多层工业厂房可变荷载地震组合值系数的取值

  古今强

 

 

博主按：本文发表于2010年4月的《广东土木与建筑》（CN44-1386/TU） ,是针对2008年版抗规写的。现2010版抗规已颁布实施,但对本文的问题还是没有详细的规定,本文的建议仍有实际参考价值。

 

 

摘要：当多层工业厂房采用等效均布楼面活荷载计算重力荷载代表值时，现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001，2008年版）第5.1.3条中未明确规定对应的可变荷载地震组合值系数Ψ_EC值。通过两个典型工程算例比较，发现Ψ_EC值对多层工业厂房地震作用计算结果影响明显；讨论分析了多层工业厂房Ψ_EC的取值原则，提出了一些具体取值建议，可供多层工业厂房抗震设计参考。

关键词：可变荷载地震组合值系数；地震作用；重力荷载代表值；抗震设计；多层工业厂房

 

Discussions on Value of Live Load Seismic Combination Coefficient for Multi-storey Factory Building

 

 

Abstract：The clause 5.1.3 of Code for Seismic Design of Building (GB50011-2001, 2008 version) has not specified live load seismic combination coefficient Ψ_EC for multi-storey factory building. The paper presents two typical calculation examples to demonstrate the importance of Ψ_EC for seismic design of multi-storey factory building, discusses rational range of Ψ_EC. Recommendations on values of Ψ_EC under different circumstances are also provided, which can be reference for seismic design of multi-storey factory building.

Keywords：live load seismic combination coefficient；seismic impact；gravity load representative value；seismic design；multi-storey factory building

 

0  引言

许多结构工程师在设计多层工业厂房时，直接采用了设计软件中可变荷载地震组合值系数（下文用符号“Ψ_EC”表示）的默认值进行结构分析，Ψ_EC默认值一般为0.5，实际上只适用于一般民用建筑。抗震规范^[1]第5.1.3条没有明确规定多层工业厂房的等效均布楼面活荷载Ψ_EC值，仅在附录G.0.2提出对多层钢结构厂房“应根据行业的特点，对楼面检修荷载、成品或原料堆积楼面荷载、设备和料斗及管道内的物料等，采用相应的组合值系数”。

参考有关文献，混凝土规范算例^[2]中“框架结构算例一”（某轻工工厂的生产综合楼）取Ψ_EC=0.8；抗震设计手册^[3]指出，多层工业厂房可取大于一般民用建筑的Ψ_EC值，但该手册也没有给出具体的取值建议。

为此通过两个典型工程算例比较了Ψ_EC值对地震作用计算结果的影响，讨论分析多层工业厂房Ψ_EC的取值原则，提出了一些具体取值建议。

 

1  工程算例

 

1.1   算例1（某四层工业厂房）

某商品性通用工业厂房位于广州市番禺区，现浇钢筋混凝土框架结构，其建筑平面如图1所示，共4层。基本风压0.6kN/m²，地面粗糙类别B类；安全等级为二级，结构重要性系数γ_o=1.0；按丙类进行抗震设防，抗震设防烈度7度，地震分组第1组，基本加速度值0.1g，场地类别为III类，场地特征周期0.45s。

建设单位拟在建成后将厂房出租，故设计时生产工艺情况不明，只能按建设单位要求取1~4层楼面等效均布活荷载10kN/m²，另外上人天面均布活荷载2kN/m²、不上人梯屋天面均布活荷载0.5kN/m²。

 

 

图1  某四层厂房平面图

 

以变形缝右侧的结构单元为例，考虑非承重填充墙数量较少而取周期折减系数Ψ_T=0.90；在其他条件不变情况下改变Ψ_EC值，采用PKPM系列软件SATWE进行计算，主要计算结果汇总于表1。

 

表1  不同Ψ_EC值对应的主要计算结果（某四层厂房）

 

