混合结构房屋墙与柱设计

9.3　混合结构房屋墙与柱设计

混合结构房屋通常指墙、柱等竖向承重构件采用砌体结构，而屋盖、楼盖等水平承重构件采用钢筋混凝土结构所组成的房屋。混合结构墙、柱设计一般按下述步骤进行：

①根据房屋使用要求和当地条件（材料、地质、抗震要求等），确定墙体材料，选择合理的承重体系。

②根据设计经验，初步选择墙、柱截面尺寸和材料强度等级，并选择合理的计算单元进行高厚比及承载力验算。

③墙体构造设计。

・9.3.1　混合结构房屋的结构布置方案・

1）横墙承重方案

由横墙直接承受楼（屋）盖竖向荷载的结构方案，称为横墙承重方案。横墙承重方案中竖向荷载的主要传递路线为：板→横墙→基础→地基。横墙承重方案的主要特点有：

①横墙是主要的承重墙。纵墙主要起围护、分隔室内空间和将横墙连成整体的作用。因此，横墙承重体系对纵墙上门窗位置和大小限制较少。

②房屋的空间刚度大，整体性好。

③楼（屋）盖结构简单，施工方便。

横墙承重方案适用于横墙间距较小（一般为2.7～4.5 m）的宿舍、住宅等居住建筑。

2）纵墙承重方案

由纵墙直接承受楼（屋）盖竖向荷载的结构方案，称为纵墙承重方案。纵墙承重方案中荷载分两种方式传递到纵墙上：一种是楼、屋面板直接搁置在纵墙上；另一种是楼、屋面板搁置于大梁上，大梁只搁置于纵墙上。纵墙承重方案中竖向荷载的主要传递路线为：板→大梁（或屋架）→纵墙→基础→地基。纵墙承重体系的主要特点有：

①纵墙是主要的承重墙。设置横墙的主要目的是满足房屋空间刚度和整体性的要求，因此，横墙间距可以相当大。纵墙承重体系室内空间较大，有利于灵活隔断和布置。

②由于纵墙承受的荷载较大，因而纵墙上门窗的位置和大小受到一定的限制。

③由于横墙较少，房屋的空间刚度差，抗震性能差。

纵墙承重体系适用于使用上要求有较大空间的房屋，如教学楼、办公楼、食堂、仓库以及中小型工业厂房等。

3）纵横墙承重方案

由纵墙和横墙混合承受楼（屋）盖竖向荷载的结构方案，称为纵横墙承重方案。纵横墙承重方案的荷载传递路线为：纵横承重方案的特点有：

①结构布置较为灵活，应用范围广。

②空间刚度较纵墙承重结构好。这种结构布置，横墙一般间距不太大，因而在整个结构中，横向水平地震作用完全可以由横墙承担，通常可以满足抗震要求。对纵墙而言，由于有部分是承重的，从而也增强了墙体的抗剪能力，对整个结构承担纵向地震作用也是有利的。

③抗震性能介于前述两种承重结构之间。

4）内框架承重方案

内框架承重方案是内部为钢筋混凝土梁柱组成的框架承重，外墙为砌体承重的混合承重方案。内框架承重方案房屋有以下特点：

①房屋开间大，平面布置较为灵活，容易满足使用要求。

②周边采用砌体承重，与全框架结构相比，可节省钢材、水泥和木材。

③由于全部或部分取消内墙，横墙较少，房屋的空间刚度较差，抗震性能欠佳。

④施工工序较多，影响施工进度。

内框架砌体结构适宜于轻工业、仪器仪表工业车间等使用，也适用于民用建筑中的多层商业用房。

・9.3.2　混合结构房屋的静力计算方案・

混合结构房屋的静力计算方案，应根据房屋的空间刚度大小确定，《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）中为方便计算，主要考虑楼（屋）盖类型和横墙间距，按房屋空间刚度的大小分为刚性方案、弹性方案和刚弹性方案3种。设计时，可按表9.5确定静力计算方案。

表9.5　房屋的静力计算方案

注：表中S为房屋横墙间距，单位为m。

・9.3.3　墙、柱的高厚比验算・

墙、柱的高厚比是指墙、柱的计算高度H₀与墙厚或矩形柱的边长h（与H₀相对应）的比值，用β表示，即β=H₀/h。β越大，稳定性越差。砌体结构房屋中的墙、柱除了满足承载力要求外，还必须进行高厚比验算以保证其稳定性。

