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1、第7章 单层厂房抗震设计,返回总目录,教学提示：单层厂房在我国工业企业中被广泛应用，其地震作用分析应考虑屋盖平面内的弹性变形和山墙可能引起的扭转。本章介绍以空间分析为基础的简化计算方法。教学要求：本章要求学生了解单层厂房震害特点、抗震规定、抗震计算要点及构造措施。,单层厂房包括单层砖结构厂房、单层钢筋混凝土柱厂房和单层钢结构厂房等结构类型，本章介绍前两种。单层砖结构厂房是指以砖柱(墙)承重的中小型厂房。单层钢筋混凝土柱厂房指工业建筑中采用比较普遍的装配式单层钢筋混凝土柱厂房，且厂房内多设置桥式吊车。虽然单层砖结构厂房和单层钢筋混凝土柱厂房的震害表现有所不同，但由于两者的抗震设计方法有共同之处，
2、故本章将这两种类型的厂房一起叙述。,7.1 震害及其分析7.2 抗震设计的一般规定7.3 单层厂房抗震计算7.4 构 造 要 求7.5 计 算 实 例7.6 习 题,本章内容,7.1 震害及其分析,7.1.1 单层砖结构厂房 震害调查表明，7度区未经抗震设防的单层砖结构厂房多数只有轻微的破坏或基本完好，少数为中等破坏；8度区的厂房多数受到不同程度的破坏，部分受到中等破坏，个别倒塌；9度区的厂房大多数有严重破坏和倒塌，只有个别能在震后保留下来。其震害主要表现如下。1.纵墙水平裂缝、砖垛折断、山墙斜裂缝或交叉裂缝 单层砖结构厂房纵墙产生水平裂缝、砖垛折断是一种普遍的震害现象。纵墙在窗台和勒脚附近产
3、生水平裂缝，随着地震烈度的增高，此裂缝会加宽外，还会逐渐向两端山墙延伸而加长，甚至使纵墙折断，房屋倒塌。例如，在7度区，这种水平裂缝、砖垛破损仅限于房屋的中间部分；而在8度区则延伸至离山墙将近两个开间(8 m10 m)；在9度区，水平裂缝可能一直延伸到山墙处，且裂缝的数量增加、宽度加大，直到纵墙折断。设有吊车梁的单层砖柱厂房，因受到吊车尺寸的限制，一般采用变截面柱，上阶柱截面较小，下阶柱截面较大。这时，砖柱的上阶柱内侧因弯曲受压破坏是一种较普遍的现象。9 度区不少有吊车的厂房因上柱根部被压坏，导致上柱折断，屋盖塌落。在强震区，采用钢筋混凝土屋盖，且山墙间距不很大时，山墙将出现较严重的斜裂缝和交
4、叉裂缝，如图7.1所示。,上述震害特点基本上反映了在横向地震作用下单层砖结构厂房的受力性质。由于这类房屋缺少横墙拉结，特别是山墙或横墙间距较大的有檩体系屋盖房屋，屋盖整体性较差，横向地震作用主要由组成排架的纵墙承受，所以纵墙震害较重。而在强震区，当采用钢筋混凝土屋盖，且山墙或横墙的间距不大时，屋盖的整体性较强，厂房的空间作用比较显著；这时，山墙将承受由屋盖传来较强的横向地震作用。当传至山墙或横墙上的横向地震作用超过山(横)墙的抗剪承载力时，墙体就会产生斜裂缝。由于地震的往复作用，墙体上产生的裂缝往往是交叉型的。图7.1 山墙裂缝,7.1 震害及其分析,7.1 震害及其分析,2.山墙水平裂缝、外
5、闪和倒塌，纵墙斜裂缝或交叉裂缝 对于单层砖结构厂房，当地震作用垂直于山墙时，它的震害主要表现为：山墙出现水平裂缝和外闪，山墙尖部乃至整片山墙倒塌，以及纵墙产生斜裂缝或交叉裂缝。造成这种震害的主要原因是，山墙与屋盖缺少必要的锚固措施，山墙处于悬臂状态，在纵向地震作用下产生很大的出水平变位，致使山墙顶部砌体失去抗震能力而倒塌。在9度区，山墙承受强烈的地震作用，产生上述震害不仅是由于顶部锚固不足，而且也是由于山墙砌体包括壁柱强度不足而引起破坏的。纵墙的斜裂缝或交叉裂缝，多发生在强震区，这是由于强烈的地震作用，纵墙在薄弱截面内的地震剪力超过砌体的抗剪承载能力而引起的。3.屋架支座联结处的局部破坏 单层
6、砖结构厂房中，由于屋架与砖柱(墙)没有可靠的锚固措施，地震时锚固螺栓被拔出，使屋架移动造成屋架与砖柱(墙)联结处的局部破坏。,装配式单层钢筋混凝土柱厂房的震害一般表现是：6度、7度地震区主体结构完好，少数围护砖墙开裂外闪，个别围护砖墙倒塌，突出屋面的形天窗架局部损坏；在8度区，随着场地类别的不同，主体结构有不同程度破坏，与柱和屋盖拉结不好的围护墙大面积倒塌，形天窗架大量倾倒，有的重屋盖厂房屋盖塌落；在9度区(特别是第、类场地)主体结构破坏严重。砌体围护结构大量倒塌，形天窗架普遍倾倒，不少长房屋盖塌落；在10度、11度地区，许多厂房倾倒毁坏。不少震害资料还表明，震害的轻重与场地类别密切相关。当结
