大跨度预应力平板在土建冷库中的应用.pdf

36第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology大跨度预应力平板在土建冷库中的应用周 勇 于连奎 崔 芳 李东海(华商国际工程有限公司 北京 100069)摘 要 本文以三层土建冷库为例，通过三种楼盖形式的比选，阐述了大跨度预应力平板可实现超长结构不设缝，提高冷库库容。通过SAFE软件对大跨度预应力平板进行计算分析，总结大跨度预应力平板在土建冷库应用时的设计要点。关键词 冷库；预应力；无梁楼板Application of Large-span Prestressed Flat Slab in Civil Cold StorageZhou Yong Yu Liankui Cui Fang Li Donghai(Huashang International Engineering Co.Ltd.,Beijing,100069,China)Abstract This paper takes the three-story civil cold storage as an example,through the comparison and selection of three floor forms,expounds that the long-span prestressed flat slab can realize the super-long structure without joint and improve the storage capacity of cold storage.This paper calculates and analyzes the long-span prestressed flat slab by SAFE software,and summarizes the design points of the application of long-span prestressed flat slab in civil cold storage.Keywords cold store;prestress;flat slab通讯作者：周勇，男，硕士，一级注册结构工程师，高级工程师，主要从事冷链物流及食品加工行业结构设计工作。一直以来，多高层土建冷库以无梁楼板结构为主，之所以采用无梁楼盖建筑，是因为它较有梁楼盖具有很多优点。首先，无梁楼盖由于没有纵横交错的肋梁，使得施工支模简单、楼面钢筋绑扎方便，施工变得简便，大大降低了施工难度和提高了施工速度。在同样净高的要求下，可以减少建筑物的层高，从而降低建筑物的总高度；其次，由于板底平整，使得板底的管道安装变得简单，板底保温层的施工变得方便。冷库内的制冷风机可以直接安装至楼底标高位置，更利于快速和均匀地制冷，保障库内温度均匀。因此,多高层土建冷库采用无梁楼板结构具有明显的经济效益和社会效益。传统的无梁楼板结构柱网尺寸一般在69 m。近些年随着冷链物流行业高速发展，为提高冷库库容以及库内机械化操作更加便捷高效，冷库库内空间要求更大、少柱。土建冷库的柱网由原来的69 m增大到12 m，这些都对结构工程师提出了新的任务及挑战。为了适应行业发展，大跨度预应力平板技术应运而生。预应力技术是一项高效的结构技术手段，可充分挖掘结构的潜力以减小建筑实体尺寸占用，降低结构高度、增大使用空间，提升建筑的利用效率。预应力技术适用于大跨、重载及超长结构。本文以青岛某一多层土建冷库工程为例，通过有梁楼盖及无梁楼盖的比选总结大跨度预应力平板结构的经济性以及其设计要点。1 工程概况青岛某冷库项目位于青岛市黄岛区，冷藏间为地上3层，建筑总高度为23.78 m，柱距为12 m12 m，每层层高为7.2 m，冷藏间结构平面尺寸为84 m60 m。本项目抗震设防烈度为7度（0.10 g），设计地震分组为第三组，场地类别为I1类，特征周期Tg=0.35 s，建筑抗震设防类别为丙类。基本风压0.6 kN/m2，地面粗糙度类别为A类。冷藏间堆货形式为三层巧固架，活荷载取值为25 kN/m2。2 结构体系设计2.1 结构体系方案冷藏间拟采用三种楼盖形式进行比选。