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國(guó)家開發(fā)銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(建筑)

                  韓  平，  李  毅，  潘  寧，  黃存智，  邱倉(cāng)虎

                       （中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京100013）

[摘要]  國(guó)家開發(fā)銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房結(jié)構(gòu)地上3層，通過結(jié)構(gòu)方案比選，最終選用框架結(jié)構(gòu)加隔震的方案，并采用ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔震分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)采用鉛芯橡膠隔震支座后，上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有較大幅度減小，結(jié)構(gòu)抗震性能有較大的提高，采用隔震技術(shù)能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

[關(guān)鍵詞]  國(guó)家開發(fā)銀行；隔震；鉛芯橡膠隔震支座；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU318   文章編號(hào)：1002-848X(2016)11-0049-05

1  工程概況

    本工程位于北京市中關(guān)村創(chuàng)新園內(nèi)，建筑地下1層，地上由7棟3～4層獨(dú)立建筑組成。各棟建筑之間局部有鋼橋連接。地上1#樓為動(dòng)力樓，2#樓A區(qū)為銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓，其余為辦公樓，建筑效果圖見圖1。

    本項(xiàng)目銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房樓采用框架結(jié)構(gòu)，地上3層，層高為5. 7m;地下1層為管道夾層，層高2.19m；柱距為8.4m，柱截面尺寸為800×800，工程抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，抗震設(shè)防類別為乙類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，工程場(chǎng)地類別為Ⅲ類；根據(jù)機(jī)房工藝要求，機(jī)房區(qū)域活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為20kN/m²。柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35；受力鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖2所示。

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223-2008)，銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為儲(chǔ)存重要

信息的建筑，其抗震設(shè)防類別應(yīng)至少劃為重點(diǎn)設(shè)防類，即其抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于一般建筑的“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

2  結(jié)構(gòu)方案比選

    (1)方案一：常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)。由于機(jī)房荷載較大，層高較高，梁板柱截面很大，配筋率會(huì)很大，位移較大，很難保證大震后能夠正常運(yùn)行和使用。

    (2)方案二：框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。由于建筑方案及機(jī)房工藝需求，結(jié)構(gòu)周邊和內(nèi)部可布置墻的位置不多，且梁柱、剪力墻截面會(huì)很大，配筋也會(huì)很大，很難保證大震后結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)行和使用。

    (3)方案三：框架結(jié)構(gòu)+隔震技術(shù)。本方案能夠明顯減小結(jié)構(gòu)地震作用和梁柱截面及配筋，同時(shí)大大提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

    綜合分析比較，同時(shí)鑒于該銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房的重要性，為提高建筑的抗震安全性，本項(xiàng)目采用方案三，即框架結(jié)構(gòu)+隔震技術(shù)。

3  隔震結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

    隔震結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為：設(shè)防烈度地震作用下水平向減震系數(shù)不大于0.5。罕遇地震作用下，震后整個(gè)建筑可繼續(xù)使用，以保證機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)器在震后能夠正常運(yùn)行和使用，即罕遇地震作用下層間位移角小于限值1/550。隔震層以下結(jié)構(gòu)按照大震抗剪不屈服進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。

4  隔震結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

4.1隔震層方案

    本項(xiàng)目采用鉛芯橡膠隔震支座組成隔震層，隔震層設(shè)置在首層底板與基礎(chǔ)底板之間（設(shè)置在設(shè)備夾層），如圖3所示，每個(gè)框架柱下設(shè)置一個(gè)隔震支座，隔震支座典型節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

    隔震支座的選型應(yīng)使隔震后結(jié)構(gòu)具有較好的減震效果，同時(shí)能夠保證上部結(jié)構(gòu)正常使用，因此隔震支座應(yīng)該具有足夠的豎向剛度和承載力、足夠大的阻尼、水平變形能力、復(fù)位功能和良好的耐久性。根據(jù)本工程的抗震性能目標(biāo)要求與框架柱受力情況，隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)選取見表1。

4.2隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算

    根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）要求，乙類建筑隔震支座最大壓力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過12MPa，通過計(jì)算各個(gè)框架柱的最大軸壓力（永久荷載與可變荷載的組合值）設(shè)計(jì)值來驗(yàn)算各個(gè)隔震支座的壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值，經(jīng)計(jì)算所選取隔震支座最大壓應(yīng)力均滿足抗規(guī)要求，具體如表2所示。

4.3抗風(fēng)驗(yàn)算

    在水平向風(fēng)荷載作用下，隔震結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的水平剪力設(shè)計(jì)值為1342kN，小于隔震結(jié)構(gòu)各隔震支座的屈服力之和。采用的鉛芯橡膠隔震支座能夠滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

5  隔震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

    采用有限元軟件ETBAS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，上部結(jié)構(gòu)及隔震層均采用三維模型，上部結(jié)構(gòu)梁、柱采用梁柱單元，隔震支座采用ETABS中的非線性隔震單元進(jìn)行模擬，恒載及活載均按實(shí)際情況輸入，計(jì)算模型如圖5所示。

5.2隔震支座單元屬性

    隔震支座單元中，水平方向上2個(gè)自由度具有剪切彈性剛度且具有塑性屬性，其余4個(gè)自由度具有線性彈性屬性；水平方向上自由度的力與變形關(guān)系曲線如圖6所示，其力f與變形d的關(guān)系式可以表示為：

5.3隔震結(jié)構(gòu)自振特性

    采用ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振特性分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示，由計(jì)算結(jié)果可知，原結(jié)構(gòu)第1振型周期為0. 807s，結(jié)構(gòu)主要周期小于1s，此類結(jié)構(gòu)隔震效果較好，且結(jié)構(gòu)規(guī)則，完全符合建筑結(jié)構(gòu)采用隔震方案的要求。