7、构自振周期与场地卓越周期相接近时，建筑物与地基土产生类似共振现象，震害加重。单层钢筋混凝土厂房纵向抗震能力较差。此外还存在一些构件间联结构造单薄、支撑系统较弱、构件强度不足等薄弱环节，当发生地震时首先破坏。钢筋混凝土单层厂房其主要震害表现如下。,7.1.2 单层钢筋混凝土柱厂房,7.1 震害及其分析,1.屋盖体系 屋盖体系在7度区基本完好，仅在个别柱间支撑处由于地震剪力的累积效应而出现屋面板支座酥裂；8度区发生屋面板错动、移位、震落，造成屋盖局部倒塌；9度区发生屋盖倾斜、位移，屋盖有部分塌落，屋面板大量开裂、错位；9度以上地震区则发生屋盖大面积倒塌。(1)屋面板。由于屋面板端部预埋件小，且预应
8、力屋面板的预埋件又未与板肋内主钢筋 焊接，加之施工中有的屋面板搁置长度不足、屋顶板与屋架的焊点数不足、焊接质量差、板间没有灌缝或灌缝质量很差等连接不牢的原因，造成地震时屋面板焊缝拉开，屋面板滑脱，以致部分或全部屋面板倒塌。(2)天窗架。天窗架主要有式天窗和井式(下沉式)天窗架二种。井式天窗由于降低了厂房的高度，在7度、8度区一般无震害。目前大量采用的式天窗架，地震时震害普遍。7度区出现天窗架立柱与侧板连接处及立柱与天窗架垂直支撑连接处混凝土开裂的现象；8度区上述裂缝贯穿全截面。天窗架立柱底部折断倒塌；9度、l0度区式天窗架大面积倾倒。式天窗架的震害如此严重，主要原因是：门形天窗架突出在屋面上，
9、受到经过主体建筑放大后的地震加速度而强化、激励产生显著的鞭梢效应，随着突出得越高，地震作用也越大。特别是天窗架上的屋面板与屋架上的屋面板不在同一标高，在厂房纵向振动时产生高振型的影响，一旦支撑失效，地震作用全部由天窗架承受，而天窗架在本身平面外的刚度差，强度低联结弱而引起天窗架破坏。此外天窗架垂直支撑布置不合理或不足，也是主要原因。,7.1 震害及其分析,7.1 震害及其分析,(3)屋架。主要震害发生在屋架与柱的连接部位、屋架与屋面板的焊接处出现混凝土开裂，预埋件拔出等；而当屋架与柱的连接破坏时，有可能导致屋架从柱顶塌落。设计中加强连接，保证埋件的锚固长度是十分重要的。当屋架高度较大，而两端又
10、未设垂直支撑，或砖墙未能起到支撑作用时，屋架有可能发生倾倒。(4)支撑。在厂房支撑系统中，主要震害是支撑失稳弯曲，进而造成屋面的破坏或屋面倒塌。在支撑系统震害中，尤以天窗架垂直支撑最为严重，其次是屋盖垂直支撑和柱间支撑。在一般情况下，设计时只按构造设置支撑，可能出现间距过大、支撑数量不足、形式不尽合理、杆件刚度偏弱、承效力偏低、节点构造单薄等情况。地震时普遍发生杆件压曲、焊缝撕开、锚件拉脱、钢筋拉断、杆件拉断等现象。致使支撑部分失效或完全失效，从而造成主体结构错位或倾倒。有时因支撑间距过大而造成撑杆对厂房主体结构的应力集中，也可能导致主体结构的破坏。,2.钢筋混凝土柱一般情况下，钢筋混凝土柱具
11、有一定的抗震能力，但它的局部震害是普遍的，有时甚至是严重的。钢筋混凝土柱在7度区基本完好；在8度、9度区一般破坏较轻，个别发现有上柱根部折断震害；在10度、11度区有部分厂房发生倾倒。钢筋混凝土柱的破坏主要发生在上柱与下柱的变截面处，出于截面刚度突然变化。产生应力集中而出现水平裂缝、酥裂或折断。没有柱间支撑的厂房，在8度以上地区，柱间支撑有可能被压屈，甚至在柱的根部将柱剪断，钢筋折弯错位。高低跨厂房在支承高低跨屋架的中柱，由于高振型的影响受二侧屋盖相反的地震作用的冲击，发生弯曲或剪切裂缝，如图7.2所示。低跨承受屋架的牛腿，有时被拉裂出现劈裂裂缝，如图7.3所示。,有的厂房在柱间下部有矮墙，在
12、纵向地震力作用下，柱受剪切破坏，出现水平断裂。平腹杆双肢柱由于刚度较小和腹杆的构造单薄，在平腹杆两端多出现环形裂缝。开孔的预制腹板工字形柱，在腹板孔间有时产生交叉裂缝。,图7.2 混凝土柱剪切裂缝,图7.3 混凝土柱劈裂裂缝,7.1 震害及其分析,3.围护墙凡排架柱与砖砌体围护墙有良好拉结时，如柱内伸出足量的钢筋伸入墙内，则围护墙的震害一般较轻；嵌砌在柱间的砖墙其震害较贴砌在柱边的震害轻。在7度区其围护墙基本完好或者轻微破坏，少量开裂、外闪；8度区破坏十分普遍；9度区破坏严重，部分倒塌或大量倒塌。纵、横墙的破坏，一般从檐口、山尖处脱离主体结构开始，进一步使整个墙体或上下两层圈梁间的墙体外闪或产
