带夹层门式刚架的应用及静力弹塑性分析

【摘要】介绍一种带夹层门式刚架轻型钢结构体系在北方高寒偏远地区数据中心项目中的应用。对这种结构的工艺适用性、施工便利性、经济性进行分析。并通过静力弹塑性分析对满足弹性宽厚比限值的该结构的抗震性能做出了合理评价，并提出了建议。

【关键词】门式刚架;数据中心;夹层;静力弹塑性

随着以5G、云计算为代表的新基建成为国家逆周期调控、克服疫情引起的经济下行、转危为机中主要推动的投资发展方向，数据中心作为核心基础设施必将迎来更大的建设高峰。数据中心是一种投资大、能耗大的工业建筑，土建设计以工艺为条件，一般具有荷载大、层高高、轴网大、吊挂管线复杂等特点。由于各地气候条件不同，资源的价格及土地成本敏感性不同。高寒带来低能耗优势，本文对一种适用于高寒偏远地区的单层数据中心进行探讨。

门式刚架轻型房屋钢结构是单层厂房中常见的结构形式，以其重量轻、跨度大、造价低、施工速度快、外观简约美观的特点被广泛地应用于厂房、超市、展览馆、库房等工业与民用建筑中[1]。在我国北方欠发达高寒地区由于冬季长，一年中适合混凝土湿作业的时间有限，多层混凝土主体一般无法在当年竣工;但是这类地区土地便宜，容积率限制少，使得做单层机房成为可能。单层机房的设备重量全部由地面承担，所有空调机组由机房外构架承担;由此机房上部为纯粹的轻型房屋，轻型门刚的大跨度优势也使得大型无柱机房成为可能。

1、结构选型分析

数据中心不论机房区还是配套区都存在大量管线，吊挂一般荷载为1.5kN/m2～2.0kN/m2，布局可达4kN/m2。考虑对屋面设吊挂荷载和设置广义夹层布置吊挂进行方案对比。采用PKPM STS二维门刚模块进行计算分析。

1.1项目需求

机房分南北两个区域，中间为共用配套区，配套区和每测机房区之间各设置一个通道供人员通行和桥架综合布置。数据中心长151.2m，宽52.5m。以南北向为门式刚架方向，按功能区分为15.3m、21.9m、15.3m三跨;东西向轴网为6.3m、6.6mx21、6.3m;屋面坡度8%，檐口高度8m，女儿墙顶标高11.0m。

项目所在场地抗震设防烈度为7度，根据[2]要求数据中心为乙类建筑，应此按8度采取抗震措施，重要性等级一级。设计基本地震加速度0.10g;设计地震分组第二组;场地类别II类。基本风压0.6kN/m2（50年重现期）。根据[2]要求基本雪荷载取100年重现期，为0.4kN/m2。

1.2方案一：普通三跨门钢方案

单层三跨方案，具体形式见图 1。所有吊挂设备荷载按2.5kN/m2直接作用在屋面，考虑屋面上人检修活荷载0.5kN/m2，屋面活荷载合计3.0kN/m2;屋面恒载1.0kN/m2;雪荷载小于活荷载不参与组合。

经过试算，按[5]对单层厂房高强度低延续的要求，采用两倍地震力计算，仅需满足[4]中弹性阶段宽厚比的要求。所有梁柱均选用Q355钢材，门刚梁按2倍隅撑间距考虑平面外稳定。梁柱截面详表 1，纵向柱间需设置水平支撑，各构件均满足[3]的长细比要求。

1.3方案二：设吊挂夹层方案

轴网布置、材料、隅撑布置同前方案，结合工艺要求在边跨4.6m、中间跨7m标高设置夹层梁，空调风管直接固定在夹层梁上方，电缆、钢缆桥架吊挂于夹层梁下方。由于中间跨夹层梁跨度较大，在走廊内侧再设置摇摆柱支撑中间跨层间梁，具体形式见图 2。屋面活荷载按0.5kN/m2与考虑飘移雪荷载效应的雪荷载取大值组合;夹层恒载0.5kN/m2，活载2.5kN/m2。层间梁位置纵向均设有水平柱间支撑，梁、柱截面详表 2，均满足[3]的长细比要求。

