基于數據中心的框架節(jié)點核心區(qū)抗剪設計研究

王 剛，姚文軍

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引言

數據中心機房具有樓面設備重，吊掛管線多的特點。相對于普通民用建筑，樓層質量較大，地震工況下的地震作用相應增強。隨著數據中心機房等新基建的建設進度加快，數據中心裝機率要求不斷提高，為滿足大空間的建筑使用功能，柱網間距增大，地震工況下框架梁、柱節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力驗算不足的現象更加突出。針對重點設防類數據中心機房，結構設計中應采取有效措施保證框架梁柱節(jié)點抗剪承載力，進而降低結構整體倒塌的風險，保障數據通信安全。

1 現行規(guī)范中關于節(jié)點核心區(qū)抗剪設計的規(guī)定

強節(jié)點設計是保證框架結構整體安全的重要抗震設計概念，《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）[1]、《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）[2]、《高層建筑混凝土結構設計規(guī)程》（JGJ 3—2010）[3]中均明確了節(jié)點核心區(qū)的抗震設計原則?？拐鹪O計時，三級及以上框架的梁柱節(jié)點核心區(qū)均應進行抗震驗算，所有抗震等級的框架節(jié)點均應采取構造措施。當抗震烈度低于Ⅸ度時，《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）中要求框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力需同時經下列兩個公式驗算：

式中：γRE——承載力抗震調整系數；ηj——正交梁對節(jié)點的約束影響系數；βj——混凝土強度影響系數；fc、ft分別為混凝土軸心抗壓強度設計值、混凝土軸心抗拉強度設計值；fyv——箍筋的抗拉強度設計值；bj、bc分別為框架節(jié)點核心區(qū)的截面有效驗算寬度、驗算方向柱截面寬度；hb0、hj分別為框架梁截面有效高度、框架節(jié)點核心區(qū)高度；N——對應于考慮地震剪力設計值的節(jié)點上柱底部的軸向壓力設計值；Asvj——核心區(qū)有效寬度范圍內同一截面驗算方向箍筋各肢的全截面面積；as′——受壓區(qū)縱向普通鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離；s——箍筋間距。

分析規(guī)范中的規(guī)定可以發(fā)現，《抗規(guī)》《混規(guī)》《高規(guī)》對于三級及以上框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的抗震驗算的規(guī)定大致相同；單純增加核心區(qū)的箍筋配筋量可以提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力，但增強程度仍受截面條件限制；除框架梁截面尺寸、框架柱截面尺寸、節(jié)點區(qū)混凝土強度、鋼筋強度、箍筋配筋面積、軸向壓力對節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力有影響外，框架梁柱中心線對齊方式、板的施工方式（現澆、裝配）、柱四周受梁的約束情況也是影響節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力的關鍵因素。

2 某數據中心機房節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力分析

某新型標準化方案試點數據中心機房為四層鋼筋混凝土框架結構，主體結構長85.4m，寬57.1m，底層層高為5.4m，其他層層高為4.8m。工程位于大連普蘭店區(qū)，Ⅷ度，第一組，重點設防類，Ⅱ類場地。按Ⅷ度計算地震作用，按Ⅸ度采取抗震措施，一級框架。

2.1 地震工況下框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的剪力計算分析

為了綜合考慮建設成本、裝機率、PUE 等設計指標的要求，針對三種不同柱網間距的方案采用YJK-A 設計軟件進行結構計算，方案一柱網尺寸為7.2m×8.4m，方案二柱網尺寸為8.4m×8.8m，方案三柱網尺寸為9.3m×8.8m，方案階段主要樓面活荷載均按IDC 機房取值為10kN/m2。提取地震工況下相同樓層中間位置的框架梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力，結果如表1 所示。

通過計算結果可以發(fā)現，柱端處抗剪承載力由節(jié)點控制，隨著柱網距離的增加，節(jié)點域剪力有放大趨勢。

表1 地震工況下框架梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力分析

針對方案二，對比地震工況下相同樓層中柱、邊柱、角柱相應的框架梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力、截面控制的抗剪承載力，結果顯示節(jié)點域剪力受荷載影響，中柱剪力最大，邊柱次之，角柱最小。雖然柱截面相同，但邊柱、角柱受框架梁約束較弱，正交梁對節(jié)點的約束影響系數由1.5 變?yōu)?，截面控制抗剪承載力降低明顯，邊柱節(jié)點核心區(qū)剪力驗算不能通過，如表2 所示。

表2 地震工況下框架梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力分析

2.2 提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)承載力抗剪承載力的措施

提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力的措施主要有以下4 種。

2.2.1 增加核心區(qū)箍筋配筋面積、提高節(jié)點核心區(qū)混凝土強度

當抗剪水平截面提供的最大抗剪承載力滿足驗算要求時，可以適當提高核心區(qū)箍筋配筋面積，該方案提高抗剪承載力的水平有限，節(jié)點區(qū)鋼筋密集，對施工難度造成一定影響，但費用較低。

提高節(jié)點核心區(qū)混凝土強度需要注意節(jié)點與梁板混凝土澆筑的施工問題，因節(jié)點混凝土強度高于梁板，需分兩次澆筑。該施工方法對施工條件、施工組織能力、施工質量控制要求較高，方案確定前應與當地施工單位溝通確認。

