林 波

(福州市建筑设计院有限责任公司 福建福州 350011)

0 引言

随着社会经济的不断进步，人民对美好生活水平的向往，食品、医疗、化工等行业对冷藏链物流的需求越来越大。冷库作为冷藏链物流中关键一环，社会对其需求也越来越大。作为具有特殊使用功能的仓储类建筑，冷库室内温度常年保持-40℃～0℃之间，夏季时室外温度可达30℃，是典型的内冷外热形建筑。此外，因为生产工艺或储存形式的要求，导致冷库常常出现结构纵向尺寸超长的情况。冷库的内冷外热的特性和超长情况的出现，导致温度作用对冷库结构影响特别明显。本文以一个超长多层框架结构冷库为例，梳理探讨冷库设计的主要设计过程，并着重分析温度作用对主体结构影响，以及采取相应的应对措施。

1 冷库结构特点

冷库属于一种特殊的仓储类建筑。它通过采用相应的制冷工艺，使得建筑室内常年保持一个恒定的低温环境，并用于对食品、医疗、化工等用品进行储存。区别于一般仓储类建筑，冷库具有如下特点：

(1)冷库结构楼面荷载大。根据相关规范的规定，存放冻结物体的房间活荷载为20 kN/m2。对于储存冻分割肉等密度大的货物时，楼面荷载比规范规定的20 kN/m2更大。

(2)冷库结构具有内冷外热的特性[1]。冷库结构在降低到相应温度后，由于对应材料的热胀冷缩的特点，会使结构在垂直和水平方向都产生相应的收缩变形。冷库结构室内外悬殊的温差，使冷库结构在温度作用下，收缩变形以及温度应力也更加明显。

(3)冷库结构对材料有特殊要求。冷库室内长期处于低温环境及冻融循环的影响，使混凝土、砖墙等材料需要具有一定的抗冻性和抗渗性。

(4)冷库冷桥问题突出。冷库是通过人工降温方式保持恒定低温，故对建筑绝热有较高的要求。如果相应措施采用不当，将导致冷库建筑冷桥效应明显[2]，使得冷库能耗变大，从而产生较大的经济浪费。

2 工程概况

该工程位于福建省福州市长乐区，是新冠疫情发生之后福州市建设的应急仓储基地。该工程无地下室，为地上4层的多层框架结构冷库。冷库每层高度分别为5.7 m、5.7 m、6 m、4.25 m，总建筑高度为22.95 m。冷库建筑由于平面尺寸超长，结合建筑功能布局，在建筑左侧和上测共设置两道温度伸缩缝，将结构分成3个部分，分别为冷藏间、穿堂、办公区。其中冷藏间部分结构典型柱网为8.0 m×7.2 m。

该工程设计使用年限为50年，结构安全等级二级，设防分类为标准设防类，抗震设防烈度为7度(0.10g)；设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类，风荷载为0.80 kN/m2，地面粗糙度为B类。根据工艺要求，一至三层冷藏间活荷载为30 kN/m2，储藏温度-25℃～-18℃，主要为冻猪肉等物资，采用3层架(约1.5 m/层架)；四层冷藏间活荷载15 kN/m2，储藏温度-1℃，主要为蔬果类等物质。建筑平面布置图如图1所示，建筑剖面图如图2所示。

图1 建筑平面布置图

图2 建筑剖面图

3 结构整体设计分析

3.1 温度伸缩缝

即使根据建筑使用功能设置温度伸缩缝之后，该工程冷藏间的结构尺寸仍有48.9 m×65.7 m。《冷库设计规范》[3]第5.1.3条规定：对于钢筋混凝土结构，冷藏间伸缩缝最大间距不宜大于50 m。该工程结构纵向尺寸65.7 m超过规范规定的不设置伸缩缝最大间距，会产生比较大的温度应力。但是如果结构设置温度伸缩缝，会产生如下问题：

(1)对冷库实际使用经济性产生影响。设置温度伸缩缝，就需要在伸缩缝两侧设置两道砌体墙和两道建筑保温层。故每层冷库将减少至少1 m宽的使用空间(缝宽150 mm+两道砌体墙240 mm×2+两道建筑保温200 mm×2=1030 mm)。此外，建筑保温层面积增加，也会导致后期维护成本变高[4]。

(2)冷库节点构造变复杂，节点可靠性降低。冷库因温度伸缩缝设置双墙后，建筑保温层和防潮层面积相应增加很多。将导致冷库保温防潮节点变复杂，冷桥效应更加严重，节点可靠性降低。

