国家开发银行数据中心结构设计(建筑)

 国家开发银行数据中心结构设计(建筑)

韩  平，潘  宁，李  毅，黄存智，邱仓虎

（中国建筑科学研究院，北京100013）

[摘要]本文介绍国家开发银行数据中心结构设计，地上由7栋独立建筑组成，各个单体结构高度不超过18m，结构采用钢筋混凝土框架结构和框剪结构。本项目采用了隔震技术、预应力空心楼盖、大跨度钢桁架等结构方案，既保证了结构安全，同时也实现了建筑功能要求。 [关键词]结构设计；隔震；预应力空心楼盖；大跨度钢桁架      [中图分类号]TU318    

1  工程概况

    本工程位于北京市海淀区苏家坨中关村创新园C6-03地块内。该建筑地下1层（局部设有夹层）；地上由7栋3层～4层独立建筑组成。各栋建筑之间局部有钢桥连接；在东主入口处有一个总长度87. 75m的钢桁架屋面。地下室平时为汽车库，战时为核6级物资库。地上1^#楼为动力楼，2^#楼A区为机房楼，2^#楼B区为指挥控制中心，其余为办公楼。工程总建筑面积55209. 2m²，其中地上建筑面积35209. 2m²，地下建筑面积20000m²。建筑效果图见图1。

    建筑结构安全等级：1^#楼、2^#楼A区、2^#楼B区为一级，其余各楼均为二级。建筑抗震设防类别：1^#楼、2^#楼A区、2^#楼B区为乙类，其余各楼均为丙类；抗震设防烈度为8度(0.2g)，场地类别为III类，结构设计使用年限为50年。

    结构体系：采用全现浇钢筋混凝土结构，1^#楼为框架结构；2^#楼A区为采用隔震技术的框架结构，隔震层在基础与首层之间；2^#楼B区为框架一抗震墙结构；2^#楼C、D区为框架结构和抗震墙结构，各个结构单体之间在地面以上用抗震缝分开，地上结构分区示意见图2。

    地基基础：2^#楼C、D区的剪力墙简体下采用桩基础；其余各处皆为天然地基，基础均采用梁板式筏形基础。基础设计等级为乙级。

2  结构设计特点

    本工程各个单体结构高度不超过18m，采用钢筋混凝土框架结构和框架一剪力墙结构，本项目结构设计特点为：2^#楼A区为数据中心机房楼，鉴于该楼的重要性，结构采用隔震技术，以提高其抗震防灾性能。2^#楼B区按建筑功能布置要求，分别形成大跨度楼盖，大跨度楼盖采用预应力空心楼盖技术。按建筑造型要求在连接2^#楼C区与D区之间设置

大跨度钢桁架屋面。

3  隔震结构设计

    2^#楼A区的隔震层设置在首层板与基础底板之间，采用铅芯橡胶隔震支座组成隔震层，如图3和图4所示，每个框架柱下设置1个隔震支座，隔震支座设计参数见表1。

3.1  隔震结构计算模型

    采用结构分析软件ETBAS对结构进行计算分析，上部结构及隔震层均采用三维计算模型，上部结构梁、柱采用梁柱单元，隔震支座采用ETABS中的非线性连接单元（隔震单元）进行模拟，恒载及活荷载均按实际情况输入。地震波根据隔震结构特点和抗震规范要求选取2条天然波及1条人工波，对原结构与隔震结构分别进行非线性时程分析。隔震结构计算模型见图5。

3.2设防地震作用下隔震结构减震系数

    8度设防地震作用下，楼层结构隔震前后楼层剪力分布图见图6和图7。隔震结构层剪力与非隔震结构层剪力比最大为0. 426，根据抗震规范12.2.5条规定，可以得出隔震结构水平向地震减震系数==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=0.08。上部结构水平地震作用降低一度。

    同时由图6与图7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减小，减震效果很显著。

3.3  罕遇地震作用下隔震结构反应

    从表2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。

    8度罕遇地震作用下，隔震层以上结构X向、y向楼层位移角见表3。计算结果显示，在8度罕遇地震作用下，隔震层以上结构层间位移角除首层（X向楼层位移角为1/546）稍超过1/5 50外，其余楼层均小于1/550（多遇地震框架结构层间位移角限值）。基本能够保证主体结构、填充墙、装修等二次结构在大震下不会破坏，也能保证银行机房设备正常运行。

