单层厂房抗震设计.docx

第7章 单层厂房抗震设计

7.1 震害分析

和其他结构相比较, 单层厂房的震害总的来说较轻, 且主要是围护结构的破坏。围护墙实际上起到了承受和传递水平地震力的作用，其刚度和质量分布对厂房的动力反应有很大影响。震害调查表明，围护墙布置不合理是造成厂房震害的重要原因之一，且大型墙板的震害明显轻于砌体墙。例如海城纺织机械厂和营口中板厂都因墙体和柱拉结不良而在地震时发生墙面大片倒塌的现象（图7-1）。 厂房的山墙也易倒塌。 如果山墙上直接铺有屋面板, 山墙的倒塌也引起有关屋面板的坠落。

图7-1 中板厂震害

P型天窗是厂房抗震的薄弱部位，在6度区就有震害的实例。震害主要表现为支撑杆件失稳弯曲，支撑与天窗立柱连接节点被拉脱，天窗立柱根部开裂或折断等。这是因为P型天窗位于厂房最高部位，地震效应大。
在大型屋面板屋盖中，如屋面板与屋架或屋面梁焊接不牢，地震时往往造成屋面板错动滑落，甚至引起屋架的失稳倒塌。
历次地震的震害调查表明，厂房受纵向水平地震作用时的破坏程度重于受横向地震作用时的破坏程度。主要的破坏形式有：(1) 天窗两侧竖向支撑斜杆拉断，节点破坏，天窗架沿厂房纵向倾斜，甚至倒下砸塌屋盖。(2) 屋面板与屋架的连接焊缝剪断，屋面板从屋架上滑脱坠地。屋盖的纵向地震力是通过屋面板焊缝从屋架中部向屋架的两端传递的，屋架两端的剪力最大。因此，屋架的震害主要是端头混凝土酥裂掉角、支撑大型屋面板的支墩折断、端节间上弦剪断等。(3) 在设有柱间支撑的跨间，由于其刚度大，屋架端头与屋面板边肋连接点处的剪力最为集中，往往首先被剪坏；这使得纵向地震力的传递转移到内肋，导致屋架上弦受到过大的纵向地震力而破坏。当纵向地震力主要由支撑传递时，若支撑数量不足或布置不当，会造成支撑的失稳，引起屋面的破坏或屋盖的倒塌。另外，柱根处也会发生沿厂房纵向的水平断裂。(4) 纵向围护砖墙出现斜裂缝。
作为主要受力构件的柱，由于其在设计中考虑了水平力的作用，故从整体上看，在7度区一般无震害，在8度和9度区出现裂缝，仅在烈度为10度的区域才有少数的倒塌。但柱的局部震害则较常见，主要有：（1）上柱柱身变截面处酥裂或折断（图7-2）。（2）柱顶与屋面梁的连接处由于受力复杂易发生剪裂、压酥、拉裂或锚筋拔出、钢筋弯折等震害。（3）由于高振型的影响，高低跨两个屋盖产生相反方向的运动，使中柱柱肩产生竖向拉裂（图7-3）。（4）下柱下部出现横向裂缝或折断，后者会造成倒塌等严重后果。（5）柱间支撑产生压屈。

图7-2 上柱根部水平裂缝
例如, 位于8度区的营口中板厂轧钢车间, 其柱子主要是双肢管柱, 局部为工字形钢筋混凝土柱。 地震后, 位于标高9米圈梁以上的纵墙几乎通长倒塌, 吊车梁附近管柱有破坏, 个别柱的柱根有细裂缝。
腹板开口的工字形柱和平腹杆双肢柱的抗侧刚度较差，在水平地震力作用下，侧向位移较大，腹板或平腹杆处常发生剪切破坏。

图7-3 柱肩竖向裂缝
砖柱厂房的抗震性能远不如钢筋混凝土厂房。其屋盖的震害现象有：屋面的瓦下滑和掉落；冷摊瓦屋面的木屋架沿厂房纵向向一侧倾斜；木屋架及其气楼间的竖向交叉支撑或结点拉脱，或木杆件被拉断；重屋盖的天窗两侧竖向支撑或结点拉脱，或钢杆件被压屈。砖柱的震害现象有：内部独立砖柱在底部发生水平裂缝；柱顶混凝土垫块底面出现水平裂缝，少数发生错位；高低跨砖柱上柱水平折断，或是支承低跨屋架的柱肩产生竖向裂缝。墙体的震害主要有：山墙外倾，檩条由墙顶拔出，严重时山墙尖向外倾倒，端开间屋面局部塌落；外纵墙在窗台高度处出现细微水平裂缝，较严重时水平折断，并常伴有壁柱砖块局部压碎崩落，更严重时整个厂房横向倾倒。

