國家開發銀行數據中心結構設計(建筑)

韓  平，潘  寧，李  毅，黃存智，邱倉虎

（中國建筑科學研究院，北京100013）

[摘要]本文介紹國家開發銀行數據中心結構設計，地上由7棟獨立建筑組成，各個單體結構高度不超過18m，結構采用鋼筋混凝土框架結構和框剪結構。本項目采用了隔震技術、預應力空心樓蓋、大跨度鋼桁架等結構方案，既保證了結構安全，同時也實現了建筑功能要求。 [關鍵詞]結構設計；隔震；預應力空心樓蓋；大跨度鋼桁架      [中圖分類號]TU318    

1  工程概況

    本工程位于北京市海淀區蘇家坨中關村創新園C6-03地塊內。該建筑地下1層（局部設有夾層）；地上由7棟3層～4層獨立建筑組成。各棟建筑之間局部有鋼橋連接；在東主入口處有一個總長度87. 75m的鋼桁架屋面。地下室平時為汽車庫，戰時為核6級物資庫。地上1^#樓為動力樓，2^#樓A區為機房樓，2^#樓B區為指揮控制中心，其余為辦公樓。工程總建筑面積55209. 2m²，其中地上建筑面積35209. 2m²，地下建筑面積20000m²。建筑效果圖見圖1。

    建筑結構安全等級：1^#樓、2^#樓A區、2^#樓B區為一級，其余各樓均為二級。建筑抗震設防類別：1^#樓、2^#樓A區、2^#樓B區為乙類，其余各樓均為丙類；抗震設防烈度為8度(0.2g)，場地類別為III類，結構設計使用年限為50年。

    結構體系：采用全現澆鋼筋混凝土結構，1^#樓為框架結構；2^#樓A區為采用隔震技術的框架結構，隔震層在基礎與首層之間；2^#樓B區為框架一抗震墻結構；2^#樓C、D區為框架結構和抗震墻結構，各個結構單體之間在地面以上用抗震縫分開，地上結構分區示意見圖2。

    地基基礎：2^#樓C、D區的剪力墻簡體下采用樁基礎；其余各處皆為天然地基，基礎均采用梁板式筏形基礎?；�礎設計等級為乙級。

2  結構設計特點

    本工程各個單體結構高度不超過18m，采用鋼筋混凝土框架結構和框架一剪力墻結構，本項目結構設計特點為：2^#樓A區為數據中心機房樓，鑒于該樓的重要性，結構采用隔震技術，以提高其抗震防災性能。2^#樓B區按建筑功能布置要求，分別形成大跨度樓蓋，大跨度樓蓋采用預應力空心樓蓋技術。按建筑造型要求在連接2^#樓C區與D區之間設置

大跨度鋼桁架屋面。

3  隔震結構設計

    2^#樓A區的隔震層設置在首層板與基礎底板之間，采用鉛芯橡膠隔震支座組成隔震層，如圖3和圖4所示，每個框架柱下設置1個隔震支座，隔震支座設計參數見表1。

3.1  隔震結構計算模型

    采用結構分析軟件ETBAS對結構進行計算分析，上部結構及隔震層均采用三維計算模型，上部結構梁、柱采用梁柱單元，隔震支座采用ETABS中的非線性連接單元（隔震單元）進行模擬，恒載及活荷載均按實際情況輸入。地震波根據隔震結構特點和抗震規范要求選取2條天然波及1條人工波，對原結構與隔震結構分別進行非線性時程分析。隔震結構計算模型見圖5。

3.2設防地震作用下隔震結構減震系數

    8度設防地震作用下，樓層結構隔震前后樓層剪力分布圖見圖6和圖7。隔震結構層剪力與非隔震結構層剪力比最大為0. 426，根據抗震規范12.2.5條規定，可以得出隔震結構水平向地震減震系數==0. 426/0. 85=0.50，上部結構設計時減震系數取0. 50，上部結構水平地震影響系數最大取值為0. 50×0.16=0.08。上部結構水平地震作用降低一度。

    同時由圖6與圖7中隔震前后樓層剪力對比可以看出，采用隔震技術后結構樓層剪力有了很大幅度減小，減震效果很顯著。

3.3  罕遇地震作用下隔震結構反應

    從表2可以看出，隔震結構樓層絕對加速度比原結構有大幅度減小，小于地面輸入加速度(4m/s²)，罕遇地震作用下，樓層加速度放大系數最大為1. 769/4=0.442，結構采用隔震技術后結構樓層地震加速度反應減小為地面輸入加速度的44. 2%，隔震效果很好。

