工業廠房橫向地震作用計算分析

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摘要：單層工業廠房橫向地震作用計算，是單層工業廠房抗震設計的重點內容。因此，文章以某單層工業廠房項目為例，依據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）相關內容，對單層工業廠房橫向地震作用進行了簡單的計算分析。

關鍵詞：單層工業廠房；橫向地震作用；抗震設計

地震是自然界中一種不可抗拒的自然現象，不僅對人們的正常生產、生活造成了較大的不利影響，而且造成了較大的經濟損失。單層工業廠房是我國覆蓋資產最多、覆蓋面積最大的結構之一，相較于其他類型建筑，具有突出的“空曠”感，其圍護結構、屋蓋系統、柱間均以節點連接成一個整體，在遇到地震時，極易出現倒塌現象。基于此，對單層工業廠房橫向地震作用進行計算分析非常必要。

1單層工業廠房項目概述

某單層工業廠房為機加工車間改建項目，排架結構，該單層工業廠房內主要運行一輛8t中級工作制吊車。廠房為長58m的單跨等高鋼筋混凝土廠房，上柱高度為1.58m，下柱子高度為8.5m，柱子間距離均為5.8m，跨度為14.8m。廠房屋蓋采用預應力混凝土屋面板+C30鋼筋混凝土屋面梁結構，重力荷載折算為3.65kN/m2；圍護結構為磚墻+基礎梁形式，厚度為240mm；雪荷載為0.64kN/m2，活荷載為0.48kN/m2。設計基本加速度為0.14g，抗震設防烈度為7度，設計分組為第一組Ⅲ類場地。