7.2 抗震设计
7.2.1 设计原则
1. 结构布置和选型
（1） 平面布置和抗侧力结构形式
首先，厂房的结构布置应合理。厂房的平面应尽可能对称，以避免显著的扭转振动；平面复杂时，应设防震缝隔成简单对称的形状。在厂房纵横跨交接处，以及对大柱网厂房等可不设柱间支撑的厂房，防震缝宽度可采用100～150mm，其他情况可采用50～90mm。在竖向应减少刚度突变，各跨的高度应尽可能相同。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。
厂房内用于进入吊车的铁梯不应靠近防震缝设置；多跨厂房各跨上吊车的铁梯不宜设置在同一横向轴线附近。工作平台宜与厂房主体结构脱开。
厂房的同一结构单元内不应采用不同的结构型式，不应采用横墙和排架混合承重。厂房各柱列的侧移刚度宜均匀。
天窗是薄弱环节，它削弱屋盖的整体刚度。从抗震的角度，天窗在纵向的起始部位应尽可能远离伸缩缝区段（厂房单元）的端部。8度和9度时宜从厂房单元端部第三柱间开始设置。
厂房的横向抗侧力体系常为屋盖横梁（屋架）与柱铰接的排架形式。钢柱厂房也可采用屋盖横梁与柱顶刚接的框架形式。其他还有门式刚架等结构体系。
厂房的纵向抗侧力体系，是由纵向柱列形成的排架、柱间支撑和纵墙共同组成。钢柱厂房的纵向抗侧力体系宜采用柱间支撑，条件限制时也可采用刚架结构。
单层砖柱厂房是由砖墙（带或不带壁柱）、砖柱承重的单跨和多跨单层房屋。其跨度一般约为5～15m，个别达18m。有的厂房还设有5t以下的小吨位吊车，此时砖柱为变截面阶形柱。屋盖结构分为重、轻两类。重屋盖是指采用钢筋混凝土实腹梁或屋架，上覆钢筋混凝土槽形板或大型屋面板。轻型屋盖是指木屋盖和轻钢屋架、瓦楞铁、石棉瓦屋面的屋盖。
砖柱厂房由于造价低廉和施工方便，仍将被一些中小型企业采用。虽然就材料而言，其抗震性能不如钢筋混凝土，但只要在其材料许可的范围内精心合理设计，仍可建造出具有相当抗震能力的厂房结构。在结构布置上，平面形状力求规整，不规整时应采用防震缝分成规整形状。一般应为单跨或等高多跨，以避免高振型的不利影响。6～8度时，跨度不宜大于15m且柱顶标高不宜大于6.6m，且宜采用轻型屋盖； 9度时跨度不宜大于12m且柱顶标高不宜大于4.5m，且应采用轻型屋盖。有抗震要求时一般不宜有桥式吊车。
砖柱厂房两端均应设置承重山墙。其纵、横向内隔墙宜做成抗震墙，非承重横隔墙和非整体砌筑且不到顶的纵向隔墙宜采用轻质墙；当采用非轻质墙时，应考虑隔墙对柱及其与屋架（梁）连接节点的附加地震剪力。独立的纵、横隔墙应采用措施保证其平面外的稳定性，且顶部应设置现浇钢筋混凝土压顶梁。
砖柱厂房的防震缝设置应符合下列要求：（1）轻型屋盖厂房可不设防震缝；（2）钢筋混凝土屋盖厂房与贴建的建（构）筑物间宜设防震缝，其宽度可采用50～70mm；（3）防震缝处宜设置双柱或双墙。
砖柱厂房纵向的独立砖柱柱列，可在柱间设置与柱等高的抗震墙来承受纵向地震作用。砖抗震墙应与柱同时咬搓砌筑，并应设置基础；未设砖抗震墙的柱顶应设通长水平压杆。

（2） 支撑的布置
应合理地布置支撑，使厂房形成空间传力体系。柱间支撑除在厂房纵向的中部设置外，有吊车时或8度和9度时尚宜在厂房单元两端增设上柱支撑；8度且跨度不小于18m的多跨厂房中柱和9度时多跨厂房的各柱，宜在纵向设置柱顶通长水平压杆（图7-4），此压杆可与梯形屋架支座处通长水平系杆合并设置，钢筋混凝土系杆端头与屋架间的空隙应采用混凝土填实。
厂房单元较长时，或8度III、IV类场地和9度时，可在厂房单元中部1/3区段内设置两道柱间支撑，且下柱支撑应与上柱支撑配套设置。

