9 单层工业厂房

9.1 单层钢筋混凝土柱厂房

(Ⅰ)一般规定

9.1.1 本规范关于单层钢筋混凝土柱厂房的规定,系根据20世纪60年代以来装配式单层工业厂房的震害和工程经验总结得到的。因此,对于现浇的单层钢筋混凝土柱厂房,需注意本节针对装配式结构的某些规定不适用。
    根据震害经验,厂房结构布置应注意的问题是:
    1 历次地震的震害表明,不等高多跨厂房有高振型反应,不等长多跨厂房有扭转效应,破坏较重;均对抗震不利,故多跨厂房宜采用等高和等长。
    2 地震的震害表明,单层厂房的毗邻建筑任意布置是不利的,在厂房纵墙与山墙交汇的角部是不允许布置的。在地震作用下,防震缝处排架柱的侧移量大,当有毗邻建筑时,相互碰撞或变位受约束的情况严重;地震中有不少倒塌、严重破坏等加重震害的震例,因此,在防震缝附近不宜布置毗邻建筑。
    3 大柱网厂房和其他不设柱间支撑的厂房,在地震作用下侧移量较设置柱间支撑的厂房大,防震缝的宽度需适当加大。
    4 地震作用下,相邻两个独立的主厂房的振动变形可能不同步协调,与之相连接的过渡跨的屋盖常倒塌破坏;为此过渡跨至少应有一侧采用防震缝与主厂房脱开。
    5 上吊车的铁梯,晚间停放吊车时,增大该处排架侧移刚度,加大地震反应,特别是多跨厂房各跨上吊车的铁梯集中在同一横向轴线时,会导致震害破坏,应避免。
    6 工作平台或刚性内隔墙与厂房主体结构连接时,改变了主体结构的工作性状,加大地震反应;导致应力集中,可能造成短柱效应,不仅影响排架柱,还可能涉及柱顶的连接和相邻的屋盖结构,计算和加强措施均较困难,故以脱开为佳。
    7 不同形式的结构,振动特性不同,材料强度不同,侧移刚度不同。在地震作用下,往往由于荷载、位移、强度的不均衡,而造成结构破坏。山墙承重和中间有横墙承重的单层钢筋混凝土柱厂房和端砖壁承重的天窗架,在地震中均有较重破坏,为此,厂房的一个结构单元内,不宜采用不同的结构形式。
    8 两侧为嵌砌墙,中柱列设柱间支撑;一侧为外贴墙或嵌砌墙,另一侧为开敞;一侧为嵌砌墙,另一侧为外贴墙等各柱列纵向刚度严重不均匀的厂房,由于各柱列的地震作用分配不均匀,变形不协调,常导致柱列和屋盖的纵向破坏,在7度区就有这种震害反映,在8度和大于8度区,破坏就更普遍且严重,不少厂房柱倒屋塌,在设计中应予以避免。

9.1.2 根据震害经验,天窗架的设置应注意下列问题:
    1 突出屋面的天窗架对厂房的抗震带来很不利的影响,因此,宜采用突出屋面较小的避风型天窗。采用下沉式天窗的屋盖有良好的抗震性能,唐山地震中甚至经受了10度地震的考验,不仅是8度区,有条件时均可采用。
    2 第二开间起开设天窗,将使端开间每块屋面板与屋架无法焊接或焊连的可靠性大大降低而导致地震时掉落,同时也大大降低屋面纵向水平刚度。所以,如果山墙能够开窗,或者采光要求不太高时,天窗从第三开间起设置。
    天窗架从厂房单元端第三柱间开始设置,虽增强屋面纵向水平刚度,但对建筑通风、采光不利,考虑到6度和7度区的地震作用效应较小,且很少有屋盖破坏的震例,本次修订改为对6度和7度区不做此要求。
    3 历次地震经验表明,不仅是天窗屋盖和端壁板,就是天窗侧板也宜采用轻型板材。

