多层工业厂房可变荷载地震组合值系数的取值

多层工业厂房可变荷载地震组合值系数的取值

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ΨEC值。通过两个典型工程算例比较，发现ΨEC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ΨEC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 ΨEC for multi-storey factory building. The paper presents two typical calculation examples to demonstrate the importance of ΨEC for seismic design of multi-storey factory building, discusses rational range of ΨEC. Recommendations on values of ΨEC 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“ΨEC”表示）的默认值进行结构分析，ΨEC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ΨEC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ΨEC=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ΨEC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ΨEC值对地震作用计算结果的影响，讨论分析多层工业厂房ΨEC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γo=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ΨT=0.90；在其他条件不变情况下改变ΨEC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ΨEC值对应的主要计算结果（某四层厂房）

活

恒载产产生的总的质量(t) 质

(t) 3232.7 3232.7 3232.7 3232.7 3232.7 3232.7

载生总量

结构的总质量(t)

第一振型振动周期(s)

CQC法X向地震作用下的首层剪力(kN) 1468.5 1519.4 1569.0 1617.4 1664.8 1711.1

CQC法Y向地震作用下的首层剪力(kN) 1523.4 1582.5 1640.5 1697.4 1753.2 1808.0

ΨEC

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

1098. 6

1318.3 1538.0 1757.7 1977.4 2197.1

4331.2 4550.9 4770. 7 4990.4 5210.1 5429.8

1.0861 1.1110 1.1355 1.1594 1.1829 1.2060

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，ΨT=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ΨEC值对应的主要计算结果（某五层宿舍）

恒载产生的总质量(t) 4284.2 4284.2 4284.2 4284.2 4284.2 4284.2

活载产生的总质量(t) 362.2 434.7 507.1 579.6 652.0 724.4

结构的总质量(t) 4646.4 4718.9 4791.3 4863.7 4936.2 5008.6

第一振型振动周期(s) 1.0151 1.0237 1.0322 1.0406 1.0489 1.0572

CQC法X向地震作用下的首层剪力(kN) 1825.7 1842.5 1859.3 1875.9 1892.5 1908.9

CQC法Y向地震作用下的首层剪力(kN) 2215.1 2235.3 2255.5 2275.5 2295.3 2315.1

ΨEC

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

2 ΨEC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ΨEC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ΨEC（≤1）予以折减，在加上恒载形成的质量，作为结构的有效质量。 ΨEC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ΨEC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ΨEC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ΨEC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（ΨEC=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，ΨEC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ΨEC的取值比较随意，过低的ΨEC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ΨEC的取值指引，使设计工作有章可循。

3 多层工业厂房ΨEC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ΨEC=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ΨEC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ΨEC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ΨEC值。 3.2.1 ΨEC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ΨEC值的下限是荷载规范[4]中的准永久系数（下文用符号“Ψq”表示）,ΨEC≥Ψq。 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]Ψq=0.8，相应ΨEC≥0.8。另外对照荷载规范[4]第4.2.3条中Ψq≥0.6的规定，多层工业厂房的ΨEC值不宜小于0.7，任何情况下不应小于0.6。 3.2.2 ΨEC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“ΨC”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ΨC作为ΨEC的取值上限，而且ΨEC的取值上限应小于ΨC。

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“Ψf”表示）和抗震规范[1]表5.1.3ΨEC值，一般民用建筑大体满足Ψq≤ΨEC≤Ψf的规律，从实用角度建议多层工业厂房ΨEC的取值上限为Ψf。

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ΨEC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，ΨEC=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ΨEC值的下限是荷载规范[4]中的准永久系数Ψq，上限为频遇值系数Ψf，即Ψq≤ΨEC≤Ψf。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Ψf和Ψq值来确定ΨEC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Ψq值来确定ΨEC取值范围；

2）对商品性通用多层厂房，建议取ΨEC≥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ΨEC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ΨEC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.

