現代超大型高層冷庫建造成套技術研究*

胡 銳，陳躍熙，陳 勝，黃光洪，程 憬

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

0 引言

作為冷鏈倉儲物流設施核心的傳統冷庫存在有效庫容小、制冷能耗高、多為人工操作及機械化程度低等缺點。為解決這些問題，在銀犁農產品冷鏈物流中心項目二期冷庫工程中對如何提高冷庫的有效庫容量、降低制冷能耗做到最大化節能環保、以機械代替人工操作提高機械化程度等進行了一系列從設計到建造的全套技術研究，通過在銀犁農產品冷鏈物流中心項目二期冷庫工程中首次應用，形成了現代超大型高層冷庫建造成套技術。

現代超大型高層冷庫建造成套技術，是指具有現代建筑特征、建設規模超大型、建筑為高層的冷庫從設計到施工的全套建造技術。這套建造技術打破了傳統冷庫的建筑模式，最大限度地提高了冷庫的有效空間和有效庫容量，降低了制冷能耗，達到節能環保，以機械代替人工操作提高了冷庫的機械化管理程度等，符合國家所倡導的綠色建造。

1 工程概況

銀犁農產品冷鏈物流中心項目二期冷庫工程位于成都市青白江區祥福鎮桂通北路1號青白江區大彎大宗散貨物流園區內，由2棟獨立冷庫組成，總建筑面積1.421×105m2，地上8層，建筑高度44.5m。凍結物冷藏間設計溫度-23℃，超低溫庫設計溫度-55℃。基礎為預應力混凝土管樁(PHC)+承臺基礎，結構為板柱-剪力墻結構，后張法有粘接預應力無梁樓蓋，其建筑效果如圖1所示，結構平面如圖2所示。

圖1 銀犁農產品冷鏈物流中心項目二期冷庫

圖2 結構平面

2 現代超大型高層冷庫建造成套技術研究

2.1 現代超大型高層冷庫高效空間設計

2.1.1傳統冷庫設計

傳統冷庫的板柱-剪力墻結構多為板柱-短肢抗震剪力墻結構，對應的是建設初期的小柱網、散堆、內保溫、散狀保溫材料、有閣樓、人工堆貨為主的冷庫形式，或建設中期的中柱網、貨架、內保溫、塊狀保溫材料等的冷庫形式，其結構形式本身就限制了冷庫不能形成有效的大空間而影響使用。

2.1.2現代超大型高層冷庫高效空間設計

銀犁農產品冷鏈物流中心項目二期冷庫工程在設計過程中一改傳統冷庫的設計方法，采用現代超大型高層冷庫高效空間設計方法，是目前首座采用高層、超長、大跨度、重載預應力無梁樓蓋結構的冷庫。

這種設計方法將傳統冷庫所采用的板柱-剪力墻結構中的短肢抗震剪力墻結構體系改變為全剪力墻，最大限度地優化了多層大空間冷庫的建筑形態和空間尺度，使冷庫建筑的體型系數<0.082，重組了冷庫貨架排列方式，與傳統冷庫相比，提高有效庫容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象，實現了節能、環保、綠色建造新理念(見圖3)。

圖3 現代冷庫(柱距12m)

