钢结构数据中心结构设计

摘要：本文主要介绍了某IDC数据中心大楼的基础设计和上部钢结构设计，着重介绍了地基基础选型和上部结构概念设计。可供设计人员对同类工程的设计提供参考。

关键词：结构体系 钢结构 地基基础方案

1、工程概况

本IDC数据中心位于河北省，IDC标准机架数量不小于3200架。大楼总建筑面积32866.24m2，其中：地上面积32082.90 m2，地下面积783.34 m2。数据中心长135m，宽78.20m，地上四层，地下局部一层。结构抗震设防分类：重点设防类（乙类）；抗震设防烈度：8度；结构安全等级：一级，结构重要性系数1.1。合理使用年限为 50年。建筑平面布局采用4个对称的IDC机房模组（1段―4段），每段标准柱网8.4×8.4m。中心为5段，平面呈“工”字形，标准柱网7.7×11.2m。各段楼层高度相同。首层层高8.15m，二、三层6.4m，顶层5.2m。建筑物总高27.55m。平面详见下图。

图1-1 标准层平面

1 上部结构体系

1.1 结构抗震缝的设置

本工程平面呈“工”字形，四个角（1段―4段）为IDC机房的标准模组，荷载较大，还有夹层和错层等；中间5段主要为共享大厅和办公室之类的附属用房，结构形式相对简单，荷载较轻。由于平面四边都有较大的凹入，因此属于平面不规则体系。而且建筑物两方向均超长，需要做结构处理。

在与建筑、工艺设备等相关专业协商后，确定在5段与1段―4段IDC机房之间设置抗震缝。设缝以后，1段―4段标准模组楼板局部突出的尺寸为该方向结构总尺寸的24%；5段共享大厅楼板局部突出的尺寸为该方向结构总尺寸的26%，均未超出规范规定的平面不规则的限值，属于规则结构体系。平面布局较合理，即简化了结构体系，又满足了建筑和机房的功能需求。

1.2 地上结构体系设计

本工程（1段―4段）IDC机房标准模组平面呈“L”形，每个模组只在角部和最边跨是公共区域，中间大部分均为IDC机房及配套电力室电池室。而且，标准层与一层的房间布局刚好错开，一层有墙的位置，标准层恰好没有；而标准层有墙的位置，一层又恰好是房间。即使是外墙处，也因为首层设有通廊、设备进出口和油机进排风洞口而没有较完整的墙段，更没有与之垂直相交的墙段了。因此由于建筑平面布局和工艺要求的特点，使本结构很难找到做剪力墙的位置，所以本结构考虑框架结构体系。

工程设计初期对比了三种框架结构形式，分别是普通钢筋混凝土框架；劲性钢筋混凝土框架；带斜支撑的钢框架体系。

首先是普通钢筋混凝土框架体系。该体系的优点是工程经验成熟，被现在绝大多数电信机房楼所采用，施工简单，容易满足工艺需求。但是本工程层高较高，跨度较大，特别是5段大厅柱距11.2m。经过初步核算，框架柱需要1000x1000mm，框架梁尺寸400x800mm（宽x高）。结构基本参数符合规范要求。但由于IDC机架为列向布置，框架柱尺寸过大对于机架排列影响较大，出柜率较低。主框架梁较高，减小了机房净空，给各类电缆走线架以及各种管线的排列造成了不便。另外混凝土结构养护周期较长，工期较长，初步估算地上部分结构工期大概需要5-6个月左右。

其次是劲性钢筋混凝土框架体系。经过初步核算，框架柱需要800x800mm，内加“十”字型钢500x300x20x20，框架梁高400x700mm（宽x高），内加“工”型钢400x200x20x20。结构基本自振周期T1=1.77s，结构总重量25512吨，X向层间位移角1/558，Y向层间位移角1/544，最小剪重比4.56%。基本符合规范要求。但是，劲性混凝土结构施工难度较大，梁柱节点构造复杂，对施工水平要求较高。目前国内通信机房楼采用的也不是很多，工程经验较少。这种体系虽然减小了混凝土用量和梁柱截面，但是却增加了结构自重，延长了工期，增加了结构造价。与混凝土结构和钢结构体系相比都没有明显的优势。

第三是带钢支撑的钢结构框架体系。构布置详见下图。

图2-1 模组钢结构体系布置图

结构采用钢框架，压型钢板混凝土楼板，为了抵抗地震力、风力等水平力作用，有效减小钢柱尺寸，减少用钢量，在外墙正中间的一跨布置了四组钢斜支撑，相当于混凝土框剪结构体系中的剪力墙。这样即不影响机房内大空间的使用，又有效的减小了钢柱截面。经过初步核算，框架柱需要650x650mm，斜支撑处框架柱800x800mm，主框架梁高350x800mm（宽x高），结构总用钢量吨5600t。周期、位移、剪重比等计算结构详见下表。

