現(xiàn)代超大型高層冷庫建造成套技術(shù)研究*

胡 銳，陳躍熙，陳 勝，黃光洪，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

作為冷鏈倉儲物流設(shè)施核心的傳統(tǒng)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(nóng)產(chǎn)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(jié)能環(huán)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(shè)計到建造的全套技術(shù)研究，通過在銀犁農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中心項目二期冷庫工程中首次應(yīng)用，形成了現(xiàn)代超大型高層冷庫建造成套技術(shù)。

現(xiàn)代超大型高層冷庫建造成套技術(shù)，是指具有現(xiàn)代建筑特征、建設(shè)規(guī)模超大型、建筑為高層的冷庫從設(shè)計到施工的全套建造技術(shù)。這套建造技術(shù)打破了傳統(tǒng)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(jié)能環(huán)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(dǎo)的綠色建造。

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位于成都市青白江區(qū)祥福鎮(zhèn)桂通北路1號青白江區(qū)大彎大宗散貨物流園區(qū)內(nèi)，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(jié)物冷藏間設(shè)計溫度-23℃，超低溫庫設(shè)計溫度-55℃。基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC)+承臺基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)為板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)，后張法有粘接預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋，其建筑效果如圖1所示，結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖1 銀犁農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中心項目二期冷庫

圖2 結(jié)構(gòu)平面

2 現(xiàn)代超大型高層冷庫建造成套技術(shù)研究

2.1 現(xiàn)代超大型高層冷庫高效空間設(shè)計

2.1.1傳統(tǒng)冷庫設(shè)計

傳統(tǒng)冷庫的板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)多為板柱-短肢抗震剪力墻結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的是建設(shè)初期的小柱網(wǎng)、散堆、內(nèi)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(shè)中期的中柱網(wǎng)、貨架、內(nèi)保溫、塊狀保溫材料等的冷庫形式，其結(jié)構(gòu)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(xiàn)代超大型高層冷庫高效空間設(shè)計

銀犁農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中心項目二期冷庫工程在設(shè)計過程中一改傳統(tǒng)冷庫的設(shè)計方法，采用現(xiàn)代超大型高層冷庫高效空間設(shè)計方法，是目前首座采用高層、超長、大跨度、重載預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋結(jié)構(gòu)的冷庫。

這種設(shè)計方法將傳統(tǒng)冷庫所采用的板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢抗震剪力墻結(jié)構(gòu)體系改變?yōu)槿袅?，最大限度地?yōu)化了多層大空間冷庫的建筑形態(tài)和空間尺度，使冷庫建筑的體型系數(shù)<0.082，重組了冷庫貨架排列方式，與傳統(tǒng)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(xiàn)象，實現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、綠色建造新理念(見圖3)。

圖3 現(xiàn)代冷庫(柱距12m)

2.1.3預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)深化設(shè)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(nèi)力分析和設(shè)計，發(fā)現(xiàn)對板柱結(jié)構(gòu)而言，主要應(yīng)考慮的因素為結(jié)構(gòu)變形和產(chǎn)生裂縫。

1)變形計算 經(jīng)計算，正常使用極限狀態(tài)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(guī)范規(guī)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(guī)范規(guī)定。

2.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

2.2.1全封閉剪力墻結(jié)構(gòu)樓板預(yù)應(yīng)力施加

因預(yù)應(yīng)力樓蓋面積較大，連續(xù)跨數(shù)較多，依據(jù)設(shè)計要求，需進行預(yù)應(yīng)力分段。由于剪力墻側(cè)向剛度會限制張拉時樓板的軸向變形，從而影響預(yù)壓應(yīng)力在樓板內(nèi)的建立，而樓板內(nèi)預(yù)壓應(yīng)力的減小又會影響撓度、裂縫的計算，使其達不到規(guī)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(yù)壓應(yīng)力的建立情況。經(jīng)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(yù)壓應(yīng)力很小，驗算也能滿足要求，實際施加應(yīng)力30%～40%；②相鄰剪力墻的第1跨板帶，實際施加應(yīng)力60%～80%，按60%折減比例來計算預(yù)壓應(yīng)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(qū)域板帶，實際施加應(yīng)力80%～90%，按80%折減比例來計算預(yù)壓應(yīng)力，等效彎矩不變，能滿足要求。

2.2.2預(yù)應(yīng)力筋排布方式

柱上板帶采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，跨中板帶采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，因預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋較多，為減少碰撞，便于鋪設(shè)、張拉施工，預(yù)應(yīng)力筋采用1孔4束的排布方式。

2.2.3張拉端、固定端設(shè)置

經(jīng)建模分析，x向張拉端設(shè)于后澆帶內(nèi)，y向?qū)⒓袅?cè)作為張拉端，采用兩端張拉，部分張拉端設(shè)在暗梁邊。在暗梁邊張拉時，應(yīng)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(yù)應(yīng)力分段張拉端平面布置

圖5 固定端

圖6 預(yù)應(yīng)力筋扁形錨具張拉端

圖7 預(yù)應(yīng)力筋張拉

2.2.4合理設(shè)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(shè)有2道水平后澆帶，將原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(2015年版)第8.1.1條中框架現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距≤55m(冷庫設(shè)計標準為50m)的規(guī)定。