图7-4 柱间支撑

有檩屋盖的支撑布置应符合表7-1的要求。
无檩屋盖的支撑布置应符合表7-2的要求；8度和9度跨度不大于15m的屋面梁屋盖，可仅在厂房单元两端各设竖向支撑一道。

表7-1 有檩屋盖的支撑布置
支撑名称
烈度
6、7
8
9
屋架支撑
上弦横向支撑
厂房单元端开间各设一道
厂房单元端开间及厂房单元长度大于66m的柱间支撑开间各设一道；天窗开洞范围的两端各增设局部的支撑一道。
厂房单元端开间及厂房单元长度大于42m的柱间支撑开间各设一道；天窗开洞范围的两端各增设局部的上弦横向支撑一道。
下弦横向支撑
同非抗震设计
跨中竖向支撑
端部竖向支撑
屋架端部高度大于900mm时，厂房单元端开间及柱间支撑开间各设一道。
天窗架支撑
上弦横向支撑
厂房单元天窗端开间各设一道
厂房单元天窗端开间及每隔30m各设一道
厂房单元天窗端开间及每隔18m各设一道
两侧竖向支撑
厂房单元天窗端开间及每隔36m各设一道

表7-2 无檩屋盖的支撑布置
支撑名称
烈度
6、7
8
9
屋架支撑
上弦横向支撑
屋架跨度小于18m时同非抗震设计，跨度不小于18m时在厂房单元端开间各设一道
厂房单元端开间及柱间支撑开间各设一道，天窗开洞范围的两端各增设局部的支撑一道
上弦通长水平系杆

同非抗震设计
沿屋架跨度不大于15m设一道，但装配整体式屋面可不设；围护墙在屋架上弦高度有现浇圈梁时，其端部处可不另设
沿屋架跨度不大于12m设一道，但装配整体式屋面可不设；围护墙在屋架上弦高度有现浇圈梁时，其端部处可不另设
下弦横向支撑
同非抗震设计
同上弦横向支撑
跨中竖向支撑
两端竖向支撑
屋架端部高度£900mm
厂房单元端开间各设一道
厂房单元端开间及每隔48m各设一道
屋架端部高度>900mm
厂房单元端开间各设一道
厂房单元端开间及柱间支撑开间各设一道
厂房单元端开间、柱间支撑开间及每隔30m各设一道
天窗架支撑
天窗两侧竖向支撑
厂房单元天窗端开间及每隔30m各设一道
厂房单元天窗端开间及每隔24m各设一道
厂房单元天窗端开间及每隔18m各设一道
上弦横向支撑
同非抗震设计
天窗跨度³9m时，厂房单元天窗端开间及柱间支撑开间各设一道
厂房单元端开间及柱间支撑开间各设一道

上“屋面”一词，上次错印为“屋里”
木屋盖的支撑布置，宜符合表7－3的要求。钢屋架、瓦楞铁、石棉瓦等屋面的支撑可按表中无望板屋盖的规定设置，不应在端开间设置下弦水平系杆与山墙连接；支撑与屋架或天窗架应采用螺栓连接；木天窗架的边柱，宜采用通长木夹板或铁板、螺栓加强柱与屋架上弦的连接。

表7－3 木屋盖的支撑布置
支撑名称
烈度
6、7
8
9
各类屋盖
满铺望板
稀铺望板
或无望板
满铺望板
稀铺望板
或无望板
无天窗
有天窗
屋架支撑
上弦横向支撑
同非抗震设计
房屋单元两端天窗开洞范围内各设一道
屋架跨度大于6m时，房屋单元两端第二开间及每隔20m设一道
屋架跨度大于6m时，房屋单元两端第二开间各设一道
屋架跨度大于6m时，房屋单元两端第二开间及每隔20m设一道
下弦横向支撑
同非抗震设计
屋架跨度大于6m时，房屋单元两端第二开间及每隔20m设一道
跨中竖向支撑
同非抗震设计
隔间设置并加下弦通长水平系杆
天窗架支撑
天窗两侧竖向支撑
天窗两端第一开间各设一道
天窗两端第一开间及每隔20m左右各设一道
上弦横向支撑
跨度较大的天窗，参照无天窗屋架的支撑布置