图2-2 第一周期（X向平动）

标准模组在地震力作用下的振动周期如下（取前10个周期）

表2-1 标准模组动力特性

模态号 周期 TRAN-X TRAN-Y ROTN-Z

（sec） 质量（%） 合计（%） 质量（%） 合计（%） 质量（%） 合计（%）

1 1.066 78.205 78.205 0.002 0.002 0.086 0.086

2 0.867 0.005 78.210 79.462 79.464 0.445 0.531

3 0.654 0.193 78.403 0.526 79.990 71.990 72.521

4 0.382 0.001 78.404 0.003 79.994 0.001 72.522

5 0.362 0.029 78.433 0.018 80.011 0.008 72.530

6 0.357 0.023 78.456 0.000 80.011 0.000 72.530

7 0.346 10.169 88.625 0.000 80.011 0.632 73.162

8 0.345 5.147 93.772 0.056 80.067 0.340 73.502

9 0.339 0.173 93.945 1.495 81.563 0.114 73.616

10 0.324 0.004 93.949 13.194 94.756 0.263 73.879

标准模组在X、Y向地震力作用下的结构层间最大位移角分别为1/534、1/614，满足现行《建筑抗震设计规范》的要求（1/300）。各层X、Y方向的最小剪重比分别为8.5%、10.1%。

计算结果表明，钢结构各项数据均满足现行规范的要求，而且周期、层间位移角等抗震性能参数与混凝土结构相仿。楼板采用压型钢板混凝土楼板，可以按照工艺要求开洞和布置吊挂等，为充分利用材料特性，在次梁设计时，考虑混凝土板与钢梁共同作用的压型钢板组合梁，一定程度上降低了梁高与壁厚，节约钢材用量，并提供了工艺要求的足够净高。

钢结构体系也有一些缺点，如工程经验较少，施工要求高，造价较高，二次结构较难处理等。但是考虑到虽然钢结构的通讯机房楼在国内经验较少，但是随着我国经济的发展，普通办公楼和大型公共建筑采用钢结构的已经越来越多了，钢结构施工难度已经不再是不可逾越的障碍，当地钢构件加工厂家也比较多，厚钢板、钢柱、钢梁等建材也比较容易采购，质量也有保证。另外钢结构施工周期较短，节省了混凝土梁柱的养护周期。因此虽然造价较高，但是综合时间成本等因素，采用钢结构也比较合理。另外现行规范中对于钢结构的温度区段长度、最大层间位移角等要求都比混凝土结构的宽松，因此比较容易满足。综上所述，本工程最终采用了带支撑的钢框架体系。

2 地基基础结构设计

2.1 工程地质情况

根据地基勘探报告，拟建场地属河流冲湖积平原区，场地原为耕地，地势较平坦。±0.000标高相当于绝对高程14.11m。电缆夹层标高-2.2m，地下设备管廊层标高-4.0m。基础要求不设缝。

天然地层属第四系全新统（Q4）河流冲积夹湖积地层～上更新统（Q3）河流冲积地层，土质以素填土、粘土、粉质粘土、粉土、粉细砂、细中砂、中砂互层为主。属于Ⅲ类场地土。

场地勘察深度内有一层地下水，属潜水类型，勘察期间实测稳定水位埋深7.80～7.90m，场地地下水对混凝土结构有微等腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

2.2 地基基础方案的选择

由于上部结构对地基的不均匀沉降敏感，地下室面积较小，因此基础形式计划采用刚度较大的基础形式，如筏板基础或柱下双向条形基础。为了抵消混凝土的收缩应力，设置3条后浇带。并在混凝土结构完工后60天以后浇筑，适当加强后浇带处的钢筋。

本工程场地地基为不均匀的中软场地土，软弱下卧夹层较多，地基承载力较低（持力层为粘土fak=90kPa），且每层厚度较薄，不宜采用天然地基，初步计划采用桩基础或CFG桩复合地基。

因此根据上部结构的布置、功能要求，结合地基土情况，我们以一个模组为例，对比了以下三种地基基础形式。

（1）柱下双向条形基础+桩基础

初步估算桩长31m，单桩承载力4848kN。每个模组约需要188根桩。条形基础和桩综合造价约3500元/M2。桩基施工时间大约30天左右。

（2）柱下双向条形基础+CFG桩复合地基

初步估算CFG桩桩直径410mm，X向间距1.200m，Y向间距1.200m，桩长13.8m。单桩承载力特征值410kN。条形基础与地基处理综合造价2029.5元/m3，CFG桩复合地基处理时间约30天左右。

（3）筏板基础+CFG桩复合地基

初步估算CFG桩桩直径410mm，X向间距1.200m，Y向间距1.200m，桩长13.8m。单桩承载力特征值410kN。筏板基础与地基处理综合造价2300元/m3，地基处理时间约30天左右。

由于持力层地基土的承载力特征值较低，虽然经过深宽修正，但是仍然不能满足上部荷载的要求，依然需要进行地基处理。另外地下室面积只占总面积的35%左右，做整体筏板过于浪费，因此方案3不合理。方案1与方案2比较造价较高，经济型较差。因此本工程选用了方案2。

实际工程中，共做CFG桩4275根，桩长13.8m。复合地基承载力特征值fspk=383.8（kPa），总沉降量32.34mm，满足机房的使用要求。

4、结束语

我国采用钢结构作为通讯机房楼的例子还不是很多，通过本工程的实践表明，钢结构同样可以达到混凝土结构的抗震效果，而在大跨度，大层高，重荷载，且无法设置剪力墙的情况下，钢结构的优势就更加突出了。

参考文献：

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.

[2] 中冶地勘岩土工程有限公司地基勘探报告（详细勘察）。