4  无粘结预应力空心屋盖设计

    2^#楼B区为指挥控制中心，为本项目核心区域，建筑抗震设防类别为乙类，建筑结构安全等级为一级，结构采用框架剪力墙结构，地上三层，地下一层。由于建筑功能布局需要形成了大空间开敞区域，在控制中心顶部即屋顶形成了25. 2m×16. 8m的大跨度区域，大跨度预应力屋盖的平面布置图见图8，建筑剖面图见图9。

    针对大跨度屋盖结构，可采取的结构方案为密肋梁方案或预应力空心屋盖方案。经过计算分析，综合考虑后采用无粘结预应力空心屋盖。预应力空心屋盖根据跨度及支座约束条件和荷载情况确定预应力空心板的截面厚度为700mm，体积空心率约为49%，预应力筋极限强度标准值为1860MPa，空心屋盖填充体选用聚苯填充体，预应力空心屋盖断面图见图10。采用预应力空心屋盖不仅减少了结结构自重，也实现了建筑大空间要求，同时经过现场实

测，大跨度预应力楼板具有良好的舒适度。

5  大跨度钢桁架屋面设计

    由于东侧入口处为满足建筑造型要求及视野开阔的要求，设置净跨为66. 65m的装饰性入口屋面，以连接C区与D区，由于建筑造型需要入口屋面钢桁架高度只能取到2. 5m，其跨高比约为1/27，为了提高钢桁架的刚度，将钢桁架向两侧外伸到总长87. 75m，利用C区与D区的剪力墙核心筒内外侧墙体为钢屋面桁架端部设置拉压支座，为桁架端部提供负弯矩，钢桁架屋面建筑方案见图11。

    根据建筑功能及结构布置，沿入口屋面长度南北方向布置3榀主桁架，东西方向布置10榀次桁架，形成入口钢屋面的主体结构，桁架布置及典型节点见图12~图14。主要构件截面见表4。

    为了保证钢桁架在温度作用下的变形要求及C区、D区在地震作用下的安全性，入口钢桁架设置沿C区、D区建筑水平方向可以滑动的支座，支座位置如图13所示。图中支座1、2、3、10、11、12为抗拔支座，设计支座上拔承载力不小于7000kN，支座4、5、6、7、8、9为抗压支座，设计支座受压承载力不小于13000kN；图中支座1、3、4、6、7、9、10、11、12为双向限位滑移支座，其支座容许位移量为X向±10mm、Y，向±80mm;滑移摩擦系数不大于0.05。支座2、5、8、11为单向（Y向）限位滑移支座，其支座容许位移量为y向±80mm，X向水平位移嵌固，万向球形支座示意图如图15所示。

    计算时考虑恒载、活载、风荷载、水平地震和竖向地震作用与温度作用，采用结构设计分析软件MIDAS-GEN对钢屋面进行整体桁架计算分析并设计，杆件的应力比、整体变形及节点验算等均满足规范要求。

6  结论

    本项目地上建筑由7栋3层～4层独立建筑组成。各栋建筑之间局部有钢桥连接，形成一体，该项目结构高度并不高，但建筑非常重要，建筑方案及功能要求给结构带来一定的挑战。

    1)2^#楼A区数据中心机房采用隔震技术，隔震效果很明显，有效地提高了结构抗震性能。因此，高烈度地区重要建筑采用隔震技术能够有效提高结构的抗震性能。

    2)2^#楼B区为实现建筑功能要求，采用了预应力空心楼盖，不仅实现了建筑大空间要求，同时也减轻了结构自重，保证了结构安全。

    3)东侧入口大跨度屋面跨度达66. 65m，屋面桁架高度仅2. 5m，采用主次钢桁架结构体系，根据建筑方案特点选取合理的支座约束方案，不但实现了建筑方案造型要求，同时也使桁架竖向刚度满足设计要求。