（3） 围护墙的布置
围护墙的布置应尽量均匀、对称。当厂房的一端设缝而不能布置横墙时，则另一端宜采用轻质挂板山墙。多跨厂房的砌体围护墙宜采用外贴式，不宜采用嵌砌式。否则，边柱列（嵌砌有墙）与中柱列（一般只有柱间支撑）的刚度相差悬殊，导致边跨屋盖因扭转效应过大而发生震害。厂房内部有砌体隔墙时，也不宜嵌砌于柱间，可采用与柱脱开或与柱柔性连接的构造处理方法，以避免局部刚度过大或形成短柱而引起震害。
钢结构厂房的围护墙，7、8度时宜采用轻质墙板或与柱柔性连接的钢筋混凝土墙板，不应采用嵌砌砌体墙；8度时尚应采取措施使墙体不妨碍厂房柱列沿纵向的水平位移；9度时宜采用轻质墙板。
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12m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、9度时应采用轻质墙板。
厂房围护墙、女儿墙的布置和构造，应符合有关对非结构构件抗震要求的规定。
（4） 天窗架和屋架的选型
天窗架宜采用突出屋面较小的避风型天窗架，应优先选用抗震性能好的结构。突出屋面的天窗宜采用钢结构，6～8度时也可采用杆件截面为矩形的钢筋混凝土天窗架。天窗的侧板、端壁板与屋面板宜采用轻质板材，不宜采用大型屋面板。有条件时或9度区最好不要采用突出屋面的P形天窗，而宜采用重心低的下沉式天窗。
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。当跨度不大于15m时，可采用钢筋混凝土屋面梁。在6～8度地震区可采用预应力混凝土或钢筋混凝土屋架，但在8度区III、IV类场地和9度区，或屋架跨度大于24m时，宜采用钢屋架。
柱距为12m时，可采用预应力混凝土托架（梁）；当采用钢屋架时，亦可采用钢托架（梁）。
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。
砖柱厂房的天窗不应通至厂房单元的端开间，且天窗不应采用端砖壁承重。
（5） 柱的选型
柱子的结构形式，在8、9度地震区宜采用矩形、工字形或斜腹杆双肢柱，不宜采用薄壁工字形柱、腹板开孔柱、预制腹板的工字形柱和管柱，也不宜采用平腹杆双肢柱。柱底至室内地坪以上500mm范围内和阶形柱的上柱宜采用矩形截面，以增强这些部位的抗剪能力。
对砖柱厂房，6度和7度时，可采用十字形截面的无筋砖柱；8度和9度时应采用组合砖柱，且中柱在8度III、IV类场地和9度时宜采用钢筋混凝土柱。

2. 抗震计算的一般原则
7度I、II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），当按抗震规范的规定采取抗震构造措施时，可不进行横向及纵向的截面抗震验算。
厂房抗震计算时，应根据屋盖高差和吊车设置情况，分别采用单质点、双质点或多质点模型计算地震作用。有吊车的厂房，当按平面框（排）架进行抗震计算时，对设置一层吊车的厂房，在每跨可取两台吊车，多跨时不多于四台。当按空间框架进行抗震计算时，吊车取实际台数。
轻质墙板或与柱柔性连接的预制钢筋混凝土墙板，应计入墙体的全部自重，但不应计入刚度。与柱贴砌且与柱拉结的砌体围护墙，应计入全部自重，在平行于墙体方向计算时可计入等效刚度，其等效刚度系数可根据柱列侧移的大小取0.2～0.6（详见后）。
一般单层厂房需要进行水平地震作用下的横向和纵向抗侧力构件的抗震强度验算。沿厂房横向的主要抗侧力构件是由柱、屋架（屋面梁）组成的排架和刚性横墙；沿厂房纵向的主要抗侧力构件是由柱、柱间支撑、吊车梁、连系梁组成的柱列和刚性纵墙。
在8度和9度地震区，对跨度大于24m的屋架，尚需考虑竖向地震作用。
8度III、IV类场地和9度时，对高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架应进行弹塑性变形验算。
按规范规定采取构造措施的单层砖柱厂房，当符合下列条件时，可不进行横向或纵向截面抗震验算：（1）7度I、II类场地，柱顶标高不超过4.5m，且结构单元两端均有山墙的单跨及等高多跨砖柱厂房，可不进行横向和纵向抗震验算。（2）7度I、II类场地，柱顶标高不超过6.6m，两侧设有厚度不小于240mm且开洞截面面积不超过50%的外纵墙、结构单元两端均有山墙的单跨厂房，可不进行纵向抗震验算。

3. 单层厂房的质量集中系数
房屋的质量一般是分布的。当采用有限自由度模型时，通常需把房屋的质量集中到楼盖或屋盖处；此时，当自由度数目较少时，特别是取单质点模型时，集中质量一般并不是简单地把质量“就近”向楼盖（屋盖）处堆，否则会引起较大的误差。不同处的质量折算入总质量时需乘的系数就是该处质量的质量集中系数。集中质量一般位于屋架下弦（柱顶）处。
质量集中系数应根据一定的原则确定。例如，计算结构的动力特性时，应根据“周期等效”的原则；计算结构的地震作用时，对于排架柱应根据柱底“弯矩相等”的原则，对于刚性剪力墙应根据墙底“剪力相等”的原则，经过换算分析后确定。下面以柱和吊车梁为例说明质量集中系数的确定方法。

