超長框架結(jié)構(gòu)冷庫溫度作用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

林 波

(福州市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，人民對(duì)美好生活水平的向往，食品、醫(yī)療、化工等行業(yè)對(duì)冷藏鏈物流的需求越來越大。冷庫作為冷藏鏈物流中關(guān)鍵一環(huán)，社會(huì)對(duì)其需求也越來越大。作為具有特殊使用功能的倉儲(chǔ)類建筑，冷庫室內(nèi)溫度常年保持-40℃～0℃之間，夏季時(shí)室外溫度可達(dá)30℃，是典型的內(nèi)冷外熱形建筑。此外，因?yàn)樯a(chǎn)工藝或儲(chǔ)存形式的要求，導(dǎo)致冷庫常常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)縱向尺寸超長的情況。冷庫的內(nèi)冷外熱的特性和超長情況的出現(xiàn)，導(dǎo)致溫度作用對(duì)冷庫結(jié)構(gòu)影響特別明顯。本文以一個(gè)超長多層框架結(jié)構(gòu)冷庫為例，梳理探討冷庫設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)過程，并著重分析溫度作用對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響，以及采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1 冷庫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

冷庫屬于一種特殊的倉儲(chǔ)類建筑。它通過采用相應(yīng)的制冷工藝，使得建筑室內(nèi)常年保持一個(gè)恒定的低溫環(huán)境，并用于對(duì)食品、醫(yī)療、化工等用品進(jìn)行儲(chǔ)存。區(qū)別于一般倉儲(chǔ)類建筑，冷庫具有如下特點(diǎn)：

(1)冷庫結(jié)構(gòu)樓面荷載大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，存放凍結(jié)物體的房間活荷載為20 kN/m2。對(duì)于儲(chǔ)存凍分割肉等密度大的貨物時(shí)，樓面荷載比規(guī)范規(guī)定的20 kN/m2更大。

(2)冷庫結(jié)構(gòu)具有內(nèi)冷外熱的特性[1]。冷庫結(jié)構(gòu)在降低到相應(yīng)溫度后，由于對(duì)應(yīng)材料的熱脹冷縮的特點(diǎn)，會(huì)使結(jié)構(gòu)在垂直和水平方向都產(chǎn)生相應(yīng)的收縮變形。冷庫結(jié)構(gòu)室內(nèi)外懸殊的溫差，使冷庫結(jié)構(gòu)在溫度作用下，收縮變形以及溫度應(yīng)力也更加明顯。

(3)冷庫結(jié)構(gòu)對(duì)材料有特殊要求。冷庫室內(nèi)長期處于低溫環(huán)境及凍融循環(huán)的影響，使混凝土、磚墻等材料需要具有一定的抗凍性和抗?jié)B性。

(4)冷庫冷橋問題突出。冷庫是通過人工降溫方式保持恒定低溫，故對(duì)建筑絕熱有較高的要求。如果相應(yīng)措施采用不當(dāng)，將導(dǎo)致冷庫建筑冷橋效應(yīng)明顯[2]，使得冷庫能耗變大，從而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

2 工程概況

該工程位于福建省福州市長樂區(qū)，是新冠疫情發(fā)生之后福州市建設(shè)的應(yīng)急倉儲(chǔ)基地。該工程無地下室，為地上4層的多層框架結(jié)構(gòu)冷庫。冷庫每層高度分別為5.7 m、5.7 m、6 m、4.25 m，總建筑高度為22.95 m。冷庫建筑由于平面尺寸超長，結(jié)合建筑功能布局，在建筑左側(cè)和上測(cè)共設(shè)置兩道溫度伸縮縫，將結(jié)構(gòu)分成3個(gè)部分，分別為冷藏間、穿堂、辦公區(qū)。其中冷藏間部分結(jié)構(gòu)典型柱網(wǎng)為8.0 m×7.2 m。