2.1.3預應力結構深化設計

采用3D有限元整體分析程序和2D等代框架分析2種方法進行內力分析和設計，發現對板柱結構而言，主要應考慮的因素為結構變形和產生裂縫。

1)變形計算 經計算，正常使用極限狀態最大彈性變形為7mm，塑性變形為21mm，跨度按10.08m計算，撓度比值為1/480，小于規范規定的1/300限值。

2)裂縫計算 邊跨支座位置為彎矩和裂縫最大位置，最大裂縫寬度約為0.18mm，≤0.2mm，最大裂縫寬度符合規范規定。

2.2 預應力結構施工技術

2.2.1全封閉剪力墻結構樓板預應力施加

因預應力樓蓋面積較大，連續跨數較多，依據設計要求，需進行預應力分段。由于剪力墻側向剛度會限制張拉時樓板的軸向變形，從而影響預壓應力在樓板內的建立，而樓板內預壓應力的減小又會影響撓度、裂縫的計算，使其達不到規范要求，故需運用整體有限元模型計算，真實反映在考慮剪力墻不利作用時樓板預壓應力的建立情況。經研究分析：①緊鄰剪力墻的半跨板帶，剪力墻對承受豎向荷載的貢獻較明顯，即便施加預壓應力很小，驗算也能滿足要求，實際施加應力30%～40%；②相鄰剪力墻的第1跨板帶，實際施加應力60%～80%，按60%折減比例來計算預壓應力，等效彎矩不變，但支座處裂縫計算不滿足要求，需增加普通鋼筋加強后才能滿足要求；③中間區域板帶，實際施加應力80%～90%，按80%折減比例來計算預壓應力，等效彎矩不變，能滿足要求。

2.2.2預應力筋排布方式

柱上板帶采用有粘結預應力，跨中板帶采用無粘結預應力，因預應力筋和普通鋼筋較多，為減少碰撞，便于鋪設、張拉施工，預應力筋采用1孔4束的排布方式。

2.2.3張拉端、固定端設置

經建模分析，x向張拉端設于后澆帶內，y向將剪力墻側作為張拉端，采用兩端張拉，部分張拉端設在暗梁邊。在暗梁邊張拉時，應采用不同的變角張拉工藝，即需加工不同的變角墊塊進行變角張拉(見圖4～7)。

圖4 預應力分段張拉端平面布置

圖5 固定端

圖6 預應力筋扁形錨具張拉端

圖7 預應力筋張拉

2.2.4合理設置水平豎向后澆帶

由于本工程總長度98.2m，加之抗裂要求高，故樓板在長度方向設有2道水平后澆帶，將原結構在其長度方向分別分為26.7，44.8，26.7m，符合GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)第8.1.1條中框架現澆結構伸縮縫最大間距≤55m(冷庫設計標準為50m)的規定。

而側向約束(剪力墻)對張拉端混凝土預壓應力有明顯影響，可通過在剪力墻上設置豎向后澆帶，在保證剪力墻結構消除對樓板約束影響的前提下，使位于大跨度樓板下方的后澆帶在張拉結束后能快速實現澆筑，與設置的水平后澆帶相比，豎向后澆帶的施工難度相對較小，且總體長度與樓板的跨度相比要短，使得后期澆筑的工期大大縮短，水平豎向后澆帶設置如圖8所示。

圖8 水平豎向后澆帶設置

按上述方法設置后澆帶后采用有限元分析，在板的四周按實際設置剪力墻，根據DBJ51/T 031—2014《預應力結構設計與施工技術規程》，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′可取為10～15℃，取15℃驗算校核，主拉應力最大出現在板的四周，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，計算的主拉應力如圖9所示，在樓板上設置2道后澆帶的前提下再設置剪力墻豎向后澆帶，能滿足早期收縮裂縫控制的要求。

圖9 剪力墻后澆帶位置設置應力分析

2.3 施工過程中混凝土早期收縮裂紋控制

在混凝土強度達75%時，提前張拉每束預應力筋中的2根鋼絞線(1束4根)，達到控制混凝土早期收縮裂縫的目的；待混凝土強度達到設計強度后，再對剩余鋼絞線進行張拉，以有效控制混凝土早期收縮裂紋，也保證預應力整體張拉達到設計要求(見圖10)。

圖10 分步張拉過程

樓板大面積澆筑混凝土的早期收縮產生的裂縫是該類結構的質量通病，當混凝土強度達到設計強度的75%時，張拉1束預應力筋中的2根鋼絞線的做法，可對混凝土早期收縮裂縫產生抑制作用；預應力施工中，通常是當混凝土強度至少達到100%設計強度方可張拉預應力筋。但是，根據《混凝土結構設計規范》中第10.1.4條和GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》，為防止混凝土早期收縮裂縫，在混凝土抗壓強度達到75%時進行預應力張拉可行。

2.4 低溫狀態預應力損失測試

對預應力筋在低溫作用下的應力損失研究，也是本技術中的測試重點之一。國外一些國家(如美國、日本)已進行部分研究，且相對較早，但最近十幾年的研究資料相對較少。通過傳感器的埋設，監測預應力變化情況，對建筑進行數據分析和施工過程、降溫過程、降溫后使用過程分析。方法：每層選擇4孔y向雙端張拉預應力筋束，每個張拉端布置1個穿心式壓力傳感器。在4，8層，2棟樓共布置32個壓力傳感器。

