超長框架結構冷庫溫度作用及結構設計探析

林 波

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

0 引言

隨著社會經濟的不斷進步，人民對美好生活水平的向往，食品、醫療、化工等行業對冷藏鏈物流的需求越來越大。冷庫作為冷藏鏈物流中關鍵一環，社會對其需求也越來越大。作為具有特殊使用功能的倉儲類建筑，冷庫室內溫度常年保持-40℃～0℃之間，夏季時室外溫度可達30℃，是典型的內冷外熱形建筑。此外，因為生產工藝或儲存形式的要求，導致冷庫常常出現結構縱向尺寸超長的情況。冷庫的內冷外熱的特性和超長情況的出現，導致溫度作用對冷庫結構影響特別明顯。本文以一個超長多層框架結構冷庫為例，梳理探討冷庫設計的主要設計過程，并著重分析溫度作用對主體結構影響，以及采取相應的應對措施。

1 冷庫結構特點

冷庫屬于一種特殊的倉儲類建筑。它通過采用相應的制冷工藝，使得建筑室內常年保持一個恒定的低溫環境，并用于對食品、醫療、化工等用品進行儲存。區別于一般倉儲類建筑，冷庫具有如下特點：

(1)冷庫結構樓面荷載大。根據相關規范的規定，存放凍結物體的房間活荷載為20 kN/m2。對于儲存凍分割肉等密度大的貨物時，樓面荷載比規范規定的20 kN/m2更大。

(2)冷庫結構具有內冷外熱的特性[1]。冷庫結構在降低到相應溫度后，由于對應材料的熱脹冷縮的特點，會使結構在垂直和水平方向都產生相應的收縮變形。冷庫結構室內外懸殊的溫差，使冷庫結構在溫度作用下，收縮變形以及溫度應力也更加明顯。

(3)冷庫結構對材料有特殊要求。冷庫室內長期處于低溫環境及凍融循環的影響，使混凝土、磚墻等材料需要具有一定的抗凍性和抗滲性。

(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，故對建筑絕熱有較高的要求。如果相應措施采用不當，將導致冷庫建筑冷橋效應明顯[2]，使得冷庫能耗變大，從而產生較大的經濟浪費。

2 工程概況

該工程位于福建省福州市長樂區，是新冠疫情發生之后福州市建設的應急倉儲基地。該工程無地下室，為地上4層的多層框架結構冷庫。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，結合建筑功能布局，在建筑左側和上測共設置兩道溫度伸縮縫，將結構分成3個部分，分別為冷藏間、穿堂、辦公區。其中冷藏間部分結構典型柱網為8.0 m×7.2 m。

該工程設計使用年限為50年，結構安全等級二級，設防分類為標準設防類，抗震設防烈度為7度(0.10g)；設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類，風荷載為0.80 kN/m2，地面粗糙度為B類。根據工藝要求，一至三層冷藏間活荷載為30 kN/m2，儲藏溫度-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，儲藏溫度-1℃，主要為蔬果類等物質。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 結構整體設計分析

3.1 溫度伸縮縫

即使根據建筑使用功能設置溫度伸縮縫之后，該工程冷藏間的結構尺寸仍有48.9 m×65.7 m。《冷庫設計規范》[3]第5.1.3條規定：對于鋼筋混凝土結構，冷藏間伸縮縫最大間距不宜大于50 m。該工程結構縱向尺寸65.7 m超過規范規定的不設置伸縮縫最大間距，會產生比較大的溫度應力。但是如果結構設置溫度伸縮縫，會產生如下問題：

(1)對冷庫實際使用經濟性產生影響。設置溫度伸縮縫，就需要在伸縮縫兩側設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，也會導致后期維護成本變高[4]。

(2)冷庫節點構造變復雜，節點可靠性降低。冷庫因溫度伸縮縫設置雙墻后，建筑保溫層和防潮層面積相應增加很多。將導致冷庫保溫防潮節點變復雜，冷橋效應更加嚴重，節點可靠性降低。

