現(xiàn)代超大型高層冷庫高效空間設(shè)計*

顧金戈，陳躍熙，陳 勝，程 憬

(1.中國華西企業(yè)股份有限公司，四川 成都 610081； 2.四川華西集團有限公司，四川 成都 610081)

0 引言

現(xiàn)代超大型高層冷庫的設(shè)計環(huán)節(jié)是建成現(xiàn)代超大型高層冷庫的關(guān)鍵，本工程改變傳統(tǒng)的設(shè)計手法，采用多層、大跨度、板柱-全剪力墻預應力無梁樓蓋和結(jié)構(gòu)外保溫隔汽設(shè)計方法，實現(xiàn)了有效空間最大化和節(jié)能環(huán)保、綠色建筑的目的。

1 工程概況

銀犁農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中心項目二期冷庫工程為國內(nèi)首座首次自主研發(fā)、獨立完成的采用大跨度預應力無梁樓蓋及結(jié)構(gòu)外保溫隔汽技術(shù)的冷庫。其由2棟獨立冷庫組成，總建筑面積14.21×104m2，地上8層，總高44.5m。凍結(jié)物冷藏間設(shè)計溫度-23℃，超低溫庫-55℃。冷庫為板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)，樓板為預應力無梁樓蓋，采用后張法有粘結(jié)預應力結(jié)構(gòu)。單層平面結(jié)構(gòu)尺寸為98.2m×47.8m，軸(柱)網(wǎng)尺寸主要為10.08m×11.95m，活荷載標準值達25kN/m2，冷庫樓板厚300～340mm。

2 現(xiàn)代超大型高層冷庫高效空間設(shè)計

采用8層、11.95m、板柱-全封閉剪力墻預應力無梁樓蓋和結(jié)構(gòu)外保溫隔汽設(shè)計方法，將傳統(tǒng)冷庫所采用的短肢抗震剪力墻結(jié)構(gòu)體系改變?yōu)槿袅w系，優(yōu)化了多層大空間冷庫的建筑形態(tài)和空間尺度，更利于冷庫貨架的排列，顯著提高了冷庫的有效庫容，并避免了墻柱過多造成的熱橋能量損失及冷氣氣流組織分布不均造成的高能耗現(xiàn)象(見圖1)。

圖1 銀犁二期冷庫(冷藏間)平面與剖面布置

2.1 采用預應力無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系

采用預應力施工的樓板具有抗裂性好、剛度大、耐久性好、自重小及抗剪能力、抗疲勞能力、構(gòu)件穩(wěn)定性好的優(yōu)點。在樓板中施加預壓應力，可抵消部分混凝土收縮產(chǎn)生的次拉應力，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。冷庫由于存放凍品，有一定的堆放高度。隨著結(jié)構(gòu)均布荷載值增大，樓板厚度增加，后張預應力技術(shù)可有效降低樓板厚度、增加結(jié)構(gòu)凈空、減少混凝土用量。

傳統(tǒng)冷庫采用的板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)，即鋼筋混凝土無梁樓蓋+框架柱+短肢剪力墻體系，存在柱網(wǎng)布置相對密集、剪力墻數(shù)量較多，嚴重影響了貨架的排布，機械作業(yè)也產(chǎn)生很大制約，降低了冷庫的存儲效率。銀犁一期即采用該體系，平面布置如圖2所示。

圖2 中小柱距冷庫平面布置

由預應力混凝土平板取代傳統(tǒng)的普通混凝土平板結(jié)構(gòu)，將庫房柱距從8m左右增大到10～12m，同時取消短肢剪力墻，由四周封閉剪力墻替代，突破了技術(shù)壁壘，實現(xiàn)了高效空間的設(shè)計思路。

2.1.1采用預應力結(jié)構(gòu)擴大柱距增加空間利用率

GB 50072—2010《冷庫設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“冷間采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，伸縮縫的最大間距不宜大于50m”，由于結(jié)構(gòu)特點及貨架排布的限制，普通鋼筋混凝土無梁樓蓋體系柱網(wǎng)尺寸始終局限在8m左右，無法突破到12m；同時，造成庫體柱相對過多，不利于機械化操作。