該工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)；設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類，風(fēng)荷載為0.80 kN/m2，地面粗糙度為B類。根據(jù)工藝要求，一至三層冷藏間活荷載為30 kN/m2，儲(chǔ)藏溫度-25℃～-18℃，主要為凍豬肉等物資，采用3層架(約1.5 m/層架)；四層冷藏間活荷載15 kN/m2，儲(chǔ)藏溫度-1℃，主要為蔬果類等物質(zhì)。建筑平面布置圖如圖1所示，建筑剖面圖如圖2所示。

圖1 建筑平面布置圖

圖2 建筑剖面圖

3 結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)分析

3.1 溫度伸縮縫

即使根據(jù)建筑使用功能設(shè)置溫度伸縮縫之后，該工程冷藏間的結(jié)構(gòu)尺寸仍有48.9 m×65.7 m?！独鋷煸O(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第5.1.3條規(guī)定：對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，冷藏間伸縮縫最大間距不宜大于50 m。該工程結(jié)構(gòu)縱向尺寸65.7 m超過規(guī)范規(guī)定的不設(shè)置伸縮縫最大間距，會(huì)產(chǎn)生比較大的溫度應(yīng)力。但是如果結(jié)構(gòu)設(shè)置溫度伸縮縫，會(huì)產(chǎn)生如下問題：

(1)對(duì)冷庫實(shí)際使用經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。設(shè)置溫度伸縮縫，就需要在伸縮縫兩側(cè)設(shè)置兩道砌體墻和兩道建筑保溫層。故每層冷庫將減少至少1 m寬的使用空間(縫寬150 mm+兩道砌體墻240 mm×2+兩道建筑保溫200 mm×2=1030 mm)。此外，建筑保溫層面積增加，也會(huì)導(dǎo)致后期維護(hù)成本變高[4]。

(2)冷庫節(jié)點(diǎn)構(gòu)造變復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)可靠性降低。冷庫因溫度伸縮縫設(shè)置雙墻后，建筑保溫層和防潮層面積相應(yīng)增加很多。將導(dǎo)致冷庫保溫防潮節(jié)點(diǎn)變復(fù)雜，冷橋效應(yīng)更加嚴(yán)重，節(jié)點(diǎn)可靠性降低。

通過對(duì)兩種方案的比選，以及后期使用等一系列問題考慮，該工程在冷藏間內(nèi)不再設(shè)置溫度伸縮縫，而是通過進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算和采用其它措施來減少溫度作用產(chǎn)生的影響。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

對(duì)于多層冷庫，結(jié)構(gòu)形式一般采用板柱剪力墻結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)。

(1)板柱剪力墻結(jié)構(gòu)。板柱剪力墻結(jié)構(gòu)雖可減少建筑層高和方便設(shè)備管道的鋪設(shè)，但對(duì)于冷庫這種樓面荷載大的倉儲(chǔ)類建筑，會(huì)導(dǎo)致柱頂柱帽尺寸較大。此外，板柱剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能相比框架結(jié)構(gòu)較差，比較容易發(fā)生柱帽節(jié)點(diǎn)脆性破壞[5]。再者，對(duì)于板柱剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的布置會(huì)對(duì)后期建筑使用帶來一定的影響。且對(duì)于超長結(jié)構(gòu)，不宜布置過多縱向剪力墻在結(jié)構(gòu)端部。

(2)框架結(jié)構(gòu)。對(duì)于該工程這種超長的情況，在端部布置剪力墻會(huì)使結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力增加。此外，該工程框架結(jié)構(gòu)在溫度作用下，受力較板柱剪力墻結(jié)構(gòu)更為清晰。再者，該工程樓層梁盡量采用“寬扁”梁，梁斷面為700×600(二、三層)和600×600(四層)，板厚為300mm，在板底設(shè)置保溫層和鋪設(shè)設(shè)備管道方面影響不大。