1.4方案对比

两个方案的应力比、梁挠度、柱顶位移、每榀用钢量的对比见表 3，其中括号内为[3]要求的限值。除柱应力比外各项结果均较为接近，柱顶位移显著优于规范限值，能较好控制水平变形，有利于机房防水严密性。此外方案二夹层处柱顶位移1/660也优于[3]中1/250的要求。方案二柱具有更大的富余，符合高强度低延性的理念;

方案一还需要大量长距离的吊杆用于吊挂空调风管和各种桥架，不仅浪费了钢材，还对安装维护带来较大不便，也对吊挂本身的抗震提出了更高的要求。相比方案一，方案二更经济，安全储备更多，因此以方案二为最终选用结构形式。

2、静力弹塑性分析

[3]中对夹层的定义为一侧与刚架柱连接的室内平台，本工程除两边跨外均有布置全跨夹层，可以理解为一种广义的夹层。在刚架平面内，夹层梁与门刚柱刚接，按[3]附录A计算柱计算长度;刚架平面外，夹层标高设铰接钢梁，钢柱按侧向支撑柱取计算长度。由于广义夹层的存在，按[5]中单层钢结构厂房的规则進行设计存在一定争议，但从使用功能、荷载、无楼板的实际考虑套用单层厂房更为合适。如要求夹层以下满足钢框架S3级宽厚比要求，将导致钢柱厚度有较大增加，在柱顶位移已经很小的情况下，再增加构造措施显得不够经济。

从工程经济性出发，本工程按两倍地震力计算且满足[4]中弹性宽厚比要求，并采用Midas Gen软件对两个方向进行静力弹塑性分析（pushover分析）。

Pushover分析是通过逐渐加大预先设定的水平荷载使得结构构件逐渐进入塑性状态，直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止的过程。记录这一加载过程即获得荷载-能力曲线，该曲线与地震作用响应谱转化而来的需求普的交点即为最大性能控制点。

2.1 塑性铰定义与设置

软件提供FEMA曲线的塑性铰定义，其本构共有B-屈服、C-Pushover分析的极限承载力、D-Pushover分析的残余强度、E-完全失效四个折线点。选用FEMA440塑性铰，对于门刚柱考虑定义为P-M-M相关;对支撑铰仅设定考虑轴力且内力互不相关。

2.2定义荷载和分析工况

软件提供了静力荷载工况、加速度常量、模态、归一化模态四种加载方式。本工程选用振型、加速度两种荷载分布，以门刚柱檐口顶点为位移控制点，以1/30H为加载终止条件，进行Pushover分析。均把1.0恒+0.25活作为初始荷载工况，以此为推覆分析基础。

2.3分析结果和评价

分析结果详表 4。在两种荷载分布下，门刚平面内设防地震、罕遇地震柱均未出现屈服，平面内变形也能满足[5]中按框架考虑时弹塑性位移角1/50的要求。在两种荷载分布下，门刚平面外即房屋纵向地震作用时支撑均先于柱屈服，模态加载时设防地震性能点支撑未屈服但接近屈服，罕遇地震性能点支撑已经达到极限强度。总体上该结构满足中震弹性，显著优于抗震设防中震可修的理念，同时也满足了大震不倒的要求。

结语：

本文介绍了适用于北部高寒偏远地区具备快速建造能力的数据机房结构形式。通过一种带广义夹层的门式刚架结构有效满足了工艺的期望，实现了建筑结构的经济性和抗震设防要求的统一。通过静力弹塑性分析，验证了在这种带广义夹层的门式刚架结构，满足钢结构弹性宽厚比要求的门刚柱即能实现中振弹性的性能要求。通过分析，还有存在需要改进的地方;由于夹层具有一定的荷载，存在不小的纵向水平地震力，支撑作为纵向支撑体系显得尤为重要，可以加强支撑并且采用与柱刚接的型钢梁作为纵向柱间水平支撑。该机房结构具备较强的实用价值，仍有待进一步优化和采用其他理论进行更深入细致的分析。

参考文献：

[1]王元清，石永久.现代轻型钢结构建筑及其在我国的应用[J].建筑结构学报.2002.23（1）

[2]GB50174-2017数据中心设计规范

[3]GB51022-2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范

[4]GB50017-2017鋼结构设计标准

[5]GB50011-2010建筑抗震设计规范

作者简介：

董轶赟（1986.07-），男，浙江杭州，工程师，通信建筑钢结构;

巨晶（1988.09-），男，陕西西安，工程师，通信建筑钢结构。