基于数据中心的框架节点核心区抗剪设计研究

王 刚，姚文军

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

0 引言

数据中心机房具有楼面设备重，吊挂管线多的特点。相对于普通民用建筑，楼层质量较大，地震工况下的地震作用相应增强。随着数据中心机房等新基建的建设进度加快，数据中心装机率要求不断提高，为满足大空间的建筑使用功能，柱网间距增大，地震工况下框架梁、柱节点核心区的抗剪承载力验算不足的现象更加突出。针对重点设防类数据中心机房，结构设计中应采取有效措施保证框架梁柱节点抗剪承载力，进而降低结构整体倒塌的风险，保障数据通信安全。

1 现行规范中关于节点核心区抗剪设计的规定

强节点设计是保证框架结构整体安全的重要抗震设计概念，《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[1]、《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[2]、《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ 3—2010）[3]中均明确了节点核心区的抗震设计原则。抗震设计时，三级及以上框架的梁柱节点核心区均应进行抗震验算，所有抗震等级的框架节点均应采取构造措施。当抗震烈度低于Ⅸ度时，《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）中要求框架梁柱节点核心区抗剪承载力需同时经下列两个公式验算：

式中：γRE——承载力抗震调整系数；ηj——正交梁对节点的约束影响系数；βj——混凝土强度影响系数；fc、ft分别为混凝土轴心抗压强度设计值、混凝土轴心抗拉强度设计值；fyv——箍筋的抗拉强度设计值；bj、bc分别为框架节点核心区的截面有效验算宽度、验算方向柱截面宽度；hb0、hj分别为框架梁截面有效高度、框架节点核心区高度；N——对应于考虑地震剪力设计值的节点上柱底部的轴向压力设计值；Asvj——核心区有效宽度范围内同一截面验算方向箍筋各肢的全截面面积；as′——受压区纵向普通钢筋合力点至截面受压边缘的距离；s——箍筋间距。

分析规范中的规定可以发现，《抗规》《混规》《高规》对于三级及以上框架梁柱节点核心区的抗震验算的规定大致相同；单纯增加核心区的箍筋配筋量可以提高框架梁柱节点核心区抗剪承载力，但增强程度仍受截面条件限制；除框架梁截面尺寸、框架柱截面尺寸、节点区混凝土强度、钢筋强度、箍筋配筋面积、轴向压力对节点核心区抗剪承载力有影响外，框架梁柱中心线对齐方式、板的施工方式（现浇、装配）、柱四周受梁的约束情况也是影响节点核心区抗剪承载力的关键因素。

2 某数据中心机房节点核心区抗剪承载力分析

某新型标准化方案试点数据中心机房为四层钢筋混凝土框架结构，主体结构长85.4m，宽57.1m，底层层高为5.4m，其他层层高为4.8m。工程位于大连普兰店区，Ⅷ度，第一组，重点设防类，Ⅱ类场地。按Ⅷ度计算地震作用，按Ⅸ度采取抗震措施，一级框架。

2.1 地震工况下框架梁柱节点核心区的剪力计算分析

为了综合考虑建设成本、装机率、PUE 等设计指标的要求，针对三种不同柱网间距的方案采用YJK-A 设计软件进行结构计算，方案一柱网尺寸为7.2m×8.4m，方案二柱网尺寸为8.4m×8.8m，方案三柱网尺寸为9.3m×8.8m，方案阶段主要楼面活荷载均按IDC 机房取值为10kN/m2。提取地震工况下相同楼层中间位置的框架梁柱节点核心区剪力，结果如表1 所示。

通过计算结果可以发现，柱端处抗剪承载力由节点控制，随着柱网距离的增加，节点域剪力有放大趋势。

表1 地震工况下框架梁柱节点核心区剪力分析

针对方案二，对比地震工况下相同楼层中柱、边柱、角柱相应的框架梁柱节点核心区剪力、截面控制的抗剪承载力，结果显示节点域剪力受荷载影响，中柱剪力最大，边柱次之，角柱最小。虽然柱截面相同，但边柱、角柱受框架梁约束较弱，正交梁对节点的约束影响系数由1.5 变为1，截面控制抗剪承载力降低明显，边柱节点核心区剪力验算不能通过，如表2 所示。

表2 地震工况下框架梁柱节点核心区剪力分析

2.2 提高框架梁柱节点核心区承载力抗剪承载力的措施

提高框架梁柱节点核心区抗剪承载力的措施主要有以下4 种。

2.2.1 增加核心区箍筋配筋面积、提高节点核心区混凝土强度

当抗剪水平截面提供的最大抗剪承载力满足验算要求时，可以适当提高核心区箍筋配筋面积，该方案提高抗剪承载力的水平有限，节点区钢筋密集，对施工难度造成一定影响，但费用较低。

提高节点核心区混凝土强度需要注意节点与梁板混凝土浇筑的施工问题，因节点混凝土强度高于梁板，需分两次浇筑。该施工方法对施工条件、施工组织能力、施工质量控制要求较高，方案确定前应与当地施工单位沟通确认。

