车间墙梁的风荷载和竖向荷载进行了计算，验算了山墙墙梁的稳定性。通过以上工作，较为全面地把握了墙梁的受力性能和设计要点，对墙梁设计具有一定的指导意义。

关键字：钢墙梁；拉条；撑杆；墙板；风荷载取值

中图分类号：TU3文献标识码：A

1.概述

钢墙梁通常用于轻型围护墙的墙架结构中（本文所指的“墙梁”均为钢墙梁），主要承受墙体自重等竖向荷载和水平风荷载。它与墙架柱或厂房柱、拉条、撑杆和墙板共同形成了厂房的围护结构。

某工程拼装车间为跨度45.6m的门式刚架，长度120m、檐口标高37m，柱距12m。车间采用整体式墙架，钢柱兼做墙架柱，钢柱间距即墙梁跨度为12m。

此拼装车间要求山墙便于反复拆卸和重装以满足工艺要求。本文首先论述了墙梁的受力性能和设计要点，进而介绍了此拼装车间墙梁设计情况。

2.墙梁截面形式

墙梁常用的截面形式如图2-1所示，当墙梁跨度不大于6m时，通常采用带卷边的冷弯薄壁卷边槽钢（C形钢）或冷弯薄壁卷边钢（Z形钢）。跨度大于6m时，宜采用高频焊接薄壁H型钢或热轧型钢。

图2-1 墙梁的截面形式

冷弯薄壁C形钢和Z形钢墙梁属于开口薄壁构件，其强度和稳定性计算应符合《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）[1]的有关规定。

大多数高频焊接H型钢[2]和所有热轧H型钢截面尺寸均应满足《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）（以下简称钢结构设计规范）[3]规定的构件不发生局部屈曲的构造要求，即：

(1)

(2)

应按钢结构设计规范进行设计。

3.墙梁受力性能和计算要点

3.1围护墙构件传力路径

风荷载作用于内外墙板，传至墙梁，最后通过支托传给墙架柱或厂房柱；竖向荷载直接传至墙梁，墙梁将其传至直拉条和支托，直拉条将其传至斜拉条，斜拉条和支托最终将竖向荷载传至墙架柱或厂房柱。由以上传力路径可知，墙梁为双向受弯构件，承受水平风荷载和竖向荷载作用。

3.2墙梁受力性能及计算

3.2.1 拉条、撑杆和墙板对墙梁稳定性的影响

墙板若具有足够的刚度（如压型钢板），且在构造上与墙梁翼缘牢固连接（采用自攻螺钉等），则能阻止墙梁受压翼缘的侧向位移，使墙梁不会整体失稳，不必验算梁的整体稳定性。墙梁外侧有可靠连接的墙板时，仅需验算风吸力作用下的墙梁整体稳定性；围护墙内外两侧均有这种连接可靠的墙板时，则不必验算墙梁整体稳定性。

靠近墙梁受压翼缘布置的拉条和撑杆，若在构造上能限制墙梁翼缘的竖向（包括向上和向下）位移，则可以视为风荷载作用下墙梁绕强轴弯曲的跨中侧向支承点，有利于墙梁的整体稳定性。图3.2.1-1是拉条对墙梁翼缘位移有限制作用和无限制作用的墙梁布置示例。

（a）有限制作用 （b）无限制作用

图3.2.1-1 拉条对墙梁翼缘的限制作用

3.2.2 拉条、撑杆对墙梁强度的影响

拉条和撑杆可作为竖向荷载的支承点，为此构造上拉条和撑杆应尽量靠近墙板设置；当内外均有可靠连接的墙板时，拉条和撑杆宜移至截面中心。拉条均应张紧，施工时应加设临时支撑，以控制墙梁初始挠度，保证拉条和撑杆能起到竖向支承作用，满足墙梁在竖向荷载作用下按连续梁计算竖向内力的受力模型。

3.2.3 拉条和撑杆布置

由3.2.1和3.2.2所述，拉条和撑杆的作用是传递竖向荷载，并在墙板不能限制墙梁发生侧扭屈曲时，作为墙梁跨中侧向支承点，考虑其对墙梁整体稳定性的有利作用。

为此，拉条、撑杆的布置和计算还应符合下列要求：

⑴拉条和撑杆应尽量靠近墙梁翼缘设置，以尽量发挥传递竖向荷载和起到侧向支承点的作用；当内外均有可靠连接的墙板，且墙板为轻型板材时，拉条和撑杆可仅设置一层，且宜移至截面中心。