    將結(jié)構(gòu)隔震前后自振周期反映到本工程設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中，如圖7所示，可以看出，隔震后結(jié)構(gòu)第1階振型周期為2. 861s，比原結(jié)構(gòu)第1階振型周期大幅度延長(zhǎng)，說明結(jié)構(gòu)采用隔震支座后，由于隔震支座水平剛度較小，所以隔震結(jié)構(gòu)整體水平剛度變小，結(jié)構(gòu)變?nèi)幔�地震作用相�?yīng)也會(huì)減小。

5.4地震波選擇

    根據(jù)隔震建筑自振特性選取地震波，本工程設(shè)計(jì)采用3條地震波，其中2條天然波、1條人工波。地震波的加速度峰值：多遇地震取70gal，設(shè)防地震取200gal，罕遇地震取400gal。

    根據(jù)地震波譜分析曲線（圖8）可以看出，3條地震波在隔震結(jié)構(gòu)的主要周期點(diǎn)處與規(guī)范譜接近，同時(shí)計(jì)算的基底剪力滿足規(guī)范要求。

5.5設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力對(duì)比

    8度設(shè)防地震作用下，隔震后結(jié)構(gòu)與隔震前原結(jié)構(gòu)X向、Y向樓層剪力對(duì)比結(jié)果見表4。

    由計(jì)算結(jié)果可知，8度設(shè)防地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)層剪力與非隔震結(jié)構(gòu)層剪力比最大為0. 426，根據(jù)抗規(guī)可以得出隔震結(jié)構(gòu)水平向地震減震系數(shù)為=0.426/0. 85=0.50，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)減震系數(shù)取0. 50，上部結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)最大取值為0. 50×0.16=0.080。上部結(jié)構(gòu)水平地震作用降低一度；同時(shí)由表4中隔震前后樓層剪力對(duì)比可以看出，采用隔震技術(shù)后結(jié)構(gòu)樓層剪力有了很大幅度的減小，減震效果很明顯。

5.6罕遇地震作用下隔震結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

    8度罕遇地震作用下，隔震上部結(jié)構(gòu)X向、y向各層絕對(duì)加速度分別見表5。從表中可以看出，隔震結(jié)構(gòu)樓層絕對(duì)加速度比原結(jié)構(gòu)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(shù)最大為1.769/4=0.442，結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后結(jié)構(gòu)樓層地震加速度反應(yīng)減小為地面輸入加速度的44. 2%，隔震效果很好。

5.7罕遇地震作用下樓層層間位移角

    8度罕遇地震作用下，隔震上部結(jié)構(gòu)X向、Y向?qū)娱g位移角如表6所示。在8度罕遇地震作用下，隔震層以上結(jié)構(gòu)層間位移角除第1層（X向位移角為1/546）稍超過1/5 50外，其他樓層均不大于1/550�；�本能夠保證主體結(jié)構(gòu)、填充墻、裝修等二次結(jié)構(gòu)大震下不會(huì)破壞，也能保證銀行數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行。

5.8罕遇地震作用下隔震層的最大水平位移

    8度罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)隔震層的最大水平位移見表7。根據(jù)《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》( CECS 126: 2001)和抗規(guī)，隔震支座LRB900,LRB1200最大容許位移分別為486，609mm，可見隔震層的最大位移滿足橡膠隔震支座的最大容許位移。

    根據(jù)抗規(guī)，隔震層以上的上部結(jié)構(gòu)與周邊任何固定物均應(yīng)有隔離縫。豎向隔離縫為20mm寬，水平隔離縫為1.2倍罕遇地震時(shí)隔震支座最大水平位移，同時(shí)考慮到地下管線的排布，綜合考慮本工程水平縫取為350mm寬，且不得有任何固定物對(duì)上部結(jié)構(gòu)的水平移動(dòng)形成阻擋，隔震溝示意如圖9所示。

5.9罕遇地震作用下支座驗(yàn)算

    在罕遇地震作用下，隔震支座受上部樓層傳遞來的彎矩、剪力與軸力作用，經(jīng)過驗(yàn)算，所有的隔震支座均受壓力，所有隔震支座均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

    隔震支座的上下連接板與上下結(jié)構(gòu)分別采用螺栓連接，所有連接螺栓均按罕遇地震作用下產(chǎn)生的水平剪力、彎矩進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

    隔震支座安裝時(shí)應(yīng)盡量保證隔震支座與其上下的相連的混凝土柱墩中心對(duì)齊，以保證支座在正常使用狀態(tài)下為軸心受壓，因此安裝隔震支座時(shí)應(yīng)對(duì)隔震支座的水平度與中心位置定位精度嚴(yán)格控制，本工程隔震支座現(xiàn)場(chǎng)安裝見圖10。

6  結(jié)論

    (1)設(shè)防地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)層剪力與非隔震結(jié)構(gòu)樓層剪力比最大值不大于0. 426，水平向減震系數(shù)為0. 50，上部結(jié)構(gòu)水平地震作用降低一度能滿足本工程的抗震性能目標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)大幅度降低，結(jié)構(gòu)減震效果良好。

    (2)結(jié)構(gòu)在遭遇8度罕遇地震時(shí)，基本能保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝修、物品及管線不會(huì)損壞，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)正常使用功能，完全能夠保證銀行重要數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，滿足本工程的抗震性能目標(biāo)“罕遇地震作用下，震后整個(gè)建筑可繼續(xù)使用”的要求，結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)后，結(jié)構(gòu)抗震性能有了明顯的提高。

    (3)高烈度地震地區(qū)，對(duì)于一些重要的建筑，采用隔震技術(shù)能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。