基本介紹
- 中文名：自承重牆
- 採用：自承重牆
- 承受：上部牆體的重量
- 包括：外圍護牆與內隔牆
設計問題,自承重牆構造,第一部分,第二部分,第三部分,特別提示,
設計問題
在工業與民用建築中，採用自承重牆是常見的事，除去彩鋼板、石膏板等用鋼龍骨做骨架的輕質隔牆外，還大量採用由砌體和砂漿砌築而成的自承重牆，包括外圍護牆與內隔牆。《砌體結構設計規範》(GB 50003—2011)的第6.1節通過允許高厚比的方式來規範各類牆的穩定設計問題。這並不是一個複雜的技術問題，只是因為規範的用詞比較簡潔，當設計人不注意時，會將不同的詞義誤解為詞義相同，在錯誤引用規範公式的情況下，會將不滿足規範要求的自承重牆設計，誤認為是已經滿足了規範的要求。
在大量的工程實踐中，有時能見到一些自承重牆設計，要到快出圖的階段才發現並不滿足規範要求。而且加構造柱、加圈樑也不能滿足要求，最後只有加壁柱才能解決問題。最終影響與各專業間的配合條件，各專業修改涉及的圖紙較多，造成被動。
上述問題與結構、建築專業均有關係。從是否滿足規範要求來看，肯定屬於結構專業的職責範圍。從能早期發現哪一部分自承重牆需要認真覆核這個角度來看，建築專業的機會更大一些。本文試圖從概念設計入手，探討在常見的設計中哪些比較容易處理，哪些比較難處理。然後再進一步探討解決方案。期望能夠減少最後階段修改時造成的被動。有些概念對結構專業設計人員來說可能很簡單，但為了使建築專業設計人員也能有輪廓的概念，還是適當的提了一下。
自承重牆構造
第一部分
1.1高厚比計算中計算高度H0的取值
規範第6.1.1指出，計算高度H0的取值，應按第5.1.3條採用。
按規範第5.1.3條確定自承重牆的計算高度時，可表達成下面幾個基本規則。
1.1.1. 自承重牆砌至樓蓋或屋頂
H0 = H 。式中H為自承重牆的高度。
1.1.2. 自承重牆上端為自由端
H0 = 2H 。
1.1.3. 自承重牆兩側與主體結構柱或橫隔牆聯繫(自承重牆上端不是自由端)
設自承重牆兩側與主體結構柱或橫牆聯繫的間距為S 。
當S>2H時，認為橫向的聯繫不起作用，仍按上述1.1.1.的規則確定計算高度H0 ；
當S≤H時，可以認為是橫向聯繫的距離起控制作用，規範規定H0 = 0.6S ；
當H<S≤2H時，高度方向與橫方向共同起作用，規範規定H0 = 0.4S+0.2H 。
1.1.4. 自承重牆兩側與主體結構柱或橫隔牆聯繫且自承重牆上端是自由端
規範對此未做明確規定，作為一個思路可考慮將H定義為牆高的2倍，再套用上面的規則確定自承重牆的計算高度。
1.2. 自承重牆的高厚比驗算，不同厚度自承重牆的允許計算高度
1.2.1. 自承重牆的允許高厚比的基準值〔β〕
自承重牆允許高厚比的基準值(.一個基於科學原理的理論值或確定值)〔β〕與砌築砂漿的強度等級有關，如下所示：
砂漿強度等級 M2.5 M5 ≥M7.5
〔β〕 22 24 26
為了建立基本的概念，下面的討論均取砂漿強度等級為M5 。
1.2.2. 自承重牆驗算時的最終允許高厚比值
自承重牆驗算時的最終允許高厚比值，還需乘以修正係數μ1與μ2 。
1.2.2.1.μ1修正係數
與牆厚相關：牆厚 h > 240mm時，μ1 = 1.0 ；h = 240mm時，μ1 = 1.2 ；h = 90mm時，μ1 = 1.5 ； 240 > h > 90mm時，μ1可按插入法取值。
按此規定，可以列出幾個不同牆厚的μ1值：
牆厚(mm) 100 ，120 ，200 240
μ1值 1.48 1.44 1.28 1.20
上端為自由端的自承重牆，除按上述規定提高外，尚可再乘以修正係數1.3 。
1.2.2.2.μ2修正係數
μ2的值與門窗洞口相關，主要取決於牆寬範圍內門窗洞口的總寬度。