9.1.3 根据震害经验,厂房屋盖结构的设置应注意下列问题:
    1 轻型大型屋面板无檩屋盖和钢筋混凝土有檩屋盖的抗震性能好,经过8~10度强烈地震考验,有条件时可采用。
    2 唐山地震震害统计分析表明,屋盖的震害破坏程度与屋盖承重结构的形式密切相关,根据8~11度地震的震害调查统计发现:梯形屋架屋盖共调查91跨,全部或大部倒塌41跨,部分或局部倒塌11跨,共计52跨,占56.7%;拱形屋架屋盖共调查151跨,全部或大部倒塌13跨,部分或局部倒塌16跨,共计29跨,占19.2%;屋面梁屋盖共调查168跨,全部或大部倒塌11跨,部分或局部倒塌17跨,共计28跨,占16.7%。
    另外,采用下沉式屋架的屋盖,经8~10度强烈地震的考验,没有破坏的震例。为此,提出厂房宜采用低重心的屋盖承重结构。
    3 拼块式的预应力混凝土和钢筋混凝土屋架(屋面梁)的结构整体性差,在唐山地震中其破坏率和破坏程度均较整榀式重得多。因此,在地震区不宜采用。
    4 预应力混凝土和钢筋混凝土空腹桁架的腹杆及其上弦节点均较薄弱,在天窗两侧竖向支撑的附加地震作用下,容易产生节点破坏、腹杆折断的严重破坏,因此,不宜采用有突出屋面天窗架的空腹桁架屋盖。
    5 随着经济的发展,组合屋架已很少采用,本次修订继续保持89规范、2001规范的规定,不列入这种屋架的规定。
    本次修订,根据震害经验,建议在高烈度(8度0.30g和9度)且跨度大于24m的厂房,不采用重量大的大型屋面板。

9.1.4 不开孔的薄壁工字形柱、腹板开孔的普通工字形柱以及管柱,均存在抗震薄弱环节,故规定不宜采用。

(Ⅱ)计算要点

9.1.7、9.1.8 对厂房的纵横向抗震分析,本规范明确规定,一般情况下,采用多质点空间结构分析方法。
    关于横向计算:
    当符合本规范附录J的条件时可采用平面排架简化方法,但计算所得的排架地震内力应考虑各种效应调整。本规范附录J的调整系数有以下特点:
    1 适用于7~8度柱顶标高不超过15m且砖墙刚度较大等情况的厂房,9度时砖墙开裂严重,空间工作影响明显减弱,一般不考虑调整。
    2 计算地震作用时,采用经过调整的排架计算周期。
    3 调整系数采用了考虑屋盖平面内剪切刚度、扭转和砖墙开裂后刚度下降影响的空间模型,用振型分解法进行分析,取不同屋盖类型、各种山墙间距、各种厂房跨度、高度和单元长度,得出了统计规律,给出了较为合理的调整系数。因排架计算周期偏长,地震作用偏小,当山墙间距较大或仅一端有山墙时,按排架分析的地震内力需要增大而不是减小。对一端山墙的厂房,所考虑的排架一般指无山墙端的第二榀,而不是端榀。
    4 研究发现,对不等高厂房高低跨交接处支承低跨屋盖牛腿以上的中柱截面,其地震作用效应的调整系数随高、低跨屋盖重力的比值是线性下降,要由公式计算。公式中的空间工作影响系数与其他各截面(包括上述中柱的下柱截面)的作用效应调整系数含义不同,分别列于不同的表格,要避免混淆。
    5 地震中,吊车桥架造成了厂房局部的严重破坏。为此,把吊车桥架作为移动质点,进行了大量的多质点空间结构分析,并与平面排架简化分析比较,得出其放大系数。使用时,只乘以吊车桥架重力荷载在吊车梁顶标高处产生的地震作用,而不乘以截面的总地震作用。
    关于纵向计算:
    历次地震,特别是海城、唐山地震,厂房沿纵向发生破坏的例子很多,而且中柱列的破坏普遍比边柱列严重得多。在计算分析和震害总结的基础上,规范提出了厂房纵向抗震计算原则和简化方法。
    钢筋混凝土屋盖厂房的纵向抗震计算,要考虑围护墙有效刚度、强度和屋盖的变形,采用空间分析模型。本规范附录K第K.1节的实用计算方法,仅适用于柱顶标高不超过15m且有纵向砖围护墙的等高厂房,是选取多种简化方法与空间分析计算结果比较而得到的。其中,要用经验公式计算基本周期。考虑到随着烈度的提高,厂房纵向侧移加大,围护墙开裂加重,刚度降低明显,故一般情况,围护墙的有效刚度折减系数,在7、8、9度时可近似取0.6、0.4和0.2。不等高和纵向不对称厂房,还需考虑厂房扭转的影响,尚无合适的简化方法。

