高海拔混凝土汽車試驗倉結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

劉闖，楊凱

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 概況與背景

模擬高海拔試驗倉從試驗室結(jié)構(gòu)來看，外圍殼體是高原環(huán)境模擬試驗室與普通試驗室的最大區(qū)別，此系統(tǒng)需承受不同海拔帶來的壓力差以保證設(shè)備的正常運行，故對其材料要求較高[1，2]。傳統(tǒng)的高海拔試驗倉的解決方案是鋼結(jié)構(gòu)倉體。但近年來，隨著該類試驗室的試驗項目的普及，各大試驗廠商也提出了用混凝土倉代替鋼倉的解決方案，并在歐洲有了比較成功的案例。相比于鋼倉，混凝土倉大大縮減了開支，并能有效解決鋼倉拼裝場地受限、吊裝困難等一系列問題。

近年來，我國汽車企業(yè)也開始了在這方面的嘗試，并取得了不錯的效果。本文以中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司在2019 年完成的亞洲首例高海拔混凝土試驗倉設(shè)計為例，剖析混凝土試驗倉的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

該高海拔混凝土試驗倉建設(shè)在中汽研汽車工業(yè)工程天津有限公司2018 年承接的寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司試制二期動力新能源試驗室項目中。該試驗室建于浙江省慈溪市，為3 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高海拔混凝土試驗倉位于該子項試驗區(qū)的首層，建筑首層層高7.7 m。業(yè)主需求該倉具備模擬5 000 m 海拔，-40～60 ℃環(huán)境的試驗?zāi)芰Α?/p>

2 方案對比

在論證的過程中，常規(guī)的鋼倉方案遇到了比較大的困難。因為預(yù)制鋼倉為了保證密封效果，必須要在運輸允許的條件下盡可能采用工廠預(yù)制，減小現(xiàn)場的焊接工作，這就需要施工現(xiàn)場提供面積近2 000m2的安裝場地，場地的使用周期在半年左右，且要在土建基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)之間?，F(xiàn)場唯一可行的拼裝場地恰好是主要的施工通道。故鋼倉的安裝條件是業(yè)主不具備的。

用混凝土倉替代鋼倉在歐洲國家已經(jīng)有了成功的先例，可以與試驗室的土建施工同步進行，沒有場地需求。難點在于在當(dāng)時國內(nèi)沒有成功先例可供參考。

鋼倉與混凝土倉的優(yōu)劣對比詳見表1。

表1 鋼倉與混凝土倉的優(yōu)劣對比

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計資料

項目條件概述：結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6 度（0.05 g），設(shè)計地震分組為第一組。倉體位置預(yù)留地坑，底板頂面標(biāo)高-1.800 m，地坑采用樁筏基礎(chǔ)。試驗倉殼體采用鋼筋混凝土頂、底板、墻體圍合而成。底板頂標(biāo)高-0.627 m，頂板底標(biāo)高5.300 m（±0.000 同動力新能源中心地面標(biāo)高）。試驗倉倉體凈尺寸（長×寬）為13.450 m×8.400 m，倉壁厚度700 mm，頂板厚度800 mm。側(cè)壁與建筑墻體之間留置≥100 mm 寬的變形縫。

4 試驗工況及設(shè)計難點簡介

1）倉體需保壓，承受57 kN/m2流體壓力荷載，并在該壓力狀態(tài)下，保證其氣密性并能控制倉體變形。故工藝方出于保壓效果的考慮，將混凝土倉的建議截面尺寸設(shè)置得較大。倉體側(cè)壁厚度按700 mm 設(shè)計，頂板厚度按800 mm 設(shè)計，底板厚度約1 000 mm。

2）倉內(nèi)會進行高低溫模擬試驗，試驗溫度跨度較大，混凝土內(nèi)部溫度要在12～20 ℃之間變化。內(nèi)外溫差形成溫度梯度，對混凝土的耐久性提出了很高的要求。

3）施工難度大。試驗室會布置必要的管路和線路，需在外圍殼體相應(yīng)位置預(yù)留開孔及門洞，并在試壓前進行密封處理。所有門洞、預(yù)留洞均需1 次成型，不能后鑿。該工藝開洞較多。