⑵斜拉条与直撑杆应在檐口处及窗洞下设置。斜拉条在墙梁端部应直接与墙架柱或厂房柱连接，也可与支托连接。

⑶墙梁跨度为4.5m~6.0m时，在跨中设置一道直拉条；6.5~12.0m时，在跨间三分点处各设置一道直拉条。当墙梁跨度或竖向荷载较大时，拉条、撑杆也可在跨间四分点处各设置一道，同时应增加撑杆数目，并在两道墙梁间布置斜拉条，图3.2.3-1为跨间四分点处各设置一道拉条或撑杆的布置示例。

图3.2.3-1墙梁跨间四分点处各设置一道拉条或撑杆的示例

⑷拉条和撑杆计算：拉条和撑杆作为竖向荷载的支承，其内力为连续梁支座反力。拉条和撑杆分别为轴心受拉和轴心受压构件。

3.2.4 墙梁计算

⑴ 强度计算

墙梁按双向受弯构件计算，强度计算公式如下：

f ――钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值；对Q235冷弯薄壁型钢按冷弯薄壁型钢规范取205N/mm2；对高频焊接薄壁H型钢及其他轧制型钢按钢结构设计规范取值为215N/mm2。

――对截面主轴x轴和y轴的基本组合设计弯矩值。

――截面塑性发展系数；对冷弯薄壁型钢，取；对高频焊接H型钢、；其他钢材按钢结构设计规范表5.2.1取值。

――对截面主轴x轴和y轴的有效净截面模量。对高频焊接H型钢及其他轧制型钢采用净截面模量。

⑵ 稳定性计算

当墙板不能阻止墙梁侧向位移和扭转时，应验算墙梁的整体稳定性：

――绕x轴（强轴）的梁整体稳定系数。

――截面塑性发展系数；对冷弯薄壁型钢，取；对高频焊接H型钢 。其他钢材可参照钢结构设计规范取值。

――对截面主轴x轴和y轴的有效截面模量。对高频焊接H型钢及其他轧制型钢采用毛截面模量。

⑶ 挠度计算

取风荷载标准值效应，按结构力学方法计算墙梁挠度，不应大于l/200。

荷载取值

本文讨论风荷载计算的注意事项。需要指出的是，结构风工程是一门复杂的学科，本文仅从一名设计人员的角度，介绍按有关规范计算风荷载时应注意的事项。

4.1按“门刚规程”计算风荷载注意事项

不同的工程应按不同的设计规范 (规程)进行风荷载计算。对于门式刚架轻型房屋，风荷载应按《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）[5]附录A计算。门式刚架规程附录A的风荷载计算方法要求门式钢架屋面坡度α不大于10°、屋面平均高度不大于18m、房屋高宽比不大于1且檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸。

按附录A计算时应注意中间区和边缘带的不同取值，图4.1-1为门式刚架围护结构风载体型系数分区图，相应的体型系数取值见规范表A.0.2-3。此外，还应注意在风荷载计算时应将基本风压值提高5%。

图4.1-1 门式刚架围护结构风载体型系数分区

对不满足上述要求的墙梁，应按《建筑结构荷载规范》 (GB 50009 -2012)（以下简称荷载规范）[6]的有关规定计算。

4.2按“荷载规范”计算风荷载注意事项

按荷载规范计算墙梁风荷载时，应注意以下内容：①按2012版荷载规范的要求，所有围护结构构件，均必须考虑阵风系数。根据荷载规范表8.6.1，建筑高度不超过40m时，阵风系数取值在1.51~2.40之间，围护构件的风荷载取值较以往有很大提高。②墙梁的体型系数μs可参照荷载规范8.3.3和8.3.5条的局部体型系数μsl取值，8.3.3条规定的体型系数是墙外表面的体型系数，应同时按规范8.3.5条考虑建筑物内部的局部体型系数，并根据外表面的体型系数符号取不利值。③风压高度变化系数μz的修正。远海海面和海岛建筑物以及陆上非平坦地面的风压高度变化系数应按规范相关条文调整。④准确把握“封闭式房屋”的概念。根据8.3.5及其条文解释，8.3.3和8.3.5中所提及的封闭式房屋，指的是主导洞口开洞率小于0.02的建筑，所谓主导洞口，则指开洞面积较大且大风期间也不关闭的洞口。⑤根据8.3.4条及其条文解释，计算不直接承受风荷载的围护构件（如檩条、幕墙骨架）风荷载时，若构件的从属面积大于1m2，可按构件的从属面积大小对局部体型系数进行折减。

