粮食平房仓空腹式砌体墙结构设计与分析
林钰斌
（四川省商业建筑设计院有限公司，四川 成都 610000）
散装粮食平房仓由于其容量大、施工简单、建造费用低等特点在粮食储藏领域有着广泛的应用，逐步成为了粮食长期储存的主要仓型。常规粮食平房仓多采用排架结构，纵横墙砌体与排架结构共同受力，承受粮食产生的水平压力和竖向摩擦力。
现在国内各地的散装粮食平房仓设计堆粮高度一般超过6m，跨度一般为24m 左右，属于高大平房仓仓型。堆粮高度越高，粮食对仓壁的水平压力就越大。对仓壁墙体来说，则需要更厚的墙体或间距更小的圈梁。墙体也更容易形成大偏心，偏心距甚至可能会超过砌体规范限值，对墙体设计和计算提出了更高要求。
粮食平房仓的墙体实际是同时承受竖向力和水平力的构件，且水平力起着控制作用。当墙体为砌体且由钢筋混凝土柱与水平联梁承重时，粮食侧压力视为由水平联梁间的砌体竖向传递给水平联梁，然后，作为水平向的集中力由水平联梁传递给混凝土柱，再由柱子将竖向力、剪力、弯矩传递给基础。水平圈梁的间距不大于2m 时，可将竖向条带作为简支梁计算内力，砌体可按照受弯构件验算其各项承载力。此为构件级的承载力验算。
墙体实际还承受屋面自重、墙体自重等竖向荷载，是压弯构件，应进行整体稳定性分析。砌体中的圈梁仅作为砌体的一部分，整体受力分析时不能视为墙体的支座。当其静力计算方案采用刚性方案时，可将通高墙体视为底部固接、顶部简支的单层墙体，并取单位宽度进行计算。以设计堆粮高度6.0m、墙体高度8.2m、墙体厚度490mm 为例，底部墙体弯矩设计值为80.8kN·m，竖向荷载为156.6kN，偏心距为0.516m。根据《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011），偏心距超过0.6y 时，应采用组合砖砌体构件，y表示截面重心到砌体上轴向力所在偏心方向截面边缘的距离，此处y 值为245mm。一般的高大平房仓实心墙体都很难满足普通砌体构件偏心距不超限值的问题，所以，考虑采用空腹式墙体作为组合砖砌体构件，从而避免与规范矛盾。
空腹式墙体是一种以工字型截面为基本单元的双叶组合墙体，每隔两个单元腹板两端增设混凝土配筋面层，形成组合砖砌体构件。墙体形式如图1 所示。
3.1 工程概况
该工程建设地点位于四川省雅安市，平房仓主要用于储藏散装小麦，设计堆粮线高度为7.0m，单仓建筑面积为1 554.5m2，檐口高度为11m，结构跨度为24m，墙体高度为9.2m，屋面采用折线型屋架和混凝土屋面板。项目共有4 个仓，每个仓有3 个廒间，3 个廒间总仓容量为7 325t。
建筑的抗震设防类别按丙类，抗震设防烈度为7 度，场地的设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.15g，地勘报告显示场地类别为Ⅱ类，得出场地特征周期为0.40s，结构的安全等级为二级。场地地表土为粉土，地基条件较好，基础采用柱下独立基础，基础持力层为松散卵石。该地区基本风压为0.30kN/m2，50 年一遇的基本雪压为0.20kN/m2，地面粗糙度类别为B 类。
3.2 结构选型情况
该平房仓采用混凝土排架结构，墙体采用空腹式砖砌墙体，每个空腹式墙体单元的两侧翼缘厚度均采用240mm，中空部分厚度为510mm，墙体总厚度为990mm，腹板部分宽度采用370mm。排架纵向分别在标高±0.000m、6.000m 和柱顶标高增设框架梁拉结，形成框排架结构，梁截面分别为500mm×990mm、400mm×900mm 和500mm×900mm。框架柱截面采用500mm×990mm，柱子间距6m。主体结构为混凝土框架梁柱受力，侧墙按照填充墙设置，但是，由于砌体墙要承受粮食产生的水平压力，实际的砌体墙是与排架结构共同受力。在正负零标高建筑四周和中间墙体下方设置一圈框架梁，用于承担上部墙体竖向荷载，传力途径也较清晰。同时，可以增强结构的整体性，有利于抵抗地震力等水平荷载。《粮食平房仓设计规范》（GB 50320—2014）规定，当墙体为砌体，且由钢筋混凝土柱与水平联梁承重时，粮食的水平侧压力由水平联梁间的砌体竖向传递给水平联梁，然后作为集中力由水平联梁传递给混凝土柱。按此受力模式，墙体实际为单向板受力，其长宽比应不小于2。故在2.950m 标高增设一道300mm×990mm 的圈梁，将墙体划分为长宽比不小于2 的竖向受力条带。平房仓屋面横向跨度为24m，采用预应力钢筋混凝土折线型屋架和预应力混凝土屋面板，分别选自国家标准图集04G415-1 和04G410-1。
