西安市某工业厂房, 其抗震设防烈度为8度, 主体结构类型为门式钢架+钢框架结构, 建筑主体高度 (至大屋面) 为11.35m。主体结构分为两部分:南侧为一层单跨装配车间, 跨度为27m, 结构形式为门式钢架, 设有两台5t吊车;北侧为二层库房及办公室等, 结构形式为钢框架结构。钢柱采用Q345B级焊接H型钢, 截面为H600×300×12×16, H500×300×12×18, H400×350×14×16, H300×200×6×12四种;楼板板厚150mm, 采用Q235B级压型钢板及C30混凝土组合楼板, 厂房建筑平面图如图1所示, 剖面图如图2所示, 柱网平面图如图3所示。围护结构采用非承重粘土空心砖, 墙体厚度200mm, M7.5混合砂浆砌筑。外围护墙体窗洞宽度均为2.1m, 山墙大门宽度为6m。围护墙体采用外贴钢柱砌筑, 设计要求墙体沿高度方向每隔4m设置一道钢筋混凝土圈梁, 围护墙体门窗洞两侧均设置钢筋混凝土构造柱, 在窗洞处构造柱间距为2.3m, 圈梁和构造柱截面均为200mm×200mm, 采用C25混凝土浇筑。本工程在纵墙上设有伸缩缝, 缝宽70mm。

　　 本工程在施工阶段主体验收时, 发现存在以下问题。

　　 由于在结构施工图中, 单层装配车间和二层库房及办公室位于山墙的钢柱尺寸及布置方向不一致, 如图4所示;而在建筑施工图中山墙的钢柱位于同一轴线 (①轴) , 这就造成山墙在办公室部分可紧贴钢柱 (Ⓓ轴) , 但在装配车间部分山墙却与钢柱 (Ⓐ轴、Ⓑ轴) 之间存在缝隙, 钢柱GZ-2与围护墙间缝隙为25mm, 如图4 (b) 所示;最大缝隙为抗风钢柱KFZ与围护墙之间的缝隙, 缝隙宽度达50mm, 如图4 (c) 所示。

　　 在装配车间部分的山墙不仅砌筑的高度高且缺少抗风钢柱的侧向支撑, 再加上空心粘土砖墙的厚度只有200mm, 这样极大地降低了墙体的稳定性;同时在山墙处开有起到疏散作用的大门, 如果不采取加固预防措施, 不仅地震发生时会造成墙体倒塌, 而且在平时吊车产生的振动作用下或风荷载作用下也有可能使围护墙体出现安全问题^[1]。

　　 本工程在Ⓐ轴纵墙上设置了伸缩缝 (图5) 。但伸缩缝的位置未留在钢柱处而是留在钢柱之间, 虽然在伸缩缝两侧墙体端部设置了构造柱, 但这样仍造成伸缩缝处的墙体端部缺少钢柱的侧向支撑, 从而使该墙体的平面外稳定性较差。

　　 本工程在结构设计中仅考虑了设置后砌围护墙与钢柱的拉结筋, 而围护墙体中的构造柱未设置在钢柱处, 钢柱未预留拉结筋与圈梁及构造柱进行拉结, 从而使得整个围护墙体的平面外得不到钢柱的有效支撑, 造成墙体平面外稳定性不足。

　　 在本工程建筑施工图的建筑总说明中, 虽然也提到了围护墙的圈梁是沿高度方向每隔4m设置一道, 但由于本工程设有较高的门窗, 且部分门窗不在同一标高, 这就造成圈梁不闭合, 甲方与施工方未经设计方认可, 擅自变更减少了圈梁数量, 致使圈梁无法贯通且局部未达到4m设置一道圈梁。

　　 本工程围护墙体采用厚为200mm的非承重粘土空心砖, 墙体厚度小而墙高较高且缺乏水平方向的支撑。

　　 采用《砌体结构设计规范》 (GB 50003—2011) ^[2] (简称砌体规范) 中公式对墙体高厚比进行验算, 公式如下:

　　 $\beta =\frac{{\rm H}{}_0}{h}\le \mu {}_1\mu {}_2[\beta ](1)$

　　 式中:H₀为墙、柱的计算高度;h为墙厚或矩形柱与H₀相对应的边长;μ₁为自承重墙允许高厚比的修正系数;μ₂为有门窗洞口墙允许高厚比的修正系数;[β]为墙、柱的允许高厚比。

