王 剛，姚文軍

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

0 引言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房具有樓面設(shè)備重，吊掛管線多的特點(diǎn)。相對(duì)于普通民用建筑，樓層質(zhì)量較大，地震工況下的地震作用相應(yīng)增強(qiáng)。隨著數(shù)據(jù)中心機(jī)房等新基建的建設(shè)進(jìn)度加快，數(shù)據(jù)中心裝機(jī)率要求不斷提高，為滿足大空間的建筑使用功能，柱網(wǎng)間距增大，地震工況下框架梁、柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力驗(yàn)算不足的現(xiàn)象更加突出。針對(duì)重點(diǎn)設(shè)防類數(shù)據(jù)中心機(jī)房，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取有效措施保證框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪承載力，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)整體倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，保障數(shù)據(jù)通信安全。

1 現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪設(shè)計(jì)的規(guī)定

強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是保證框架結(jié)構(gòu)整體安全的重要抗震設(shè)計(jì)概念，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）[1]、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[2]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[3]中均明確了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗震設(shè)計(jì)原則?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，三級(jí)及以上框架的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)均應(yīng)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，所有抗震等級(jí)的框架節(jié)點(diǎn)均應(yīng)采取構(gòu)造措施。當(dāng)抗震烈度低于Ⅸ度時(shí)，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中要求框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力需同時(shí)經(jīng)下列兩個(gè)公式驗(yàn)算：

式中：γRE——承載力抗震調(diào)整系數(shù)；ηj——正交梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束影響系數(shù)；βj——混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；fc、ft分別為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fyv——箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；bj、bc分別為框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的截面有效驗(yàn)算寬度、驗(yàn)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(diǎn)核心區(qū)高度；N——對(duì)應(yīng)于考慮地震剪力設(shè)計(jì)值的節(jié)點(diǎn)上柱底部的軸向壓力設(shè)計(jì)值；Asvj——核心區(qū)有效寬度范圍內(nèi)同一截面驗(yàn)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(diǎn)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(xiàn)，《抗規(guī)》《混規(guī)》《高規(guī)》對(duì)于三級(jí)及以上框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗震驗(yàn)算的規(guī)定大致相同；單純?cè)黾雍诵膮^(qū)的箍筋配筋量可以提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力，但增強(qiáng)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(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度、箍筋配筋面積、軸向壓力對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力有影響外，框架梁柱中心線對(duì)齊方式、板的施工方式（現(xiàn)澆、裝配）、柱四周受梁的約束情況也是影響節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力的關(guān)鍵因素。

2 某數(shù)據(jù)中心機(jī)房節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力分析

某新型標(biāo)準(zhǔn)化方案試點(diǎn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房為四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(diǎn)設(shè)防類，Ⅱ類場(chǎng)地。按Ⅷ度計(jì)算地震作用，按Ⅸ度采取抗震措施，一級(jí)框架。

2.1 地震工況下框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力計(jì)算分析

為了綜合考慮建設(shè)成本、裝機(jī)率、PUE 等設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，針對(duì)三種不同柱網(wǎng)間距的方案采用YJK-A 設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，方案一柱網(wǎng)尺寸為7.2m×8.4m，方案二柱網(wǎng)尺寸為8.4m×8.8m，方案三柱網(wǎng)尺寸為9.3m×8.8m，方案階段主要樓面活荷載均按IDC 機(jī)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(diǎn)核心區(qū)剪力，結(jié)果如表1 所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，柱端處抗剪承載力由節(jié)點(diǎn)控制，隨著柱網(wǎng)距離的增加，節(jié)點(diǎn)域剪力有放大趨勢(shì)。

表1 地震工況下框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力分析

針對(duì)方案二，對(duì)比地震工況下相同樓層中柱、邊柱、角柱相應(yīng)的框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力、截面控制的抗剪承載力，結(jié)果顯示節(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)的約束影響系數(shù)由1.5 變?yōu)?，截面控制抗剪承載力降低明顯，邊柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力驗(yàn)算不能通過(guò)，如表2 所示。

表2 地震工況下框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力分析

2.2 提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力抗剪承載力的措施

提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度

當(dāng)抗剪水平截面提供的最大抗剪承載力滿足驗(yàn)算要求時(shí)，可以適當(dāng)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(diǎn)區(qū)鋼筋密集，對(duì)施工難度造成一定影響，但費(fèi)用較低。

提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度需要注意節(jié)點(diǎn)與梁板混凝土澆筑的施工問(wèn)題，因節(jié)點(diǎn)混凝土強(qiáng)度高于梁板，需分兩次澆筑。該施工方法對(duì)施工條件、施工組織能力、施工質(zhì)量控制要求較高，方案確定前應(yīng)與當(dāng)?shù)厥┕挝粶贤ù_認(rèn)。