1.2   算例2（某五层宿舍）

某宿舍与算例1位于同一厂区，建筑平面如图2所示，共5层。1~5层楼面等效均布活荷载2kN/m²，Ψ_T=0.60，其余条件同算例1。主要计算结果汇总于表2。

 

图2  某五层宿舍平面图

 

表2  不同Ψ_EC值对应的主要计算结果（某五层宿舍）

 

 

 

2  Ψ_EC值对地震作用计算结果的影响

 

地震作用是惯性力，与发生地震时结构的有效质量（即抗震规范^[1]中的“重力荷载代表值”）直接相关。讨论Ψ_EC值的大小，实际上是研究抗震计算时楼面等效均布活荷载标准值中有多少的比例应该计入结构的有效质量。因为可变荷载具有较大的时间变异性，当地震发生时，楼面等效均布活荷载达到其最大值（标准值）的概率极小。因此等效均布活荷载标准值所形成的质量应乘以Ψ_EC（≤1）予以折减，在加上恒载形成的质量，作为结构的有效质量。

Ψ_EC值是计算结构自振周期、地震作用标准值和结构构件地震作用的基本组合等抗震计算的重要参数。从算例计算结果可见，随着Ψ_EC值增大，结构总质量相应增大，结构刚度不变，结构自振周期变长，总体地震作用都有所增加。但Ψ_EC值对一般民用建筑和多层工业厂房的影响程度明显不同：

（1）一般民用建筑的等效均布楼面活荷载标准值较小，同时宿舍、住宅等有较多填充墙，恒载占结构总质量的绝大部分，可变荷载参与结构总质量的比例对地震作用的计算结果影响不大。算例2中Ψ_EC值从0.5增大至1.0，结构的总质量仅增加了7.79%，周期仅延长了4.15%，首层地震剪力仅增加了4.56%（X向）和4.51%（Y向）。

（2）多层工业厂房的等效均布楼面活荷载标准值一般较大、填充墙比较少，恒载和未折减的活荷载（Ψ_EC=1）占结构总质量的比例相当，可变荷载参与结构总质量的比例对地震作用计算结果影响较大。从表1可见，Ψ_EC值从0.5增大至1.0，结构的总质量增加了25.36%，周期延长了11.04%，首层地震剪力增加了16.52%（X向）和18.69%（Y向）。

由于规范没有相关规定，多层工业厂房结构设计中Ψ_EC的取值比较随意，过低的Ψ_EC值将造成多层工业厂房地震作用计算结果偏小、抗震安全度不足。建议抗震规范^[1]修订时补充Ψ_EC的取值指引，使设计工作有章可循。

 

3  多层工业厂房Ψ_EC的取值原则

 

3.1   应优先按楼面活荷载的实际情况计算重力荷载代表值

多层工业厂房楼面活荷载与生产工艺密切相关。当工艺明确、资料齐备时，生产使用或安装检修时设备、管道、运输工具等所产生的荷载大小、位置都是确定的。这些都属于持久性可变荷载，在设计基准期内除非厂方改变了生产工艺、或者用于出租的厂房更换了租赁方，否则一般变化不大。对这类情况应按实际楼面活荷载大小直接计算重力荷载代表值，此时Ψ_EC=1.0。

除上述持久性可变荷载外，多层工业厂房楼面还有临时性可变荷载，如无设备区域的操作荷载（包括操作人员、一般工具、零星原料和成品的自重等），属于楼面上偶尔出现短期荷载，其大小和位置随时间显著变化，难以精准确定，只能按等效均布活荷载考虑。此类可变荷载的Ψ_EC值可参考下节的原则来确定。

3.2   采用等效均布楼面活荷载来计算重力荷载代表值时Ψ_EC的合理取值范围

当实际楼面活荷载的资料不足而一时又难以获得时，只能采用等效均布楼面活荷载来计算重力荷载代表值。等效均布活荷载在一般情况下仅按内力等值的原则来确定，不能直接反映实际楼面活荷载的大小。此时应结合工程经验经分析判断确定Ψ_EC值。