方案一：钢筋混凝土框架结构，普通井字梁楼盖，双向板板跨为3 m3 m，具体结构体系如图1所doi:10.20094/j.issn.1674-0548.2023.02.03637第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology示，柱截面尺寸为1 000 mm1 000 mm，一、二层顶双向主梁截面尺寸为800 mm1 000 mm，次梁截面尺寸为400 mm800 mm，板厚为150 mm；屋顶采用单向布置次梁，单向板板跨为3 m，屋顶横向主梁截面尺寸为600 mm800 mm，纵向主梁及次梁截面尺寸为300 mm700 mm，板厚为120 mm。图 1 普通井字梁楼盖（方案一）Fig.1 Common well-beam floor(Scheme 1)方案二：钢筋混凝土框架结构，单向布置次梁，单向板板跨为3 m，具体结构体系如图2所示。柱截面尺寸为1 000 mm1 000 mm，一、二层顶横向主梁截面尺寸为900 mm1 200 mm，纵向主梁及次梁截面尺寸为400 mm1 000 mm，板厚为150 mm；屋顶横向主梁截面尺寸为600 mm800 mm，纵向主梁及次梁截面尺寸为300 mm700 mm，板厚为120 mm。图 2 单向混凝土次梁楼盖（方案二）Fig.2 One-way concrete sub-beam floor(Scheme 2)方案三：板柱-抗震墙结构，采用预应力平板，具体结构体系如图3所示，柱截面尺寸为1 000 mm1 000 mm，抗震墙厚度为400 mm，一、二层顶板厚度为360 mm，柱帽尺寸5.0 m5.0 m；屋顶板厚为260 mm，柱帽尺寸为4.0 m4.0 m。图 3 预应力平板（方案三）Fig.3 Prestressed slab(Scheme 3)2.2 结构方案经济性对比本工程冷藏间总建筑面积为15 120 m2，经过计算分析，三种结构方案混凝土及钢筋用量指标见表1。38第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology表 1 三种结构方案上部结构混凝土及钢筋用量指标Tab.1 Three structural schemes superstructure concrete and reinforcement consumption index方案每平方米混凝土折算厚度（cm/m2）每平方米普通钢筋用量（kg/m2）每平米预应力钢筋用量（kg/m2）方案一方案二方案三403742776948-11混凝土单价为650 元/m3，普通钢筋单价为5 500 元/t，钢绞线单价为15 000 元/t，总建筑面积为15 120 m2，土建成本比较见表2。表 2 三种结构方案上部结构土建成本对比(单位：元/m2)Tab.2 Comparison of Superstructure civil construction costs of the three structural schemes(unit:yuan/m2)方案混凝土普通钢筋预应力钢筋模板土建成本方案一方案二方案三260240.5273423.5379.5264-16599.58962783709764从表2可知，上部结构土建成本方案三最高，方案一次之，方案二最低。三种结构方案对冷藏间的公称容积比较见表3。表 3 三种结构方案冷藏间公称容积对比Tab.3 Comparison of the nominal volume of the cold storage room of the three structural schemes方案建筑面积（m2）层高（m）净高（m）公称容积（m）方案一方案二方案三15 12015 12015 1207.27.27.26.26.06.8293 74490 720103 118从表3可知，冷藏间的公称容积方案三最大，方案一次之，方案二最小。综合表2及表3，方案三的土建成本较方案二提高7.8%，但方案三较方案二的冷藏间容积增大13.7%。3 大跨度预应力平板设计要点（1）冷库建筑从施工开始至设备安装完毕，结构均处在常温状态。冷库开始降温到最后投产，冷库内结构经受了由常温到低温的温度变化过程，并最终处于低温环境中。因此，冷库结构设计时，需考虑温度变化作用产生的变形及内应力影响，并应采取相应措施减少温度变化作用对结构引起的不利影响1。经SAFE2016有限元软件分析计算,本项目在降温过程中楼板会形成1.42 MPa的拉应力,详见图4。而预应力张拉后的平均压应力达2.0 MPa左右，完全可以抵消降温产生的拉应力。