9.1.9、9.1.10 地震震害表明,没有考虑抗震设防的一般钢筋混凝土天窗架,其横向受损并不明显,而纵向破坏却相当普遍。计算分析表明,常用的钢筋混凝土带斜腹杆的天窗架,横向刚度很大,基本上随屋盖平移,可以直接采用底部剪力法的计算结果,但纵向则要按跨数和位置调整。
    有斜撑杆的三铰拱式钢天窗架的横向刚度也较厂房屋盖的横向刚度大很多,也是基本上随屋盖平移,故其横向抗震计算方法可与混凝土天窗架一样采用底部剪力法。由于钢天窗架的强度和延性优于混凝土天窗架,且可靠度高,故当跨度大于9m或9度时,钢天窗架的地震作用效应不必乘以增大系数1.5。
    本规范明确关于突出屋面天窗架简化计算的适用范围为有斜杆的三铰拱式天窗架,避免与其他桁架式天窗架混淆。
    对于天窗架的纵向抗震分析,继续保持89规范的相关规定。

9.1.11 关于大柱网厂房的双向水平地震作用,89规范规定取一个主轴方向100%加上相应垂直方向的30%的不利组合,相当于两个方向的地震作用效应完全相同时按本规范5.2节规定计算的结果,因此是一种略偏安全的简化方法。为避免与本规范5.2节的规定不协调,保持2001规范的规定,不再专门列出。
    位移引起的附加弯矩,即“P-△”效应,按本规范3.6节的规定计算。

9.1.12 不等高厂房支承低跨屋盖的柱牛腿在地震作用下开裂较多,甚至牛腿面预埋板向外位移破坏。在重力荷载和水平地震作用下的柱牛腿纵向水平受拉钢筋的计算公式,第一项为承受重力荷载纵向钢筋的计算,第二项为承受水平拉力纵向钢筋的计算。

9.1.13 震害和试验研究表明:交叉支撑杆件的最大长细比小于200时,斜拉杆和斜压杆在支撑桁架中是共同工作的。支撑中的最大作用相当于单压杆的临界状态值。据此,在本规范的附录K第K.2节中规定了柱间支撑的设计原则和简化方法:
    1 支撑侧移的计算:按剪切构件考虑,支撑任一点的侧移等于该点以下各节间相对侧移值的叠加。它可用以确定厂房纵向柱列的侧移刚度及上、下支撑地震作用的分配。
    2 支撑斜杆抗震验算:试验结果发现,支撑的水平承载力,相当于拉杆承载力与压杆承载力乘以折减系数之和的水平分量。此折减系数即本规范附录K中的“压杆卸载系数”,可以线性内插;亦可直接用下列公式确定斜拉杆的净截面An

    3 震害表明,单层钢筋混凝土柱厂房的柱间支撑虽有一定数量的破坏,但这些厂房大多数未考虑抗震设防。据计算分析,抗震验算的柱间支撑斜杆内力大于非抗震设计时的内力几倍。
    4 柱间支撑与柱的连接节点在地震反复荷载作用下承受拉弯剪和压弯剪,试验表明其承载力比单调荷载作用下有所降低;在抗震安全性综合分析基础上,提出了确定预埋板钢筋截面面积的计算公式,适用于符合本规范第9.1.25条5款构造规定的情况。
    5 提出了柱间支撑节点预埋件采用角钢时的验算方法。
    本规范第9.1.23条对下柱柱间支撑的下节点位置有明确的规定,一般将节点位置置于基础顶标高处。6、7度时地震力较小,采取加强措施后可设在基础顶面以上;本次修订明确,必要时也可沿纵向柱列进行柱根的斜截面受剪承载力验算来确定加强措施。

9.1.14 本条规定了与厂房次要构件有关的计算。
    1 地震震害表明:8度和9度区,不少抗风柱的上柱和下柱根部开裂、折断,导致山尖墙倒塌,严重的抗风柱连同山墙全部向外倾倒、抗风柱虽非单层厂房的主要承重构件,但它却是厂房纵向抗震中的重要构件,对保证厂房的纵向抗震安全,具有不可忽视的作用,补充规定8、9度时需进行平面外的截面抗震验算。
    2 当抗风柱与屋架下弦相连接时,虽然此类厂房均在厂房两端第一开间设置下弦横向支撑,但当厂房遭到地震作用时,高大山墙引起的纵向水平地震作用具有较大的数值,由于阶形抗风柱的下柱刚度远大于上柱刚度,大部分水平地震作用将通过下柱的上端连接传至屋架下弦,但屋架下弦支撑的强度和刚度往往不能满足要求,从而导致屋架下弦支撑杆件压曲。1966年邢台地震6度区、1975年海城地震8度区均出现过这种震害。故要求进行相应的抗震验算。
    3 当工作平台、刚性内隔墙与厂房主体结构相连时,将提高排架的侧移刚度,改变其动力特性,加大地震作用,还可能造成应力和变形集中,加重厂房的震害。地震中由此造成排架柱折断或屋盖倒塌,其严重程度因具体条件而异,很难作出统一规定。因此抗震计算时,需采用符合实际的结构计算简图,并采取相应的措施。
    4 震害表明,上弦有小立柱的拱形和折线形屋架及上弦节间长和节间矢高较大的屋架,在地震作用下屋架上弦将产生附加扭矩,导致屋架上弦破坏。为此,8、9度在这种情况下需进行截面抗扭验算。