3.3 混凝土梁、柱设计
混凝土梁承受墙体传来的水平方向荷载，同时，承受砌体的竖向荷载，按照双向受弯构件计算梁的受弯、受剪承载力。梁以水平和竖向集中力的形式将荷载传给混凝土框架柱，框架柱为压弯构件。受力分析时，同时考虑风荷载、地震作用等水平荷载的组合。粮食荷载的分项系数取1.3。框架梁按照两端固接计算，圈梁按两端简支计算，框架柱按照底部固接顶部悬臂计算。框架柱顶部约束足够大时，如采用现浇混凝土板，柱顶也可以按照铰接支座。
3.4 空腹式砌体墙整体稳定性计算
砌体墙采用空腹式砌体墙，腹板间距为1.2m，考虑每隔2.4m 设置混凝土面层，取两个腹板间距为一个组合砖砌体单元。每个单元腹板两端设置混凝土配筋面层，形成组合砖砌体构件。砌体采用MU15 烧结普通砖砌筑，砂浆采用M10 混合砂浆。混凝土部分截面为300mm×180mm，强度等级为C30，纵筋采用HRB400 级钢筋。
此截面单元可简化为工字型偏心受压构件，为《砌体结构设计规范》里的砖砌体和钢筋混凝土面层的组合砌体构件。由于墙体承受水平压力较大，墙体产生的弯矩较大，此类墙体基本都是大偏心受压构件。该单元取2.4m 宽度为一个受力单元，高度取全墙高度9.2m，按照下端固接上端铰接整体计算。根据混凝土和砖砌体共同受压原理,按照组合砌体偏心受压构件的计算公式可以计算出截面的受压区高度，进而计算出混凝土部分的纵向受拉钢筋面积。关于组合砖砌体的纵筋及连接箍筋，规范里有一定的要求。为了增强空腹墙体的稳定性，一般在面层之间设置箍筋拉结，箍筋竖向间距根据砌体的模数设置，一般可为360mm。同时，墙体内部的水平拉筋建议通长设置，且靠墙体外侧的水平筋放置在组合砌体纵筋内侧，有效增强墙体与组合砌体之间的拉结。配筋组合砖砌体配筋构造如图2 所示。
图2 组合砖砌体配筋
3.5 空腹式砌体墙局部承载力计算
空腹式砌体墙在设置为混凝土组合砌体后，沿通高方向能满足整体稳定性要求，不至于整体性的破坏。联梁之间的墙体需要按照竖向条带计算其局部受弯、受剪承载力。竖向条带视为简支梁，取一个工字型单元为1.2m 宽，上下端铰接，梁跨度取水平联梁间距。空腹式墙体采用工字型截面，具有较大的抗弯截面抵抗矩，抗弯能力有很大提高，所以，联梁间距不一定控制在2m 以内，可根据抗弯、抗剪承载力倒算出联梁间距。本项目联梁间距控制在2.95m 和3.05m，既保证了单向板长宽比大于2 的要求，也充分利用了砌体强度，控制了联梁数量，减少了造价。对于两个腹板之间的单层墙体、直接与粮食接触的那一侧也应进行抗弯抗剪承载力验算。该处砌体厚度为240mm，可将相邻的两个腹板视为其铰接支座，受力范围也仅为830mm，不利位置为墙体最底侧，受粮食侧压力最大，一般也很容易通过承载力验算。
当设计堆粮高度相同时，相较于相同长度的实心砌体墙，空腹式砌体墙的厚度较大，联梁截面相对较宽。通过初步测算，砌体材料用量增加约35%、联梁混凝土用量增加约38%（见表1）。另外，在孔洞位置浇筑混凝土联梁时，可能出现支模拆模不方便的问题。
表1 实心墙与空腹墙材料用量对比
空腹式砌体墙的优点：一是空腹式砌体墙设置了混凝土配筋面层，避免了大偏心受压情况下，采用无筋砌体方案与规范相矛盾的问题。二是混凝土联梁数量减少了约40%，施工时等待混凝土硬化凝固的时间减少，从而缩短了工期。三是由于空腹式墙体中空的特点，中空部分有效阻隔了夏季室外高温向室内传导，墙体隔热能力提高。四是制冷回风管道可以从中空部分竖向通至堆粮线以上，保持外立面平整，没有凸出的扶壁柱或管道，更加整洁和美观。我国西南地区常年多雨潮湿，夏季高温炎热，对粮食储藏管理有一定难度。空腹式砌体墙尽管材料用量比传统粮食平房仓墙体稍多，但其具有较好的隔热防潮能力、施工工期缩短等特点，使其在四川乃至西南地区都得到了推广应用。针对空腹式墙体在空洞位置浇筑混凝土联梁时，支模拆模不方便的问题，工程上一般在梁底以下一定高度将两侧砌体逐层收拢，在梁底形成砌体模版，可直接在砌体上绑扎钢筋建筑混凝土。
高大散装粮食平房仓可采用空腹式砌体墙，设计时应按照实际情况进行简化。从整体稳定性计算到局部构件的承载力分析应尽可能全面，确保平房仓结构的安全性。空腹式砌体墙抗弯、抗剪、隔热和防潮性能良好，是一种值得推广的散装粮食平房仓墙体。
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