13、生水平裂缝。严重时，局部脱落，甚至于大面积的倒塌。此外，伸缩缝两侧砖墙由于缝宽较小而往往发生相互撞击，造成局部破坏。,7.1 震害及其分析,4.山墙和封檐墙的破坏地震区山墙破坏的情况很多，一种是高大山墙，由于扶墙梁柱未通到墙顶，在扶墙垛中断处，墙体出现断裂；另一种是山墙开门窗洞口较大，山墙削弱过多，特别是开洞面积超过全面积的一半以上时，山墙上裂缝较多。地震中许多砖砌山墙整片或山尖部分倒塌，无端屋架时，连同第一跨的屋面板一起倒塌；有端屋架时，山墙倒塌，但屋盖完好。屋盖与山墙的连接处，有的由于搁置长度较短而使山墙外倾。在有端屋架的单层厂房中，山墙与屋面板的连接更差，因此亦常常在此处遭到破坏。在锯齿
14、形屋盖的单层厂房中，破坏常常发生在锯齿形山墙的下边，由于屋面与山墙在地震中的振动频率不同，斜角山墙下部受弯破坏明显，有的山墙在此处倒塌。地震区封檐墙破坏的例子更多，主要在高低跨相接处的封檐墙、厂房檐口的封檐墙及女儿墙等。封檐墙由于突出于屋面，墙体有时较高，与下部无锚固，在地震时动力放大效应明显，因此，往往首先遭到破坏。倒塌的封檐墙常常把副跨屋面结构砸坏，造成严重的次生灾害。,7.1 震害及其分析,5.厂房与生活间相接处的破坏 钢筋混凝土柱单层厂房为较柔的结构体系，而车间的生活间(如办公室、附属用房等)常常是刚性砖混结构，二者刚度相差悬殊，自振频率和变形极不一致。在设计生活间时，往往利用厂房的山
15、墙或纵墙作为生活间墙体的一边，有的承重构件就直接伸入该墙。因此地震时该处普遍遭破坏。破坏现象主要表现为山墙与生活间脱开或互撞，生活间的承重构件拔出，山墙上有通长或局部的水平裂缝等。,7.1 震害及其分析,7.2.1 单层砖结构厂房1.厂房的结构平面布置(1)多跨厂房宜等高和等长。(2)厂房的贴建房屋和构筑物，不宜布置在厂房角部和紧邻防震缝处。(3)厂房体型复杂或有贴建房屋和构筑物时，宜设防震缝；在厂房纵横跨交接处、大柱网厂房或不设柱间支撑的厂房，防震缝宽度可采用50 mm70 mm。(4)两个主厂房之间的过渡跨至少应有一侧采用防震缝与主厂房脱开。(5)厂房内上吊车的铁梯不应靠近防震缝设置；多跨
16、厂房各跨上吊车的铁梯不宜设置在同一横向轴线附近。(6)工作平台宜与厂房主体结构脱开。(7)厂房的同一结构单元内，不应采用不同的结构形式；厂房端部应设屋架，不应采用山墙承重；厂房单元内不应采用横墙和排架混合承重。(8)厂房各柱列的侧移刚度宜均匀。,7.2 抗震设计的一般规定,7.2.2 单层钢筋混凝土柱厂房1.厂房的结构平面布置厂房的平立面布置，与单层砖结构厂房的结构平面布置要求相同，但防震缝的设置，应符合下列要求。厂房体型复杂或有贴建房屋和构筑物时，宜设防震缝；在厂房纵横跨交接处、大柱 网厂房或不设柱间支撑的厂房，防震缝宽度可采用100 mm150 mm，其他情况可采用 50 mm90 mm。
17、2.厂房天窗架的设置(1)天窗宜采用突出屋面较小的避风型天窗，有条件或9度时宜采用下沉式天窗。(2)突出屋面的天窗宜采用钢天窗架；6度8度时，可采用矩形截面杆件的钢筋混凝土天窗架。(3)8度和9度时，天窗架宜从厂房单元端部第三柱间开始设置。(4)天窗屋盖、端壁板和侧板，宜采用轻型板材。,7.2 抗震设计的一般规定,7.2 抗震设计的一般规定,3.厂房屋架的设置(1)厂房宜采用钢屋架或重心较低的预应力混凝土、钢筋混凝土屋架。(2)跨度不大于15 m时，可采用钢筋混凝土屋面梁。(3)跨度大于24 m时，或8度、类场地和9度时，应优先采用钢屋架。(4)柱距为12 m时，可采用预应力混凝土托架(梁)；
18、当采用钢屋架时，亦可采用钢托架(梁)。(5)有突出屋面天窗架的屋盖不宜采用预应力混凝土或钢筋混凝土空腹屋架。4.厂房柱的设置(1)8度和9度时，宜采用矩形、工字形截面柱或斜腹杆双肢柱，不宜采用薄壁工字形柱、腹板开孔工字形柱、预制腹板的工字形柱和管柱。(2)柱底至地坪以上500 mm范围内和阶形柱的上柱宜采用矩形柱截面。,5.厂房围护墙和女儿墙的设置建筑结构中，设置连接幕墙、围护墙、隔墙、女儿墙、雨篷、商标、广告牌、顶篷支架、大型储物架等建筑非结构构件的预埋件、锚固件的部位，应采取加强措施，以承受建筑非结构构件传给主体结构的地震作用。非承重墙体的材料、选型和布置，应根据烈度、房屋高度、建筑体型、
19、结构层间变形、墙体自身抗侧力性能的利用等因素，经综合分析后确定。(1)墙体材料的选用应符合如下要求。混凝土结构和钢结构的非承重墙体应优先采用轻质墙体材料。单层钢筋混凝土柱厂房的围护墙宜采用轻质墙板，或钢筋混凝土大型墙板外侧柱距为12 m时，应采用轻质墙板或钢筋混凝土大型墙板；不等高厂房的高跨封墙和纵横向厂房交接处的悬墙宜采用轻质墙板，8度、9度时应采用轻质墙板。(2)刚性非承重墙体的布置，应避免使结构形成刚度和强度分布上的突变。单层钢筋混凝土柱厂房的刚性围护墙沿纵向宜均匀对称布置。(3)墙体与主体结构应有可靠的拉结，应能适应主体结构不同方向的层间位移；8度、9度时应具有满足层间变位的变形能力；