本工程采用板柱-全剪力墻預應力無梁樓蓋，將柱距增大到11.95m。

2.1.2采用四周全封閉剪力墻取代庫內(nèi)短肢剪力墻增加空間利用率

重組了冷庫貨架排列方式，優(yōu)化了多層大空間冷庫的建筑形態(tài)和空間尺度(體型系數(shù)<0.082)，顯著提高了冷庫的有效庫容(有效庫容提高41.8%)，并避免了墻柱過多造成的熱橋能量損失及冷氣氣流組織分布不均造成的高能耗現(xiàn)象。

2.2 高效空間特點

1)板底光滑，頂部排管和風道的設(shè)置更加快捷方便，同時也利于庫內(nèi)氣流組織。

2)板底無梁，庫房內(nèi)的空間可充分利用，可增加堆貨高度，增加了冷庫的有效使用容積。

3)增大柱網(wǎng)尺寸后，貨架布置更靈活，提高機械化存取效率。

4)取消了抗震短肢剪力墻，對比相同面積貨架排布數(shù)量單層增加1 931個貨位。

3 高層冷庫高效空間設(shè)計的難點及解決方案

3.1 預應力在低溫狀態(tài)下的應用

對于預應力筋在低溫作用下的應力損失研究，國外一些國家(如美、日)已進行部分研究，且相對較早，但最近十幾年資料相對較少。國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范未考慮預應力筋在降溫過程中及低溫下的預應力損失。對冷庫建筑，降溫過程中及低溫穩(wěn)定情況下的預應力損失及有效應力是否變化尚不清楚。因此，在冷庫的建造中罕有考慮預應力的應用。

3.2 預應力在超長、全封閉結(jié)構(gòu)中應用的問題

結(jié)構(gòu)超長，結(jié)構(gòu)單元長度98.2m，無伸縮縫，溫度應力相對很大，會引起裂縫的產(chǎn)生；空載時樓板反拱問題；低溫環(huán)境下樓板的應力和裂縫控制問題等。

3.3 分析及解決方案

3.3.1預應力在低恒溫狀態(tài)下的應用

參照北方地區(qū)預應力施工及應用經(jīng)驗，應避免在高、低溫狀態(tài)下進行張拉。冷庫降溫全過程分為4個階段，即降溫起始階段、穩(wěn)定降溫階段、緩慢降溫階段、低溫穩(wěn)定階段(長期)。一般認為，低溫下的長期預應力損失值很小，在5%左右，設(shè)計人員可根據(jù)實際情況確定是否需考慮以及如何考慮低溫下的預應力變化。本工程凍結(jié)物冷藏間設(shè)計溫度-23℃，不屬于超低溫，且預應力張拉在常溫下進行，故在設(shè)計中不考慮低溫狀態(tài)下的預應力損失值。

3.3.2收縮作用對混凝土的影響

設(shè)置2條后澆帶，采用有限元分析，在板的四周按實際設(shè)置剪力墻，根據(jù)DBJ51/T 031—2014《預應力結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)程》，混凝土的收縮變形可采用收縮當量降溫ΔT′來分析，計算溫度降溫ΔT′可取10～15℃。取15℃驗算校核，主拉應力最大出現(xiàn)在板的四周，四邊基本相同，在四角部最大，考慮四角剪力墻后澆，抗拉強度為3MPa以內(nèi)，計算的主拉應力如圖3所示，設(shè)置2道后澆帶能滿足早期收縮裂縫的控制要求。

圖3 應力分析

3.3.3樓板反拱及裂紋控制驗算

張拉階段荷載僅考慮結(jié)構(gòu)自重，按張拉控制應力σcon=0.75fptk進行校核，樓板不會產(chǎn)生反拱。

計算內(nèi)容包括有限元內(nèi)力計算、彈性位移計算、板邊及跨中最大與最小彎矩位置處配筋、撓度、裂縫計算。通過計算條件、設(shè)計參數(shù)的設(shè)置，進行預應力損失計算、施工階段驗算、跨中驗算，結(jié)論是在施工階段跨中上部不會開裂及出現(xiàn)樓板反拱(見圖4)。