工业建筑楼面均布活荷载应分三次输入电算程序讨论

工业建筑楼面均布活荷载，应分三次输入电算程序进行计算，然后对 三次电算结果进行选择，选取符合设计规范的结果用于工程设计，以避免楼面活荷载选用过大而带来的浪费。一般的民用建筑，楼面均布活荷载，在规范中只列出一个值，例如办公楼，只列出活荷载标准值2.0 kN/m2。至于活荷载在传递过程中的折减，在规范中已有明确的折减系数，这些折减系数也反映在电算过程中。因此，电算时只要将活荷2.0 kN/m2输入程序中，电算的结果就是所需要的正确结果，所以民用建筑的结构，只要一次电算就能完成（至于优化设计多算几次则另当别论）。工业建筑的楼面均布活荷载，它的特点是没有民用建筑楼面活荷载的折减系数，活荷载在传递过程中的折减，是以楼面均布活荷载在板、次梁、主梁的不同标准值中直接表达出来的。例如2006版的《建筑结构荷载规范》GB50009-2002中表C.0.1，以序号1的一类金工车间为例（板跨≥1.2m、次梁间距≥1.2m），楼面均布活荷载有三个标准值，即板22.0 kN/m2，次梁14.0 kN/m2，主梁9.0 kN/m2。这就是说，计算板、次梁、主梁时所用的楼面活荷载是不一样的，不能只用一个板的楼面活荷载22.0 kN/m2一算到底，这将导致很大的浪费。但一般的民用建筑的结构电算程序一次只能输入一个活荷载，因此，正确的做法应该是分三次输入楼面活荷载值。在本例中，第一次输入22.0 kN/m2，只取结构电算结果中板的有关数据，作为楼板的设计依据，此次电算的次梁和主梁的结果，由于偏大，一律不要。第二次输入14.0 kN/m2，只取结构电算结果中次梁的有

关数据作为次梁的设计依据，其余板和主梁的电算结果，对于板来说不够安全，对于主梁仍偏大，因此两者都不要。同理，第三次输入9.0 kN/m2，只取结构电算结果中主梁、柱（墙）、基础的有关数据作为主梁、柱（墙）、基础的设计依据，而此次电算的板和次梁的结果都偏小，不能取用。经过以上将不同的楼面活荷载分三次输入电算程序后，对板、次梁、主梁所选取的结果才是符合规范要求的。长期以来，工业建筑楼面活荷载是由设计院的工艺设计人员以“土建要求”的方式提供给土建设计人员的，往往是一个房间只提供一个数值，这样做对于民用建筑的楼面活荷载来说是可行的，但对于工业建筑来说就不够了。其后果是土建设计人员只好将这一个数据从楼板至基础一传到底而不折减，往往造成工程设计的浪费。今后如果仍然由工艺设计人员向土建设计人员提供楼面活荷载值的话，为了避免工作中的失误，建议工艺设计人员应与土建设计人员一起共同对工程中房间的名称，按照2006版的《建筑结构荷载规范》GB50009-2002中表C.0.1~ C.0.6核对，先把房间名称搞准确后，然后再按表

C.0.1~C.0.6准确确定板、次梁、主梁的楼面活荷载的标准值，最后再按此结果进行分三次输入的电算工作。

计算地震作用时，工业建筑的活荷载组合值系数取值

今天被问的问题：12层，建筑高度60m，轻工厂房，计算地震作用时，一般轻工厂房（活载为6kN/m2）的活荷载组合值系数取0.7足够未？

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.3条（强制性条文）：计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。各可变荷载的组合值系数，应按表5.1.3采用。

表5,1.3组合值系数

可变荷载种类 雪荷载 屋面积灰荷载 屋面活荷载 按实际情况计算的楼面活荷载 藏书库、档案库 按等效均布荷载计算的楼面活荷载 其他民用建筑 硬钩吊车 起重机悬吊物重力 软钩吊车 注：硬钩吊车的吊重较大时，组合值系数应按实际情况采用。