20、与悬挑构件相连接时，尚应具有满足节点转动引起的竖向变形的能力。,7.2 抗震设计的一般规定,(4)外墙板的连接件应具有足够的延性和适当的转动能力，宜满足在设防烈度下主体结构层间变形的要求。(5)砌体墙应采取措施减少对主体结构的不利影响，并应设置拉结筋水平系梁、圈、梁构造柱等与主体结构可靠拉结。后砌的非承重隔墙应沿墙高每隔500 mm配置2拉结钢筋与承重墙或柱拉结，每边伸入墙内不应少于500 mm；8度和9度时，长度大于5 m的后砌隔墙，墙顶尚应与楼板或梁拉结。钢筋混凝土结构中的砌体填充墙，宜与柱脱开或采用柔性连接，并应符合下列要求：填充墙在平面和竖向的布置，宜均匀对称，宜避免形成薄弱层或短柱；
21、砌体的砂浆强度等级不应低于M5，墙顶应与梁密切结合；填充墙应沿框架柱全高每隔500 mm设拉筋，拉筋伸入墙内的长度6度、7度时不应小于墙长的1/5且不小于700 mm，8度、9度时宜沿墙全长贯通；墙长大于5 m时，墙顶与梁宜有拉结；墙长超过层高2倍时宜设置钢筋混凝土构造柱；墙高超过4 m时，墙体半高宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。,7.2 抗震设计的一般规定,7.2 抗震设计的一般规定,(6)单层钢筋混凝土柱厂房的砌体隔墙和围护墙应符合下列要求。砌体隔墙与柱宜脱开或柔性连接，并应采取措施使墙体稳定，隔墙顶部应设现浇钢筋混凝土压顶梁。厂房的砌体围护墙宜采用外贴式并与柱可靠拉结；
22、不等高厂房的高跨封墙和纵横向厂房交接处的悬墙采用砌体时，不应直接砌在低跨屋盖上。砌体围护墙在下列部位应设置现浇钢筋混凝土圈梁：梯形屋架端部上弦和柱顶的标高处应各设一道，但屋架端部高度不大于900 mm时可合并设置。8度和9度时，应按上密下稀的原则每隔4 m左右在窗顶增设一道圈梁，不等高厂房的高低跨封墙和纵墙跨交接处的悬墙，圈梁的竖向间距不应大于3 m。山墙沿屋面应设钢筋混凝土卧梁并应与屋架端部上弦标高处的圈梁连接。,(7)圈梁的构造应符合下列规定。圈梁宜闭合，圈梁截面宽度宜与墙厚相同，截面高度不应小于180 mm；圈梁的纵筋，6度8度时不应少于，9度时不应少于。厂房转角处柱顶圈梁在端开间范围内
23、的纵筋，6度8度时不宜少于，9度时不宜少于，转角两侧各1m范围内的箍筋直径不宜小于8，间距不宜大于100 mm；圈梁转角处应增设不少于3根且直径与纵筋相同的水平斜筋。圈梁应与柱或屋架牢固连接，山墙卧梁应与屋面板拉结；顶部圈梁与柱或屋架连接的锚拉钢筋不宜少于，且锚固长度不宜少于35 倍钢筋直径，防震缝处圈梁与柱或屋架的拉结宜加强。8度、类场地和9度时，砖围护墙下的预制基础梁应采用现浇接头；当另设条形基础时，在柱基础顶面标高处应设置连续的现浇钢筋混凝土圈梁，其配筋不应少于。墙梁宜采用现浇，当采用预制墙梁时，梁底应与砖墙顶面牢固拉结并应与柱锚拉；厂房转角处相邻的墙梁，应相互可靠连接。,7.2 抗震设
24、计的一般规定,(8)砌体女儿墙在人流出入口应与主体结构锚固；防震缝处应留有足够的宽度，缝两侧的自由端应予以加强。(9)各类顶棚的构件与楼板的连接件，应能承受顶棚、悬挂重物和有关机电设施的自重和地震附加作用；其锚固的承载力应大于连接件的承载力。(10)悬挑雨篷或一端由柱支承的雨篷，应与主体结构可靠连接。(11)玻璃幕墙、预制墙板、附属于楼屋面的悬臂构件和大型储物架的抗震构造，应符合相关专门标准的规定。,7.2 抗震设计的一般规定,单层钢筋混凝土柱厂房计算包括横向和纵向两个方向的计算。GB 500112001建筑抗震设计规范规定，混凝土无檩和有檩屋盖厂房一般情况下，宜计及屋盖的横向弹性变形，按多质
25、点空间结构分析；当符合一定的条件时，可按平面排架计算。本节仅介绍横、纵向抗震计算简化方法。大量震害调查表明，在7度、类场地，柱高不超过10m且结构单元两端均有山墙的单跨及等高多跨厂房(锯齿形厂房除外)，当按建筑抗震设计规范规定采取抗震构造措施时，主体结构无明显震害，故可不进行横向及纵向的截面抗震验算。,7.3 单层厂房抗震计算,7.3.1 横向计算1.计算简图及质点等效重力荷载标准值 进行单层厂房横向计算时，取一榀排架作为计算单元，它的动力分析计算简图，可根据厂房类型的不同，取为质量集中在不同标高屋盖处的下端固定于基础顶面的弹性竖直杆。这样，对于单跨和多跨等高厂房，可简化为单质点体系，如图7.