图7-5 排架柱的质量集中系数计算简图

取单跨对称厂房排架柱，分别按多质点体系和相应的单质点体系进行对比计算，如图7-5所示。计算时，取柱和外贴墙沿高度的均布质量～3000）kg/m，屋盖集中质量M= （0～2），其中h为计算模型的高度（图7-5）。图7-5中等效多质点体系中，m1= m2 = m3 =m4 = ，m5 = 。排架柱的侧移刚度只考虑柱截面的弯曲变形刚度EI的影响。设单质点系的等效集中质量为，其中b即为分布质量集中系数；当按周期等效时，记b = bT；当按地震内力等效时，记b = bM。
先计算周期等效时的分布质量集中系数bT。为此，使多质点系与相应的单质点系的基本自振周期相等，即可求得bT如表7-4所示。

表7-4 沿柱高的均布质量按周期等效时的分布质量集中系数bT

0
1.0
2.0
(kg/m)
1000
0.252
0.247
0.246
3000
0.250
0.247
0.246

实际上，沿柱高的分布质量是非均匀分布的，按此实际情况计算，bT的变化也较小。故近似取bT = 0.25。
下面再计算地震内力等效时的分布质量集中系数bM。计算结果表明，按柱底弯矩等效时的分布质量集中系数bM = 0.45～0.5；按柱底剪力等效时的分布质量集中系数bV = 0.65～0.95。对于排架柱，抗弯强度计算是主要的，因此在计算地震内力时，取沿柱高分布质量的集中系数b = bM = 0.5。
类似地，柱身某处的集中质量m（例如吊车梁），也应经换算后移至柱顶。相应的计算简图示于图7-6。换算后的质量记为bm。当吊车梁高度系数（吊车梁高度与柱顶高度之比）h = 0.75～0.80，屋盖集中质量M与吊车梁质量m之比M/m = 0～4，上柱截面与下柱截面抗弯刚度之比EI1/EI2 = 0.5～1.0时，按周期等效算出的换算系数bT = 0.42～0.51，按柱底弯矩等效算出的换算系数bM = 0.77～0.81。因此，近似取bT = 0.5；取bM = 0.75。

图7-6 柱身集中质量移至柱顶的换算

现将单层排架厂房墙、柱、吊车梁等质量集中于屋架下弦处时的质量集中系数汇总于表7-5。高低跨交接柱上高跨一侧的吊车梁靠近低跨屋盖而将其质量集中于低跨屋盖时，质量集中系数取1.0。

表7-5 单层排架厂房的质量集中系数
构件类型
计算阶段
弯曲型墙和柱
剪切型墙
柱上吊车梁
计算自振周期时
0.25
0.35
0.50
计算地震作用效应时
0.50
0.70
0.75

7.2.2 横向抗震验算
4. 计算简图
单层厂房是空间结构。一般地，厂房的横向抗震计算应考虑屋盖平面内的变形，按图7-7所示的多质点空间结构计算。按平面排架计算时，应把计算结果乘以调整系数，以考虑空间工作和扭转的影响。以下主要讲按平面排架计算的方法。

图7-7 横向计算时的多质点空间结构模型

等高排架可简化为单自由度体系，如图7-8所示。不等高排架，可按不同高度处屋盖的数量和屋盖之间的连接方式，简化成多自由度体系。例如，当屋盖位于两个不同高度处时，可简化为二自由度体系，如图7-9所示。图7-10示出了在三个高度处有屋盖时的计算简图。应注意的是，在图7-10中，当H1＝H2时，仍为三质点体系。

图7-8 等高排架的计算简图

图7-9 不等高排架的计算简图（二质点体系）

图7-10 不等高排架的计算简图（三质点体系）

(1) 计算自振周期时的质量集中
根据前述质量集中的原理，在计算自振周期时，各集中质量的重量可计算如下。
1）等高厂房
图7-8中等高厂房的G的计算式为：
G = 1.0 G屋盖 + 0.5G吊车梁 + 0.25G柱 + 0.25G纵墙 （7－1）
2）不等高厂房
图7-9中不等高厂房的G1的计算式为：
G1 = 1.0 G低跨屋盖 + 0.5G低跨吊车梁 + 0.25G低跨边柱 + 0.25G低跨纵墙 + 1.0G高跨吊车梁（中柱） + 0.25G中柱下柱 + 0.5G中柱上柱 + 0.5G高跨封墙 （7－2）
图7-9中不等高厂房的G2的计算式为：
G2 = 1.0 G高跨屋盖 + 0.5G高跨吊车梁（边跨） + 0.25G高跨边柱 + 0.25G高跨外纵墙 + 0.5G中柱上柱 + 0.5G高跨封墙 （7－3）
上面各式中，G屋盖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活荷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。
高低跨交接柱的高跨吊车梁的质量可集中到低跨屋盖，也可集中到高跨屋盖，应以就近集中为原则。当集中到低跨屋盖时，如前所述，质量集中系数为1.0；当集中到高跨屋盖时，质量集中系数为0.5。
吊车桥架对排架的自振周期影响很小。因此，在计算自振周期时可不考虑其对质点质量的贡献。这样做一般是偏于安全的。
(2) 计算地震作用时的质量集中
在计算地震作用时，各集中质量的重量可计算如下。
1）等高厂房
图7-8中等高厂房的G的计算式为：
G = 1.0 G屋盖 + 0.75G吊车梁 + 0.5G柱 + 0.5G纵墙 （7－4）
2）不等高厂房
图7-9中不等高厂房的G1的计算式为：
G1 = 1.0 G低跨屋盖 + 0.75G低跨吊车梁 + 0.5G低跨边柱 + 0.5G低跨纵墙 + 1.0G高跨吊车梁（中柱）
+ 0.5G中柱下柱 + 0.5G中柱上柱 + 0.5G高跨封墙 （7－5）
图7-9中不等高厂房的G2的计算式为：
G2 = 1.0 G高跨屋盖 + 0.75G高跨吊车梁（边跨） + 0.5G高跨边柱 + 0.5G高跨外纵墙 + 0.5G中柱上柱
+ 0.5G高跨封墙 （7－6）