组合值系数 0.5 0.5 不计入 1.0 0.8 0.5 0.3 不计入 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第4.3.6条：计算地震作用时，建筑结构的重力荷载代表值应取永久荷载标准值和可变荷载组合值之和。可变荷载的组合值系数应按下列规定采用： 1 雪荷载取0.5；

2 楼面活荷载按实际情况计算时取1.0；按等效均布活荷载计算时，藏书库、档案库、库房取0.8，一般民用建筑取0.5。

根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006年版）第4.1.1条，一般藏书库、档案库、储藏室的楼面活荷载标准值为5.0KN/m2，密集柜书库为12.0。根据《全国民用建筑工程设计技术措施结构（结构体系）》（2009年版）附录F，商业库

房楼地面活荷载标准值为10~80KN/m2，物资库房楼地面活荷载标准值为4.0~35.0KN/m2。

可见无论是抗规还是高规，等效均布活荷载≥4.0KN/m2时组合值系数取0.8，活荷载＜4.0KN/m2时取0.5。

对于工业建筑，规范未予以明确。但可以根据其楼面等效均布活荷载标准值的大小参考取值。对于楼面活荷载为6KN/m2的工业厂房，计算地震作用时，活荷载的组合值系数取0.8比较妥当。

附带的问题是：多层层数比较少，按0.8取就算了（对含钢量影响较小），高层可以取0.7吗？Deer认为从抗震设计的概念来说，层数越多或者活荷载数值越大，与地震作用耦合的可能性越大，更不应该降低标准。

再论PKPM中的重力荷载代表值系数与活荷载质量折减系数

2012-04-09 18:34:58| 分类： PKPM专区 | 标签： |字号大中小 订阅

看了2010版PKPM的说明，终于大概知道老版本（如2005版）PKPM中“重力荷载代表值系数”与“活荷载质量折减系数”这两个概念的用意，“活荷载质量折减系数”用于地震作用计算，实际对应《抗规》5.1.3条计算重力荷载代表值时的“可变荷载的组合值系数”，而“重力荷载代表值系数”用于地震验算，对应于《抗规》5.4.1条文说明2中的“抗震验算中作用组合值系数”，而该条文说明还指出“本规范继续沿用78规范在验算和计算地震作用时(除吊车悬吊重力外)对重力荷载均采用相同的组合值系数的规定，可简化计算，并避免有两种不同的组合值系数。”即规范在地震作用计算和地震验算时，为简化计算，采用相同的组合值系数。基于此点，在2010版PKPM中已将老版本在“地震信息”输入界面中用到的“活荷载质量折减系数”以及在“荷载组合”输入信息中用到的“重力荷载代表值系数”分别称为“活载重力荷载代表值组合系数”和“活载重力代表值系数”，并在2010版的说明中指出“这两处系数含义不同， 但取值应相同。”、“当\"地震信息\"页中修改了\"活荷重力代表值组合系数\"时，\"荷载组合\"页中\"活荷重力代表值系数\"将联动改变。”

PKPM老版本“重力荷载代表值系数“与”活荷载质量折减系数”输入界面：

2010版PKPM已在“地震信息”和“荷载组合”输入信息界面分别改用“活载重力荷载代表值组合系数”和“活载重力代表值系数”

2010版PKPM对“活载重力荷载代表值组合系数”和“活载重力代表值系数”的说明：

《抗规》5.1.3：

《抗规》5.4.1：

《抗规》5．4．1条文说明： 2 抗震验算中作用组合值系数的确定

本规范在计算地震作用时，已经考虑了地震作用与各种重力荷载(恒荷载与活荷载、雪荷载等)的组合问题，在本规范5．1．3条中规定了一组组合值系数，形成了抗震设计的重力荷载代表值，本规范继续沿用78规范在验算和计算地震作用时(除吊车悬吊重力外)对重力荷载均采用相同的组合值系数的规定，可简化计算，并避免有两种不同的组合值系数。因此，本条中仅出现风荷载的组合值系数，并按《统一标准》的方法，将78规范的取值予以转换得到。这里，所谓风荷载起控制作用，指风荷载和地震作用产生的总剪力和倾覆力矩相当的情况。