μ2 = 1－0.4bs / s
按公式算得μ2的值小於0.7時，取0.7 。
當洞口高度等於或小於牆高的1 / 5時，可取μ2等於1.0 。
μ2的取值範圍為0.7~1.0 。
1.2.2.3.自承重牆不同牆厚時允許牆高的參考值(砌築砂漿M5)
μ2=0.7(洞口大)時，允許牆高參考值(m) 2.49 2.90 4.30 4.84
μ2=1.0(無洞口)時，允許牆高參考值(m) 3.55 4.15 6.14 6.91
上端為自由端的自承重牆，應綜合考慮H0 = 2H及附加的修正係數1.30，其允許牆高參考值應為上述允許牆高參考值乘以修正係數0.65 。
第二部分
2. 考慮構造柱、壁柱及圈樑作用時的自承重牆
2.1. 構造柱的作用
構造柱可以增加牆的允許高度，但作用有限。
有構造柱時，牆的允許高厚比〔β〕可乘以提高係數μC ：
μC = 1+γ b c/l。
b c—構造柱沿牆方向的寬度；
l —構造柱的間距。
當b c = 500mm、l =3000mm且採用磚砌體時，μC = 1.25 。在常用範圍內這已經是比較密的構造柱設定，一般來說採用比較密的構造柱也就能使牆高的允許值能提高25% 。
當構造柱寬度為500mm，間距為3m，砂漿強度等級為M5時，允許牆高的參考值：
牆厚(mm) 200 240
μ2=0.7(洞口大)時，允許牆高參考值(m) 5.02 6.05
μ2=1.0(無洞口)時，允許牆高參考值(m) 7.17 8.64
註：牆厚200mm時，按混凝土砌塊考慮，μC = 1.167 ；
牆厚 240mm時，按磚砌體考慮，μC = 1.25 。
2.2. 壁柱的作用
壁柱對提高牆的允許高度可以有比較明顯的作用，壁柱凸出牆面部分的尺寸愈大作用愈明顯。
驗算帶壁柱牆的高厚比時，採用帶壁柱牆截面的折算厚度hT ：
近似取hT =3.5i ，詳見《砌體結構設計規範》(GB50003-2001)第5.1.2條。
I—截面慣性矩；
A—截面面積。
例如：240mm厚的牆，每3m設一壁柱，壁柱寬490mm，凸出牆面250mm，其折算厚度為388mm 。相當於以240mm厚牆為基準時，提高係數為1.62 。與構造柱1.25的提高係數比較，有明顯的提高作用。
hT的計算有點麻煩，但有些可以查表，見苑振芳主編《砌體結構設計手冊》(第三版)表14—14。
2.3. 構造柱與壁柱的比較
構造柱與壁柱對提高牆的允許高度的作用是相似的，只是在規範中採用了不同的公式來表達。構造柱用的是提高係數，壁柱採用增大折算厚度的辦法。其實，折算厚度與原始牆厚的比值也可理解為是提高係數。
構造柱的作用有限。按照規範的規定，構造柱的寬度達到500mm，構造柱的中距3m時，提高係數才能達到1.25 。在最極端的情況下提高係數也只能達到1.375 ，此時3m中距的構造柱就要做成750mm寬，採用1.375 的提高係數不應該是可取的方案。
壁柱可以明顯提高牆的允許高度。如前所述，採用壁柱後牆的允許高度可以比不加壁柱提高1.62倍，如有必要，再加大壁柱的尺寸牆的允許高度可以提得更高。缺點是，工藝或建築專業往往不喜歡出現壁柱。
2.4. 圈樑的作用
2.4.1. 圈樑沒有作用的條件
自承重牆的兩側沒有橫向支承或僅一側有橫向支承時，圈樑對提高牆的允許高度沒有任何作用。
2.4.2. 對規範條文可能引起的一點誤會
在進一步討論橫向支承的問題前，有必要先澄清一些容易引起誤會的概念。《砌體結構設計規範》(GB 50003—2001)的第6.1.2條，敘述了3點。前兩點涉及到牆的整體穩定性，第3點談的是牆的局部穩定性。不應在整體穩定不滿足規範要求的情況下討論牆的局部穩定性，更不能因為僅僅是局部穩定滿足規範要求就誤認為整體牆的穩定性自動滿足要求。
