国家开发银行数据中心机房隔震结构设计(建筑)
韩 平， 李 毅， 潘 宁， 黄存智， 邱仓虎
（中国建筑科学研究院，北京100013）
[摘要] 国家开发银行数据中心机房结构地上3层，通过结构方案比选，最终选用框架结构加隔震的方案，并采用ETABS软件对结构进行隔震分析计算。计算结果表明，结构采用铅芯橡胶隔震支座后，上部结构地震反应有较大幅度减小，结构抗震性能有较大的提高，采用隔震技术能够有效提高结构的抗震性能。
[关键词] 国家开发银行；隔震；铅芯橡胶隔震支座；抗震性能
中图分类号：TU318 文章编号：1002-848X(2016)11-0049-05
1 工程概况
本工程位于北京市中关村创新园内，建筑地下1层，地上由7栋3～4层独立建筑组成。各栋建筑之间局部有钢桥连接。地上1#楼为动力楼，2#楼A区为银行数据中心机房楼，其余为办公楼，建筑效果图见图1。
本项目银行数据中心机房楼采用框架结构，地上3层，层高为5. 7m;地下1层为管道夹层，层高2.19m；柱距为8.4m，柱截面尺寸为800×800，工程抗震设防烈度为8度(0.2g)，抗震设防类别为乙类，设计地震分组为第一组，工程场地类别为Ⅲ类；根据机房工艺要求，机房区域活荷载标准值为20kN/m2。柱混凝土强度等级为C40，梁板混凝土强度等级为C35；受力钢筋强度等级为HRB400，结构标准层平面布置如图2所示。
根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50223-2008)，银行数据中心机房作为储存重要
信息的建筑，其抗震设防类别应至少划为重点设防类，即其抗震设防标准应高于一般建筑的“小震不坏、中震可修、大震不倒”。
2 结构方案比选
(1)方案一：常规的框架结构。由于机房荷载较大，层高较高，梁板柱截面很大，配筋率会很大，位移较大，很难保证大震后能够正常运行和使用。
(2)方案二：框架一剪力墙结构。由于建筑方案及机房工艺需求，结构周边和内部可布置墙的位置不多，且梁柱、剪力墙截面会很大，配筋也会很大，很难保证大震后结构能够正常运行和使用。
(3)方案三：框架结构+隔震技术。本方案能够明显减小结构地震作用和梁柱截面及配筋，同时大大提高结构抗震性能。
综合分析比较，同时鉴于该银行数据中心机房的重要性，为提高建筑的抗震安全性，本项目采用方案三，即框架结构+隔震技术。
3 隔震结构抗震性能目标
隔震结构抗震性能目标为：设防烈度地震作用下水平向减震系数不大于0.5。罕遇地震作用下，震后整个建筑可继续使用，以保证机房内机器在震后能够正常运行和使用，即罕遇地震作用下层间位移角小于限值1/550。隔震层以下结构按照大震抗剪不屈服进行构件设计。
4 隔震结构分析与设计
4.1隔震层方案
本项目采用铅芯橡胶隔震支座组成隔震层，隔震层设置在首层底板与基础底板之间（设置在设备夹层），如图3所示，每个框架柱下设置一个隔震支座，隔震支座典型节点如图4所示。
隔震支座的选型应使隔震后结构具有较好的减震效果，同时能够保证上部结构正常使用，因此隔震支座应该具有足够的竖向刚度和承载力、足够大的阻尼、水平变形能力、复位功能和良好的耐久性。根据本工程的抗震性能目标要求与框架柱受力情况，隔震支座设计参数选取见表1。
4.2隔震支座压应力验算
根据《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规）要求，乙类建筑隔震支座最大压力设计值不应超过12MPa，通过计算各个框架柱的最大轴压力（永久荷载与可变荷载的组合值）设计值来验算各个隔震支座的压应力设计值，经计算所选取隔震支座最大压应力均满足抗规要求，具体如表2所示。
4.3抗风验算
在水平向风荷载作用下，隔震结构所受风荷载的水平剪力设计值为1342kN，小于隔震结构各隔震支座的屈服力之和。采用的铅芯橡胶隔震支座能够满足抗风设计要求。
5 隔震结构计算分析
5.1结构计算模型
采用有限元软件ETBAS对结构进行计算分析，上部结构及隔震层均采用三维模型，上部结构梁、柱采用梁柱单元，隔震支座采用ETABS中的非线性隔震单元进行模拟，恒载及活载均按实际情况输入，计算模型如图5所示。
5.2隔震支座单元属性
隔震支座单元中，水平方向上2个自由度具有剪切弹性刚度且具有塑性属性，其余4个自由度具有线性弹性属性；水平方向上自由度的力与变形关系曲线如图6所示，其力f与变形d的关系式可以表示为：