該工程通過方案對(duì)比，最后采用框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

該工程結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編制的YJK Structure系列軟件。該工程屬于海風(fēng)環(huán)境，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第3.5.2條和第3.5.3條，該工程環(huán)境類別為三a類，梁板混凝土強(qiáng)度采用C35，柱混凝土強(qiáng)度根據(jù)實(shí)際需要采用C35至C45。冷庫本質(zhì)上為倉儲(chǔ)建筑的一種，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]第5.1.1條，在盈建科模型中組合值系數(shù)取0.9，頻遇值系數(shù)取0.9，準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.8。此外，結(jié)構(gòu)模型考慮偶然偏心、雙向地震以及溫度荷載作用，該工程主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果

從結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可以看出，該工程結(jié)構(gòu)上下層剛度均勻未出現(xiàn)突變產(chǎn)生的軟弱層，結(jié)構(gòu)X向和Y向動(dòng)力特性相近，結(jié)構(gòu)整體剛度適中，扭轉(zhuǎn)合理。通過合理布置結(jié)構(gòu)，使該工程取得良好的抗震性能。

4 溫度作用分析

冷庫建筑主要的特點(diǎn)為內(nèi)冷外熱。懸殊的室內(nèi)外溫差，將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。尤其當(dāng)結(jié)構(gòu)長度超過《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的50 m時(shí)，主體結(jié)構(gòu)因?yàn)闇囟茸饔脤?dǎo)致的附加應(yīng)力不可忽略。此時(shí)，需要對(duì)溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并采取相應(yīng)構(gòu)造措施。

4.1 溫度荷載計(jì)算

該工程位于福州市，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]續(xù)表E.3，福州市基本最低氣溫為3℃，基本最高氣溫為37℃。參考中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，福州市年平均氣溫約為20℃，根據(jù)后澆帶封閉情況取T0,min=15℃，T0,max=25℃。根據(jù)室外溫度并結(jié)合室內(nèi)冷庫使用功能，?。阂恢了膶覶s,min=min(-25，3)=-25℃，屋面層Ts,min=min(-1，3)=-1℃，全樓Ts,max=37℃。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]第9.3.1條，計(jì)算可得：

一至四層：

最大升溫△Tk=Ts,max-T0,min=37-15=22℃

最大降溫△Tk=Ts,min-T0,max=-25-25℃=-50℃

屋面層：

最大升溫△Tk=Ts,max-T0,min=37-15=22℃

最大降溫△Tk=Ts,min-T0,max=-1-25℃=-26℃

故該工程溫度荷載取值為：一至四層升溫22℃，降溫-50℃；屋面層升溫22℃，降溫-26℃。

4.2 溫度計(jì)算參數(shù)

該工程為了考慮溫度應(yīng)力，對(duì)冷庫結(jié)構(gòu)所有層樓板設(shè)為彈性板6，真實(shí)考慮樓板面內(nèi)面外剛度。此外，溫度應(yīng)力來源于溫度變形受到約束，根據(jù)相關(guān)專家的研究[8]可知，在溫度應(yīng)力計(jì)算中，需合理考慮混凝土徐變所帶來的有利影響。在該工程中，考慮混凝土收縮徐變影響系數(shù)0.3，剛度退化系數(shù)0.85，故綜合考慮混凝土收縮徐變的折減系數(shù)為0.255。此外，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]第9.1.3條，溫度作用的組合值系數(shù)取0.6，頻遇值系數(shù)取0.5，準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.4。

4.3 溫度應(yīng)力及設(shè)計(jì)結(jié)果

鑒于該工程為冷庫建筑，低溫導(dǎo)致的負(fù)溫差是正溫差的兩倍。因此，該工程負(fù)溫差起控制作用，故下文僅對(duì)負(fù)溫差作用情況進(jìn)行詳細(xì)梳理分析。