2.2.2 調整梁柱中心線對齊方式

樓板為現澆，柱四側均有梁與其連接，相連接的梁梁寬不小于該側柱寬的1/2，正交方向梁高大于3/4 較高框架梁梁高時，調整梁柱中心線至重合，可以提高，抗剪水平截面提供的最大抗剪承載力也隨之提高。高層建筑混凝土結構設計規(guī)程》中有相關規(guī)定，框架梁、柱宜中心對齊，當抗震烈度低于Ⅸ度時，偏心距不宜大于該方向柱截面的1/4。

數據中心機房由于管線較多需開設樓板洞口，采用該方法需注意建筑墻體布置要求，盡量采用梁側外挑耳方式解決建筑墻體布置要求，同時需注意梁寬部分情況下會影響工藝管井的凈尺寸，需配合設備、工藝專業(yè)考慮對管井及設備布置的影響。

2.2.3 增大框架梁截面寬度

框架梁截面寬度比1/2 框架柱截面略小時，增大框架梁全截面寬度，可以提高框架梁柱節(jié)點抗剪承載力，部分情況因框架梁截面寬度增加幅度有限，該方案適用于框架梁柱節(jié)點剪力與抗剪承載力相差不多的情況，同時采用該方案也會對結構投資產生影響。

2.2.4 對框架梁柱節(jié)點加設梁水平腋

該方案通過增大框架梁柱節(jié)點的約束寬度提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力，與增大框架梁截面寬度方案相比經濟指標較好，對抗剪承載力的提高效率較高，但會增加實際施工作業(yè)中的復雜性，不適合大面積框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力不足的情況，如表3所示。

柱網尺寸為8.4m×8.8m 的數據中心機房標準化方案，某節(jié)點柱截面尺寸為800mm×800mm，梁截面尺寸為350mm×700mm，混凝土強度等級C35，梁柱對齊方式為偏心對齊，偏心距為175。分別采取提高混凝凝土強度、調整框架梁柱中心線對齊、設置梁水平腋的方案提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)承載力，分析結果如表4所示。

從分析結果可知，調整框架梁柱中心線對齊、設置梁水平腋最為有效，提高混凝土強度及增大梁截面寬度對節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力的提升有限。

表3 提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力的措施

3 框架梁柱混凝土強度不同時節(jié)點核心區(qū)澆筑的處理方案

數據中心機房荷載較大，框架柱在設計中采用高強混凝土的情況普遍，常用做法是節(jié)點處混凝土強度同柱，分兩次澆筑，依次為節(jié)點核心區(qū)高強混凝土、梁板低強度混凝土。當采用商品混凝土施工時，坍落度較大，單獨澆筑梁柱節(jié)點同時存在供應量、質量及效率問題[4]。主要問題如下：梁柱節(jié)點處混凝土用量較少，供應量及澆筑時間不易保證；數據中心機房結構荷載較大，核心區(qū)配筋較密集，振搗困難，在不同混凝土交界斜面設置鋼絲網分隔時，梁柱節(jié)點振搗會導致漿液外流，增加了梁柱節(jié)點振搗工作的阻力，施工質量難以保證。該做法的優(yōu)勢是經濟性較好，在保證施工組織和施工質量的情況下，設計上無須單獨驗算，工作量小，更容易實現，框架梁柱節(jié)整體擴大截面的處理方案如圖1所示。

表4 采取不同措施時節(jié)點核心區(qū)的抗剪承載力分析結果

圖1 框架梁柱節(jié)整體擴大截面的處理方案

當框架梁、框架柱混凝土強度等級相差多于兩級，節(jié)點核心區(qū)與梁板分兩次澆筑難度較大時，框架梁柱節(jié)點核心區(qū)承載力不足可考慮擴大節(jié)點核心區(qū)整體截面的方法，框架梁柱節(jié)點與梁板同時澆筑的處理方案[5]，如圖1 所示。梁腋斜面與梁軸線成45°角，中柱、邊柱、角柱對應節(jié)點核心區(qū)面積分別為框架柱面積的2 倍、1.75 倍、1.5 倍。采用該該方案需對梁柱節(jié)點核心區(qū)的抗剪、抗壓承載能力驗算進行驗算[6]，框架梁柱節(jié)點區(qū)混凝土強度設計值可采用下式進行計算：

同時，柱混凝土強度等級一般不宜高于C60，節(jié)點核心區(qū)混凝土強度等級不應低于梁板混凝土強度等級。采用擴大節(jié)點核心區(qū)整體截面的方法進行計算，當節(jié)點上部柱混凝土等級為C60、C55、C50 時，建議核心區(qū)設計強度等級取為C40、C35、C30。

4 結語

本文研究得出以下結論：

（1）強節(jié)點設計是保證結構變形能力及安全性的重要概念，對高烈度、寬距柱網數據中心機房應尤其注意柱端箍筋配置的核心區(qū)抗剪配筋量。邊柱只有部分側面與框架梁連接，也存在節(jié)點核心區(qū)抗剪超限可能。

（2）框架梁、框架柱中心線應盡量中心對齊，增強框架梁對框架柱的約束，提高抗剪承載能力。

（3）結合抗剪承載力不滿足的情況，可采取提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載能力的措施。

（4）框架梁柱節(jié)點核心區(qū)混凝土強度在保證抗剪承載能力的條件下宜與梁板相同?？蛇x取措施增大核心區(qū)截面，以提高框架梁柱節(jié)點核心區(qū)抗剪承載能力。