图7－11 吊车桥架处理为质点

确定厂房的地震作用时，对设有桥式吊车的厂房，除将厂房重力荷载按前述弯矩等效原则集中于屋盖标高处外，还应考虑吊车桥架的重力荷载；如系硬钩吊车，尚应考虑最大吊重的30%。一般是把某跨吊车桥架的重力荷载集中于该跨任一柱吊车梁的顶面标高处。如两跨不等高厂房均设有吊车，则在确定厂房地震作用时可按四个集中质点考虑（图7－11）。应注意的是这种模型仅在计算地震作用时才能采用，在计算结构的动力特性（如周期等）时，是不能采用这种模型的；这是因为吊车桥架是局部质量，此局部质量不能有效地对整体结构的动力特性产生可观的影响。

5. 自振周期的计算
计算简图确定后，就可用前面讲过的方法计算基本自振周期。对单自由度体系，自振周期T的计算公式为
（7－7）
其中m为质量，k为刚度。
对多自由度体系，可用能量法计算基本自振周期T1，公式为：
（7－8）
其中，mi和Gi分别为第i质点的质量和重量，ui为在全部Gi (i = 1, ..., n)沿水平方向的作用下第i质点的侧移，n为自由度数。
抗震规范规定，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。因此，按上述公式算出的自振周期还应进行如下调整：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%。（砖柱厂房的相应调整方法见后。）

6. 排架地震作用的计算
(1) 底部剪力法
排架的地震作用可用前面讲过的方法计算。用底部剪力法计算地震作用时，总地震作用的标准值为：
(7-9)
其中，a1为相应于基本周期T1的地震影响系数；Geq为等效重力荷载代表值，单质点体系取全部重力荷载代表值，多质点体系取全部重力荷载代表值的85%。当为二质点体系时，由于较为接近单质点体系，Geq也可取全部重力荷载代表值的95%。
质点i的水平地震作用标准值为
(7-10)
其中，Gi和Hi分别为第i质点的重力荷载代表值和至柱底的距离，n为体系的自由度数目。求出各质点的水平地震作用后，就可用结构力学方法求出相应的排架内力。底部剪力法的缺点是很难反映高振型的影响。
(2) 振型分解法
对较为复杂的厂房，例如高低跨高度相差较大的厂房，采用底部剪力法计算时，由于不能反映高振型的影响，误差较大。高低跨相交处柱牛腿的水平拉力主要由高振型引起，此拉力的计算是底部剪力法无法实现的。在这些情况下，就需要采用振型分解法。
采用振型分解法的计算简图与底部剪力法相同，每个质点有一个水平自由度。用前面介绍过的振型分解法的标准过程，就可求出各振型各质点处的水平地震作用，从而求出各振型的地震内力。总的地震内力则为各振型地震内力的按平方和开方的组合。
对二质点的高低跨排架，用柔度法计算较方便，相应的振型分解法的计算步骤如下：
1）计算平面排架各振型的自振周期、振型幅值和振型参与系数
记二质点的水平位移坐标分别为x1和x2，其质量分别为m1和m2，第一、二振型的圆频率分别为w1、w2，则有
（7－11）
取w1<w2，则第一、二自振周期分别为
（7－12）
记第i振型第j质点的幅值为(i,j=1,2)，则有
（7－13）
第一、 二振型参与系数
（7－14）
2）计算各振型的地震作用和地震内力
记第i振型第j质点的地震作用为，则有
，i,j = 1,2 （7－15）
即
（7－16）
然后按结构力学方法求出各振型的地震内力。
3）计算最终的地震内力
设某一内力S在第一振型的地震作用下的值为S1，在第二振型的地震作用下的值为S2，则该地震内力的最终值S最终为
（7－17）