請注意規範中上述3點中用詞的區別：
第1點是“驗算帶壁柱牆的高厚比” ；
第2點是“驗算帶構造柱牆的高厚比” ；
第3點是“驗算壁柱間牆或構造柱間牆的高厚比” 。
2.4.3. 對規範條文更容易引起的一點誤解
規範的條文應該按照下列順序解讀：
“帶壁柱牆”或“帶構造柱牆”要滿足上述第1、2點的高厚比要求；
滿足要求後，“壁柱”或“構造柱”已能視為“壁柱間牆”或“構造柱間牆”的側向支點；
如果此時“壁柱間牆”或“構造柱間牆” 的局部穩定還不能滿足規範要求，可以通過設圈樑來解決問題，“此時s應取相鄰壁柱間或相鄰構造柱間的距離” ，只要上下圈樑間的距離能滿足“壁柱間牆”或“構造柱間牆” 的高厚比要求即可。
第三部分
3. 幾種常見的自承重牆穩定設計的思路
3.1. 框架或排架結構的砌體外圍護牆
3.1.1. 討論的範圍
由彩鋼板、鋼龍骨等組成的外圍護牆不在本文討論範圍。
3.1.2. 層高較低時
當層高較低，如果能滿足本文1.2.2.3.中的允許高度要求時，可不做特別處理；如果略超過一些，200mm厚超過8 %左右，240mm厚超過12 %左右時，可用設構造柱的辦法來解決，不必再做其他的特別處理。需注意本文1.2.2.2.中門窗洞口對μ2值的影響，當0.7<μ2<1.0時，可使用插值。
3.1.3. 層高不低時
當符合規範表5.1.3“帶壁柱牆或周邊拉結的牆”中的2H≥S>H的要求時，可按表中的公式0.4S+0.2H確定計算高度。式中，S為框架柱的間距，H為層高。設計思路是，保證按公式確定的計算高度能滿足規範要求。
3.1.4. 層高較高時
3.1.4.1.橫向能滿足高厚比要求
在H≥S的條件下，如果規範表5.1.3中的計算高度0.6S能滿足高厚比要求，也可不做特別處理。需注意，此時設構造柱並不能將允許高度乘以提高係數，因為計算高度的方向已經轉了90度。下面分別情況討論：
3.1.4.2. 橫向不能滿足高厚比要求可通過增設圈樑解決
在層高很高，例如是很高的單層廠房，0.6S又不能滿足高厚比要求時，可以尋求圈樑的解決方案。按照規範中6.1.2-3的規定，只要b/S≥1/30時，所設的圈樑就可視為框架柱間外圍護牆的不動鉸支點。這樣，即使H很高，例如20m高，都可以通過設若干道圈樑的辦法來解決問題。只要任意兩個相鄰圈樑間的距離能滿足允許高厚比的要求即可。
如果框架柱的間距為6m，200mm厚的牆上的圈樑寬度b=200mm，正好滿足b/S=1/30的條件。
3.1.4.3. 橫向不能滿足高厚比要求但能通過增設“加高”的圈樑解決
同樣的牆厚(200mm)，如果框架柱的間距為7.5m就不能滿足規範的條件。對此，規範中還有一個補充條款：“如不允許增加圈樑寬度，可按牆體平面外等剛度原則增加圈樑高度，以滿足……牆不動鉸支點的要求” 。
註：該補充條款規定得並不明確，因為一開始只定義了圈樑寬度b，並沒有定義圈樑高度h 。在沒有確定圈樑高度h的情況下，討論按等剛度原則增加圈樑高度是沒有意義的。為了能夠合理的進行計算，參照規範中7.1.5-3關於圈樑高度不應小於120mm的規定，暫取基準圈樑的高度h為120mm。
對於框架柱的間距為7.5m時的牆上圈樑，按照規範要求作為不動鉸支點的圈樑寬度不應小於250mm。當採用200mm厚的牆時，其計算原則如下：
基準圈樑的寬度b0 = 250mm，高度h0 = 120mm ；
平面外等剛度圈樑的寬度b = 200mm，求高度h 。
計算條件為 ，按此條件可得
。
按此計算，對於框架柱的間距為7.5m、牆厚200mm且牆高很高的外圍護牆，可以在高度方向設若干道250mm高的圈樑，來保證其穩定性。
3.1.4.4.橫向不能滿足高厚比要求且不能通過增設“加高”的圈樑來解決