(Ⅲ)抗震构造措施

9.1.15 本节所指有檩屋盖,主要是波形瓦(包括石棉瓦及槽瓦)屋盖。这类屋盖只要设置保证整体刚度的支撑体系,屋面瓦与檩条间以及檩条与屋架间有牢固的拉结,一般均具有一定的抗震能力,甚至在唐山10度地震区也基本完好地保存下来。但是,如果屋面瓦与檩条或檩条与屋架拉结不牢,在7度地震区也会出现严重震害,海城地震和唐山地震中均有这种例子。
    89规范对有檩屋盖的规定,系针对钢筋混凝土体系而言。2001规范增加了对钢结构有檩体系的要求。本次修订,未作修改。

9.1.16 无檩屋盖指的是各类不用檩条的钢筋混凝土屋面板与屋架(梁)组成的屋盖。屋盖的各构件相互间联成整体是厂房抗震的重要保证,这是根据唐山、海城震害经验提出的总要求。鉴于我国目前仍大量采用钢筋混凝土大型屋面板,故重点对大型屋面板与屋架(梁)焊连的屋盖体系作了具体规定。
    这些规定中,屋面板和屋架(梁)可靠焊连是第一道防线,为保证焊连强度,要求屋面板端头底面预埋板和屋架端部顶面预埋件均应加强锚固;相邻屋面板吊钩或四角顶面预埋铁件间的焊连是第二道防线;当制作非标准屋面板时,也应采取相应的措施。
    设置屋盖支撑是保证屋盖整体性的重要抗震措施,基本沿用了89规范的规定。
    根据震害经验,8度区天窗跨度等于或大于9m和9度区天窗架宜设置上弦横向支撑。

9.1.17 本规范在进一步总结地震经验的基础上,对有檩和无檩屋盖支撑布置的规定作适当的补充。

9.1.18 唐山地震震害表明,采用刚性焊连构造时,天窗立柱普遍在下挡和侧板连接处出现开裂和破坏,甚至倒塌,刚性连接仅在支撑很强的情况下才是可行的措施,故规定一般单层厂房宜用螺栓连接。

9.1.19 屋架端竖杆和第一节间上弦杆,静力分析中常作为非受力杆件而采用构造配筋,截面受弯、受剪承载力不足,需适当加强。对折线形屋架为调整屋面坡度而在端节间上弦顶面设置的小立柱,也要适当增大配筋和加密箍筋。以提高其拉弯剪能力。

9.1.20 根据震害经验,排架柱的抗震构造,增加了箍筋肢距的要求,并提高了角柱柱头的箍筋构造要求。
    1 柱子在变位受约束的部位容易出现剪切破杯,要增加箍筋。变位受约束的部位包括:设有柱间支撑的部位、嵌砌内隔墙、侧边贴建披屋、靠山墙的角柱、平台连接处等。
    2 唐山地震震害表明:当排架柱的变位受平台,刚性横隔墙等约束,其影响的严重程度和部位,因约束条件而异,有的仅在约束部位的柱身出现裂缝;有的造成屋架上弦折断、屋盖坍落(如天津拖拉机厂冲压车间);有的导致柱头和连接破坏屋盖倒塌(如天津第一机床厂铸工车间配砂间)。必须区别情况从设计计算和构造上采取相应的有效措施,不能统一采用局部加强排架柱的箍筋,如高低跨柱的上柱的剪跨比较小时就应全高加密箍筋,并加强柱头与屋架的连接。
    3 为了保证排架柱箍筋加密区的延性和抗剪强度,除箍筋的最小直径和最大间距外,增加对箍筋最大肢距的要求。
    4 在地震作用下,排架柱的柱头由于构造上的原因,不是完全的铰接;而是处于压弯剪的复杂受力状态,在高烈度地区,这种情况更为严重,排架柱头破坏较重,加密区的箍筋直径需适当加大。
    5 厂房角柱的柱头处于双向地震作用,侧向变形受约束和压弯剪的复杂受力状态,其抗震强度和延性较中间排架柱头弱得多,地震中,6度区就有角柱顶开裂的破坏;8度和大于8度时,震害就更多,严重的柱头折断,端屋架塌落,为此,厂房角柱的柱头加密箍筋宜提高一度配置。
    6 本次修订,增加了柱侧向受约束且剪跨比不大于2的排架柱柱顶的构造要求。