圖4 計算結(jié)果

4 傳統(tǒng)柱網(wǎng)冷庫和大柱距預應力冷庫的對比

4.1 傳統(tǒng)冷庫的貨架排布

以成都銀犁一期傳統(tǒng)柱網(wǎng)尺寸冷庫為例，冷藏間總平面尺寸為99.9m×49.5m。庫房縱向為15跨，中間設(shè)置1道雙柱伸縮縫(間距為200mm)；橫向為6跨，跨度均為8.75m。貨架排布如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)冷庫貨架排布

統(tǒng)計得出，傳統(tǒng)柱網(wǎng)單層可存儲貨架位置為4 622個。

4.2 大柱距預應力冷庫的貨架排布

保持庫房平面尺寸不變，對柱網(wǎng)尺寸進行調(diào)整，縱向調(diào)整為10跨，跨度不等，約為11m；橫向調(diào)整為4跨，跨度約為10m，最大柱網(wǎng)尺寸為10.08m×11.95m。大柱網(wǎng)冷庫貨架排布如圖6所示。

圖6 大柱網(wǎng)冷庫貨架排布

統(tǒng)計得出，大柱網(wǎng)方案單層可存儲貨架位置為6 552個。與傳統(tǒng)冷庫相比，增加貨柜1 931個。有效庫容增加(6 552-4 622)÷4 622×100%=41.8%。

4.3 存儲量對比

1)采用大柱網(wǎng)布置，相對于傳統(tǒng)柱網(wǎng)，每層可增加6 552-4 622=1 930個貨架，貨架增加率約為41.8%，顯著提高了有效庫容量。

2)按一般物流冷庫6層庫房計算，在不增加建筑面積的情況下，總體可增加1 930×6=11 580個貨架。

3)每個貨架位按3t計算，可增加3×11 580=34 740t庫容量。

4)每個貨架租金按約2.5元/d計算，1年可增收1 056×104元。

5)增大柱網(wǎng)尺寸后，貨架布置更為靈活，有利于實現(xiàn)機械化存取。

統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)冷庫與大柱距預應力冷庫對比

4.4 總體土建造價對比

對一期傳統(tǒng)柱網(wǎng)和二期預應力大柱網(wǎng)地上結(jié)構(gòu)部分的總體造價進行分析，傳統(tǒng)冷庫工程土建造價1 324.9元/m2，此項目造價1 352.3元/m2。

統(tǒng)計得出，在考慮目前材料上漲的情況下，預應力冷庫與傳統(tǒng)冷庫造價基本持平，通過預應力結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性應用，設(shè)計荷載增加，增大了柱網(wǎng)柱距，取消了伸縮縫及抗震短肢剪力墻，機械作業(yè)效率得到全面提升，且有效倉容提高41.8%，具有較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

1)目前，預應力混凝土無梁樓蓋結(jié)構(gòu)在一般民用及公共建筑中已大量運用，技術(shù)較成熟，但在冷庫建設(shè)中應用較少。

2)冷庫高效空間設(shè)計項目聯(lián)合設(shè)計單位、高等院校、施工單位等進行可行性研究，形成了現(xiàn)代超大型高層冷庫高效空間設(shè)計方法。銀犁二期冷庫建成投產(chǎn)后，證明設(shè)計方案切實可行。設(shè)計及施工過程中試驗性數(shù)據(jù)，為國家和行業(yè)規(guī)范的修訂及此后同類工程設(shè)計與施工提供了參考和借鑒。

3)預應力技術(shù)在冷庫中應用能大幅度提升倉容，并提高物流作業(yè)效率，此項技術(shù)在國外冷庫中有所應用，但在國內(nèi)還屬空白。率全國之先，首次將預應力技術(shù)應用于冷庫建設(shè)，本項目是國內(nèi)首座大柱距高層預應力冷庫。

4)現(xiàn)代超大型高層冷庫高效空間設(shè)計方法達到國際領(lǐng)先水平，并在國內(nèi)15座現(xiàn)代大型冷庫建造中推廣應用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。