例如，當外柱的間距為12m，牆厚仍為200mm厚時。單層建築的山牆容易遇到這種狀況。
此時，按照同樣的計算方法，圈樑應高達960mm。將200mm×960mm截面的梁放在牆上仍稱其為圈樑似乎有些牽強。
在許多情況下，更合理的辦法是採用抗風柱來保持外圍護牆的穩定性。
3.2. 多層框架結構的砌體內隔牆
民用建築層高一般較低，容易滿足規範要求，這裡側重對工業建築進行討論。在工業建築中，厚度小於200mm的牆多數集中在衛生間這類的橫牆較多的場合，也比較容易滿足規範要求，可不專門討論。下面以牆厚200mm為例進行討論，其他的牆厚可以用類似的思路去計算。
3.2.1. 框架柱間的內隔牆
3.2.1.1. 層高較低時
層高較低時，處理比較方便，不再贅述。
3.2.1.2.層高較高且柱距不大時
層高較高且柱距不大時，例如柱距不大於7.5m時，可以採用增設圈樑或“加高”圈樑的辦法，當牆厚為200mm時一般均可設法滿足規範要求。
3.2.1.3.層高較高且柱距大時
處理起來有一定難度。如果加構造柱能解決問題最好，但因為構造柱的效果有限，遇到需要洞口折減時，有可能無法滿足規範要求。如果有吊頂，在吊頂的上部圈樑的寬度容許大於牆厚時，在吊頂上部偏下的位置增設較寬的圈樑是比較有利的辦法。有利條件是，這裡不需要考慮側向風荷載。
3.2.2. 與框架柱不相連且長度很長的內隔牆
當層高較低時，處理仍很簡單。當層高較高時，處理方案可能很複雜，需要認真討論。其基本思路可能是，在牆的層高中間部位設圈樑，然後設法構造該圈樑的側向支承。當該牆離柱不遠時，可考慮設水平鋼樑支承在框架柱上。
3.3. 單層排架輕鋼屋蓋廠房的砌體內隔牆
3.3.1. 防火牆
對於層高比較高的單層廠房來說，比較難處理的是防火牆。由於牆比較高，牆的上端設為自由端時，更難滿足規範要求。一般可將牆的上端構造成鉸接端，這樣相對容易滿足規範的要求。
鉸接端的構造思路：
當牆不處於鋼屋架或主鋼樑的下方但相互平行時，可以在垂直於鋼屋架或主鋼樑的方向設定鋼樑，在此鋼樑的下方與牆相交處設定上述約束。需注意：當為鋼屋架時，該鋼樑應設定在有垂直支撐或有與垂直支撐相連水平系桿處的下弦節點處；當為主鋼樑時，該鋼樑應設定在設隅撐處。
當牆不處於鋼屋架或主鋼樑的下方且相互垂直時，可直接在鋼屋架或主鋼樑的下方設定上述約束。
牆的高厚比控制辦法：
對防火牆來說，如果牆與排架柱相連，牆的高厚比控制思路與外圍護牆的控制思路一致。如果與排架柱不相連，一般要看加了構造柱之後能否滿足規範要求，如還不滿足要求就只好加壁柱了，這是最後的也是有效的手段。
3.3.2. 普通內隔牆
設計時應特別注意那些不與排架柱相連又很長沒有側向支點的內隔牆。這裡只討論用加構造柱的辦法還不能滿足規範要求的那些牆。
如果能在不太長的距離(例如18m以下)處，牆的兩側均有橫隔牆，或者能人為加上一小段橫隔牆時，可以按本文3.1.4.2.來增設圈樑。在許多情況下，圈樑的寬度可以做得比牆更寬一些。如有必要也可採用“加高”圈樑的辦法。當然，兩圈樑間的距離應滿足允許高厚比的要求。
隔牆上頂部圈樑施工時可能會遇到麻煩，不太好操作，也可採用變通的辦法，將頂部圈樑設得稍低些，圈樑澆好後再砌幾皮磚到頂。
如果前述辦法行不通，就只好加壁柱了。注意，這只是最後的不得已的手段。
特別提示
自承重牆的穩定設計問題，看起來是小問題，但很容易疏忽。在施工圖設計的早期就應注意，對一些遲早會出現的問題，還是早一點確定一下思路為好。建築專業與結構專業配合得好，可以避免出圖階段對各相關專業造成配合條件的影響，避免被動。寫這篇文章其中有一個目的，是想讓建築設計人員在設計構思的過程中，就能發現那些對結構專業來說可能是需要動一些腦筋才能解決的問題。當然對結構設計人員來說也需要儘可能減少判斷方面的失誤。