5.3隔震结构自振特性
采用ETABS软件对结构进行自振特性分析，计算结果如表3所示，由计算结果可知，原结构第1振型周期为0. 807s，结构主要周期小于1s，此类结构隔震效果较好，且结构规则，完全符合建筑结构采用隔震方案的要求。
将结构隔震前后自振周期反映到本工程设计反应谱中，如图7所示，可以看出，隔震后结构第1阶振型周期为2. 861s，比原结构第1阶振型周期大幅度延长，说明结构采用隔震支座后，由于隔震支座水平刚度较小，所以隔震结构整体水平刚度变小，结构变柔，地震作用相应也会减小。
5.4地震波选择
根据隔震建筑自振特性选取地震波，本工程设计采用3条地震波，其中2条天然波、1条人工波。地震波的加速度峰值：多遇地震取70gal，设防地震取200gal，罕遇地震取400gal。
根据地震波谱分析曲线（图8）可以看出，3条地震波在隔震结构的主要周期点处与规范谱接近，同时计算的基底剪力满足规范要求。
5.5设防地震作用下结构楼层剪力对比
8度设防地震作用下，隔震后结构与隔震前原结构X向、Y向楼层剪力对比结果见表4。
由计算结果可知，8度设防地震作用下，隔震结构层剪力与非隔震结构层剪力比最大为0. 426，根据抗规可以得出隔震结构水平向地震减震系数为
=0.426/0. 85=0.50，上部结构设计时减震系数取0. 50，上部结构水平地震影响系数最大取值为0. 50×0.16=0.080。上部结构水平地震作用降低一度；同时由表4中隔震前后楼层剪力对比可以看出，采用隔震技术后结构楼层剪力有了很大幅度的减小，减震效果很明显。
5.6罕遇地震作用下隔震结构加速度反应
8度罕遇地震作用下，隔震上部结构X向、y向各层绝对加速度分别见表5。从表中可以看出，隔震结构楼层绝对加速度比原结构有大幅度减小，小于地面输入加速度4m／s2，罕遇地震作用下楼层加速度放大系数最大为1.769/4=0.442，结构采用隔震技术后结构楼层地震加速度反应减小为地面输入加速度的44. 2%，隔震效果很好。
5.7罕遇地震作用下楼层层间位移角
8度罕遇地震作用下，隔震上部结构X向、Y向层间位移角如表6所示。在8度罕遇地震作用下，隔震层以上结构层间位移角除第1层（X向位移角为1/546）稍超过1/5 50外，其他楼层均不大于1/550。基本能够保证主体结构、填充墙、装修等二次结构大震下不会破坏，也能保证银行数据中心机房设备正常运行。
5.8罕遇地震作用下隔震层的最大水平位移
8度罕遇地震作用下，隔震结构隔震层的最大水平位移见表7。根据《叠层橡胶支座隔震技术规程》( CECS 126: 2001)和抗规，隔震支座LRB900,LRB1200最大容许位移分别为486，609mm，可见隔震层的最大位移满足橡胶隔震支座的最大容许位移。
根据抗规，隔震层以上的上部结构与周边任何固定物均应有隔离缝。竖向隔离缝为20mm宽，水平隔离缝为1.2倍罕遇地震时隔震支座最大水平位移，同时考虑到地下管线的排布，综合考虑本工程水平缝取为350mm宽，且不得有任何固定物对上部结构的水平移动形成阻挡，隔震沟示意如图9所示。
5.9罕遇地震作用下支座验算
在罕遇地震作用下，隔震支座受上部楼层传递来的弯矩、剪力与轴力作用，经过验算，所有的隔震支座均受压力，所有隔震支座均未出现拉应力。
隔震支座的上下连接板与上下结构分别采用螺栓连接，所有连接螺栓均按罕遇地震作用下产生的水平剪力、弯矩进行强度验算。
隔震支座安装时应尽量保证隔震支座与其上下的相连的混凝土柱墩中心对齐，以保证支座在正常使用状态下为轴心受压，因此安装隔震支座时应对隔震支座的水平度与中心位置定位精度严格控制，本工程隔震支座现场安装见图10。
6 结论
(1)设防地震作用下，隔震结构层剪力与非隔震结构楼层剪力比最大值不大于0. 426，水平向减震系数为0. 50，上部结构水平地震作用降低一度能满足本工程的抗震性能目标要求，结构地震反应大幅度降低，结构减震效果良好。
(2)结构在遭遇8度罕遇地震时，基本能保证结构内部装修、物品及管线不会损坏，不会影响结构正常使用功能，完全能够保证银行重要数据不会丢失，满足本工程的抗震性能目标“罕遇地震作用下，震后整个建筑可继续使用”的要求，结构采用隔震技术后，结构抗震性能有了明显的提高。
(3)高烈度地震地区，对于一些重要的建筑，采用隔震技术能够有效提高结构的抗震性能。