2.2.2 调整梁柱中心线对齐方式

楼板为现浇，柱四侧均有梁与其连接，相连接的梁梁宽不小于该侧柱宽的1/2，正交方向梁高大于3/4 较高框架梁梁高时，调整梁柱中心线至重合，可以提高，抗剪水平截面提供的最大抗剪承载力也随之提高。高层建筑混凝土结构设计规程》中有相关规定，框架梁、柱宜中心对齐，当抗震烈度低于Ⅸ度时，偏心距不宜大于该方向柱截面的1/4。

数据中心机房由于管线较多需开设楼板洞口，采用该方法需注意建筑墙体布置要求，尽量采用梁侧外挑耳方式解决建筑墙体布置要求，同时需注意梁宽部分情况下会影响工艺管井的净尺寸，需配合设备、工艺专业考虑对管井及设备布置的影响。

2.2.3 增大框架梁截面宽度

框架梁截面宽度比1/2 框架柱截面略小时，增大框架梁全截面宽度，可以提高框架梁柱节点抗剪承载力，部分情况因框架梁截面宽度增加幅度有限，该方案适用于框架梁柱节点剪力与抗剪承载力相差不多的情况，同时采用该方案也会对结构投资产生影响。

2.2.4 对框架梁柱节点加设梁水平腋

该方案通过增大框架梁柱节点的约束宽度提高框架梁柱节点核心区抗剪承载力，与增大框架梁截面宽度方案相比经济指标较好，对抗剪承载力的提高效率较高，但会增加实际施工作业中的复杂性，不适合大面积框架梁柱节点核心区抗剪承载力不足的情况，如表3所示。

柱网尺寸为8.4m×8.8m 的数据中心机房标准化方案，某节点柱截面尺寸为800mm×800mm，梁截面尺寸为350mm×700mm，混凝土强度等级C35，梁柱对齐方式为偏心对齐，偏心距为175。分别采取提高混凝凝土强度、调整框架梁柱中心线对齐、设置梁水平腋的方案提高框架梁柱节点核心区承载力，分析结果如表4所示。

从分析结果可知，调整框架梁柱中心线对齐、设置梁水平腋最为有效，提高混凝土强度及增大梁截面宽度对节点核心区抗剪承载力的提升有限。

表3 提高框架梁柱节点核心区抗剪承载力的措施

3 框架梁柱混凝土强度不同时节点核心区浇筑的处理方案

数据中心机房荷载较大，框架柱在设计中采用高强混凝土的情况普遍，常用做法是节点处混凝土强度同柱，分两次浇筑，依次为节点核心区高强混凝土、梁板低强度混凝土。当采用商品混凝土施工时，坍落度较大，单独浇筑梁柱节点同时存在供应量、质量及效率问题[4]。主要问题如下：梁柱节点处混凝土用量较少，供应量及浇筑时间不易保证；数据中心机房结构荷载较大，核心区配筋较密集，振捣困难，在不同混凝土交界斜面设置钢丝网分隔时，梁柱节点振捣会导致浆液外流，增加了梁柱节点振捣工作的阻力，施工质量难以保证。该做法的优势是经济性较好，在保证施工组织和施工质量的情况下，设计上无须单独验算，工作量小，更容易实现，框架梁柱节整体扩大截面的处理方案如图1所示。

表4 采取不同措施时节点核心区的抗剪承载力分析结果

图1 框架梁柱节整体扩大截面的处理方案

当框架梁、框架柱混凝土强度等级相差多于两级，节点核心区与梁板分两次浇筑难度较大时，框架梁柱节点核心区承载力不足可考虑扩大节点核心区整体截面的方法，框架梁柱节点与梁板同时浇筑的处理方案[5]，如图1 所示。梁腋斜面与梁轴线成45°角，中柱、边柱、角柱对应节点核心区面积分别为框架柱面积的2 倍、1.75 倍、1.5 倍。采用该该方案需对梁柱节点核心区的抗剪、抗压承载能力验算进行验算[6]，框架梁柱节点区混凝土强度设计值可采用下式进行计算：

同时，柱混凝土强度等级一般不宜高于C60，节点核心区混凝土强度等级不应低于梁板混凝土强度等级。采用扩大节点核心区整体截面的方法进行计算，当节点上部柱混凝土等级为C60、C55、C50 时，建议核心区设计强度等级取为C40、C35、C30。

4 结语

本文研究得出以下结论：

（1）强节点设计是保证结构变形能力及安全性的重要概念，对高烈度、宽距柱网数据中心机房应尤其注意柱端箍筋配置的核心区抗剪配筋量。边柱只有部分侧面与框架梁连接，也存在节点核心区抗剪超限可能。

（2）框架梁、框架柱中心线应尽量中心对齐，增强框架梁对框架柱的约束，提高抗剪承载能力。

（3）结合抗剪承载力不满足的情况，可采取提高框架梁柱节点核心区抗剪承载能力的措施。

（4）框架梁柱节点核心区混凝土强度在保证抗剪承载能力的条件下宜与梁板相同。可选取措施增大核心区截面，以提高框架梁柱节点核心区抗剪承载能力。