26、4(a)所示；两跨不等高厂房，可简化为二质点体系，如图7.4(b)所示；三跨不对称升高中跨厂房，可简化为三质点体系，如图7.4(c)所示。,7.3 单层厂房抗震计算,(1)计算厂房自振周期时，集中于屋盖标高处质点等效重力荷载标准值，可按下式计算：单跨和多跨等高厂房，如图7.4(a)所示。多跨不等高厂房，如图7.4(b)所示。(7-2b)上面各式中，等均为重力荷载代表值(屋盖的重力荷载代表值包括作用于屋盖处的恒载和檐墙的重力荷载代表值)。上面还假定高低跨交接柱上柱的各一半分别集中于低跨和高跨屋盖处。,7.3 单层厂房抗震计算,7.3 单层厂房抗震计算,(a)单跨和多跨等高厂房排架计算简图,(b)
27、两跨不等高厂房排架计算简图,(c)三跨不对称升高中跨厂房排架计算简图,图7.4 排架计算简图,当确定厂房自振周期考虑吊车桥架的影响时，则桥架对厂房横向排架起撑杆作用，使排架的横向刚度增大；而桥架重量又使周期等效重量增大。上述两种影响相互抵消，则考虑吊车桥架时的厂房横向基本周期小于或等于无吊车桥架时的基本周期，两者的变化幅度不大。为简化计算，确定厂房自振周期时，一般可不考虑吊车桥架刚度和重量的影响。(2)计算地震作用时，集中于屋盖标高处质点等效重力荷载标准值，可按下式计算。单跨和多跨等高厂房，如图7.4(a)所示。,7.3 单层厂房抗震计算,多跨不等高厂房，如图7.4(b)所示。,应当指出，房屋
28、的质量是连续分布的。当采用上述有限自由度的模型时，将不同处的质量折算入总质量时需乘以该处的质量折算系数。质量折算系数应根据一定的原则制定。如计算上述结构动力特性时，根据的是“周期等效”原则；计算上述结构地震作用时，根据的是排架柱底“弯矩相等”原则。计算结果表明，这样处理，计算误差不大，并不影响抗震计算所要求的精确度。,7.3 单层厂房抗震计算,为了方便应用，将质量折算系数汇总于表7-1，供参阅。表7-1 质量折算系数,7.3 单层厂房抗震计算,7.3 单层厂房抗震计算,(1)单跨和等高多跨厂房。如上所述，这类厂房可将其简化为单质点体系。它的横向基本周期可按下式(7-5a)计算：式中：集中于屋盖
29、处重力荷载代表值(kN)；作用于排架顶部的单位水平力在该处引起的位移(m/kN)，如图7.5(a)所示。,(a)单位水平力在排架顶部引起的位移,(b)a柱柱顶作用单位水平力该处引起的位移,图7.5 单跨排架横梁内力图,由图7.5可知：(7-5b)式中：排架横梁的内力(kN)；在a柱柱顶作用单位水平力时，该处引起的位移(m/kN)，如图7.5(b)所示。(2)两跨不等高厂房。计算这类厂房的横向基本周期时，一般可简化为二质点体系，其基本周期可按下式计算：,7.3 单层厂房抗震计算,(7-6)(7-7),式中：分别集中于屋盖1处和2处重力荷载代表值(kN)；作用于屋盖1处的单位水平力在该处引起的位移
30、；分别作用于屋盖1处和2处的单位水平力使屋盖1和2在该处引起的位移；作用于屋盖2处的单位水平力在该处引起的位移，如图7.6(a)所示。,(7-8),7.3 单层厂房抗震计算,式中：单位水平力作用于屋盖1处在横梁1和2内引起的内力；单位水平力作用于屋盖2处在横梁1和2内引起的内力；单位水平力分别作用于单根柱a、c柱顶时，在该处引起的位移，如 图7.6(b)所示。,(a)单位水平力作用于屋盖(b)单位水平力分别作用于a、c柱顶,图7.6 两跨不等高排架横梁内力,7.3 单层厂房抗震计算,(3)三跨不对称带升高中跨厂房。计算这类厂房的横向基本周期时，一般可简化为三质点体系，如图7.7所示，其基本周期
31、可按下式计算：,(7-9),(7-10),7.3 单层厂房抗震计算,(7-11),(a)单位水平力作用于屋盖,7.3 单层厂房抗震计算,(b)单位水平力分别作用于a、b、c柱顶图7.7 三跨不等高排架横梁内力,7.3 单层厂房抗震计算,3.横向自振周期的修正按平面排架计算厂房的横向地震作用时，排架的基本自振周期应考虑纵墙及屋架与柱连接的固结作用，可按下列规定进行调整。(1)由钢筋混凝土屋架或钢屋架与钢筋混凝土柱组成的排架，有纵墙时取周期计算值的80%，无纵墙时取90%。(2)由钢筋混凝土屋架或钢屋架与砖柱组成的排架，取周期计算值的90%。(3)由木屋架、钢木屋架或轻钢屋架与砖柱组成排架，取周期