4）試驗層需與設(shè)備層協(xié)調(diào)布置，所有的倉頂預(yù)留孔需要確保與設(shè)備層的梁不干涉，并且盡可能考慮檢修空間，對建筑樓層的結(jié)構(gòu)次梁布置有較大的限制。

5）全亞洲首例，國內(nèi)尚無先例可參考。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

荷載統(tǒng)計情況如下：

1）恒載：倉體自重。

2）活荷載：倉頂板10 kN/m2的設(shè)備載荷（由工藝供應(yīng)商資料等效而來）。

3）流體壓力荷載：57 kN/m2向倉體內(nèi)部方向。

4）溫度作用：在試驗過程中，倉內(nèi)的溫度變化范圍為-40～60 ℃，因倉體內(nèi)設(shè)有保溫材料，倉體混凝土在試驗過程中的溫度變化為-12～20 ℃。綜合混凝土澆筑時間及日常室內(nèi)狀況，倉體混凝土初始平均溫度取25 ℃。各個區(qū)域工況具體詳見圖1。

圖1 海拔倉各區(qū)域試驗工況簡圖

5）風(fēng)、雪荷載：建筑內(nèi)部不受風(fēng)雪荷載影響，故不考慮。

6）地震作用：因抗震設(shè)防烈度為6 度，該倉為單層且采用剪力墻結(jié)構(gòu)，地震作用不起控制作用，故不考慮。

7）施工荷載：與流體荷載不同時組合且不起控制作用，故不考慮。

高海拔混凝土試驗倉對溫度作用較為敏感，需要考慮溫度梯度作用，屋面設(shè)備荷載為多點荷載，邊界條件特殊。綜合來看，采用常規(guī)的簡化方法難以準(zhǔn)確分析該倉的受力情況，本項目采用MIDAS GEN 軟件進行高海拔混凝土試驗倉的有限元分析。主要步驟如下：

1）采用板單元建模，對板單元進行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分尺寸為0.5 m。

2）在底板四角添加水平方向的約束。底板采用將面彈性支承轉(zhuǎn)換為節(jié)點支承來考慮混凝土地坑對底板的支承作用。

3）添加靜力荷載工況：自重、流體壓力荷載、設(shè)備活荷載、整體溫度作用、溫度梯度作用。

4）分別將各種工況下的荷載布置到模型上。

5）運行分析，對計算結(jié)果添加荷載組合。

6）計算各種荷載組合的內(nèi)力、變形、應(yīng)力。

7）求得內(nèi)力后，按規(guī)范要求進行配筋設(shè)計，并驗算裂縫等。

通過分析得出，頂板最大設(shè)計彎矩1 077 kN·m，按此結(jié)果配筋量巨大。設(shè)計結(jié)果偏大，且超出預(yù)期2～3 倍。

6 根據(jù)分析對模型進行調(diào)整

通過對比各個單工況下頂板的受力情況，發(fā)現(xiàn)自重荷載、流體荷載及溫度梯度荷載單工況作用下的最大彎矩分別為95 kN·m、256 kN·m、750 kN·m，溫度荷載起到了非常大的控制作用。在調(diào)整模型的過程中發(fā)現(xiàn)，減薄板厚會減小相應(yīng)的彎矩。同時頂板厚度減小會降低自重也會減小彎矩，按此原則調(diào)整截面，重新分析調(diào)整。

由表2 可知，由于降低了溫度梯度應(yīng)力，平面內(nèi)2 個方向的彎矩均有明顯的降低。據(jù)此內(nèi)力配筋計算更為經(jīng)濟。其原因可從公式（1）中得出結(jié)論。

表2 不同板厚溫度應(yīng)力及變形

式中，M 為等效彎矩；α 為線性熱膨脹系數(shù)；E 為彈性模量；ΔT為單元兩邊緣(最外面)間的溫度差；t 為板厚；ν 為泊松比。

從式（1）可知，等效彎矩與溫差呈線性關(guān)系，與板厚的三次方呈線性關(guān)系。這很好地解釋了板越厚，彎矩越大。恰恰足夠的板厚是保證氣密性的必要條件。所以板厚的選取和溫度差的確定是高海拔混凝土試驗倉設(shè)計的關(guān)鍵。