7. 考虑空间工作和扭转影响的内力调整
显然，上述计算仅考虑了单个平面排架。当厂房的布置引起明显的空间作用或扭转影响时，应对前面求出的内力进行相应的调整。规范规定，对于钢筋混凝土屋盖的单层钢筋混凝土柱厂房，按上述方法确定基本自振周期且按平面排架计算的排架柱的地震剪力和弯矩，当符合下列要求时，可考虑空间工作和扭转影响：(1) 7度和8度；(2) 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12m (其中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)；(3) 山墙的厚度不小于240mm，开洞所占的水平截面积不超过总面积的50%，并与屋盖系统有良好的连接；(4) 柱顶高度不大于15m。
当符合上述要求时，为考虑空间作用和扭转影响，排架柱的弯矩和剪力应分别乘以相应的调整系数 (高低跨交接处的上柱除外)，调整系数的值可按表7-6采用。

表7-6 钢筋混凝土柱(除高低跨交接处上柱外)考虑空间作用和扭转影响的效应调整系数
屋 盖
山墙
屋盖长度(m)
£30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
钢筋混凝土无檩屋盖
两端山墙
等高厂房

0.75
0.75
0.75
0.8
0.8
0.8
0.85
0.85
0.85
0.9
不等高厂房

0.85
0.85
0.85
0.9
0.9
0.9
0.95
0.95
0.95
1.0
一端山墙
1.05
1.15
1.2
1.25
1.3
1.3
1.3
1.3
1.35
1.35
1.35
1.35
钢筋混凝土无檩屋盖
两端山墙
等高厂房

0.8
0.85
0.9
0.95
0.95
1.0
1.0
1.05
1.05
1.1
不等高厂房

0.85
0.9
0.95
1.0
1.0
1.05
1.05
1.1
1.1
1.15
一端山墙
1.0
1.05
1.1
1.1
1.15
1.15
1.15
1.2
1.2
1.2
1.25
1.25

图7－12 不等高排架的第二振型

8. 高低跨交接处上柱地震作用效应的调整
当排架按第二主振型振动时，高跨横梁和低跨横梁的运动方向相反，使高低跨交接处上柱的两端之间产生了较大的相对位移D（图7－12）。由于上柱的长度一般较短，侧移刚度较大，故此处产生的地震内力也较大。按底部剪力法计算时，由于主要反映了第一主振型的情况，算得的高低跨交接处上柱的地震内力偏小较多。因此，抗震规范规定，高低跨交接处的钢筋混凝土柱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弯矩和剪力应乘以增大系数h，其值可按下式采用：
(7-18)
其中，z为不等高厂房高低跨交接处的空间工作影响系数，可按表7-7采用；nb为高跨的跨数；n0为计算跨数，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；GEL为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；GEh为集中于高跨柱顶标高处的总重力荷载代表值。

表7-7 高低跨交接处钢筋混凝土上柱空间工作影响系数z
屋盖
山墙
屋盖长度(m)
£36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
钢筋混凝土无檩屋盖
两端山墙

0.7
0.76
0.82
0.88
0.94
1.0
1.06
1.06
1.06
1.06
一端山墙
1.25
钢筋混凝土有檩屋盖
两端山墙

0.9
1.0
1.05
1.1
1.1
1.15
1.15
1.15
1.2
1.2
一端山墙
1.05

9. 吊车桥架引起的地震作用效应增大系数
吊车桥架是一个较大的移动质量，在地震时往往引起厂房的强烈局部振动。因此，应考虑吊车桥架自重引起的地震作用效应，并乘以效应增大系数。按底部剪力法等简化方法计算时，计算步骤如下：
（1） 计算一台吊车对一根柱子产生的最大重力荷载Gc。
（2）计算该吊车重力荷载对一根柱子产生的水平地震作用。此时有两种计算方法。1）当桥架不作为一个质点时，该水平地震作用可近似按下式计算：
（7－19）
其中，Fc为吊车桥架引起的并作用于一根柱吊车梁顶面处的水平地震作用；a1为相应于排架基本周期T1的地震影响系数；hc为吊车梁顶面高度；Hc为吊车梁所在柱的高度。2）当桥架作为一个质点时，该处的水平地震作用可直接由底部剪力法求出。
（2） 按结构力学求地震作用效应（内力）。
（3） 将地震作用效应乘以表7-8所示的增大系数。

表7-8 吊车桥架引起的地震剪力和弯矩增大系数
屋盖类型
山墙
边柱
高低跨柱
其他中柱
钢筋混凝土无檩屋盖
两端山墙
2.0
2.5
3.0
一端山墙
1.5
2.0
2.5
钢筋混凝土有檩屋盖
两端山墙
1.5
2.0
2.5
一端山墙
1.5
2.0
2.0