32、计算值。,7.3 单层厂房抗震计算,4.排架地震作用的计算用底部剪力法计算地震作用时，总地震作用的标准值为(7-12)式中：结构总水平地震作用标准值；相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值；结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总重力荷载代表值的85%。(2)质点的水平地震作用的标准值为(7-13)式中：质点i的水平地震作用标准值；分别为集中于质点、的重力荷载代表值；分别为质点的、计算高度；,7.3 单层厂房抗震计算,5.地震作用的空间作用 单层工业厂房的纵向系统一般包括屋盖、纵向支撑、吊车梁等。纵墙一方面增大横向排架的刚度，另一方面也起着纵向联系作用。因此，各横向排架
33、是互相联系和互相制约的，它们与纵向系统一起组成一个复杂的空间体系。我们把这种互相制约的影响叫做厂房的空间作用。在地震作用下，厂房将产生整体振动。若将钢筋混凝土屋盖视为具有很大水平刚度、支承在若干弹性支承上的连续梁，在横向水平地震作用，只要各弹性支承(即排架)的刚度相同，屋盖沿纵向质量分布也较均匀，各排架亦有同样的柱顶位移，则可认为无空间作用影响。只有当厂房两端无山墙(中间亦无横墙)时，厂房的整体振动(第一振型)才接近单片排架的平面振动，如图7.8(a)所示。当厂房两端有山墙，如图7.8(b)所示，且山墙在其平面内刚度很大时，作用于屋盖平面内的地震作用将部分地通过屋盖传给山墙，因而排架所受的地震
34、作用将有所减少。山墙的侧移可近似为零，厂房各排架的侧移将不相等，中间排架处柱顶的侧移最大，即厂房存在空间工作。此时各排架实际承受的地震作用将比按平面排架计算的小。因此，按平面排架简化求得的排架地震作用必须进行调整。如果厂房仅一端有山墙，或虽然两端有山墙，但两山墙的抗侧移刚度相差很大时，厂房的整体振动将复杂化，除了有空间作用影响外，还会出现较大的平面扭转效应，使得排架各柱的柱顶侧移均不相同，如图7.8(c)所示。在弹性阶段排架承受的地震作用正比于柱顶侧移，既然在空间作用时排架的柱顶的侧移小于无空间作用时排架柱顶侧移，在有扭转作用时有的排架柱顶侧移又大于无空间作用时排架柱顶侧移。因此，按平面排架简
35、图求得的排架地震作用必须进行调整。,7.3 单层厂房抗震计算,GB 500112001建筑抗震设计规范考虑厂房空间作用和扭转影响，是通过对平面排架地震效应(弯矩、剪力)的折减来体现的。为了方便应用，将质量折算系数汇总于表7-2、表7-3，供参阅。(a)两端无山墙时(b)两端有山墙时(c)一端有山墙时 图7.8 厂房屋盖的变形图,7.3 单层厂房抗震计算,表7-2 钢筋混凝土柱(除高低跨交接处上柱除外)考虑空间作用和扭转影响的效应调整系数,7.3 单层厂房抗震计算,表7-3 砖柱考虑空间作用的效应调整系数,7.3 单层厂房抗震计算,应当指出，空间作用和扭转影响的效应调整系数，有其一定的适用条件。
36、应用时要符合下列条件的要求。(1)钢筋混凝土屋盖的单层钢筋混凝柱厂房。7度和8度抗震烈度。厂房单元屋盖长度与总跨度之比小于8或厂房总跨度大于12 m。山墙的厚度不小于240 mm，开洞所占的水平截面积不超过总面积50%，并与屋盖系统有良好的连接。柱顶高度不大于15 m。屋盖长度指山墙到山墙的间距，仅一端有山墙时，应取所考虑排架至山墙的距离；高低跨相差较大的不等高厂房，总跨度可不包括低跨。(2)钢筋混凝土屋盖和密铺望板瓦木屋盖的单层砖柱厂房。7度和8度抗震烈度。两端均有承重山墙。山墙或承重(抗震)横墙的厚度不小于240 mm，开洞所占的水平截面积不超过总面积50%，并与屋盖系统有良好的连接。山墙
37、或承重(抗震)横墙的长度不宜小于其高度。单元屋盖长度与总跨度之比小于8或厂房总跨度大于12 m。屋盖长度指山墙到山墙或承重(抗震)横墙的间距。,7.3 单层厂房抗震计算,6.排架内力组合在求得地震作用后，便可将作用于排架上的地震作用视为静力荷载，作用于排架相应的位置，然后按结构力学的方法对此平面排架进行内力分析，求出各主控制裁面的地震作用效应。但对某几处截面内力还应作相应修正。(1)高低跨交接处的钢筋混凝土柱内力调整。在排架高低跨交接处的支承低跨屋盖牛腿以上各截面，按底部剪力法求得的地震剪力和弯矩应乘以增大系数，其值可按下式采用：(7-14)式中：地震剪力和弯矩的增大系数；不等高厂房低跨交接处