通過對兩種方案的比選，以及后期使用等一系列問題考慮，該工程在冷藏間內不再設置溫度伸縮縫，而是通過進行溫度應力計算和采用其它措施來減少溫度作用產生的影響。

3.2 結構選型

對于多層冷庫，結構形式一般采用板柱剪力墻結構或框架結構。

(1)板柱剪力墻結構。板柱剪力墻結構雖可減少建筑層高和方便設備管道的鋪設，但對于冷庫這種樓面荷載大的倉儲類建筑，會導致柱頂柱帽尺寸較大。此外，板柱剪力墻結構抗震性能相比框架結構較差，比較容易發生柱帽節點脆性破壞[5]。再者，對于板柱剪力墻結構，剪力墻的布置會對后期建筑使用帶來一定的影響。且對于超長結構，不宜布置過多縱向剪力墻在結構端部。

(2)框架結構。對于該工程這種超長的情況，在端部布置剪力墻會使結構溫度應力增加。此外，該工程框架結構在溫度作用下，受力較板柱剪力墻結構更為清晰。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，在板底設置保溫層和鋪設設備管道方面影響不大。

該工程通過方案對比，最后采用框架結構，結構平面布置圖如圖3所示。

圖3 結構平面布置圖

3.3 結構設計分析

該工程結構計算軟件采用北京盈建科軟件有限責任公司編制的YJK Structure系列軟件。該工程屬于海風環境，根據《混凝土結構設計規范》[6]第3.5.2條和第3.5.3條，該工程環境類別為三a類，梁板混凝土強度采用C35，柱混凝土強度根據實際需要采用C35至C45。冷庫本質上為倉儲建筑的一種，根據《建筑結構荷載規范》[7]第5.1.1條，在盈建科模型中組合值系數取0.9，頻遇值系數取0.9，準永久值系數取0.8。此外，結構模型考慮偶然偏心、雙向地震以及溫度荷載作用，該工程主要計算結果如表1所示。

表1 結構主要計算結果

從結構計算結果可以看出，該工程結構上下層剛度均勻未出現突變產生的軟弱層，結構X向和Y向動力特性相近，結構整體剛度適中，扭轉合理。通過合理布置結構，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為內冷外熱。懸殊的室內外溫差，將產生較大的溫度應力。尤其當結構長度超過《冷庫設計規范》規定的50 m時，主體結構因為溫度作用導致的附加應力不可忽略。此時，需要對溫度應力進行計算，并采取相應構造措施。

4.1 溫度荷載計算

該工程位于福州市，根據《建筑結構荷載規范》[7]續表E.3，福州市基本最低氣溫為3℃，基本最高氣溫為37℃。參考中國氣象數據共享服務網提供的數據，福州市年平均氣溫約為20℃，根據后澆帶封閉情況取T0,min=15℃，T0,max=25℃。根據室外溫度并結合室內冷庫使用功能，取：一至四層Ts,min=min(-25，3)=-25℃，屋面層Ts,min=min(-1，3)=-1℃，全樓Ts,max=37℃。根據《建筑結構荷載規范》[7]第9.3.1條，計算可得：

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 溫度計算參數

該工程為了考慮溫度應力，對冷庫結構所有層樓板設為彈性板6，真實考慮樓板面內面外剛度。此外，溫度應力來源于溫度變形受到約束，根據相關專家的研究[8]可知，在溫度應力計算中，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0.3，剛度退化系數0.85，故綜合考慮混凝土收縮徐變的折減系數為0.255。此外，根據《建筑結構荷載規范》[7]第9.1.3條，溫度作用的組合值系數取0.6，頻遇值系數取0.5，準永久值系數取0.4。

4.3 溫度應力及設計結果

鑒于該工程為冷庫建筑，低溫導致的負溫差是正溫差的兩倍。因此，該工程負溫差起控制作用，故下文僅對負溫差作用情況進行詳細梳理分析。

在對應降溫工況下，結構縱向整體位移如圖4所示。多層框架冷庫二層樓板在-50℃降溫工況作用下，縱向和橫向的應力圖如圖5～圖6所示。結構縱向倒二跨框架柱在正常設計和溫度荷載作用情況下，配筋對比結果如表2～表3所示。