獲得數據經分析揭示了超低溫工況鋼絞線預應力變化規律，分析了降溫過程及低溫穩態情況下預應力損失及有效應力指標，摸清了相關階段預應力筋的應力損失特征，解決了預應力結構體系在低溫冷庫應用中的參數缺失問題。

2.5 大型預應力冷庫保溫與隔汽控制

冷庫保溫一般采用外墻內保溫模式，本工程采用外墻外保溫(無空腔復合保溫)，與內保溫相比，更有效降低能耗，增加其庫容率，并能合理安排施工順序，縮短施工工期，這種形式在國內運用較少；與普通建筑的外保溫相比，因內外大溫差增加了隔汽層以防止結露，并采用熱流量更小等級計算外圍護保溫層，適當提高厚度以節能。很少采用外保溫的原因是其關鍵技術——隔汽層的性能，耐久性不能得到保證，對外保溫的隔汽層設計及性能尚無相關案例數據可借鑒。

2.5.1采用柔性隔汽外保溫技術

考察材料之間的可施工性及粘接性能，對隔汽層材料的隔汽性能參數進行考察測試，考察不同隔汽層對保溫層保溫效果的影響，通過對上述測試結果的對比，對冷庫外保溫隔汽層的設計提出合理的解決方案，外墻外保溫構造做法如圖11所示。

圖11 外墻外保溫構造做法

采用非固化瀝青+抗氧化鋁箔+噴涂速凝瀝青形成柔性外隔汽層，保證了因外保溫材料在受室外氣候作用下保溫系統變形時，外隔汽層始終保持與外保溫系統可靠的密閉性和粘接性，增強了外保溫體系的耐候性；克服了長期困擾現有冷庫隔汽層因室外氣候變化造成的隔汽層破壞與保溫層失效現象，從根本上解決了冷庫圍護結構受潮凍害的難題。上述技術降低了冷庫的能耗，節能率達到26.3%(見圖12～14)。

圖12 粘接性能樣本

圖13 干濕杯法測試隔汽層水蒸氣滲透試驗

圖14 保溫效果試驗

2.5.2無冷熱橋高性能連續防潮隔汽

采用非固化瀝青+抗氧化鋁箔+噴涂速凝瀝青，形成高密封、連續、高附著的防潮隔汽膜層，避免了預應力混凝土鋼絞線連接而造成的冷橋影響，阻斷了剪力墻與保護墻錨系梁熱傳遞通道，有效防止了結露現象，減小了溫差造成的預應力筋的預應力損失，控制了樓板預應力張拉約束和混凝土早期收縮裂紋(見圖15)。

圖15 熱流密度

為解決隔汽層在錨系梁處難以保持完整連續性的問題，在已完成外圍護結構框架上反噴瀝青材料，接著反敷抗氧化鋁膜，再施工聚氨酯保溫層，形成連續隔汽保溫層，控制錨系梁柱與框架相交節點造成的隔汽層薄弱點，防止保溫材料失效，保證了大型冷庫墻體保溫、隔汽系統的耐候性(見圖16)。

圖16 錨系梁處隔汽層節點大樣

2.5.3構建冷庫超長空間，隔汽層、保溫層連續不間斷

采用100m以上超長冷庫不設伸縮縫的預應力技術，突破現有國家規范規定“冷間采用鋼筋混凝土結構時，伸縮縫的最大間距不宜大于50m”的相關規定，避免因冷庫設伸縮縫造成的保溫層、隔汽層不連續而導致的冷庫圍護結構熱性能下降。

3 結語

現代超大型高層冷庫建造成套技術創新解決了國內首座現代超大型冷庫大跨度全封閉剪力墻對預應力樓板約束影響，創新采取設計、施工措施，設置剪力墻豎向后澆帶，消除了在預應力張拉時剪力墻對樓板所產生的約束影響，形成了大跨度預應力冷庫結構設計與施工成套關鍵技術；應用冷庫結構外保溫設計，首創高效的隔汽層關鍵技術，形成了超大型冷庫外墻外保溫體系成套設計、施工技術；在現代超大型冷庫結構施工中創新應用結構智能健康監測技術。