38、的空间工作影响系数，可按表7-4采用；高跨的跨数；计算跨数，仅一侧有低跨时应取总跨数，两侧均有低跨时应取总跨数与高跨跨数之和；集中于交接处一侧各低跨屋盖标高处的总重力荷载代表值；集中于高跨柱顶标高处的总重力荷载代表值。,7.3 单层厂房抗震计算,表7-4 高低跨交接处钢筋混凝土上柱空间工作影响系数,7.3 单层厂房抗震计算,(2)吊车桥架引起的地震作用效应的增大系数。钢筋混凝土柱单层厂房的吊车梁顶标高处的上柱截面，由吊车桥架引起的地震剪力和弯矩应乘以增大系数，当按底部剪力法等简化计算方法计算时，其值可按表7-5采用。表7-5 桥架引起的地震剪力和弯矩增大系数,7.3 单层厂房抗震计算,7.内力
39、组合 内力组合是指地震作用引起的内力(考虑到地震作用是往复作用，故内力符号可正可负)和与其相应的竖向荷载(即结构自重，雪荷载和积灰荷载，有吊车时还应考虑吊车竖向荷载)引起的内力，根据可能出现的最不利荷载组合情况，进行组合。进行单层厂房排架的地震作用效应和与其相应的其他荷载效应组合时，一般可不考虑风荷载效应，不考虑吊车横向水平制动力引起的内力，也不考虑竖向地震作用和屋面活载中的施工荷载。8.天窗架的计算(1)有斜撑杆的三铰拱式钢筋混凝土和钢天窗架的横向抗震计算可采用底部剪力法；跨度大于9m或9度时，天窗架的地震作用效应应乘以增大系数，增大系数可采用1.5。(2)其他情况下天窗架的横向水平地震作用
40、可采用振型分解反应谱法。7.3.2 纵向计算单层厂房从震害情况看，纵向震害是比较严重的，有时甚至要比横向震害严重，设计者应引起重视。地震时厂房的纵向振动比较复杂，对于质量和刚度分布比较均匀的等高厂房，在地震作用下，其上部结构仅产生纵向平移振动。其扭转作用可略去不计；而对质量中心与刚度中心不重合的不等高厂房，在纵向地震作用下，厂房将同时产生平移振动与扭转振动。大量震害表明：地震时，厂房产生平移、扭转振动的同时，屋盖还产生了水平面内纵、横向的弯剪变形。由于纵向围护墙参与工作，致使纵向各柱列的破坏程度不等，空间作用显著。因此，必须建立合理的力学模型进行厂房纵向的空间分析。限于篇幅，本文只介绍纵向抗震
41、计算的简化方法。,7.3 单层厂房抗震计算,1.单层砖柱厂房纵向抗震计算的修正刚度法单层砖柱厂房的纵向基本自振周期可按下式计算：式中：周期修正系数，按表7-6采用；第s柱列的集中重力荷载，包括柱列左右各半跨的屋盖和山墙重力荷载，及按动能等效原则换算集中到柱顶或墙、顶处的墙柱重力荷载；第s柱列的侧移刚度。表7-6 厂房的纵向基本自振周期修正系数,7.3 单层厂房抗震计算,单层砖柱厂房纵向总水平地震作用标准值可按下式计算：式中：相应于单层砖柱厂房纵向基本自振周期T1的地震影响系数；按照柱列底部剪力相等原则，第s柱列换算集中到墙顶处的重力荷载代表值。沿厂房纵向第s柱列上端的水平地震作用可按下式计算：
42、式中：反映屋盖水平变形影响的柱列刚度调整系数，根据屋盖类型和各柱列的纵墙设置情况，按表7-7采用。,7.3 单层厂房抗震计算,表7-7 柱列刚度调整系数,7.3 单层厂房抗震计算,2.单层钢筋混凝土柱厂房纵向抗震计算的柱列法和修正刚度法1)柱列法纵向结构的刚度多跨等高厂房纵向结构的刚度可分解为如图7.9所示三部分。图7.9 柱列刚度组成 为纵向柱列各柱刚度的总和；为纵向柱列各柱间支撑刚度的总和；为纵向墙体的刚度总和。纵向结构的刚度是以纵向构件的柔度和刚度计算为基础的。下面先讨论单层厂房中常见的一些纵向结构构件的柔度和刚度的计算。,7.3 单层厂房抗震计算,纵向柱列的柔度。侧移柔度：(7-15a
43、)侧移刚度：(7-15b)式中：柱的高度；下柱截面在纵向排架平面内的抗弯刚度；变截面柱系数；屋盖、吊车梁等纵向构件对柱抗弯刚度的影响系数。无吊车梁时，由吊车梁时。柱间支撑。图7.10表示两节点间的柱间支撑，根据构造要求，支撑杆件的长细比一般取=40200，这种支撑称为半刚性支撑，确定其柔度时，不计柱和水平杆的轴向变形。,7.3 单层厂房抗震计算,图7.10 柱间支撑计算简图,7.3 单层厂房抗震计算,在如上假定下，半刚性支撑在单位水平力作用下，斜杆26和斜杆51的拉力可以分别按下式计算：(7-16)侧移柔度为：(7-17a)侧移刚度为：(7-17b)式中：支撑第节间斜杆长度和截面面积；支撑第节
44、间斜杆长度和截面面积；钢材的弹性模量；柱间支撑的宽度；斜杆受压时稳定系数。,7.3 单层厂房抗震计算,砖墙。关于纵墙的侧向柔度和刚度的计算参见第6章。纵向柱列结构的总刚度的计算。如图7.10所示第柱列结构总刚度的计算模型，第柱列的侧移总刚度按式(7-18)计算：(7-18)(2)等效重力荷载代表值的计算。计算厂房自振周期时，集中于屋盖标高处质点等效重力荷载标准值，可按式(7-19)计算：(7-19)计算柱列地震作用时，无吊车梁时，集中于屋盖标高处质点等效重力荷载标准值，可按式(7-20a)计算：(7-20a)计算柱列地震作用时，有吊车梁时，集中于屋盖标高处质点等效重力荷载标准值，可按下式(7-
