工业厂房横向地震作用计算分析

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摘要：单层工业厂房横向地震作用计算，是单层工业厂房抗震设计的重点内容。因此，文章以某单层工业厂房项目为例，依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）相关内容，对单层工业厂房横向地震作用进行了简单的计算分析。

关键词：单层工业厂房；横向地震作用；抗震设计

地震是自然界中一种不可抗拒的自然现象，不仅对人们的正常生产、生活造成了较大的不利影响，而且造成了较大的经济损失。单层工业厂房是我国覆盖资产最多、覆盖面积最大的结构之一，相较于其他类型建筑，具有突出的“空旷”感，其围护结构、屋盖系统、柱间均以节点连接成一个整体，在遇到地震时，极易出现倒塌现象。基于此，对单层工业厂房横向地震作用进行计算分析非常必要。

1单层工业厂房项目概述

某单层工业厂房为机加工车间改建项目，排架结构，该单层工业厂房内主要运行一辆8t中级工作制吊车。厂房为长58m的单跨等高钢筋混凝土厂房，上柱高度为1.58m，下柱子高度为8.5m，柱子间距离均为5.8m，跨度为14.8m。厂房屋盖采用预应力混凝土屋面板+C30钢筋混凝土屋面梁结构，重力荷载折算为3.65kN/m2；围护结构为砖墙+基础梁形式，厚度为240mm；雪荷载为0.64kN/m2，活荷载为0.48kN/m2。设计基本加速度为0.14g，抗震设防烈度为7度，设计分组为第一组Ⅲ类场地。