在對(duì)應(yīng)降溫工況下，結(jié)構(gòu)縱向整體位移如圖4所示。多層框架冷庫二層樓板在-50℃降溫工況作用下，縱向和橫向的應(yīng)力圖如圖5～圖6所示。結(jié)構(gòu)縱向倒二跨框架柱在正常設(shè)計(jì)和溫度荷載作用情況下，配筋對(duì)比結(jié)果如表2～表3所示。

圖4 結(jié)構(gòu)縱向降溫工況位移圖

圖5 二層縱向降溫工況應(yīng)力圖

圖6 二層橫向降溫工況應(yīng)力圖

表2 結(jié)構(gòu)柱配筋對(duì)比結(jié)果(橫向) %

表3 結(jié)構(gòu)柱配筋對(duì)比結(jié)果(縱向) %

通過X向、Y向的樓板應(yīng)力圖反應(yīng)結(jié)果，并結(jié)合整體結(jié)構(gòu)位移圖和溫度荷載作用下柱配筋對(duì)比可知：

(1)因?yàn)檎?fù)零結(jié)構(gòu)的相對(duì)嵌固作用，導(dǎo)致第一層豎向構(gòu)件在降溫工況作用下，位移最大。第二層和第三層降溫相同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在中部相對(duì)位移變化不大。第三層和第四層從低溫庫變成高溫庫，也產(chǎn)生了相對(duì)位移，但是相對(duì)位移小于首層的相對(duì)位移。

(2)在溫度作用下，結(jié)構(gòu)中部樓板應(yīng)力分布較均勻。但在結(jié)構(gòu)四周，樓板溫度應(yīng)力變化較結(jié)構(gòu)中部樓板大，尤其在結(jié)構(gòu)縱向樓板兩端區(qū)域。

(3)在溫度作用下，框架柱附近樓板應(yīng)力有局部增大現(xiàn)象。

(4)梁構(gòu)件在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，導(dǎo)致梁構(gòu)件基本變?yōu)槠瓨?gòu)件，且梁頂跨中均產(chǎn)生配筋。

(5)在溫度作用下，豎向構(gòu)件配筋在地上一層顯著增大，而后隨著層數(shù)遞增相應(yīng)變小。至于頂層柱，雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)位移比中間層略大，但因屋面荷載不大，導(dǎo)致頂層豎向構(gòu)件配筋不大。

4.4 頂層與底層樓板抗溫度措施

根據(jù)《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第5.1.4～5.1.7條條文說明，溫度應(yīng)力在冷庫建筑當(dāng)中是長期存在的。經(jīng)過調(diào)查和觀測(cè)，在冷藏間外墻4個(gè)角部常常發(fā)生裂縫。為了減少相應(yīng)溫度應(yīng)力，可將屋面板適當(dāng)分塊，并在底層采用預(yù)制梁板架空層等措施。

鑒于該工程位于機(jī)場附近，規(guī)劃有24 m限高的要求，故建筑最后一層不再設(shè)置閣樓層。同時(shí)，該工程把高溫庫置于頂層，形成一個(gè)類似閣樓層的過渡區(qū)。此外，冷庫在屋面板上，通過建筑上設(shè)置磚垛加預(yù)制板這種建筑通風(fēng)隔熱做法，減少了屋面的溫度作用。

對(duì)于一層樓板，該工程采用預(yù)制板架空地面做法。該工程建筑室內(nèi)外高差為1.3 m，考慮首層地面建筑保溫做法后，一層梁底與室外地面處留有300 mm左右的凈通風(fēng)隔熱高度。此外，一層地面采用預(yù)制混凝土板(圖7)，通過預(yù)制樓板對(duì)溫度的釋放作用，也大大減少了一層樓板的溫度作用。

