帶夾層門式剛架的應(yīng)用及靜力彈塑性分析

【摘要】介紹一種帶夾層門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系在北方高寒偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)中心項目中的應(yīng)用。對這種結(jié)構(gòu)的工藝適用性、施工便利性、經(jīng)濟性進行分析。并通過靜力彈塑性分析對滿足彈性寬厚比限值的該結(jié)構(gòu)的抗震性能做出了合理評價，并提出了建議。

【關(guān)鍵詞】門式剛架;數(shù)據(jù)中心;夾層;靜力彈塑性

隨著以5G、云計算為代表的新基建成為國家逆周期調(diào)控、克服疫情引起的經(jīng)濟下行、轉(zhuǎn)危為機中主要推動的投資發(fā)展方向，數(shù)據(jù)中心作為核心基礎(chǔ)設(shè)施必將迎來更大的建設(shè)高峰。數(shù)據(jù)中心是一種投資大、能耗大的工業(yè)建筑，土建設(shè)計以工藝為條件，一般具有荷載大、層高高、軸網(wǎng)大、吊掛管線復(fù)雜等特點。由于各地氣候條件不同，資源的價格及土地成本敏感性不同。高寒帶來低能耗優(yōu)勢，本文對一種適用于高寒偏遠(yuǎn)地區(qū)的單層數(shù)據(jù)中心進行探討。

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)是單層廠房中常見的結(jié)構(gòu)形式，以其重量輕、跨度大、造價低、施工速度快、外觀簡約美觀的特點被廣泛地應(yīng)用于廠房、超市、展覽館、庫房等工業(yè)與民用建筑中[1]。在我國北方欠發(fā)達(dá)高寒地區(qū)由于冬季長，一年中適合混凝土濕作業(yè)的時間有限，多層混凝土主體一般無法在當(dāng)年竣工;但是這類地區(qū)土地便宜，容積率限制少，使得做單層機房成為可能。單層機房的設(shè)備重量全部由地面承擔(dān)，所有空調(diào)機組由機房外構(gòu)架承擔(dān);由此機房上部為純粹的輕型房屋，輕型門剛的大跨度優(yōu)勢也使得大型無柱機房成為可能。

1、結(jié)構(gòu)選型分析

數(shù)據(jù)中心不論機房區(qū)還是配套區(qū)都存在大量管線，吊掛一般荷載為1.5kN/m2～2.0kN/m2，布局可達(dá)4kN/m2。考慮對屋面設(shè)吊掛荷載和設(shè)置廣義夾層布置吊掛進行方案對比。采用PKPM STS二維門剛模塊進行計算分析。

1.1項目需求

機房分南北兩個區(qū)域，中間為共用配套區(qū)，配套區(qū)和每測機房區(qū)之間各設(shè)置一個通道供人員通行和橋架綜合布置。數(shù)據(jù)中心長151.2m，寬52.5m。以南北向為門式剛架方向，按功能區(qū)分為15.3m、21.9m、15.3m三跨;東西向軸網(wǎng)為6.3m、6.6mx21、6.3m;屋面坡度8%，檐口高度8m，女兒墻頂標(biāo)高11.0m。

項目所在場地抗震設(shè)防烈度為7度，根據(jù)[2]要求數(shù)據(jù)中心為乙類建筑，應(yīng)此按8度采取抗震措施，重要性等級一級。設(shè)計基本地震加速度0.10g;設(shè)計地震分組第二組;場地類別II類。基本風(fēng)壓0.6kN/m2（50年重現(xiàn)期）。根據(jù)[2]要求基本雪荷載取100年重現(xiàn)期，為0.4kN/m2。

1.2方案一：普通三跨門鋼方案

單層三跨方案，具體形式見圖 1。所有吊掛設(shè)備荷載按2.5kN/m2直接作用在屋面，考慮屋面上人檢修活荷載0.5kN/m2，屋面活荷載合計3.0kN/m2;屋面恒載1.0kN/m2;雪荷載小于活荷載不參與組合。

經(jīng)過試算，按[5]對單層廠房高強度低延續(xù)的要求，采用兩倍地震力計算，僅需滿足[4]中彈性階段寬厚比的要求。所有梁柱均選用Q355鋼材，門剛梁按2倍隅撐間距考慮平面外穩(wěn)定。梁柱截面詳表 1，縱向柱間需設(shè)置水平支撐，各構(gòu)件均滿足[3]的長細(xì)比要求。

1.3方案二：設(shè)吊掛夾層方案

軸網(wǎng)布置、材料、隅撐布置同前方案，結(jié)合工藝要求在邊跨4.6m、中間跨7m標(biāo)高設(shè)置夾層梁，空調(diào)風(fēng)管直接固定在夾層梁上方，電纜、鋼纜橋架吊掛于夾層梁下方。由于中間跨夾層梁跨度較大，在走廊內(nèi)側(cè)再設(shè)置搖擺柱支撐中間跨層間梁，具體形式見圖 2。屋面活荷載按0.5kN/m2與考慮飄移雪荷載效應(yīng)的雪荷載取大值組合;夾層恒載0.5kN/m2，活載2.5kN/m2。層間梁位置縱向均設(shè)有水平柱間支撐，梁、柱截面詳表 2，均滿足[3]的長細(xì)比要求。