圖4 結構縱向降溫工況位移圖

圖5 二層縱向降溫工況應力圖

圖6 二層橫向降溫工況應力圖

表2 結構柱配筋對比結果(橫向) %

表3 結構柱配筋對比結果(縱向) %

通過X向、Y向的樓板應力圖反應結果，并結合整體結構位移圖和溫度荷載作用下柱配筋對比可知：

(1)因為正負零結構的相對嵌固作用，導致第一層豎向構件在降溫工況作用下，位移最大。第二層和第三層降溫相同，導致結構在中部相對位移變化不大。第三層和第四層從低溫庫變成高溫庫，也產生了相對位移，但是相對位移小于首層的相對位移。

(2)在溫度作用下，結構中部樓板應力分布較均勻。但在結構四周，樓板溫度應力變化較結構中部樓板大，尤其在結構縱向樓板兩端區域。

(3)在溫度作用下，框架柱附近樓板應力有局部增大現象。

(4)梁構件在溫度應力作用下產生拉壓應力，導致梁構件基本變為偏拉構件，且梁頂跨中均產生配筋。

(5)在溫度作用下，豎向構件配筋在地上一層顯著增大，而后隨著層數遞增相應變小。至于頂層柱，雖然結構相對位移比中間層略大，但因屋面荷載不大，導致頂層豎向構件配筋不大。

4.4 頂層與底層樓板抗溫度措施

根據《冷庫設計規范》[3]第5.1.4～5.1.7條條文說明，溫度應力在冷庫建筑當中是長期存在的。經過調查和觀測，在冷藏間外墻4個角部常常發生裂縫。為了減少相應溫度應力，可將屋面板適當分塊，并在底層采用預制梁板架空層等措施。

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

對于一層樓板，該工程采用預制板架空地面做法。該工程建筑室內外高差為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左右的凈通風隔熱高度。此外，一層地面采用預制混凝土板(圖7)，通過預制樓板對溫度的釋放作用，也大大減少了一層樓板的溫度作用。

圖7 結構一層預制樓板做法

4.5 其它抗溫度措施

雖現有結構軟件可對溫度作用進行有效計算分析，但遠不能達到設計要求。對此，在設計時更應把握溫度作用的相關規律，并加強相應的概念設計。對于冷庫為保證結構主體在溫度作用下的安全和使用，在結構計算之外，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。對于磚砌體，冷藏間磚砌體需采用MU10及以上的燒結普通磚和M7.5及以上的水泥砂漿。

(2)冷藏間砌體墻需設置隔水層、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、底層室內外樓板交界處，也需要設置隔水層、隔氣層以及保溫隔熱層。

(3)根據已有工程經驗，在冷藏間外墻四角最容易發生裂縫。故對于建筑四角砌體墻需采用特殊的抗裂措施[9]。冷庫建筑四角圍護墻具體加強做法為墻體拉結筋應全長布置，冷庫四角圍護填充墻開間內增設一根構造柱，層間需增設圈梁且墻體外需鋪設鋼絲網，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)為減少外掛框架結構與冷庫庫體框架結構的冷橋效應，同時為保證冷庫外掛框架結構的穩定，故在冷庫內外框架相應節點上，需設置錨系梁，如圖9所示。

圖9 冷庫內外框架結點拉結構造

(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，每個方向全截面最小溫度配筋率應大于等于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，采用樓板計算配筋加溫度應力附加筋形式進行配置。

(6)主體結構框架梁柱配筋，采用考慮溫度作用和不考慮溫度作用兩個模型計算出的配筋結果，進行包絡設計。

5 結論

冷庫的內冷外熱的特性，使其區別于一般倉儲類建筑。本文通過對一多層框架結構冷庫設計進行詳細分析，分析其主要設計過程，特別探討在溫度作用下的冷庫所采取的計算分析以及相應的設計難點。

(1)冷庫室內常年處于低溫狀態導致溫度對冷庫影響很大。結構在進行設計時，應把握溫度作用的相關規律，并充分考慮溫度作用產生的影響。

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

(3)冷庫結構設計時，需根據實際情況設置相應的溫度縫，選擇適合的結構體系。

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

(5)冷橋效應是冷庫不可避免的問題。在冷庫庫體框架結構與外掛框架結構之間的錨系梁，需采用特殊節點做法，以減少冷橋效應的不利影響。