2.2.2 調(diào)整梁柱中心線對(duì)齊方式

樓板為現(xiàn)澆，柱四側(cè)均有梁與其連接，相連接的梁梁寬不小于該側(cè)柱寬的1/2，正交方向梁高大于3/4 較高框架梁梁高時(shí)，調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中有相關(guān)規(guī)定，框架梁、柱宜中心對(duì)齊，當(dāng)抗震烈度低于Ⅸ度時(shí)，偏心距不宜大于該方向柱截面的1/4。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房由于管線較多需開(kāi)設(shè)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(cè)外挑耳方式解決建筑墻體布置要求，同時(shí)需注意梁寬部分情況下會(huì)影響工藝管井的凈尺寸，需配合設(shè)備、工藝專業(yè)考慮對(duì)管井及設(shè)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(shí)，增大框架梁全截面寬度，可以提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)剪力與抗剪承載力相差不多的情況，同時(shí)采用該方案也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)投資產(chǎn)生影響。

2.2.4 對(duì)框架梁柱節(jié)點(diǎn)加設(shè)梁水平腋

該方案通過(guò)增大框架梁柱節(jié)點(diǎn)的約束寬度提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力，與增大框架梁截面寬度方案相比經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，對(duì)抗剪承載力的提高效率較高，但會(huì)增加實(shí)際施工作業(yè)中的復(fù)雜性，不適合大面積框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力不足的情況，如表3所示。

柱網(wǎng)尺寸為8.4m×8.8m 的數(shù)據(jù)中心機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)化方案，某節(jié)點(diǎn)柱截面尺寸為800mm×800mm，梁截面尺寸為350mm×700mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，梁柱對(duì)齊方式為偏心對(duì)齊，偏心距為175。分別采取提高混凝凝土強(qiáng)度、調(diào)整框架梁柱中心線對(duì)齊、設(shè)置梁水平腋的方案提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力，分析結(jié)果如表4所示。

從分析結(jié)果可知，調(diào)整框架梁柱中心線對(duì)齊、設(shè)置梁水平腋最為有效，提高混凝土強(qiáng)度及增大梁截面寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力的措施

3 框架梁柱混凝土強(qiáng)度不同時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)澆筑的處理方案

數(shù)據(jù)中心機(jī)房荷載較大，框架柱在設(shè)計(jì)中采用高強(qiáng)混凝土的情況普遍，常用做法是節(jié)點(diǎn)處混凝土強(qiáng)度同柱，分兩次澆筑，依次為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)高強(qiáng)混凝土、梁板低強(qiáng)度混凝土。當(dāng)采用商品混凝土施工時(shí)，坍落度較大，單獨(dú)澆筑梁柱節(jié)點(diǎn)同時(shí)存在供應(yīng)量、質(zhì)量及效率問(wèn)題[4]。主要問(wèn)題如下：梁柱節(jié)點(diǎn)處混凝土用量較少，供應(yīng)量及澆筑時(shí)間不易保證；數(shù)據(jù)中心機(jī)房結(jié)構(gòu)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(shè)置鋼絲網(wǎng)分隔時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)振搗會(huì)導(dǎo)致漿液外流，增加了梁柱節(jié)點(diǎn)振搗工作的阻力，施工質(zhì)量難以保證。該做法的優(yōu)勢(shì)是經(jīng)濟(jì)性較好，在保證施工組織和施工質(zhì)量的情況下，設(shè)計(jì)上無(wú)須單獨(dú)驗(yàn)算，工作量小，更容易實(shí)現(xiàn)，框架梁柱節(jié)整體擴(kuò)大截面的處理方案如圖1所示。

表4 采取不同措施時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪承載力分析結(jié)果

圖1 框架梁柱節(jié)整體擴(kuò)大截面的處理方案

當(dāng)框架梁、框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)相差多于兩級(jí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與梁板分兩次澆筑難度較大時(shí)，框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力不足可考慮擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)核心區(qū)整體截面的方法，框架梁柱節(jié)點(diǎn)與梁板同時(shí)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(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)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(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗剪、抗壓承載能力驗(yàn)算進(jìn)行驗(yàn)算[6]，框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

同時(shí)，柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)一般不宜高于C60，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)。采用擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)核心區(qū)整體截面的方法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)節(jié)點(diǎn)上部柱混凝土等級(jí)為C60、C55、C50 時(shí)，建議核心區(qū)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)取為C40、C35、C30。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究得出以下結(jié)論：

（1）強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)變形能力及安全性的重要概念，對(duì)高烈度、寬距柱網(wǎng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房應(yīng)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(cè)面與框架梁連接，也存在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪超限可能。

（2）框架梁、框架柱中心線應(yīng)盡量中心對(duì)齊，增強(qiáng)框架梁對(duì)框架柱的約束，提高抗剪承載能力。

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

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