10. 排架内力组合和构件强度验算
(1) 内力组合
在抗震设计中，地震作用效应组合是指与地震作用同时存在的其他重力荷载代表值引起的荷载效应的不利组合。在单层厂房排架的地震作用效应组合中，一般不考虑风荷载效应，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。从而可得单层厂房的地震作用效应组合的表达式为：
S = gGCGGE + gEhCEhEhk (7-20)
其中，gG和gEh分别为重力荷载代表值和水平地震作用的分项系数，CG和CEh分别为重力荷载代表值和水平地震作用的效应系数，GE和Ehk分别为重力荷载代表值和水平地震作用。当重力荷载效应对构件的承载能力有利时(例如，柱为大偏心受压时，轴力N可提高构件的承载力)，其分项系数gG应取1.0。
这种地震荷载效应组合再与其他规定的荷载效应组合一起进行最不利组合。显然，当地震作用效应组合引起的内力小于非抗震荷载组合时的内力时，后者应控制设计。
(2) 柱的截面抗震验算
排架柱一般按偏心受压构件验算其截面承载力。验算的一般表达式为
(7-21)
其中，S为截面的作用效应；R为相应的承载力设计值；gRE为承载力抗震调整系数，可按表3-16取用。
两个主轴方向柱距均不小于12m、无桥式吊车且无柱间支撑的大柱网厂房，柱截面验算时应同时考虑两个主轴方向的水平地震作用，并应考虑位移引起的附加弯矩。
8度和9度时，高大山墙的抗风柱应进行平面外的截面抗震验算。
柱的截面抗震验算可按前述框架柱的方法进行，且应符合第7.3节的构造要求。

(3) 支承低跨屋盖牛腿的水平受拉钢筋抗震验算
为防止高低跨交接处支承低跨屋盖的牛腿在地震中竖向拉裂(如图7-13所示)，应按下式确定牛腿的水平受拉钢筋截面面积As：
(7-22)

图7－13 支承低跨屋盖的柱牛腿

其中，NG为柱牛腿面上重力荷载代表值产生的压力设计值；a为牛腿面上重力作用点至下柱近侧边缘的距离，当小于0.3h0时采用0.3h0；h0为牛腿根部截面(最大竖向截面)的有效高度；NE为柱牛腿面上地震组合的水平拉力设计值；gRE为承载力抗震调整系数，其值可采用1.0。
(4) 其他部位的抗震验算
当抗风柱与屋架下弦相连接时，连接点应设在下弦横向支撑的节点处，并且应对下弦横向支撑杆件的截面和连接节点进行抗震承载力验算。
当工作平台和刚性内隔墙与厂房主体结构连接时，应采用与厂房实际受力相适应的计算简图，以考虑工作平台和刚性内隔墙对厂房的附加地震作用影响。
11. 突出屋面的天窗架的横向抗震计算
实际震害表明，突出屋面的钢筋混凝土天窗架，其横向的损坏并不明显。计算分析表明，常用的钢筋混凝土带斜撑杆的三铰拱式天窗架的横向刚度很大，其位移与屋盖基本相同，故可把天窗架和屋盖作为一个质点（其重力为G屋盖，其中包括天窗架质点的重量G天窗）按底部剪力法计算。设算得的作用在G屋盖上的地震作用为F屋盖，则天窗架所受的地震作用F天窗为
(7-23)
然而，当9度时或天窗架跨度大于9m时，天窗架部分的惯性力将有所增大。这时若仍把天窗架和屋盖作为一个质点按底部剪力法计算，则天窗架的横向地震作用效应宜乘以增大系数1.5，以考虑高振型的影响。
对钢天窗架的横向抗震计算也可采用底部剪力法。
对其他情况下的天窗架，可采用振型分解反应谱法计算其横向水平地震作用。
12. 单层砖柱厂房的横向抗震计算
砖柱厂房可按平面排架计算。在计算结构的刚度时所用的方法，除柱应采用砌体的弹性模量之外，其他与前述方法基本相同。质量集中的方法也与前述相同。刚度和质量算出后，即可计算结构的基本自振周期，通常按单自由度体系计算即可。对计算出的基本自振周期，也需考虑纵墙及屋架与柱连接的固结作用加以调整，但采用的调整系数与前述不同。规范规定，按理论公式算出的砖柱厂房的自振周期还应进行如下调整：（1）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%。（2）由木屋架、钢木屋架或轻钢屋架与砖柱组成的排架，取周期计算值。
排架集中质点处（柱顶）的水平地震作用FEK可按下式计算
FEK＝a1 （7－24）
其中各符号的意义与前述相同。
当符合下列要求时，可考虑空间工作，对按平面排架计算的排架柱的地震剪力和弯矩加以调整：（1）采用钢筋混凝土屋盖或密铺望板的瓦木屋盖；（2）基本自振周期是按上述方法确定；（3）7度或8度；（4）两端均有承重山墙；（5）山墙或承重（抗震）横墙的厚度不小于240mm，开洞所占的水平截面积