广东省电信规划设计院有限公司
摘要：随着我国通信技术的快速发展，数据中心为各类通讯设备、服务器提供了安放的场所。为了最大限度地提高数据的稳定及安全，必须跟根本上重视数据中心结构的安全性，迫切需要减少地震灾害对数据中心的影响。本文在对结构设计中的抗震设计进行分析的基础上，通过对数据中心特点的论述，进一步阐述了不同烈度下数据中心的结构选型问题，旨在进一步提高数据中心结构的抗震性。
关键词：数据中心；抗震设计；结构选型
引言
数据中心因其自身特点，在结构设计上与一般高层住宅建筑有较大不同。因此不能像高层住宅建筑一样大部分采用剪力墙结构体系，在不同抗震设防烈度下应采取不同的抗侧力结构体系及不同的抗震设防措施。现有我国对结构的抗震设防方法仍主要采用反应谱计算加各种抗震措施的形式。在此基础上，本文主要对不同地震烈度下数据中心的结构选型进行简要论述。
一、何为“抗震设计”
1.1地震作用
按地震成因可将地震简单划分为构造地震、火山地震、陷落地震及人工地震。在现有结构设计中，我们一般只研究构造地震作用下建筑物的抗震设计问题。由达朗贝尔原理可知：在结构受力运动的任何时刻，作用于结构上任意点的主动力、约束力和惯性力互相平衡。因此，我们可以通过加惯性力的办法将由地震动引起的结构动态作用转化为静力作用下的平衡问题，并用此平衡方程中由地震引起的惯性力来表征地震作用的大小。地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用。
1.2抗震设计的发展
现代的结构抗震设计理论从20世纪初建立，经历了100多年的发展，从最初的静力理论阶段到反应谱理论阶段，再到动力理论阶段直至目前最先进的基于性态的抗震设计理论阶段，充分反映了人们对地震动特性和结构动力特性理解的不断加深。
不同的结构采用不同的分析方法在各国抗震规范中均有体现。考虑到我国国情及设计方法的普适性，在目前抗震设计中，底部剪力法和振型分解反应谱法仍是基本方法，时程分析法作为补充计算方法，对特别不规则、特别重要的和较高的高层建筑才要求采用，并主要指对计算结果的底部剪力、楼层剪力和层间位移进行比较，当时程分析法大于振型分解反应谱法时，相关部位的构件内力和配筋作相应的调整。
1.3抗震设计的基本原则
我国采用“三水准”的抗震设防目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。一般情况下，遭遇第一水准烈度——众值烈度(多遇地震)影响时，建筑处于正常使用状态，从结构抗震分析角度，可以视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析；遭遇第二水准烈度——基本烈度(设防地震)影响时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围，采用各种抗震措施加以满足；遭遇第三水准烈度——最大预估烈度(罕遇地震)影响时，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌。
为了实现上述“三水准”的抗震设防目标，我国采用“二阶段”设计：第一阶段设计是承载力验算，取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，采用《建筑结构可靠度设计统一标准》规定的分项系数设计表达式进行结构构件的截面承载力抗震验算，并限制小震的弹性层间位移角，保证结构的延性、变形能力和耗能能力，使结构既满足了在第一水准下具有必要的承载力可靠度，又满足第二水准的损坏可修的目标。对大多数的结构，只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施通来实现结构“强柱弱梁、强剪弱弯”等性能目标，满足第三水准的设计要求。第二阶段设计是弹塑性变形验算，对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。
二、数据中心抗震设计的特点
通过上述论述不难得知，目前我国大部分结构抗震设防三水准目标的实现，通过计算满足的仅为第一水准，其余两个水准均通过概念设计和各种抗震措施来保证。因此，充分把握数据中心建筑结构的特点，有助于从概念上对数据中心的进行抗震设计，满足各项计算指标及措施的要求。数据中心较一般住宅建筑，其层数一般不超过10层，具有平面较为规整（四四方方），柱距较大，层高较高，楼面活荷载较大的特点。
2.1平面规整
数据中心根据建筑的平面布置和使用功能要求及经济性原则，主体结构的柱网一般采用规则的布置，平面上也会可能减少凹进凸出。这就使得数据中心整个上部结构成为抗震性能较好的规则矩形平面。量化为计算指标即结构的周期比及位移比较易满足相关规范要求。
