帶夾層門式剛架的應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構體系在北方高寒偏遠地區數據中心項目中的應用。對這種結構的工藝適用性、施工便利性、經濟性進行分析。并通過靜力彈塑性分析對滿足彈性寬厚比限值的該結構的抗震性能做出了合理評價，并提出了建議。

【關鍵詞】門式剛架;數據中心;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控、克服疫情引起的經濟下行、轉危為機中主要推動的投資發展方向，數據中心作為核心基礎設施必將迎來更大的建設高峰。數據中心是一種投資大、能耗大的工業建筑，土建設計以工藝為條件，一般具有荷載大、層高高、軸網大、吊掛管線復雜等特點。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。高寒帶來低能耗優勢，本文對一種適用于高寒偏遠地區的單層數據中心進行探討。

門式剛架輕型房屋鋼結構是單層廠房中常見的結構形式，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用于廠房、超市、展覽館、庫房等工業與民用建筑中[1]。在我國北方欠發達高寒地區由于冬季長，一年中適合混凝土濕作業的時間有限，多層混凝土主體一般無法在當年竣工;但是這類地區土地便宜，容積率限制少，使得做單層機房成為可能。單層機房的設備重量全部由地面承擔，所有空調機組由機房外構架承擔;由此機房上部為純粹的輕型房屋，輕型門剛的大跨度優勢也使得大型無柱機房成為可能。

1、結構選型分析

數據中心不論機房區還是配套區都存在大量管線，吊掛一般荷載為1.5kN/m2～2.0kN/m2，布局可達4kN/m2。考慮對屋面設吊掛荷載和設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

機房分南北兩個區域，中間為共用配套區，配套區和每測機房區之間各設置一個通道供人員通行和橋架綜合布置。數據中心長151.2m，寬52.5m。以南北向為門式剛架方向，按功能區分為15.3m、21.9m、15.3m三跨;東西向軸網為6.3m、6.6mx21、6.3m;屋面坡度8%，檐口高度8m，女兒墻頂標高11.0m。

項目所在場地抗震設防烈度為7度，根據[2]要求數據中心為乙類建筑，應此按8度采取抗震措施，重要性等級一級。設計基本地震加速度0.10g;設計地震分組第二組;場地類別II類。基本風壓0.6kN/m2（50年重現期）。根據[2]要求基本雪荷載取100年重現期，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。

經過試算，按[5]對單層廠房高強度低延續的要求，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定。梁柱截面詳表 1，縱向柱間需設置水平支撐，各構件均滿足[3]的長細比要求。

1.3方案二：設吊掛夾層方案

軸網布置、材料、隅撐布置同前方案，結合工藝要求在邊跨4.6m、中間跨7m標高設置夾層梁，空調風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，在走廊內側再設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有水平柱間支撐，梁、柱截面詳表 2，均滿足[3]的長細比要求。

1.4方案對比

兩個方案的應力比、梁撓度、柱頂位移、每榀用鋼量的對比見表 3，其中括號內為[3]要求的限值。除柱應力比外各項結果均較為接近，柱頂位移顯著優于規范限值，能較好控制水平變形，有利于機房防水嚴密性。此外方案二夾層處柱頂位移1/660也優于[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風管和各種橋架，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，方案二更經濟，安全儲備更多，因此以方案二為最終選用結構形式。

2、靜力彈塑性分析

[3]中對夾層的定義為一側與剛架柱連接的室內平臺，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，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，夾層標高設鉸接鋼梁，鋼柱按側向支撐柱取計算長度。由于廣義夾層的存在，按[5]中單層鋼結構廠房的規則進行設計存在一定爭議，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，將導致鋼柱厚度有較大增加，在柱頂位移已經很小的情況下，再增加構造措施顯得不夠經濟。

從工程經濟性出發，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先設定的水平荷載使得結構構件逐漸進入塑性狀態，直至結構模型控制點達到目標位移或結構傾覆為止的過程。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譜轉化而來的需求普的交點即為最大性能控制點。

2.1 塑性鉸定義與設置

軟件提供FEMA曲線的塑性鉸定義，其本構共有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;對支撐鉸僅設定考慮軸力且內力互不相關。

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、歸一化模態四種加載方式。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。

2.3分析結果和評價

分析結果詳表 4。在兩種荷載分布下，門剛平面內設防地震、罕遇地震柱均未出現屈服，平面內變形也能滿足[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，模態加載時設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達到極限強度。總體上該結構滿足中震彈性，顯著優于抗震設防中震可修的理念，同時也滿足了大震不倒的要求。

結語：

本文介紹了適用于北部高寒偏遠地區具備快速建造能力的數據機房結構形式。通過一種帶廣義夾層的門式剛架結構有效滿足了工藝的期望，實現了建筑結構的經濟性和抗震設防要求的統一。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構，滿足鋼結構彈性寬厚比要求的門剛柱即能實現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。該機房結構具備較強的實用價值，仍有待進一步優化和采用其他理論進行更深入細致的分析。

參考文獻：

[1]王元清，石永久.現代輕型鋼結構建筑及其在我國的應用[J].建筑結構學報.2002.23（1）

[2]GB50174-2017數據中心設計規范

[3]GB51022-2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范

[4]GB50017-2017鋼結構設計標準

[5]GB50011-2010建筑抗震設計規范

作者簡介：

董軼赟（1986.07-），男，浙江杭州，工程師，通信建筑鋼結構;

巨晶（1988.09-），男，陜西西安，工程師，通信建筑鋼結構。