1）墙、柱计算高度的确定

《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）规定，受压构件的计算高度H₀应根据房屋类别和构件支承条件等按表9.6采用。表中的构件高度H应按下列规定采用：

表9.6　受压构件的计算高度H₀

注：①表中H_u为变截面柱的上段高度，H_l为变截面柱的下段高度。

②对于上端为自由端的构件，H₀=2H。

③S为房屋横墙间距。

①在房屋底层，为楼板顶面到构件下端支点的距离。下端支点的位置，可取在基础顶面。当基础埋置较深且有刚性地坪时，可取室外地面以下500 mm处。

②在房屋其他层，为楼板或其他水平支点间的距离。

③对于无壁柱的山墙，可取层高加山墙尖高度的1/2；对于带壁柱的山墙，可取壁柱处的山墙高度。

2）墙、柱的允许高厚比

《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）规定，墙、柱的允许高厚比［β］见表9.7。

表9.7　墙、柱的允许高厚比［β］

注：①毛石墙、柱允许高厚比应按表中数值降低20%。

②带有混凝土或砂浆面层的组合砖砌体构件的允许高厚比，可按表中数值提高20%，但不得大于28。

③验算施工阶段砂浆尚未硬化的新砌砌体高厚比时，允许高厚比对墙取14，对柱取11。

3）矩形截面墙、柱的高厚比验算

矩形截面墙、柱的高厚比应按式（9.8）验算：

式中　β——墙、柱的高厚比。

　［β］——墙、柱的允许高厚比，按表9.7采用。

　H₀——墙、柱的计算高度，按表9.6采用。

　h——墙厚或矩形柱的截面高度。

　μ₁——自承重墙允许高厚比的修正系数。对厚度h≤240 mm的自承重墙，μ₁应按下列规定采用：h=240 mm，μ₁=1.2；h=90 mm，μ₁=1.5；240 mm＞h＞90 mm，μ₁可按插入法取值。对承重墙，μ₁=1。

　μ₂——有门、窗洞口墙允许高厚比的修正系数，μ₂应按式（9.9）计算：

其中　b_s——在宽度s范围内的门窗洞口总宽度，如图9.5所示；

　s——相邻窗间墙或壁柱之间的距离，如图9.5所示。

当按式（9.9）算得μ 2＜0.7时，应采用0.7；当洞口高度等于或小于墙高的1/5时，可取μ₂=1.0。

【例9.4】　某办公楼底层平面的一部分如图9.6所示，采用现浇整体式钢筋混凝土楼盖。纵、横墙均为承重墙，墙厚均为240 mm，墙体用M5砂浆砌筑，底层墙高4.5 m（算至基础顶面）。试验算底层外纵墙、横墙的高厚比。

图9.5　b_s，s示意图

【解】　（1）确定静力计算方案

最大横墙间距S=4×3.6=14.4 m＜32 m，查表9.5知，该房屋属刚性方案。

（2）外纵墙的高厚比验算

底层墙高H=4.5 m，S=14.4 m＞2H=9.0 m，查表9.6得，H₀=1.0H=4.5 m

图9.6　某办公楼底层平面

砂浆强度等级为M5，［β］=24

（3）横墙的高厚比验算

底层墙高H=4.5 m，S=6 m，2H≥S＞H，查表9.6：

H₀=0.4S+0.2H=0.4×6 m+0.2×4.5 m=3.3 m

μ 1=1.0，μ 2=1.0，［β］=24

・9.3.4　墙、柱的一般构造要求・

砌体结构房屋墙、柱除应满足承载力计算和高厚比验算的要求外，还应满足相关的构造要求。

1）块材、砂浆的强度等级

一般墙体的砖和砂浆的强度等级可按截面承载力计算结果选用。但对某些墙体，《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）从耐久性、重要性方面考虑，对块材和砂浆的强度等级作了进一步规定。

①设计使用年限为50年的房屋，地面以下或防潮层以下的砌体，潮湿房间的墙或环境类别为2的砌体，所用材料的最低强度等级应符合表9.8的要求。

表9.8　地面以下或防潮层以下的砌体、潮湿房间墙所用材料的最低强度等级

注：①在冻胀地区，地面以下或防潮层以下的砌体，不宜采用多孔砖，如采用时，其孔洞应用水泥砂浆灌实。当采用混凝土砌块时，其孔洞应采用强度等级不低于Cb20的混凝土灌实。