　　 根据砌体规范, 厚度240mm的自承重墙, μ₁取1.2;厚度为90mm的自承重墙, μ₁取1.5。本工程墙厚为200mm, 按照线性插值, 可得μ₁=1.28。

　　 由于本工程为带构造柱墙, 根据砌体规范第6.1.2条, 当构造柱截面宽度不小于墙厚时, 墙的允许高厚比[β]可乘以修正系数μ_c, μ_c可按下式计算:

　　 $\mu {}_{\text{c}}=1+\gamma \frac{b{}_{\text{c}}}{l}(2)$

　　 式中:γ为系数, 对于粘土空心砖, γ=1.5;b_c为构造柱沿墙长方向的宽度, m;l为构造柱的间距, m。

　　 在本工程中, γ=1.5, b_c=0.2m, l=2.3m, 计算可得μ_c=1.13。

　　 有门窗洞口的墙允许高厚比修正系数μ₂应符合下式要求:

　　 $\mu {}_2=1-0.4\frac{b{}_{\text{s}}}{s}(3)$

　　 式中:b_s为在宽度s范围内的门窗洞口总宽度;s为相邻横墙或壁柱之间的距离。

　　 对于山墙, 因围护墙未与抗风柱相连, 壁柱间的距离取Ⓐ轴与Ⓑ轴之间的距离, 即s=27.4m, 该范围内门窗洞口的宽度b_s=2.1×4+6=14.4m, 而$\mu {}_2=1-0.4\frac{b{}_{\text{s}}}{s}=1-0.4\times \frac{14.4}{27.4}=0.79$。

　　 经查砌体规范第6.1.1条, 可得[β]=26。修正后的允许高厚比为μ_c[β]=1.13×26=29.38。

　　 则山墙高厚比:

　　 $\begin{array}{c}\beta =\frac{{\rm H}{}_0}{h}=\frac{6.7}{0.2}=33.5\hfill \\ >\mu {}_1\mu {}_2\mu {}_{\text{c}}[\beta ]=1.28\times 0.79\times 29.38=29.71\hfill \end{array}$

　　 计算时H₀值取为存在较高窗户且未设置圈梁或圈梁亦无法贯通的墙体高度, H₀=6.7m。

　　 经过上述验算可知, 墙体的高厚比过大, 超过规范规定的限值, 应采取加固措施。

　　 由于钢柱没有延伸到屋面, 而女儿墙高度较高, 达到1.8m, 如图6所示。在没有侧向支撑的情况下, 女儿墙可能出现平面外失稳情况。

　　 厂房北侧部分为二层, 其外纵墙 (Ⓓ轴) 贴钢柱外皮砌筑, 墙体高度较大且缺乏平面外的支撑或拉结, 稳定性不足。

　　 针对本工程中围护墙结构存在的缺陷, 在不影响原有结构的前提下进行加固设计, 重点是保证墙体平面外的稳定, 增加墙体与钢柱、楼板的连接, 对墙体提供有效的侧向支撑。

　　 在山墙与抗风钢柱之间缝隙 (最大缝隙宽度为50mm) 以及角部钢柱与纵墙之间缝隙 (缝隙宽度为25mm) 处采用C30细石微膨胀混凝土浇筑, 如图7所示。使得墙体与钢柱形成一个整体, 这样就有效地解决了由于山墙缺乏侧向支撑而导致稳定性不足的问题^[3]。

　　 具体施工方法如下:由于缝隙宽度小, 在支模时每次支模高度不宜超过2.5m, 每次送料高度不超过50cm, 用钢筋棍在模板周边敲打或在缝隙处用钢筋棍人工捣实, 直至混凝土密实, 然后再进行送料直至浇筑完毕。浇筑时应缓慢浇筑, 浇筑完毕后浇水湿润养护至少7d。

　　 山墙及南纵墙钢柱间分别在标高4.5m及屋架梁根部梁底处设置两道钢板圈梁, 具体做法为:墙体两侧各增加一道200×6钢板, 山墙处内外钢板通长布置;南纵墙外侧钢板通长布置分段焊接在一起, 南纵墙内侧钢板在钢柱处与钢柱外翼缘板焊接, 并用2个M10螺栓穿墙连接, 螺栓水平间距不大于1m, 在钢板与钢柱交接处采用2个M14螺栓连接。东、西山墙除上述位置增加两道钢板外, 在钢柱牛腿顶面标高处增加一道200×6钢板, 此钢板通长布置。山墙及南纵墙钢板圈梁加固详图见图8。