对于结构扭转不规则的平面，按刚性楼盖计算，当在规定水平力（地震）作用下的最大层间位移与其平均值的比值为1.2时，相当于一端为1.0，另一端为1.45；当比值1.5时，相当于一端为1.0，另一端为3。即相同的角柱，不规则的平面布置将使其在相同的地震作用下产生的效应（弯矩、剪力、变形）远大于规则的平面，更容易被破坏。
2.2柱距较大，层高较高
数据中心为了在工艺上最大限度的满足机房摆设尽可能多机架的要求和设备专业管线布置的要求，其柱距一般为8~10米，层高一般为5.1~5.4米。
2.3楼面活荷载较大
数据中心平面用房大多为数据机房、电池电力室等重型设备间。楼面活荷载取值参考《数据中心设计规范》（GB50174-2017），对数据机房楼面均布活荷载标准值8.5kN/m2；对电池电力室取12kN/m2。相比普通的民用建筑由恒载和活载引起的单位面积重力（约12kN/m2～14kN/m2），数据中心由恒载和活载引起的单位面积重力可达22kN/m2～24kN/m2。
三、数据中心抗震设计的结构选型
3.1.6度区数据中心的抗侧力结构体系
在低烈度（6度）的抗震设防地区，房屋受到的地震作用较小，一般采用钢筋混凝土框架结构即可满足抗震设计的各项要求。钢筋混凝土框架结构优点在于空间分隔灵活，自重轻，节省材料。具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构。
3.2.7度区数据中心的抗侧力结构体系
在中烈度（7度）的抗震设防地区，房屋受到的地震作用较大，考虑经济性和实用性，一般多层可考虑采用钢筋混凝土框架结构，高层可考虑采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构。
钢筋混凝土框架结构优点如上述，其缺点如下：①框架节点应力集中显著；②框架结构的侧向刚度小，属柔性结构框架，在强烈地震作用下，结构所产生水平位移较大，易造成严重的非结构性破性。为满足规范的层间位移角等指标的要求，往往需增大梁柱截面尺寸；③対于钢筋混凝土框架，当高度大、层数相当多时，结构底部各层不但柱的轴力很大，而且梁和柱出水平荷载所产生的弯矩亦显著增加，从而导致祓面尺寸和配筋增大，对建筑平面布置及机房工艺要求带来困难，影响建筑空间的合理使用。在材料消耗和造价方面，也趋于不合理。
钢筋混凝土框架-抗震墙结构的优点在于主体结构的抗侧力性能、抗扭转性能良好，位移、扭转等各项指标均能满足规范要求，框架部分的柱子截面较小，一定程度上减小纯框架结构柱子过大而影响建筑空间的合理使用的问题。抗震墙一般需就着建筑的楼梯、电梯间布置，以减少墙体构件会对平面空间使用的产生影响。但由于如此布置情况下，抗震墙必然形成筒状，筒状抗震墙刚度极大，墙肢剪压比及边缘构件配筋往往无法满足计算要求。因此，实际工程中就着楼梯、电梯间布置抗震墙时，需在抗震墙上开洞降低其刚度，从而减小地震剪力。
综上，中烈度（7度）的抗震设防地区具体采用何种结构形式需通过结构计算并综合其它各项指标确定。
3.3.8度区数据中心的抗侧力结构体系
在高烈度（8度）的抗震设防地区，房屋受到的地震作用很大，尤其是数据中心属于重点设防类（乙类）建筑，按照规定要比当地设防烈度提高一度进行抗震设防。考虑经济性和实用性，一般采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构。
与7度地区不同的是，8度地区框架-抗震墙结构中抗震墙的布置不能集中布置与楼梯、电梯间周围。原因在于8度地区地震作用太大，抗震墙形成筒状之后过高的刚度产生的过大地震剪力无法再通过开洞等手段来合理降低。因此8度地区的抗震墙需根据建筑平面布置，在合适的位置设置独立墙肢，加强结构抗侧力，满足位移角要求。
3.4.数据中心的楼、屋盖结构体系
各设防烈度下数据中心楼、屋盖结构均可以采用井字梁布置，有利于将荷载均匀分到纵横向框架梁上，使得结构整体抗震性能良好，且有利于减小梁高，增大使用净高，取得较好的经济性。该结构平面布置灵活，构件类型少，易于标准化、定型化，施工效率高。
参考文献：
[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）.北京：中国建筑工业出版社，2010（2016年版）.
[2]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析.北京：中国建筑工业出版社，2011
[3]罗福午，张慧英，杨军.建筑结构概念设计及案例.北京：清华大学出版社，2003
[4]谢礼立,马玉宏.现代抗震设计理论的发展过程[J].国际地震动态,2003(10):1-8.