②对安全等级为一级或设计使用年限大于50年的房屋，表中材料强度等级应至少提高一级。

②处于环境类别3～5等有侵蚀性介质的砌体材料应符合下列规定：

a.不应采用蒸压灰砂普通砖、蒸压粉煤灰普通砖。

b.应采用实心砖，砖的强度等级不应低于MU20，水泥砂浆的强度等级不应低于M10。

c.混凝土砌块的强度等级不应低于MU15，灌孔混凝土的强度等级不应低于Cb30，砂浆的强度等级不应低于Mb10。

d.应根据环境条件对砌体的抗冻指标，耐酸、碱性能提出要求，或使砌体符合有关规范的规定。

2）最小截面规定

墙、柱的截面尺寸应与块材的尺寸相适应，如砖墙厚一般采用120，180，240，370，490，620 mm等尺寸。为了避免墙、柱因截面尺寸过小导致稳定性变差，应限制各种构件的最小尺寸。承重的独立砖柱截面尺寸不应小于240 mm×370 mm。毛石墙的厚度不宜小于350 mm，毛石柱较小边长不宜小于400 mm。当有振动荷载时，墙、柱不宜采用毛石砌体。

3）墙体与屋盖、楼盖的连接构造

①预制钢筋混凝土板在混凝土圈梁上的支承长度不应小于80 mm，板端伸出的钢筋应与圈梁可靠连接，且同时浇筑；预制钢筋混凝土板在墙上的支承长度不应小于100 mm，并按下列方法进行连接：

a.板支承于内墙时，板端钢筋伸出长度不应小于70 mm，且与支座处沿墙配置的纵筋绑扎，用强度等级不低于C25的混凝土浇筑成板带。

b.板支承于外墙时，板端钢筋伸出长度不应小于100 mm，且与支座处沿墙配置的纵筋绑扎，用强度等级不低于C25的混凝土浇筑成板带。

c.预制钢筋混凝土板与现浇板对接时，预制板端钢筋应伸入现浇板中进行连接后，再浇筑现浇板。

②跨度大于6 m的屋架和跨度较大的梁（对砖砌体大于4.8 m，对砌块和料石砌体大于4.2 m，对毛石砌体大于3.9 m），应在支承处砌体上设置混凝土或钢筋混凝土垫块。当墙中设有圈梁时，垫块与圈梁宜浇成整体。

③当梁跨度大于或等于下列数值时，其支承宜加设壁柱，或采取其他加强措施：对240 mm厚的砖墙为6 m，对180 mm厚的砖墙为4.8 m；对砌块、料石墙为4.8 m。

4）墙体连接构造

①墙体转角处和纵横墙交接处应沿竖向每隔400～500 mm设拉结钢筋，其数量为每120 mm墙厚不少于1根直径为6 mm的钢筋；或采用焊接钢筋网片，埋入长度从墙的转角或交接处算起，对实心砖墙每边不小于500 mm，对多孔砖墙和砌块墙不小于700 mm。

②填充墙、隔墙应分别采取措施与周边主体结构构件可靠连接，连接构造和嵌缝材料应能满足传力、变形、耐久和防护要求。

③不应在截面长边小于500 mm的承重墙体、独立柱内埋设管线；不宜在墙体中穿行暗管或预留、开凿沟槽，当无法避免时，应采取必要的措施或按消弱后的截面验算墙体承载力。

④砌块砌体应分皮错缝搭砌，上下搭砌长度不得小于90 mm。当搭砌长度不满足上述要求时，应在水平灰缝设置不少于2φ 4的焊接钢筋网片（横向钢筋的间距不宜大于200 mm，网片每端应伸出该垂直缝不小于300 mm）。