图 4 降温后楼板应力Fig.4 Floor stress after cooling（2）在垂直荷载作用下板柱结构的平板内力一般采用经验系数法计算2，但在经验系数法中，弯矩分配值是从普通钢筋混凝土平板的实验得来的，其考虑了板开裂后的截面转动和弯矩重分布的效果，故经验系数法不适用于预应力混凝土平板。因此在计算预应力混凝土平板内力时要采用等代框架法或有限元法3。本项目采用SAFE2016有限元软件分析计算。（3）在计算板柱节点抗冲切承载力时须考虑由于活荷载的不利布置而引起的不平衡弯矩作用。本项目通过SAFE软件分析未考虑活荷载不利布置时计算X、Y向不平衡弯矩分别为571 kN.m、515 kN.m。考虑活荷载不利布置时计算X、Y向不平衡弯矩分别为1 735 kN.m、1 418 kN.m，不平衡弯矩增幅达3倍，不平衡弯矩产生的剪应力为671 kN。因此，板柱节点应进行冲切承载力的抗震验算，应计入不平衡弯矩引起的冲切，节点处地震作用组合的不平衡弯矩引起的冲切反力设计值应乘以增大系数，一、二、三级板柱的增大系数可分别取1.7、1.5、1.34。（4）由于冷库楼面活荷载较大，设计时要考虑预应力张拉后是否有返拱，本项目通过SAFE软件分析计算，预应力张拉后最大返拱值仅为0.77 mm，详见图5。39第46卷第2期2023年6月Vol.46,No.2June.2023冷 藏 技 术Journal of Refrigeration Technology图 5 预应力张拉后变形图Fig.5 Deformation diagram of prestress after tensioning（5）预应力线型的选取要充分考虑大跨度无梁楼板的受力特点。为了充分发挥预应力的作用，采用水平直线段加四段抛物线的线型5，详见图6。水平段的选取直接影响结构的承载力及裂缝，因此水平段长度（L1）要控制在柱帽宽度的4/5左右。在裂缝控制过程中采用名义拉应力限值法计算6。图 6 预应力曲线线型Fig.6 Prestress curve4 结束语本文通过大跨度预应力平板在土建冷库实际应用分析得出以下结论：（1）大跨度预应力平板土建冷库的上部结构土建成本较高，但其库容能大大增加。并且在投产运营时，由于无梁格影响，冷风机送风均匀，对储存货物品质有保证。因此，多高层土建冷库采用大跨度预应力平板结构具有较高的推广价值。（2）计算预应力混凝土平板内力时要采用等代框架法或有限元法；计算板柱节点抗冲切承载力时须考虑由于活荷载的不利布置而引起的不平衡弯矩作用。参考文献1 华商国际工程有限公司.冷库设计标准:GB 50072-2021 S.北京:中国计划出版社,2021.2 住房和城乡建设部工程质量安全监管司.全国民用建筑工程设计技术措施（2009年版）（混凝土结构）.北京:中国计划出版社,2012.3 中国建筑科学研究院有限公司.混凝土升板结构技术标准:GB/T 50130-2018S.北京:中国建筑工业出版社,2018.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（2016年版）:GB 50011-2010S.北京:中国建筑工业出版社,2016.5 同济大学.预应力混凝土结构设计规范:JGJ 369-2016S.北京:中国建筑工业出版社,2016.6 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范（2015年版）:GB 50010-2010S.北京:中国建筑工业出版社,2015.2 刘宇轩,陆婷婷,王鲁平,等.可变风道自然冷源-压缩机机房空调的试验研究及节能评价J.流体机械.2022,50(3):1-5,18.3 冀翠莲,刘晓鹏,甘信广,等.地下空间冷源在电梯机房新型节能系统的研究与应用J.工程建设与设计,2022(5):44-46.4 牛建会,步秋军.空气源热泵自然冷源过冷制热性能实验研究J.制冷学报.2021,42(6):45-50.5 孟俣,刘斌,陈爱强,等.自然冷源在家用冰箱系统应用及性能分析J.低温与超导,2020,48(4):85-89,99.6 刘斌,尹从绪,石胜强,等.自然冷源在冷库中的应用可行性分析J.冷藏技术,2020,43(3):1-9.7 郑佳,张蕊,于晋泽,等.自然冷源与机械制冷相结合的冷库改造研究J.冷藏技术,2020,43(3):36-41.8 张蕊.自然冷源和机械制冷双向切换节能型制冷装置的研究D.天津:天津商业大学,2020.9 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