    8度罕遇地震作用下，隔震層以上結構X向、y向樓層位移角見表3。計算結果顯示，在8度罕遇地震作用下，隔震層以上結構層間位移角除首層（X向樓層位移角為1/546）稍超過1/5 50外，其余樓層均小于1/550（多遇地震框架結構層間位移角限值）?；�本能夠保證主體結構、填充墻、裝修等二次結構在大震下不會破壞，也能保證銀行機房設備正常運行。

4  無粘結預應力空心屋蓋設計

    2^#樓B區為指揮控制中心，為本項目核心區域，建筑抗震設防類別為乙類，建筑結構安全等級為一級，結構采用框架剪力墻結構，地上三層，地下一層。由于建筑功能布局需要形成了大空間開敞區域，在控制中心頂部即屋頂形成了25. 2m×16. 8m的大跨度區域，大跨度預應力屋蓋的平面布置圖見圖8，建筑剖面圖見圖9。

    針對大跨度屋蓋結構，可采取的結構方案為密肋梁方案或預應力空心屋蓋方案。經過計算分析，綜合考慮后采用無粘結預應力空心屋蓋。預應力空心屋蓋根據跨度及支座約束條件和荷載情況確定預應力空心板的截面厚度為700mm，體積空心率約為49%，預應力筋極限強度標準值為1860MPa，空心屋蓋填充體選用聚苯填充體，預應力空心屋蓋斷面圖見圖10。采用預應力空心屋蓋不僅減少了結結構自重，也實現了建筑大空間要求，同時經過現場實

測，大跨度預應力樓板具有良好的舒適度。

5  大跨度鋼桁架屋面設計

    由于東側入口處為滿足建筑造型要求及視野開闊的要求，設置凈跨為66. 65m的裝飾性入口屋面，以連接C區與D區，由于建筑造型需要入口屋面鋼桁架高度只能取到2. 5m，其跨高比約為1/27，為了提高鋼桁架的剛度，將鋼桁架向兩側外伸到總長87. 75m，利用C區與D區的剪力墻核心筒內外側墻體為鋼屋面桁架端部設置拉壓支座，為桁架端部提供負彎矩，鋼桁架屋面建筑方案見圖11。

    根據建筑功能及結構布置，沿入口屋面長度南北方向布置3榀主桁架，東西方向布置10榀次桁架，形成入口鋼屋面的主體結構，桁架布置及典型節點見圖12~圖14。主要構件截面見表4。

    為了保證鋼桁架在溫度作用下的變形要求及C區、D區在地震作用下的安全性，入口鋼桁架設置沿C區、D區建筑水平方向可以滑動的支座，支座位置如圖13所示。圖中支座1、2、3、10、11、12為抗拔支座，設計支座上拔承載力不小于7000kN，支座4、5、6、7、8、9為抗壓支座，設計支座受壓承載力不小于13000kN；圖中支座1、3、4、6、7、9、10、11、12為雙向限位滑移支座，其支座容許位移量為X向±10mm、Y，向±80mm;滑移摩擦系數不大于0.05。支座2、5、8、11為單向（Y向）限位滑移支座，其支座容許位移量為y向±80mm，X向水平位移嵌固，萬向球形支座示意圖如圖15所示。

    計算時考慮恒載、活載、風荷載、水平地震和豎向地震作用與溫度作用，采用結構設計分析軟件MIDAS-GEN對鋼屋面進行整體桁架計算分析并設計，桿件的應力比、整體變形及節點驗算等均滿足規范要求。

6  結論

    本項目地上建筑由7棟3層～4層獨立建筑組成。各棟建筑之間局部有鋼橋連接，形成一體，該項目結構高度并不高，但建筑非常重要，建筑方案及功能要求給結構帶來一定的挑戰。

    1)2^#樓A區數據中心機房采用隔震技術，隔震效果很明顯，有效地提高了結構抗震性能。因此，高烈度地區重要建筑采用隔震技術能夠有效提高結構的抗震性能。

    2)2^#樓B區為實現建筑功能要求，采用了預應力空心樓蓋，不僅實現了建筑大空間要求，同時也減輕了結構自重，保證了結構安全。

    3)東側入口大跨度屋面跨度達66. 65m，屋面桁架高度僅2. 5m，采用主次鋼桁架結構體系，根據建筑方案特點選取合理的支座約束方案，不但實現了建筑方案造型要求，同時也使桁架豎向剛度滿足設計要求。