　　 对于伸缩缝处墙体, 在标高4.5m及屋架梁根部梁底处, 采用两道截面为200×300×6的矩形管 梁 (Q235B) , 将其与钢柱进行焊接连接, 并用螺栓穿过墙体后固定在292×6通长钢板 (Q235B) 上;从而对伸缩缝处的墙体提供侧向支撑, 限制墙体平面外的变形。但允许此墙体因热胀冷缩而产生纵向变形^[3]。详细做法如图9所示。

　　 在山墙及外纵墙原有钢筋混凝土圈梁与钢柱交接处采用两根U型M10螺栓将原有圈梁与钢柱进行拉结, 使钢柱给墙体提供一个有效侧向支撑, 从而增加墙体稳定性, 详细做法如图10所示。

　　 在山墙及外纵墙与钢柱交接处采用L型穿墙螺栓连接, 在墙体外侧采用螺栓固定竖直通长钢板, 当水平钢板圈梁与竖直钢板相交时, 水平钢板贯通, 竖直钢板与水平钢板平齐对接焊接。竖直钢板起始标高为±0.000, 详细做法如图11所示。由于山墙较高, 为了保证山墙的稳定性, 增加山墙与边榀钢架的连接, 把边榀门式钢架作为山墙的一个侧向支撑, 具体做法如图12所示。

　　 对于北侧外纵墙, 将墙体内每个构造柱通过化学螺栓用角钢与楼板连接, 使水平楼板作为外纵墙的侧向支撑, 具体做法如图13所示。

　　 在钢柱顶部增设钢格构柱, 并使钢格构柱与女儿墙有效连接, 在钢格构柱内用C30细石微膨胀混凝土浇筑, 钢格构柱可为女儿墙提供有效的支撑。女儿墙与钢格构柱连接做法与图11相同。

　　 此时, 最不利墙体位置为山墙大门处, 大门宽度b_s=6m, 大门高度4.5m, 两个抗风柱之间的距离为$s=8.966\text{m},\mu {}_2=1-0.4\frac{b{}_{\text{s}}}{s}=1-0.4\times \frac{6}{8.966}=0.732$, 根据2.5节计算μ₁=1.28, μ_c[β]=29.38。

　　 H₀取基础梁顶面至大门上圈梁之间的距离, 基础梁顶面标高为-0.35m, 即H₀=4.85m。

　　 则山墙高厚比为:

　　 $\begin{array}{c}\beta =\frac{{\rm H}{}_0}{h}=\frac{4.85}{0.2}=24.25\hfill \\ <\mu {}_1\mu {}_2\mu {}_{\text{c}}[\beta ]=1.28\times 0.732\times 29.38=27.53\hfill \end{array}$

　　 由此可知, 加固后山墙高厚比满足要求。

　　 在工业厂房结构设计时, 必须重视围护墙的设计, 重点加强围护墙体与主体结构的连接^[4,5]。在围护墙体设计时建议要注意以下几点:

　　 (1) 围护墙应由结构工程师进行专项设计。

　　 (2) 围护墙墙体厚度应适当增加, 以满足高厚比要求。

　　 (3) 从稳定性的角度出发, 外纵墙最好嵌砌承重柱布置。但此情况要考虑嵌砌墙体对厂房结构抗震性能的不利影响。

　　 (4) 墙体圈梁应与承重柱及抗风柱通过拉结筋有效连接。

　　 (5) 对于多层部分, 外墙最好设置在下有钢梁的楼板上。

　　 (6) 伸缩缝宜设置在承重柱处。

　　 (7) 对于山墙, 除了加强墙体与抗风柱的连接外, 还应在屋面处使墙体与屋架或门式钢架相连。

　　 (8) 加强女儿墙与结构柱的连接。

　　 本文对某钢结构厂房砌体围护墙缺少侧向支撑、围护墙高厚比过大等安全隐患问题进行了分析并提出了相应加固设计方案, 对今后厂房砌体围护墙的设计提出了建议。