2单层工业厂房横向地震作用计算

（1）计算方法。依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）可知，针对7度Ⅰ类、Ⅱ类场地及柱高低于10m、单元两端均具有山墙的单跨、等高多跨厂房，可以不进行横向抗震验算。由上述描述可知，该单层工业厂房不符合免验算标准，需要利用恰当方法进行横向抗震作用计算[1]。针对混凝土有檩屋盖厂房或者无檩屋盖厂房，可以屋盖的横向弹性变形为对象，将其看作质点空间结构；而针对轻型屋盖厂房，在其柱子间距相等时，可按照平面排架计算，并根据规范附录J的条件规定，对排架柱地震剪力、弯矩进行调整。由于该单层工业厂房为轻型屋盖厂房，且柱子间距相等，因此，应按照厂房平面排架进行计算，并依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）附录相关规定，对排架柱弯矩、地震剪力进行适当调整[2]。（2）计算过程依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）相关要求可知，单层工业厂房横向地震作用计算主要包括一般重力荷载计算、质点集中重力荷载代表值及等高厂房结构计算、排架基本周期计算、排架基本作用效应计算等内容[3]。首先，在一般重力荷载计算过程中，考虑到该单层工业厂房位于7度区，且屋盖长度、跨度间比例小于8，可以根据前期数据，进行屋盖结构重力荷载、雪荷载计算过程的简单分析。其中屋盖结构重力荷载Gw=屋盖重力荷载×跨度×柱子间距离=3.65×14.8×5.8=313.316kN/m2；而雪荷载Gx=雪重力荷载×跨度×柱子间距离=0.64×14.8×5.8=54.938kN/m2。而柱子自重为上下柱子和，即Gg=0.4×0.7×8.5×25×2+0.4×0.4×1.58×25×2=131.64kN；吊车梁自重Gd及桥架自重Gq分别为58kN、143kN；围护墙自重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，在质点集中重力荷载代表值及等高厂房结构计算时，可以设定全部结构重力荷载、雪荷载，随周期内力等效原则集中汇聚至柱子顶高位置。随后可以依据平面排架，进行质点集中重力荷载代表值计算。其中柱子顶标高位置基本周期为1倍的屋盖结构重力荷载、1/2的雪荷载、1/2的吊车梁重力与1/4柱子自重、1/4围护墙自重的和，最终结果为313.316×1+54.938×1/2+131.64×1/4+58×1/2+555.335×1/4=541.529kN。而地震作用计算时，可以将1倍的屋盖结构重力荷载、1/2的雪荷载、3/4的吊车梁重力与1/2柱子自重、1/2围护墙自重相加，最终结果为727.773kN。在这个基础上，可以进行柱顶标高位置作用在一根柱子上吊车桥架重力荷载计算，柱顶标高位置作用在一根柱子上吊车桥架重力与一台吊车轮压作用在一侧柱子牛腿上反力数值相等。根据吊车规格以及前期所提供轮间距离（为103cm），可以进行恰当计算，即Gi=Gg×（Gq÷4）÷103=45.69kN。最后，在排架基本周期计算时，考虑到上柱高度为1.58m，下柱子高度为8.5m，则柱子总高度为10.08m。此时，排架基本周期T0=G。上述公式中φ为基本周期调整系数，一般取0.8。根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）5.2.5条可知，αmax、Tg分别为0.12、0.45，将其代入横向水平地震计算公式后，柱顶位置横向水平地震作用为49.65kN，排架底部总地震剪力为48.95kN，吊车梁面标高位置由吊车桥架引起的横向水平地震作用为2.65kN。（3）地震作用效应调整及抗震结构设计。依据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）附录J关于单层工业厂房横向地震作用计算时排架的基本自振周期计算内容，可以根据单层工业厂房纵墙、屋架与柱连接的固结作用，进行恰当调整。即根据该单层工业厂房钢筋混凝土结构与钢屋架组成的排架特点，取周期计算值的80%～90%。其中在单层工业厂房存在纵墙时可取80%，反之则取90%。同时，由于该单层工业厂房位于7度区，且屋盖长度（山墙到山墙的间距或仅一端有山墙时排架至山墙的距离）、跨度（高低跨相差较大时不含低跨）间比例小于8，可以将空间工作、扭转影响考虑在内，将排架柱与相应调整系数相乘，同时将排架柱的弯矩与相应调整系数相乘。考虑到该单层工业厂房非高低跨交接位置上柱以外的钢筋混凝土柱，该单层工业厂房长度为58m，为钢筋混凝土无檩条屋盖，可以根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）附录J.2.3-1“钢筋混凝土柱（除高低跨交接位置上柱外）考虑空间工作和扭转影响的效应调整系数”内容，选定考虑空间工作和扭转影响的效应调整系数为0.75。则排架柱底部截面地震作用效应调整后为313.316×0.75=234.987kN，排架柱侧向截面地震作用效应调整后为54.938×0.75=41.204。在空间工作调整系数确定后，根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）中关于抗震设计“三个水准”目标（小震不坏、中震可修、大震不倒），可以进行防震缝、刚性柱脚的恰当设计。即为了保证遭受低于该地区抗震设防烈度的多遇地震影响时单层工业厂房主体结构不受损坏，或者不需修理后可继续应用，则在单层工业厂房防震缝设计时，需要根据国家相关规范，在工业厂房高度达到20m以上时，保证防震缝宽度在20mm以上；而在工业厂房高度小于16m时，可以控制防震缝宽度在13mm以上。具体设计可以根据单层工业厂房实际情况恰当确定。同时在刚性柱脚设计过程中，应保证刚性柱脚在柱截面高度的2倍及以上，最大限度提升单层工业厂房的抗震性能。

3结束语

综上所述，在我国经济发展进程中，工业是支柱产业，工业厂房是工业发展过程中的基础设施，工业厂房基础结构功能状态对工业生产效益具有直接的影响。受我国经济发展历史层面原因影响，单层工业厂房仍然是我国工业厂房的主体。因此，为了降低单层工业厂房运行过程中出现的坍塌风险，相关人员应根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB50011—2010）要求，对单层工业厂房横向地震作用进行预先计算，并根据计算结果调整地震剪力。

参考文献：

[1]李永康,白薇.绿色工业建筑之钢结构单层工业厂房结构设计探析[J].建筑结构,2016,46(S1):567-570.

[2]杜一鹏,郝际平,于金光,等.钢板剪力墙结构抗震加固后性能试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2019,49(3):420-426.

[3]朱健,赵均海,谭平,等.基于随机模拟的单层工业厂房全寿命期地震成本研究[J].地震工程与工程振动,2018,38(1):51-64.

作者:张诗涛 单位:辽宁城建设计院有限公司