鋼墻梁的設計及計算

劉 建

(湖北省工業建筑集團有限公司設計咨詢分公司，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，構件易于標準化生產，常適用于倉庫、工業廠房等建筑領域[1]。鋼墻梁亦稱為墻檁條，它作為門式剛架墻面系統的重要圍護構件，承受墻體自重等豎向荷載和水平風荷載，是一種雙向受彎構件，當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，部分設計人員過度依賴相關設計軟件，對墻梁的計算方法、計算時的基本假設尚未弄清，導致設計的墻梁構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其跨度選擇單角鋼、槽鋼、C型鋼、H型鋼。當豎向荷載較大時，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，而水平風荷載直接通過墻梁傳遞給墻架柱。

根據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，水平風荷載是主要荷載，宜采用平放的C型鋼；當跨度大于6 m且風荷載較大時，可采用平放的高頻焊H型鋼。

1.2 鋼墻梁的布置

墻梁布置的間距應根據其跨度、風荷載大小及墻面板類型等因素計算確定，結合工程經驗，一般不大于1.5 m。墻梁可以設計成單跨簡支梁或雙跨連續梁，考慮到墻梁的連續接點施工不便，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。當墻板為自承重時，墻梁拉條與檁條拉條作用一樣，起到側向支撐的作用，減少墻梁或檁條計算整體穩定性時受壓翼緣的自由長度；當墻板為非自承重時，拉條不但有側向支撐的作用，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置，當廠房高度較大時，用拉條懸吊的橫梁數超過5根時，應在中間加設斜拉條將豎向荷載分段傳到墻架柱上。設置斜拉條的墻梁之間應設置相應的撐桿，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

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

當墻板為自承重時，拉條不承擔墻面的豎向荷載，拉條起到約束受壓翼緣的側向位移的作用，設置拉條與否，應計算墻梁的整體穩定性確定。風壓力工況下，墻梁外側翼緣受壓，應將拉條布置在墻梁靠近外翼緣側；風吸力工況下，墻梁內側翼緣受壓，應將拉條布置在墻梁靠近內翼緣側，內側拉條應在最下部兩個墻梁間設置斜拉條及撐桿，組成下部桁架墻梁以保證內側拉條拉緊。

當墻板為非承重時，應將拉條設置在靠近墻梁外翼緣側，此時拉條還有承擔豎向的墻板自重的作用。內側拉條設置與否，應在風吸力工況下計算墻梁的整體穩定性確定。若需要設置內側拉條，設置方法同墻板為自承重時內側拉條的設置方法。

2.3 關于構造能否起到阻止墻梁側向失穩和扭轉的作用

據有關文獻，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，可認為屋面板能阻止檁條側向失穩和扭轉；采用扣合式屋面板，不能作為檁條的側向支撐[3]。墻梁的設計可參照此原則，當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向失穩和扭轉；不設內襯板時，則不能保證墻梁的內翼緣側向失穩和扭轉，設內襯板且采用自攻螺釘連接時，可以阻止墻梁內翼緣側向失穩和扭轉。

3 簡支墻梁的計算方法

墻梁是受彎構件，按照鋼結構設計原理，應進行強度、整體穩定性及撓度驗算。

3.1 強度計算

按照GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范[4]9.4.4。

(1)

(2)

(3)

其中，Mx,My分別為水平荷載和豎向荷載產生的彎矩設計值,N·mm，下標x和y分別為墻梁的豎向軸x和y水平軸，當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生的剪力設計值,N，當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為鋼材抗彎強度設計值,N/mm2；fv為鋼材抗剪強度設計值,N/mm2。

3.2 整體穩定性計算

按照GB 50018—2002冷彎薄壁型鋼結構技術規范[5]8.3.2及5.3.3:

(4)

其中，φbx為受彎構件的整體穩定系數，應按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，墻體荷載自重標準值0.1 kN/m2，墻梁采用C220×75×20×2，自重標準值0.06 kN/m，Q345鋼，口朝下布置，在跨度的3分點設置內外側雙層拉條，外側拉條承擔墻體的自重，內側墻梁約束墻梁內翼緣。水平風荷載壓力及吸力標準值0.4 kN/m2，試驗算該墻梁是否滿足規范要求。

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：

水平風荷載標準值：qky=1.5×0.4=0.6 kN/m,設計值：qy=1.5×qky=1.5×0.6=0.9 kN/m；

豎向荷載標準值：qkx=1.5×0.1+0.06=0.21 kN/m，設計值：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)穩定驗算：

由GB 50018—2002附錄A計算得，φbx=0.828，按式(4)：

穩定驗算滿足要求。

5)撓度驗算：

水平風荷載下撓度：

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 結語

介紹了鋼墻梁的選型及布置，拉條及撐桿的布置，對構造是否能起到阻止墻梁側向失穩和扭轉的作用做出了詳細的闡述。墻梁設計應驗算其強度、整體穩定性及撓度。其中整體穩定性驗算有風壓力及風吸力兩種工況，當外側單側掛板且能阻止外翼緣側向失穩時，可不驗算風壓力工況下的整體失穩；當墻梁內外側均掛板且能阻止內外翼緣側向失穩時，可不驗算墻梁的整體穩定性。墻梁整體穩定性計算時，受壓翼緣的自由長度可取約束該翼緣拉條之間的距離。