1.4方案對比

兩個方案的應(yīng)力比、梁撓度、柱頂位移、每榀用鋼量的對比見表 3，其中括號內(nèi)為[3]要求的限值。除柱應(yīng)力比外各項結(jié)果均較為接近，柱頂位移顯著優(yōu)于規(guī)范限值，能較好控制水平變形，有利于機房防水嚴(yán)密性。此外方案二夾層處柱頂位移1/660也優(yōu)于[3]中1/250的要求。方案二柱具有更大的富余，符合高強度低延性的理念;

方案一還需要大量長距離的吊桿用于吊掛空調(diào)風(fēng)管和各種橋架，不僅浪費了鋼材，還對安裝維護帶來較大不便，也對吊掛本身的抗震提出了更高的要求。相比方案一，方案二更經(jīng)濟，安全儲備更多，因此以方案二為最終選用結(jié)構(gòu)形式。

2、靜力彈塑性分析

[3]中對夾層的定義為一側(cè)與剛架柱連接的室內(nèi)平臺，本工程除兩邊跨外均有布置全跨夾層，可以理解為一種廣義的夾層。在剛架平面內(nèi)，夾層梁與門剛柱剛接，按[3]附錄A計算柱計算長度;剛架平面外，夾層標(biāo)高設(shè)鉸接鋼梁，鋼柱按側(cè)向支撐柱取計算長度。由于廣義夾層的存在，按[5]中單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的規(guī)則進行設(shè)計存在一定爭議，但從使用功能、荷載、無樓板的實際考慮套用單層廠房更為合適。如要求夾層以下滿足鋼框架S3級寬厚比要求，將導(dǎo)致鋼柱厚度有較大增加，在柱頂位移已經(jīng)很小的情況下，再增加構(gòu)造措施顯得不夠經(jīng)濟。

從工程經(jīng)濟性出發(fā)，本工程按兩倍地震力計算且滿足[4]中彈性寬厚比要求，并采用Midas Gen軟件對兩個方向進行靜力彈塑性分析（pushover分析）。

Pushover分析是通過逐漸加大預(yù)先設(shè)定的水平荷載使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐漸進入塑性狀態(tài)，直至結(jié)構(gòu)模型控制點達(dá)到目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)傾覆為止的過程。記錄這一加載過程即獲得荷載-能力曲線，該曲線與地震作用響應(yīng)譜轉(zhuǎn)化而來的需求普的交點即為最大性能控制點。

2.1 塑性鉸定義與設(shè)置

軟件提供FEMA曲線的塑性鉸定義，其本構(gòu)共有B-屈服、C-Pushover分析的極限承載力、D-Pushover分析的殘余強度、E-完全失效四個折線點。選用FEMA440塑性鉸，對于門剛柱考慮定義為P-M-M相關(guān);對支撐鉸僅設(shè)定考慮軸力且內(nèi)力互不相關(guān)。

2.2定義荷載和分析工況

軟件提供了靜力荷載工況、加速度常量、模態(tài)、歸一化模態(tài)四種加載方式。本工程選用振型、加速度兩種荷載分布，以門剛柱檐口頂點為位移控制點，以1/30H為加載終止條件，進行Pushover分析。均把1.0恒+0.25活作為初始荷載工況，以此為推覆分析基礎(chǔ)。

2.3分析結(jié)果和評價

分析結(jié)果詳表 4。在兩種荷載分布下，門剛平面內(nèi)設(shè)防地震、罕遇地震柱均未出現(xiàn)屈服，平面內(nèi)變形也能滿足[5]中按框架考慮時彈塑性位移角1/50的要求。在兩種荷載分布下，門剛平面外即房屋縱向地震作用時支撐均先于柱屈服，模態(tài)加載時設(shè)防地震性能點支撐未屈服但接近屈服，罕遇地震性能點支撐已經(jīng)達(dá)到極限強度。總體上該結(jié)構(gòu)滿足中震彈性，顯著優(yōu)于抗震設(shè)防中震可修的理念，同時也滿足了大震不倒的要求。

結(jié)語：

本文介紹了適用于北部高寒偏遠(yuǎn)地區(qū)具備快速建造能力的數(shù)據(jù)機房結(jié)構(gòu)形式。通過一種帶廣義夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)有效滿足了工藝的期望，實現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和抗震設(shè)防要求的統(tǒng)一。通過靜力彈塑性分析，驗證了在這種帶廣義夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)，滿足鋼結(jié)構(gòu)彈性寬厚比要求的門剛柱即能實現(xiàn)中振彈性的性能要求。通過分析，還有存在需要改進的地方;由于夾層具有一定的荷載，存在不小的縱向水平地震力，支撐作為縱向支撐體系顯得尤為重要，可以加強支撐并且采用與柱剛接的型鋼梁作為縱向柱間水平支撐。該機房結(jié)構(gòu)具備較強的實用價值，仍有待進一步優(yōu)化和采用其他理論進行更深入細(xì)致的分析。

參考文獻：

[1]王元清，石永久.現(xiàn)代輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑及其在我國的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報.2002.23（1）

[2]GB50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范

[3]GB51022-2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范

[4]GB50017-2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

[5]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范

作者簡介：

董軼赟（1986.07-），男，浙江杭州，工程師，通信建筑鋼結(jié)構(gòu);

巨晶（1988.09-），男，陜西西安，工程師，通信建筑鋼結(jié)構(gòu)。