3.2.1 Ψ_EC取值下限

荷载规范^[4]中准永久值是持久性可变荷载的代表值，在设计基准期50年内可变荷载达到和超过该值的总持续时间为25年，其作用被认为与恒载相当。因此可认为发生地震时楼面可变荷载准永久值的遇合概率几乎是100%，除非厂房刚好处于空置的状态。故建议多层工业厂房Ψ_EC值的下限是荷载规范^[4]中的准永久系数（下文用符号“Ψ_q”表示）,Ψ_EC≥Ψ_q。

对算例1中的商品性通用多层厂房，参考广东省荷载规定^[5]Ψ_q=0.8，相应Ψ_EC≥0.8。另外对照荷载规范^[4]第4.2.3条中Ψ_q≥0.6的规定，多层工业厂房的Ψ_EC值不宜小于0.7，任何情况下不应小于0.6。

3.2.2 Ψ_EC取值上限

荷载规范^[4]提供了可变荷载组合系数（下文用符号“Ψ_C”表示），用于考虑两种或两种以上普通可变荷载同时作用于结构时的组合问题。地震作用特点是在设计基准期内不一定出现、而一旦出现其量值可能很大（尤其是罕遇地震），其时间变异性与普通可变荷载有很大的区别。因此笔者认为不宜以荷载规范^[4]中的Ψ_C作为Ψ_EC的取值上限，而且Ψ_EC的取值上限应小于Ψ_C。

可变荷载频遇值是设计基准期50年内荷载达到和超过该值的总持续时间小于5年的荷载代表值，可以认为地震发生时可变荷载频遇值的遇合概率比较大。对照荷载规范^[4]表4.1.1频遇值系数（下文用符号“Ψ_f”表示）和抗震规范^[1]表5.1.3Ψ_EC值，一般民用建筑大体满足Ψ_q≤Ψ_EC≤Ψ_f的规律，从实用角度建议多层工业厂房Ψ_EC的取值上限为Ψ_f。

 

4  结论建议

 

（1）建议抗震规范^[1]修订时，对多层工业厂房采用等效均布楼面活荷载计算重力荷载代表值的情况，补充Ψ_EC的取值规定。

（2）工艺明确、资料齐备的多层工业厂房，应按实际楼面活荷载大小来计算重力荷载代表值，Ψ_EC=1.0。

（3）当采用等效均布活荷载计算重力荷载代表值时，建议Ψ_EC值的下限是荷载规范^[4]中的准永久系数Ψ_q，上限为频遇值系数Ψ_f，即Ψ_q≤Ψ_EC≤Ψ_f。具体建议如下：

1）对荷载规范^[4]附录C所列的6类工业厂房，可直接参考其Ψ_f和Ψ_q值来确定Ψ_EC取值范围；对厂区内配套的多层仓库，可根据储存物质的类型、参考荷载设计手册^[6]附录二的Ψ_q值来确定Ψ_EC取值范围；

2）对商品性通用多层厂房，建议取Ψ_EC≥0.8；对商品性通用厂房配套的多层仓库，其可变荷载在地震时遇合概率比厂房大，建议其Ψ_EC值比厂区内其他厂房增加0.1，但调整后不宜大于0.95；

3）多层工业厂房的Ψ_EC值不宜小于0.7，任何情况下不应小于0.6。

 

参考文献：

 

[1]         中华人民共和国建设部. GB50011-2001（2008年版）建筑抗震设计规范[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]         《混凝土结构设计规范算例》编委会. 混凝土结构设计规范算例[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]         龚思礼. 建筑抗震设计手册（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002

[4]         中华人民共和国建设部. GB50009-2001（2006年版）建筑结构荷载规范[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006.

[5]         广东省建设委员会. DBJ15-2-90建筑结构荷载规范[M]. 广州：1990.

[6]         陈基发，沙志国. 建筑结构荷载设计手册（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.

[7]         张  军. 重力荷载代表值的相关计算及应用 [J]. 建筑结构·技术通讯，2007年7月：1–2，9.