钢墙梁的设计及计算

刘 建

(湖北省工业建筑集团有限公司设计咨询分公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

门式刚架轻型房屋具有成本低，建造速度快，构件易于标准化生产，常适用于仓库、工业厂房等建筑领域[1]。钢墙梁亦称为墙檩条，它作为门式刚架墙面系统的重要围护构件，承受墙体自重等竖向荷载和水平风荷载，是一种双向受弯构件，当采用压型钢板等自承重墙时可不考虑墙体竖向荷载。在实际工作中，部分设计人员过度依赖相关设计软件，对墙梁的计算方法、计算时的基本假设尚未弄清，导致设计的墙梁构件钢材用量偏大或承载力不足。

1 钢墙梁的选型及布置

1.1 钢墙梁的选型

墙梁的截面形式可根据其跨度选择单角钢、槽钢、C型钢、H型钢。当竖向荷载较大时，可采用两个C型钢与撑杆形成组合墙梁，竖向荷载通过拉条传递给组合墙梁，组合墙梁再传递给墙架柱，而水平风荷载直接通过墙梁传递给墙架柱。

根据各种墙梁的截面特性及钢材的用量，工程中，对于一般的墙梁，水平风荷载是主要荷载，宜采用平放的C型钢；当跨度大于6 m且风荷载较大时，可采用平放的高频焊H型钢。

1.2 钢墙梁的布置

墙梁布置的间距应根据其跨度、风荷载大小及墙面板类型等因素计算确定，结合工程经验，一般不大于1.5 m。墙梁可以设计成单跨简支梁或双跨连续梁，考虑到墙梁的连续接点施工不便，简支墙梁是工程中常用的连接方式。C型钢槽口可向上或向下，槽口向上时与柱的连接较为方便，但容易积灰、积水，长时间潮湿的积灰会引起墙梁的锈蚀，故除门窗洞口上部的墙梁槽口向上外，其余的墙梁均宜槽口向下。

2 拉条的作用及布置

2.1 拉条的作用

墙梁拉条的作用与檩条拉条有不同之处。当墙板为自承重时，墙梁拉条与檩条拉条作用一样，起到侧向支撑的作用，减少墙梁或檩条计算整体稳定性时受压翼缘的自由长度；当墙板为非自承重时，拉条不但有侧向支撑的作用，还有将墙面板的竖向荷载通过斜拉条传递到墙架柱上的作用，斜拉条一般在檐口处及窗洞下设置，当厂房高度较大时，用拉条悬吊的横梁数超过5根时，应在中间加设斜拉条将竖向荷载分段传到墙架柱上。设置斜拉条的墙梁之间应设置相应的撑杆，以组成几何不变体系的桁架墙梁，撑杆一般由直拉条外加钢套管D32×2.5组成。

2.2 拉条的布置

当墙梁跨度L=4 m～6 m时，可在跨中设置一道拉条；跨度L>6 m时，在墙梁三分点处设置两道拉条。拉条一般采用直径d=12 mm的圆钢制作，当竖向荷载较大时，应按照轴心受拉构件计算确定[2]。

当墙板为自承重时，拉条不承担墙面的竖向荷载，拉条起到约束受压翼缘的侧向位移的作用，设置拉条与否，应计算墙梁的整体稳定性确定。风压力工况下，墙梁外侧翼缘受压，应将拉条布置在墙梁靠近外翼缘侧；风吸力工况下，墙梁内侧翼缘受压，应将拉条布置在墙梁靠近内翼缘侧，内侧拉条应在最下部两个墙梁间设置斜拉条及撑杆，组成下部桁架墙梁以保证内侧拉条拉紧。

当墙板为非承重时，应将拉条设置在靠近墙梁外翼缘侧，此时拉条还有承担竖向的墙板自重的作用。内侧拉条设置与否，应在风吸力工况下计算墙梁的整体稳定性确定。若需要设置内侧拉条，设置方法同墙板为自承重时内侧拉条的设置方法。