通过对两种方案的比选，以及后期使用等一系列问题考虑，该工程在冷藏间内不再设置温度伸缩缝，而是通过进行温度应力计算和采用其它措施来减少温度作用产生的影响。

3.2 结构选型

对于多层冷库，结构形式一般采用板柱剪力墙结构或框架结构。

(1)板柱剪力墙结构。板柱剪力墙结构虽可减少建筑层高和方便设备管道的铺设，但对于冷库这种楼面荷载大的仓储类建筑，会导致柱顶柱帽尺寸较大。此外，板柱剪力墙结构抗震性能相比框架结构较差，比较容易发生柱帽节点脆性破坏[5]。再者，对于板柱剪力墙结构，剪力墙的布置会对后期建筑使用带来一定的影响。且对于超长结构，不宜布置过多纵向剪力墙在结构端部。

(2)框架结构。对于该工程这种超长的情况，在端部布置剪力墙会使结构温度应力增加。此外，该工程框架结构在温度作用下，受力较板柱剪力墙结构更为清晰。再者，该工程楼层梁尽量采用“宽扁”梁，梁断面为700×600(二、三层)和600×600(四层)，板厚为300mm，在板底设置保温层和铺设设备管道方面影响不大。

该工程通过方案对比，最后采用框架结构，结构平面布置图如图3所示。

图3 结构平面布置图

3.3 结构设计分析

该工程结构计算软件采用北京盈建科软件有限责任公司编制的YJK Structure系列软件。该工程属于海风环境，根据《混凝土结构设计规范》[6]第3.5.2条和第3.5.3条，该工程环境类别为三a类，梁板混凝土强度采用C35，柱混凝土强度根据实际需要采用C35至C45。冷库本质上为仓储建筑的一种，根据《建筑结构荷载规范》[7]第5.1.1条，在盈建科模型中组合值系数取0.9，频遇值系数取0.9，准永久值系数取0.8。此外，结构模型考虑偶然偏心、双向地震以及温度荷载作用，该工程主要计算结果如表1所示。

表1 结构主要计算结果

从结构计算结果可以看出，该工程结构上下层刚度均匀未出现突变产生的软弱层，结构X向和Y向动力特性相近，结构整体刚度适中，扭转合理。通过合理布置结构，使该工程取得良好的抗震性能。

4 温度作用分析

冷库建筑主要的特点为内冷外热。悬殊的室内外温差，将产生较大的温度应力。尤其当结构长度超过《冷库设计规范》规定的50 m时，主体结构因为温度作用导致的附加应力不可忽略。此时，需要对温度应力进行计算，并采取相应构造措施。

4.1 温度荷载计算

该工程位于福州市，根据《建筑结构荷载规范》[7]续表E.3，福州市基本最低气温为3℃，基本最高气温为37℃。参考中国气象数据共享服务网提供的数据，福州市年平均气温约为20℃，根据后浇带封闭情况取T0,min=15℃，T0,max=25℃。根据室外温度并结合室内冷库使用功能，取：一至四层Ts,min=min(-25，3)=-25℃，屋面层Ts,min=min(-1，3)=-1℃，全楼Ts,max=37℃。根据《建筑结构荷载规范》[7]第9.3.1条，计算可得：

一至四层：

最大升温△Tk=Ts,max-T0,min=37-15=22℃

最大降温△Tk=Ts,min-T0,max=-25-25℃=-50℃

屋面层：

最大升温△Tk=Ts,max-T0,min=37-15=22℃

最大降温△Tk=Ts,min-T0,max=-1-25℃=-26℃

故该工程温度荷载取值为：一至四层升温22℃，降温-50℃；屋面层升温22℃，降温-26℃。

4.2 温度计算参数

该工程为了考虑温度应力，对冷库结构所有层楼板设为弹性板6，真实考虑楼板面内面外刚度。此外，温度应力来源于温度变形受到约束，根据相关专家的研究[8]可知，在温度应力计算中，需合理考虑混凝土徐变所带来的有利影响。在该工程中，考虑混凝土收缩徐变影响系数0.3，刚度退化系数0.85，故综合考虑混凝土收缩徐变的折减系数为0.255。此外，根据《建筑结构荷载规范》[7]第9.1.3条，温度作用的组合值系数取0.6，频遇值系数取0.5，准永久值系数取0.4。

4.3 温度应力及设计结果

鉴于该工程为冷库建筑，低温导致的负温差是正温差的两倍。因此，该工程负温差起控制作用，故下文仅对负温差作用情况进行详细梳理分析。

在对应降温工况下，结构纵向整体位移如图4所示。多层框架冷库二层楼板在-50℃降温工况作用下，纵向和横向的应力图如图5～图6所示。结构纵向倒二跨框架柱在正常设计和温度荷载作用情况下，配筋对比结果如表2～表3所示。

图4 结构纵向降温工况位移图

图5 二层纵向降温工况应力图

图6 二层横向降温工况应力图

表2 结构柱配筋对比结果(横向) %

表3 结构柱配筋对比结果(纵向) %

通过X向、Y向的楼板应力图反应结果，并结合整体结构位移图和温度荷载作用下柱配筋对比可知：

(1)因为正负零结构的相对嵌固作用，导致第一层竖向构件在降温工况作用下，位移最大。第二层和第三层降温相同，导致结构在中部相对位移变化不大。第三层和第四层从低温库变成高温库，也产生了相对位移，但是相对位移小于首层的相对位移。