而側(cè)向約束(剪力墻)對張拉端混凝土預(yù)壓應(yīng)力有明顯影響，可通過在剪力墻上設(shè)置豎向后澆帶，在保證剪力墻結(jié)構(gòu)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(jié)束后能快速實現(xiàn)澆筑，與設(shè)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(shè)置如圖8所示。

圖8 水平豎向后澆帶設(shè)置

按上述方法設(shè)置后澆帶后采用有限元分析，在板的四周按實際設(shè)置剪力墻，根據(jù)DBJ51/T 031—2014《預(yù)應(yīng)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′可取為10～15℃，取15℃驗算校核，主拉應(yīng)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(yīng)力如圖9所示，在樓板上設(shè)置2道后澆帶的前提下再設(shè)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(shè)置應(yīng)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(yù)應(yīng)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(shè)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(yù)應(yīng)力整體張拉達到設(shè)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(chǎn)生的裂縫是該類結(jié)構(gòu)的質(zhì)量通病，當混凝土強度達到設(shè)計強度的75%時，張拉1束預(yù)應(yīng)力筋中的2根鋼絞線的做法，可對混凝土早期收縮裂縫產(chǎn)生抑制作用；預(yù)應(yīng)力施工中，通常是當混凝土強度至少達到100%設(shè)計強度方可張拉預(yù)應(yīng)力筋。但是，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中第10.1.4條和GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)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(yù)應(yīng)力張拉可行。

2.4 低溫狀態(tài)預(yù)應(yīng)力損失測試

對預(yù)應(yīng)力筋在低溫作用下的應(yīng)力損失研究，也是本技術(shù)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(shè)，監(jiān)測預(yù)應(yīng)力變化情況，對建筑進行數(shù)據(jù)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(yù)應(yīng)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(shù)據(jù)經(jīng)分析揭示了超低溫工況鋼絞線預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律，分析了降溫過程及低溫穩(wěn)態(tài)情況下預(yù)應(yīng)力損失及有效應(yīng)力指標，摸清了相關(guān)階段預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力損失特征，解決了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系在低溫冷庫應(yīng)用中的參數(shù)缺失問題。

2.5 大型預(yù)應(yīng)力冷庫保溫與隔汽控制

冷庫保溫一般采用外墻內(nèi)保溫模式，本工程采用外墻外保溫(無空腔復(fù)合保溫)，與內(nèi)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(nèi)運用較少；與普通建筑的外保溫相比，因內(nèi)外大溫差增加了隔汽層以防止結(jié)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(jié)能。很少采用外保溫的原因是其關(guān)鍵技術(shù)——隔汽層的性能，耐久性不能得到保證，對外保溫的隔汽層設(shè)計及性能尚無相關(guān)案例數(shù)據(jù)可借鑒。

2.5.1采用柔性隔汽外保溫技術(shù)

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(shù)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(jié)果的對比，對冷庫外保溫隔汽層的設(shè)計提出合理的解決方案，外墻外保溫構(gòu)造做法如圖11所示。

圖11 外墻外保溫構(gòu)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(tǒng)變形時，外隔汽層始終保持與外保溫系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)象，從根本上解決了冷庫圍護結(jié)構(gòu)受潮凍害的難題。上述技術(shù)降低了冷庫的能耗，節(jié)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(xù)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(xù)、高附著的防潮隔汽膜層，避免了預(yù)應(yīng)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(jié)露現(xiàn)象，減小了溫差造成的預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失，控制了樓板預(yù)應(yīng)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(xù)性的問題，在已完成外圍護結(jié)構(gòu)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(xù)隔汽保溫層，控制錨系梁柱與框架相交節(jié)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(tǒng)的耐候性(見圖16)。

圖16 錨系梁處隔汽層節(jié)點大樣

2.5.3構(gòu)建冷庫超長空間，隔汽層、保溫層連續(xù)不間斷

采用100m以上超長冷庫不設(shè)伸縮縫的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，突破現(xiàn)有國家規(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”的相關(guān)規(guī)定，避免因冷庫設(shè)伸縮縫造成的保溫層、隔汽層不連續(xù)而導(dǎo)致的冷庫圍護結(jié)構(gòu)熱性能下降。

3 結(jié)語

現(xiàn)代超大型高層冷庫建造成套技術(shù)創(chuàng)新解決了國內(nèi)首座現(xiàn)代超大型冷庫大跨度全封閉剪力墻對預(yù)應(yīng)力樓板約束影響，創(chuàng)新采取設(shè)計、施工措施，設(shè)置剪力墻豎向后澆帶，消除了在預(yù)應(yīng)力張拉時剪力墻對樓板所產(chǎn)生的約束影響，形成了大跨度預(yù)應(yīng)力冷庫結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工成套關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用冷庫結(jié)構(gòu)外保溫設(shè)計，首創(chuàng)高效的隔汽層關(guān)鍵技術(shù)，形成了超大型冷庫外墻外保溫體系成套設(shè)計、施工技術(shù)；在現(xiàn)代超大型冷庫結(jié)構(gòu)施工中創(chuàng)新應(yīng)用結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測技術(shù)。