45、20b)计算：(7-20b)(7-20c),7.3 单层厂房抗震计算,(3)柱列自振周期的计算。第柱列沿厂房纵向的自振周期，按式(7-21)计算：(7-21)式中：根据空间分析结果确定的周期修正系数。(4)柱列水平地震作用计算。对于无吊车的厂房，作用于第柱列顶标高处的纵向水平地震作用值为(7-22)式中：相应于柱列自振周期的水平地震的影响系数；集中于第柱列质点等效重力荷载代表值，按式(7-20a)计算。对于有吊车的厂房作用于第柱列顶标高处的纵向水平地震作用值同式(7-20a)，只是 应该用式(7-20c)算得。作用于第柱列吊车梁顶标高处的纵向水平地震作用值为(7-23)式中：相应于柱列自振周期
46、的水平地震的影响系数；集中于第柱列质点等效重力荷载代表值，按式(7-20b)计算；第柱列吊车梁顶的高度(m)；第柱列柱顶的高度(m)。,7.3 单层厂房抗震计算,(5)纵向构件承受的纵向地震作用分配计算简图如图7.11所示。对于无吊车的厂房。一根柱分配的地震作用值为(7-24a)一片支撑分配的地震作用值为(7-24b)一片墙体分配的地震作用值为(7-24c),7.3 单层厂房抗震计算,对于有吊车的厂房。在柱顶标高处：一根柱分配的地震作用值为(7-25a)一片支撑分配的地震作用值为(7-25b)一片墙体分配的地震作用值为(7-25c)应注意的是 是由式(7-20c)计算得出的。在吊车梁顶标高处：
47、(7-26a)一片支撑分配的地震作用值为(7-26b)一片墙体分配的地震作用值为(7-26c)应注意的是 是由式(7-20b)计算得出的。,7.3 单层厂房抗震计算,2)修正刚度法计算单跨或等高多跨的钢筋混凝土柱厂房纵向地震作用时，在柱顶标高不大于15m且平均跨度不大于30m时，可按修正刚度法计算。纵向基本自振周期的计算。(7-27)式中：屋盖类型系数，大型屋面板钢筋混凝土屋架可采用1.0，钢屋架采用0.85；厂房跨度(m)，多跨厂房可取各跨的平均值；基础顶面至柱顶的高度(m)。敞开、半敞开或墙板与柱子柔性连接的厂房，可按上式进行计算并乘以下列围护墙影响系数：(7-28)式中：围护墙影响系数，
48、小于1.0时应采用1.0。,7.3 单层厂房抗震计算,(2)柱列地震作用的计算。等高多跨钢筋混凝土屋盖的厂房，各纵向柱列的柱顶标高处的地震作用标准值，可按下列公式确定：(7-29)(7-30)式中：柱列柱顶标高处的纵向地震作用标准值；相应于厂房纵向基本自振周期的水平地震影响系数；厂房单元柱列总等效重力荷载代表值应包括按屋盖重力荷载代表值、70%纵墙自重、50%横墙与山墙自重及折算的柱自重(有吊车时采用10%柱自重，无吊车时采用50%柱自重)；柱列柱顶的总侧移刚度，应包括柱列内柱子和上、下柱间支撑的侧移刚度及纵墙的折减侧移刚度的总和，贴砌的砖围护墙侧移刚度的折减系数，可根据柱列侧移值的大小，采用
49、0.20.6；柱列柱顶的调整侧移刚度；柱列侧移刚度的围护墙影响系数，可按表7-8采用；有纵向砖围护墙的四跨或五跨厂房，由边柱列数起的第三柱列，可按表内相应数值的1.15倍采用；柱列侧移刚度的柱间支撑影响系数，纵向为砖围护墙时，边柱列可采用1.0，中柱列可按表7-9采用。,7.3 单层厂房抗震计算,表7-8 围护墙影响系数,7.3 单层厂房抗震计算,表7-9 纵向采用砖围护墙的中柱列柱间支撑影响系数,等高多跨钢筋混凝土屋盖厂房，柱列各吊车梁顶标高处的纵向地震作用标准边柱列值，可按式(7-31)确定：(7-31),7.3 单层厂房抗震计算,式中：柱列在吊车梁顶标高处的纵向地震作用标准值；集中于柱列
50、吊车梁顶标高处的等效重力荷载代表值，包括吊车梁与悬吊物的重力荷载代表值和40%柱子自重；柱列吊车梁顶高度；柱列柱顶高度。其余步骤与柱列法相同。3)柱间支撑地震作用验算长细比不大于200的斜杆截面可仅按抗拉验算，但应考虑压杆的卸载影响，其拉力可按式(7-32)确定：(7-32)式中：节间支撑斜杆抗拉验算时的轴向拉力设计值；i节间斜杆的全长；压杆卸载系数压杆长细比为60、100和200时可分别采用0.7、0.6和0.5；i节间支撑承受的地震剪力设计值；支撑所在柱间的净距。,7.3 单层厂房抗震计算,4)出屋面天窗架的纵向抗震计算 天窗架的纵向抗震计算，可采用空间结构分析法，并计及屋盖平面弹性变形和