⑤砌块墙与后砌隔墙交接处，应沿墙高每400 mm在水平灰缝内设置不少于2φ4、横筋间距不大于200 mm的焊接钢筋网片，如图9.7所示。

图9.7　砌块墙与后砌隔墙交接处钢筋网片

⑥混凝土砌块房屋，宜将纵横墙交接处、距墙中心线每边不小于300 mm范围内的孔洞，采用不低于Cb20灌孔混凝土沿全墙高灌实。

⑦混凝土砌块墙体的下列部位，若未设圈梁或混凝土垫块，应采用不低于Cb20混凝土将孔洞灌实：

a.格栅、檩条和钢筋混凝土楼板的支承面下，高度不应小于200 mm的砌体。

b.屋架、梁等构件的支承面下，长度不应小于600 mm的砌体，高度不应小于600 mm的砌体。

c.挑梁支承面下，距墙中心线每边不应小于300 mm，高度不应小于600 mm的砌体。

・9.3.5　多层刚性方案房屋的墙体计算・

大量的多层民用建筑，如住宅、旅馆、办公楼等，其横墙间距较小，楼（屋）盖采用钢筋混凝土梁板结构，房屋的空间刚度很大，一般属于刚性方案房屋。在设计时，除验算墙、柱的高厚比外，还应对墙、柱的控制截面进行承载力计算。

1）多层房屋承重纵墙计算

（1）计算单元的选取

在进行承重纵墙的承载力验算时，首先要选择计算部位，通常取受力较大、截面较弱的一段进行计算，称为计算单元。一般情况下，选择有代表性的一段纵墙作为计算单元，通常取相邻两洞口的中心之间的墙体（图9.8），无洞口时取相邻两梁中心之间的墙体（一个开间）。

图9.8　纵横计算单元

（2）竖向荷载作用下的计算

多层刚性方案房屋在竖向荷载作用下，墙、柱在每层高度范围内，可近似地视作两端铰支的竖向构件，如图9.9所示。在计算简图中，底层构件长度取基础顶面到楼板之间的距离，其余各层取层高。

图9.9　承重纵墙的计算简图

对本层的竖向荷载，应考虑对墙、柱的实际偏心影响，当梁支承于墙上时，梁端支承压力N_l到墙内边的距离，应取0.4a₀（屋盖取0.33a₀）。由上面楼层传来的荷载N_u，可视为作用于上一楼层的墙、柱的截面形心处。

（3）水平荷载作用下的计算

当刚性方案多层房屋的外墙符合下列要求时，静力计算可不考虑风荷载的影响：

①洞口水平截面面积不超过全截面面积的2/3。

②层高和总高不超过表9.9的规定。

③屋面自重不小于0.8 kN/m²。

一般刚性方案房屋均能满足上述要求，可不考虑风荷载的影响。

表9.9　外墙不考虑风荷载影响时的最大高度

（4）控制截面及内力计算

对于第i层墙体（图9.10），当截面不变化时，上部截面Ⅰ—Ⅰ为偏心受压，其内力为：

图9.10　作用在纵墙上的竖向荷载

墙体下部截面Ⅱ—Ⅱ为轴心受压，其内力为：

式中　N_u——由上层墙传来的荷载；

　N_l——本层楼盖梁（或板）端支承压力；

　G——本层墙体自重；

　e_l——N_l对本层墙体截面形心线的偏心距，e_l可按式（9.12）计算：

其中　y——墙体截面形心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离；

a₀——梁（或板）有效支承长。

控制截面即内力组合值最大、截面承载力较小的截面。每层墙体的控制截面有两个：一是墙体顶部位于大梁（或板）底的砌体截面Ⅰ—Ⅰ，该截面弯矩最大，应对该截面进行偏心受压和梁端下砌体局部受压承载力计算；二是墙体底部的截面Ⅱ—Ⅱ（图9.10），该处轴向力N最大，应按轴心受压构件进行受压承载力验算。

当各层墙体的截面及材料强度等级相同时，只需验算最下一层墙体的承载力。若截面或材料强度等级有变化，则变化层墙体也需进行验算。

2）多层房屋承重横墙计算

承重横墙的计算简图和内力分析与承重纵墙的基本相同，楼盖和屋盖可作为横墙的不动铰支点，各层均按静定结构计算。但也有不同之处，主要特征如下：

①荷载及计算单元。横墙一般承受均布荷载（墙体自重和楼板传来的荷载），故通常取1 m宽度的墙体作为计算单元。

②构件高度H。底层和中间层取值与纵墙相同，但当顶层为坡屋顶时，该层应取层高加上山尖高度的1/2。

③控制截面。对于中间横墙，当由两边的恒载和活载引起的竖向力相同时，横墙只承受轴心压力，其控制截面可只取墙体底部进行轴心受压承载力验算。如果两边楼板的构造不同（楼面恒载不同）或者开间不等，则作用于墙顶上荷载为偏心荷载，应按偏心受压来验算横墙上部截面的承载力。