9.1.21 大柱网厂房的抗震性能是唐山地震中发现的新问题,其震害特征是:①柱根出现对角破坏,混凝土酥碎剥落,纵筋压曲,说明主要是纵、横两个方向或斜向地震作用的影响,柱根的强度和延性不足;②中柱的破坏率和破坏程度均大于边柱,说明与柱的轴压比有关。
    本次修订,保持了2001规范对大柱网厂房的抗震验算规定,包括轴压比和相应的箍筋构造要求。其中的轴压比限值,考虑到柱子承受双向压弯剪和P-△效应的影响,受力复杂,参照了钢筋混凝土框支柱的要求,以保证延性;大柱网厂房柱仅承受屋盖(包括屋面、屋架、托架、悬挂吊车)和柱的自重,尚不致因控制轴压比而给设计带来困难。

9.1.22 对抗风柱,除了提出验算要求外,还提出纵筋和箍筋的构造规定。
    地震中,抗风柱的柱头和上、下柱的根部都有产生裂缝、甚至折断的震害,另外,柱肩产生劈裂的情况也不少。为此,柱头和上、下柱根部需加强箍筋的配置,并在柱肩处设置纵向受拉钢筋,以提高其抗震能力。

9.1.23 柱间支撑的抗震构造,本次修订基本保持2001规范对89规范的改进:
    ①支撑杆件的长细比限值随烈度和场地类别而变化;本次修订,调整了8、9度下柱支撑的长细比要求;②进一步明确了支撑柱子连接节点的位置和相应的构造;③增加了关于交叉支撑节点板及其连接的构造要求。
    柱间支撑是单层钢筋混凝土柱厂房的纵向主要抗侧力构件,当厂房单元较长或8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时,纵向地震作用效应较大,设置一道下柱支撑不能满足要求时,可设置两道下柱支撑,但应注意:两道下柱支撑宜设置在厂房单元中间三分之一区段内,不宜设置在厂房单元的两端,以避免温度应力过大;在满足工艺条件的前提下,两者靠近设置时,温度应力小;在厂房单元中部三分之一区段内,适当拉开设置则有利于缩短地震作用的传递路线,设计中可根据具体情况确定。
    交叉式柱间支撑的侧移刚度大,对保证单层钢筋混凝土柱厂房在纵向地震作用下的稳定性有良好的效果,但在与下柱连接的节点处理时,会遇到一些困难。

9.1.25 本条规定厂房各构件连接节点的要求,具体贯彻了本规范第3.5节的原则规定,包括屋架与柱的连接,柱顶锚件;抗风柱、牛腿(柱肩)、柱与柱间支撑连接处的预埋件:
    1 柱顶与屋架采用钢板铰,在原苏联的地震中经受了考验,效果较好;建议在9度时采用。
    2 为加强柱牛腿(柱肩)预埋板的锚固,要把相当于承受水平拉力的纵向钢筋(即本节第9.1.12公式中的第2项)与预埋板焊连。
    3 在设置柱间支撑的截面处(包括柱顶、柱底等),为加强锚固,发挥支撑的作用,提出了节点预埋件采用角钢加端板锚固的要求,埋板与锚件的焊接,通常用埋弧焊或开锥形孔塞焊。
    4 抗风柱的柱顶与屋架上弦的连接节点,要具有传递纵向水平地震力的承载力和延性。抗风柱顶与屋架(屋面梁)上弦可靠连接,不仅保证抗风柱的强度和稳定,同时也保证山墙产生的纵向地震作用的可靠传递,但连接点必须在上弦横向支撑与屋架的连接点,否则将使屋架上弦产生附加的节间平面外弯矩。由于现在的预应力混凝土和钢筋混凝土屋架,一般均不符合抗风柱布置间距的要求,故补充规定以引起注意,当遇到这种情况时,可以采用在屋架横向支撑中加设次腹杆或型钢横梁,使抗风柱顶的水平力传递至上弦横向支撑的节点。