5工程实例

5.1工程概况

某工程拼装车间纵墙和山墙墙梁最大跨度均为12m。纵墙墙梁内外均设置压型钢板墙板，采用阻止墙梁受压翼缘侧向位移的构造措施，保证墙梁整体稳定性；墙梁设单层拉条和撑杆，仅用于传递竖向荷载。因此纵墙墙梁受力条件较好，仅需计算强度和挠度，经计算，本工程选用350×175×4.5×6.0高频焊接H型钢墙梁。

山墙墙梁要求反复拆卸和重装，本工程采用以下措施来满足这一要求。①山墙内侧不设墙板、拉条和撑杆，尽量减少了构件数量和节点数目，直接减少了拆卸和安装的工作量。②选用热轧H型钢墙梁，截面特性和壁厚均较大，反复拆卸和安装期间不易损坏。同时，较高的截面特性能克服内侧不设墙板、拉条和撑杆带来的不利因素。③由于采用热轧型钢，用钢量较大，本工程根据墙梁所处高度不同，采用两种截面形式以体现其合理性。标高15m以下采用350×175×7×11热轧H型钢墙梁，标高15m以上采用HN400×200×8×13热轧H型钢墙梁。

由以上情况可知，山墙受力状态不利。本文以标高15m以上山墙为例，荷载取值和稳定性计算如下：

5.2山墙风荷载计算

5.2.1不考虑山墙开启的封闭式建筑山墙墙梁风载计算

地面粗糙度A类，基本风压

风荷载标准值：

阵风系数按荷载规范8.6.1取值为1.51。

墙梁从属面积18m2，最大风载局部体型系数按荷载规范第8.3.3~8.3.5条取值为1.313。

风压高度变化系数按荷载规范8.2.1取值为1.754

则

墙梁风线荷载标准值：

墙梁风线荷载设计值：

5.2.2考虑山墙开启的单面开敞建筑另一侧山墙墙梁风载计算

地面粗糙度A类，基本风压

风荷载标准值：

阵风系数按荷载规范8.6.1取值为1.51。

墙梁从属面积18m2，最大风载局部体型系数按荷载规范第8.3.3~8.3.5条取值为1.334（首先参照荷载规范42页单面开敞双坡屋面体型系数及8.3.3条，墙外表面体型系数为1.25×1.3=1.625，再根据8.3.5条，内墙表面体型系数应按开放式建筑物取值为0（8.3.1第42页），则折减前的体型系数应取1.625，按8.3.4条折减后为1.334）。

风压高度变化系数按荷载规范8.2.1取值为1.754

则

墙梁风线荷载标准值：

墙梁风线荷载设计值：

5.3山墙竖向荷载计算

山墙单侧挂板，其竖向荷载计算过程如下：外层压型钢板为0.6mm厚热镀锌钢板YX28-205-820(图集06J925-2第97页)，对于1.5m高墙板，自重标准值：。

芯材为80厚岩棉，体积密度：120kg/m3。对于1.5m高墙板，自重标准值：。

HN400x200热轧型钢墙梁及拉条（微小，忽略不计）自重标准值：则竖向荷载设计值为：

5.吸力作用下山墙墙梁稳定性计算

如前所述，山墙墙梁内侧无压型钢板、拉条和撑杆，风吸力作用下整体稳定性计算无任何有利因素。其整体稳定性计算对其截面选取起决定作用。标高15m以上山墙墙梁稳定性计算如下：

竖向荷载按1.0计算，竖向弯矩设计值按三跨连续梁计算，。

梁的整体稳定系数按钢结构设计规范附录B计算。山墙为便于拆卸，内侧不设拉条、撑杆和墙板，墙梁受压翼缘自由长度l1为墙梁跨度，取12m。

各项参数意义见钢结构设计规范，对每个参数取值代入上式：

风吸力产生的水平荷载

，满足要求。

6结论

本文结合工程实例对墙梁受力性能和风荷载取值进行了论述，主要结论有：

⑴墙梁为双向受弯构件，拉条、撑杆和墙板对墙梁受力具有重要影响。设计人员应合理布置拉条、撑杆和墙板，充分发挥它们对墙梁的有利作用。

⑵墙梁设计中，风荷载的取值注意事项较多，应准确把握。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.GB 50018-2002. 冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].北京:中国计划出版社,2002.

[2] 钢结构设计手册编委会.钢结构设计手册（上册）（第三版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] 中华人民共和国国家标准.GB 50017-2003. 钢结构设计规范[S].北京:中国计划出社,2003.

[4] 刘迎春等.《钢檩条、钢墙梁》（SG521-1~4）图集介绍[J].建筑结构,2007,37(11): 92-95

[5] 中华人民共和国行业标准.CECS 102：2002. 门式钢架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2003.

[6] 中华人民共和国国家标准.GB 50009-2012. 建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.