圖7 結(jié)構(gòu)一層預(yù)制樓板做法

4.5 其它抗溫度措施

雖現(xiàn)有結(jié)構(gòu)軟件可對(duì)溫度作用進(jìn)行有效計(jì)算分析，但遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)此，在設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)把握溫度作用的相關(guān)規(guī)律，并加強(qiáng)相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)。對(duì)于冷庫為保證結(jié)構(gòu)主體在溫度作用下的安全和使用，在結(jié)構(gòu)計(jì)算之外，還需采取如下措施：

(1)水泥需采用普通硅酸鹽水泥或采用礦渣硅酸鹽水泥。對(duì)于磚砌體，冷藏間磚砌體需采用MU10及以上的燒結(jié)普通磚和M7.5及以上的水泥砂漿。

(2)冷藏間砌體墻需設(shè)置隔水層、隔氣層以及保溫隔熱層。此外，在不同溫度的冷藏間之間及頂層、底層室內(nèi)外樓板交界處，也需要設(shè)置隔水層、隔氣層以及保溫隔熱層。

(3)根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，在冷藏間外墻四角最容易發(fā)生裂縫。故對(duì)于建筑四角砌體墻需采用特殊的抗裂措施[9]。冷庫建筑四角圍護(hù)墻具體加強(qiáng)做法為墻體拉結(jié)筋應(yīng)全長布置，冷庫四角圍護(hù)填充墻開間內(nèi)增設(shè)一根構(gòu)造柱，層間需增設(shè)圈梁且墻體外需鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，具體做法如圖8所示。

圖8 冷庫四角填充墻抗裂措施示意圖

(4)為減少外掛框架結(jié)構(gòu)與冷庫庫體框架結(jié)構(gòu)的冷橋效應(yīng)，同時(shí)為保證冷庫外掛框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，故在冷庫內(nèi)外框架相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，需設(shè)置錨系梁，如圖9所示。

圖9 冷庫內(nèi)外框架結(jié)點(diǎn)拉結(jié)構(gòu)造

(5)為保證樓板在溫度作用下的可靠性，冷藏間的鋼筋混凝土樓板，每個(gè)方向全截面最小溫度配筋率應(yīng)大于等于0.3%。該工程樓板配筋在雙層雙向配筋滿足0.3%的最小配筋率要求下，采用樓板計(jì)算配筋加溫度應(yīng)力附加筋形式進(jìn)行配置。

(6)主體結(jié)構(gòu)框架梁柱配筋，采用考慮溫度作用和不考慮溫度作用兩個(gè)模型計(jì)算出的配筋結(jié)果，進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

冷庫的內(nèi)冷外熱的特性，使其區(qū)別于一般倉儲(chǔ)類建筑。本文通過對(duì)一多層框架結(jié)構(gòu)冷庫設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，分析其主要設(shè)計(jì)過程，特別探討在溫度作用下的冷庫所采取的計(jì)算分析以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

(1)冷庫室內(nèi)常年處于低溫狀態(tài)導(dǎo)致溫度對(duì)冷庫影響很大。結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把握溫度作用的相關(guān)規(guī)律，并充分考慮溫度作用產(chǎn)生的影響。

(2)冷庫設(shè)計(jì)時(shí)需注意水泥、磚墻材料的選擇，以及冷藏間建筑相應(yīng)部位隔水、隔氣和保溫隔熱做法。此外，應(yīng)注意在冷庫建筑四角填充墻采取相應(yīng)的抗裂措施。

(3)冷庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的溫度縫，選擇適合的結(jié)構(gòu)體系。

(4)對(duì)于冷庫，一層樓面可以采用架空預(yù)制樓板做法，屋面層可以采用磚垛加預(yù)制板的建筑隔熱通風(fēng)做法，減少溫度作用的影響。

(5)冷橋效應(yīng)是冷庫不可避免的問題。在冷庫庫體框架結(jié)構(gòu)與外掛框架結(jié)構(gòu)之間的錨系梁，需采用特殊節(jié)點(diǎn)做法，以減少冷橋效應(yīng)的不利影響。