(2)在温度作用下，结构中部楼板应力分布较均匀。但在结构四周，楼板温度应力变化较结构中部楼板大，尤其在结构纵向楼板两端区域。

(3)在温度作用下，框架柱附近楼板应力有局部增大现象。

(4)梁构件在温度应力作用下产生拉压应力，导致梁构件基本变为偏拉构件，且梁顶跨中均产生配筋。

(5)在温度作用下，竖向构件配筋在地上一层显著增大，而后随着层数递增相应变小。至于顶层柱，虽然结构相对位移比中间层略大，但因屋面荷载不大，导致顶层竖向构件配筋不大。

4.4 顶层与底层楼板抗温度措施

根据《冷库设计规范》[3]第5.1.4～5.1.7条条文说明，温度应力在冷库建筑当中是长期存在的。经过调查和观测，在冷藏间外墙4个角部常常发生裂缝。为了减少相应温度应力，可将屋面板适当分块，并在底层采用预制梁板架空层等措施。

鉴于该工程位于机场附近，规划有24 m限高的要求，故建筑最后一层不再设置阁楼层。同时，该工程把高温库置于顶层，形成一个类似阁楼层的过渡区。此外，冷库在屋面板上，通过建筑上设置砖垛加预制板这种建筑通风隔热做法，减少了屋面的温度作用。

对于一层楼板，该工程采用预制板架空地面做法。该工程建筑室内外高差为1.3 m，考虑首层地面建筑保温做法后，一层梁底与室外地面处留有300 mm左右的净通风隔热高度。此外，一层地面采用预制混凝土板(图7)，通过预制楼板对温度的释放作用，也大大减少了一层楼板的温度作用。

图7 结构一层预制楼板做法

4.5 其它抗温度措施

虽现有结构软件可对温度作用进行有效计算分析，但远不能达到设计要求。对此，在设计时更应把握温度作用的相关规律，并加强相应的概念设计。对于冷库为保证结构主体在温度作用下的安全和使用，在结构计算之外，还需采取如下措施：

(1)水泥需采用普通硅酸盐水泥或采用矿渣硅酸盐水泥。对于砖砌体，冷藏间砖砌体需采用MU10及以上的烧结普通砖和M7.5及以上的水泥砂浆。

(2)冷藏间砌体墙需设置隔水层、隔气层以及保温隔热层。此外，在不同温度的冷藏间之间及顶层、底层室内外楼板交界处，也需要设置隔水层、隔气层以及保温隔热层。

(3)根据已有工程经验，在冷藏间外墙四角最容易发生裂缝。故对于建筑四角砌体墙需采用特殊的抗裂措施[9]。冷库建筑四角围护墙具体加强做法为墙体拉结筋应全长布置，冷库四角围护填充墙开间内增设一根构造柱，层间需增设圈梁且墙体外需铺设钢丝网，具体做法如图8所示。

图8 冷库四角填充墙抗裂措施示意图

(4)为减少外挂框架结构与冷库库体框架结构的冷桥效应，同时为保证冷库外挂框架结构的稳定，故在冷库内外框架相应节点上，需设置锚系梁，如图9所示。

图9 冷库内外框架结点拉结构造

(5)为保证楼板在温度作用下的可靠性，冷藏间的钢筋混凝土楼板，每个方向全截面最小温度配筋率应大于等于0.3%。该工程楼板配筋在双层双向配筋满足0.3%的最小配筋率要求下，采用楼板计算配筋加温度应力附加筋形式进行配置。

(6)主体结构框架梁柱配筋，采用考虑温度作用和不考虑温度作用两个模型计算出的配筋结果，进行包络设计。

5 结论

冷库的内冷外热的特性，使其区别于一般仓储类建筑。本文通过对一多层框架结构冷库设计进行详细分析，分析其主要设计过程，特别探讨在温度作用下的冷库所采取的计算分析以及相应的设计难点。

(1)冷库室内常年处于低温状态导致温度对冷库影响很大。结构在进行设计时，应把握温度作用的相关规律，并充分考虑温度作用产生的影响。

(2)冷库设计时需注意水泥、砖墙材料的选择，以及冷藏间建筑相应部位隔水、隔气和保温隔热做法。此外，应注意在冷库建筑四角填充墙采取相应的抗裂措施。

(3)冷库结构设计时，需根据实际情况设置相应的温度缝，选择适合的结构体系。

(4)对于冷库，一层楼面可以采用架空预制楼板做法，屋面层可以采用砖垛加预制板的建筑隔热通风做法，减少温度作用的影响。

(5)冷桥效应是冷库不可避免的问题。在冷库库体框架结构与外挂框架结构之间的锚系梁，需采用特殊节点做法，以减少冷桥效应的不利影响。