2單層工業廠房橫向地震作用計算

（1）計算方法。依據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）可知，針對7度Ⅰ類、Ⅱ類場地及柱高低于10m、單元兩端均具有山墻的單跨、等高多跨廠房，可以不進行橫向抗震驗算。由上述描述可知，該單層工業廠房不符合免驗算標準，需要利用恰當方法進行橫向抗震作用計算[1]。針對混凝土有檁屋蓋廠房或者無檁屋蓋廠房，可以屋蓋的橫向彈性變形為對象，將其看作質點空間結構；而針對輕型屋蓋廠房，在其柱子間距相等時，可按照平面排架計算，并根據規范附錄J的條件規定，對排架柱地震剪力、彎矩進行調整。由于該單層工業廠房為輕型屋蓋廠房，且柱子間距相等，因此，應按照廠房平面排架進行計算，并依據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）附錄相關規定，對排架柱彎矩、地震剪力進行適當調整[2]。（2）計算過程依據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）相關要求可知，單層工業廠房橫向地震作用計算主要包括一般重力荷載計算、質點集中重力荷載代表值及等高廠房結構計算、排架基本周期計算、排架基本作用效應計算等內容[3]。首先，在一般重力荷載計算過程中，考慮到該單層工業廠房位于7度區，且屋蓋長度、跨度間比例小于8，可以根據前期數據，進行屋蓋結構重力荷載、雪荷載計算過程的簡單分析。其中屋蓋結構重力荷載Gw=屋蓋重力荷載×跨度×柱子間距離=3.65×14.8×5.8=313.316kN/m2；而雪荷載Gx=雪重力荷載×跨度×柱子間距離=0.64×14.8×5.8=54.938kN/m2。而柱子自重為上下柱子和，即Gg=0.4×0.7×8.5×25×2+0.4×0.4×1.58×25×2=131.64kN；吊車梁自重Gd及橋架自重Gq分別為58kN、143kN；圍護墻自重Gwh=5.24×10.3×5.8×2-5.24×1.5×（3.3+1.2）×2=626.0752-70.74=555.3352kN。其次，在質點集中重力荷載代表值及等高廠房結構計算時，可以設定全部結構重力荷載、雪荷載，隨周期內力等效原則集中匯聚至柱子頂高位置。隨后可以依據平面排架，進行質點集中重力荷載代表值計算。其中柱子頂標高位置基本周期為1倍的屋蓋結構重力荷載、1/2的雪荷載、1/2的吊車梁重力與1/4柱子自重、1/4圍護墻自重的和，最終結果為313.316×1+54.938×1/2+131.64×1/4+58×1/2+555.335×1/4=541.529kN。而地震作用計算時，可以將1倍的屋蓋結構重力荷載、1/2的雪荷載、3/4的吊車梁重力與1/2柱子自重、1/2圍護墻自重相加，最終結果為727.773kN。在這個基礎上，可以進行柱頂標高位置作用在一根柱子上吊車橋架重力荷載計算，柱頂標高位置作用在一根柱子上吊車橋架重力與一臺吊車輪壓作用在一側柱子牛腿上反力數值相等。根據吊車規格以及前期所提供輪間距離（為103cm），可以進行恰當計算，即Gi=Gg×（Gq÷4）÷103=45.69kN。最后，在排架基本周期計算時，考慮到上柱高度為1.58m，下柱子高度為8.5m，則柱子總高度為10.08m。此時，排架基本周期T0=G。上述公式中φ為基本周期調整系數，一般取0.8。根據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）5.2.5條可知，αmax、Tg分別為0.12、0.45，將其代入橫向水平地震計算公式后，柱頂位置橫向水平地震作用為49.65kN，排架底部總地震剪力為48.95kN，吊車梁面標高位置由吊車橋架引起的橫向水平地震作用為2.65kN。（3）地震作用效應調整及抗震結構設計。依據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）附錄J關于單層工業廠房橫向地震作用計算時排架的基本自振周期計算內容，可以根據單層工業廠房縱墻、屋架與柱連接的固結作用，進行恰當調整。即根據該單層工業廠房鋼筋混凝土結構與鋼屋架組成的排架特點，取周期計算值的80%～90%。其中在單層工業廠房存在縱墻時可取80%，反之則取90%。同時，由于該單層工業廠房位于7度區，且屋蓋長度（山墻到山墻的間距或僅一端有山墻時排架至山墻的距離）、跨度（高低跨相差較大時不含低跨）間比例小于8，可以將空間工作、扭轉影響考慮在內，將排架柱與相應調整系數相乘，同時將排架柱的彎矩與相應調整系數相乘。考慮到該單層工業廠房非高低跨交接位置上柱以外的鋼筋混凝土柱，該單層工業廠房長度為58m，為鋼筋混凝土無檁條屋蓋，可以根據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）附錄J.2.3-1“鋼筋混凝土柱（除高低跨交接位置上柱外）考慮空間工作和扭轉影響的效應調整系數”內容，選定考慮空間工作和扭轉影響的效應調整系數為0.75。則排架柱底部截面地震作用效應調整后為313.316×0.75=234.987kN，排架柱側向截面地震作用效應調整后為54.938×0.75=41.204。在空間工作調整系數確定后，根據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）中關于抗震設計“三個水準”目標（小震不壞、中震可修、大震不倒），可以進行防震縫、剛性柱腳的恰當設計。即為了保證遭受低于該地區抗震設防烈度的多遇地震影響時單層工業廠房主體結構不受損壞，或者不需修理后可繼續應用，則在單層工業廠房防震縫設計時，需要根據國家相關規范，在工業廠房高度達到20m以上時，保證防震縫寬度在20mm以上；而在工業廠房高度小于16m時，可以控制防震縫寬度在13mm以上。具體設計可以根據單層工業廠房實際情況恰當確定。同時在剛性柱腳設計過程中，應保證剛性柱腳在柱截面高度的2倍及以上，最大限度提升單層工業廠房的抗震性能。

3結束語

綜上所述，在我國經濟發展進程中，工業是支柱產業，工業廠房是工業發展過程中的基礎設施，工業廠房基礎結構功能狀態對工業生產效益具有直接的影響。受我國經濟發展歷史層面原因影響，單層工業廠房仍然是我國工業廠房的主體。因此，為了降低單層工業廠房運行過程中出現的坍塌風險，相關人員應根據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB50011—2010）要求，對單層工業廠房橫向地震作用進行預先計算，并根據計算結果調整地震剪力。

參考文獻：

[1]李永康,白薇.綠色工業建筑之鋼結構單層工業廠房結構設計探析[J].建筑結構,2016,46(S1):567-570.

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[3]朱健,趙均海,譚平,等.基于隨機模擬的單層工業廠房全壽命期地震成本研究[J].地震工程與工程振動,2018,38(1):51-64.

作者:張詩濤 單位:遼寧城建設計院有限公司