7 結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

該倉主要用于汽車能量流試驗、熱力學(xué)性能、極端環(huán)境模擬等，對結(jié)構(gòu)的要求較高，除了對承載能力的要求較高外，還要具有較好的密封性能及抗裂性能。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計還要有相應(yīng)的構(gòu)造措施。本設(shè)計采用了如下措施：

1）采用C40 補償收縮混凝土，按限制膨脹率0.02%～0.03%要求，外加劑摻量應(yīng)在6%～12%。膠凝材料最小用量為320 kg/m3。

2）混凝土中添加合成纖維，摻量約為0.9～1.2 kg/m3，相關(guān)技術(shù)要求按JGJ/T 221—2010 《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。

3）混凝土選用低水化熱水泥，澆筑溫度不宜超過28 ℃,要求商品混凝土供應(yīng)站混凝土的出罐溫度不高于25 ℃。對現(xiàn)場對澆筑的混凝土每2 h 進行1 次澆筑溫度的測量，澆筑溫度均控制在16～23 ℃，混凝土澆筑體的降溫速率應(yīng)不大于2.0 ℃/d，混凝土澆筑體表面與大氣溫差不大于20 ℃。

4）根據(jù)配筋計算結(jié)果，在面積較大的門洞口周邊、倉體四角設(shè)置暗柱、暗梁。

5）在墻、板中間位置增加1 層構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片。

8 施工控制要點

為達到該倉對密封的要求，要采取措施對可能產(chǎn)生的施工裂縫進行嚴格控制。本工程主要從以下幾方面進行控制：

1）混凝土配合比控制：采用低流態(tài)混凝土，摻粉煤灰、高效減水劑、微膨脹劑等，盡量減少單位水泥用量，降低水化熱，并要求混凝土公司按此原則進行配合比設(shè)計。

2）溫控控制：因施工期間外界氣溫較高，應(yīng)盡可能地降低混凝土的最高溫升，減小混凝土內(nèi)外溫差，控制溫度應(yīng)力。要求混凝土公司用冷水拌和混凝土；降低骨料初始溫度；在夜間進行混凝土澆筑施工。

3）施工工藝上墻體采用整體分層法連續(xù)澆筑施工，分層厚度為500 mm。底、頂板混凝土澆筑方法采用“斜向分層，薄層澆筑，循序推進，一次到底”連續(xù)施工，分層厚度≤500 mm，分層澆搗使新混凝土沿斜坡流一次到頂，使混凝土充分散熱，從而減少混凝土的熱量。

4）養(yǎng)護控制：頂板在混凝土表面鋪1 層塑料薄膜加蓋1 層土工布進行保濕養(yǎng)護。墻體采用延長模板留置時間的方式，模板的留置時間要求不得低于14 d。14 d 后，墻體混凝土采用掛濕土工布的方法進行保濕養(yǎng)護。模板拆除時混凝土的表面溫度與環(huán)境最大溫差應(yīng)＜20℃。

5）倉體混凝土施工縫的設(shè)置是施工控制中重要的一環(huán)。為保證結(jié)構(gòu)性能，施工完畢后，底板與墻體之間按照水池等地下結(jié)構(gòu)要求設(shè)置通長止水鋼板；墻體和頂板因考慮墻體振搗質(zhì)量，留置施工縫，在該位置留置通長遇水膨脹膠條2 條，保證施工通縫的整體性。

9 設(shè)計總結(jié)

1）采用通用有限元軟件對有復(fù)雜荷載工況的混凝土倉體進行分析，結(jié)構(gòu)模型較常規(guī)簡化方法更為合理、可靠、全面。

2）溫度梯度作用對混凝土倉體影響較大，倉體厚度越厚，溫度梯度影響比例越大；而當(dāng)倉體厚度較薄時，流體壓力荷載為控制荷載，不具備一定的厚度，也不能滿足承載能力。因此，截面厚度存在優(yōu)選值，在結(jié)構(gòu)分析時要多次試算以選定合理的截面厚度，使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理。

3）倉體對密封性能要求較高，設(shè)計及施工均要采取合適的措施嚴格控制裂縫的產(chǎn)生。