2.3 关于构造能否起到阻止墙梁侧向失稳和扭转的作用

据有关文献，屋面板每个或隔一个肋与檩条用自攻螺钉连接，且间距不大于300 mm或两个肋宽时，可认为屋面板能阻止檩条侧向失稳和扭转；采用扣合式屋面板，不能作为檩条的侧向支撑[3]。墙梁的设计可参照此原则，当墙面板采用压型钢板时，一般均采用自攻螺钉连接，能阻止墙梁外翼缘侧向失稳和扭转；不设内衬板时，则不能保证墙梁的内翼缘侧向失稳和扭转，设内衬板且采用自攻螺钉连接时，可以阻止墙梁内翼缘侧向失稳和扭转。

3 简支墙梁的计算方法

墙梁是受弯构件，按照钢结构设计原理，应进行强度、整体稳定性及挠度验算。

3.1 强度计算

按照GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[4]9.4.4。

(1)

(2)

(3)

其中，Mx,My分别为水平荷载和竖向荷载产生的弯矩设计值,N·mm，下标x和y分别为墙梁的竖向轴x和y水平轴，当墙板底部端头自承重时，My=0；Vx,max,Vy,max分别为竖向荷载和水平荷载产生的剪力设计值,N，当墙板底部端头自承重时，Vx,max=0；Wenx,Weny分别为绕竖向轴x和y水平轴的有效净截面模量,mm3；b0,h0分别为墙梁在竖向和水平方向的计算高度,mm，取板件弯折处两圆弧起点之间的距离；t为墙梁壁厚,mm；f为钢材抗弯强度设计值,N/mm2；fv为钢材抗剪强度设计值,N/mm2。

3.2 整体稳定性计算

按照GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范[5]8.3.2及5.3.3:

(4)

其中，φbx为受弯构件的整体稳定系数，应按GB 50018—2002附录A计算；Wex为对截面主轴x的受压边缘的有效截面模量。

3.3 挠度计算

4 计算实例

一轻型门式刚架墙梁，墙梁跨度9 m，间距1.5 m，采用单层压型钢板墙(非自承重墙)，墙板与墙梁用自攻螺钉连接，墙体荷载自重标准值0.1 kN/m2，墙梁采用C220×75×20×2，自重标准值0.06 kN/m，Q345钢，口朝下布置，在跨度的3分点设置内外侧双层拉条，外侧拉条承担墙体的自重，内侧墙梁约束墙梁内翼缘。水平风荷载压力及吸力标准值0.4 kN/m2，试验算该墙梁是否满足规范要求。

验算：

1)墙梁截面特性：

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)荷载计算：

水平风荷载标准值：qky=1.5×0.4=0.6 kN/m,设计值：qy=1.5×qky=1.5×0.6=0.9 kN/m；

竖向荷载标准值：qkx=1.5×0.1+0.06=0.21 kN/m，设计值：qx=1.3×qkx=1.3×0.21=0.27 kN/m；

由静力计算手册计算墙梁跨中弯矩：

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)强度验算：

按式(1)：

按式(2)：

按式(3)：

强度验算满足要求。

4)稳定验算：

由GB 50018—2002附录A计算得，φbx=0.828，按式(4)：

稳定验算满足要求。

5)挠度验算：

水平风荷载下挠度：

由静力计算手册，竖向荷载下最大挠度：

挠度验算满足要求。

5 结语

介绍了钢墙梁的选型及布置，拉条及撑杆的布置，对构造是否能起到阻止墙梁侧向失稳和扭转的作用做出了详细的阐述。墙梁设计应验算其强度、整体稳定性及挠度。其中整体稳定性验算有风压力及风吸力两种工况，当外侧单侧挂板且能阻止外翼缘侧向失稳时，可不验算风压力工况下的整体失稳；当墙梁内外侧均挂板且能阻止内外翼缘侧向失稳时，可不验算墙梁的整体稳定性。墙梁整体稳定性计算时，受压翼缘的自由长度可取约束该翼缘拉条之间的距离。