劉闖，楊凱

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 概況與背景

模擬高海拔試驗(yàn)倉(cāng)從試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)來(lái)看，外圍殼體是高原環(huán)境模擬試驗(yàn)室與普通試驗(yàn)室的最大區(qū)別，此系統(tǒng)需承受不同海拔帶來(lái)的壓力差以保證設(shè)備的正常運(yùn)行，故對(duì)其材料要求較高[1，2]。傳統(tǒng)的高海拔試驗(yàn)倉(cāng)的解決方案是鋼結(jié)構(gòu)倉(cāng)體。但近年來(lái)，隨著該類試驗(yàn)室的試驗(yàn)項(xiàng)目的普及，各大試驗(yàn)廠商也提出了用混凝土倉(cāng)代替鋼倉(cāng)的解決方案，并在歐洲有了比較成功的案例。相比于鋼倉(cāng)，混凝土倉(cāng)大大縮減了開(kāi)支，并能有效解決鋼倉(cāng)拼裝場(chǎng)地受限、吊裝困難等一系列問(wèn)題。

近年來(lái)，我國(guó)汽車企業(yè)也開(kāi)始了在這方面的嘗試，并取得了不錯(cuò)的效果。本文以中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司在2019 年完成的亞洲首例高海拔混凝土試驗(yàn)倉(cāng)設(shè)計(jì)為例，剖析混凝土試驗(yàn)倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

該高海拔混凝土試驗(yàn)倉(cāng)建設(shè)在中汽研汽車工業(yè)工程天津有限公司2018 年承接的寧波吉利汽車研究開(kāi)發(fā)有限公司試制二期動(dòng)力新能源試驗(yàn)室項(xiàng)目中。該試驗(yàn)室建于浙江省慈溪市，為3 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高海拔混凝土試驗(yàn)倉(cāng)位于該子項(xiàng)試驗(yàn)區(qū)的首層，建筑首層層高7.7 m。業(yè)主需求該倉(cāng)具備模擬5 000 m 海拔，-40～60 ℃環(huán)境的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2 方案對(duì)比

在論證的過(guò)程中，常規(guī)的鋼倉(cāng)方案遇到了比較大的困難。因?yàn)轭A(yù)制鋼倉(cāng)為了保證密封效果，必須要在運(yùn)輸允許的條件下盡可能采用工廠預(yù)制，減小現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作，這就需要施工現(xiàn)場(chǎng)提供面積近2 000m2的安裝場(chǎng)地，場(chǎng)地的使用周期在半年左右，且要在土建基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)之間?，F(xiàn)場(chǎng)唯一可行的拼裝場(chǎng)地恰好是主要的施工通道。故鋼倉(cāng)的安裝條件是業(yè)主不具備的。

用混凝土倉(cāng)替代鋼倉(cāng)在歐洲國(guó)家已經(jīng)有了成功的先例，可以與試驗(yàn)室的土建施工同步進(jìn)行，沒(méi)有場(chǎng)地需求。難點(diǎn)在于在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有成功先例可供參考。

鋼倉(cāng)與混凝土倉(cāng)的優(yōu)劣對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 鋼倉(cāng)與混凝土倉(cāng)的優(yōu)劣對(duì)比

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料

項(xiàng)目條件概述：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6 度（0.05 g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組。倉(cāng)體位置預(yù)留地坑，底板頂面標(biāo)高-1.800 m，地坑采用樁筏基礎(chǔ)。試驗(yàn)倉(cāng)殼體采用鋼筋混凝土頂、底板、墻體圍合而成。底板頂標(biāo)高-0.627 m，頂板底標(biāo)高5.300 m（±0.000 同動(dòng)力新能源中心地面標(biāo)高）。試驗(yàn)倉(cāng)倉(cāng)體凈尺寸（長(zhǎng)×寬）為13.450 m×8.400 m，倉(cāng)壁厚度700 mm，頂板厚度800 mm。側(cè)壁與建筑墻體之間留置≥100 mm 寬的變形縫。

4 試驗(yàn)工況及設(shè)計(jì)難點(diǎn)簡(jiǎn)介

1）倉(cāng)體需保壓，承受57 kN/m2流體壓力荷載，并在該壓力狀態(tài)下，保證其氣密性并能控制倉(cāng)體變形。故工藝方出于保壓效果的考慮，將混凝土倉(cāng)的建議截面尺寸設(shè)置得較大。倉(cāng)體側(cè)壁厚度按700 mm 設(shè)計(jì)，頂板厚度按800 mm 設(shè)計(jì)，底板厚度約1 000 mm。

2）倉(cāng)內(nèi)會(huì)進(jìn)行高低溫模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度跨度較大，混凝土內(nèi)部溫度要在12～20 ℃之間變化。內(nèi)外溫差形成溫度梯度，對(duì)混凝土的耐久性提出了很高的要求。

3）施工難度大。試驗(yàn)室會(huì)布置必要的管路和線路，需在外圍殼體相應(yīng)位置預(yù)留開(kāi)孔及門洞，并在試壓前進(jìn)行密封處理。所有門洞、預(yù)留洞均需1 次成型，不能后鑿。該工藝開(kāi)洞較多。

4）試驗(yàn)層需與設(shè)備層協(xié)調(diào)布置，所有的倉(cāng)頂預(yù)留孔需要確保與設(shè)備層的梁不干涉，并且盡可能考慮檢修空間，對(duì)建筑樓層的結(jié)構(gòu)次梁布置有較大的限制。

5）全亞洲首例，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例可參考。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

荷載統(tǒng)計(jì)情況如下：

1）恒載：倉(cāng)體自重。

2）活荷載：倉(cāng)頂板10 kN/m2的設(shè)備載荷（由工藝供應(yīng)商資料等效而來(lái)）。

3）流體壓力荷載：57 kN/m2向倉(cāng)體內(nèi)部方向。

4）溫度作用：在試驗(yàn)過(guò)程中，倉(cāng)內(nèi)的溫度變化范圍為-40～60 ℃，因倉(cāng)體內(nèi)設(shè)有保溫材料，倉(cāng)體混凝土在試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化為-12～20 ℃。綜合混凝土澆筑時(shí)間及日常室內(nèi)狀況，倉(cāng)體混凝土初始平均溫度取25 ℃。各個(gè)區(qū)域工況具體詳見(jiàn)圖1。

圖1 海拔倉(cāng)各區(qū)域試驗(yàn)工況簡(jiǎn)圖

5）風(fēng)、雪荷載：建筑內(nèi)部不受風(fēng)雪荷載影響，故不考慮。

6）地震作用：因抗震設(shè)防烈度為6 度，該倉(cāng)為單層且采用剪力墻結(jié)構(gòu)，地震作用不起控制作用，故不考慮。

7）施工荷載：與流體荷載不同時(shí)組合且不起控制作用，故不考慮。

高海拔混凝土試驗(yàn)倉(cāng)對(duì)溫度作用較為敏感，需要考慮溫度梯度作用，屋面設(shè)備荷載為多點(diǎn)荷載，邊界條件特殊。綜合來(lái)看，采用常規(guī)的簡(jiǎn)化方法難以準(zhǔn)確分析該倉(cāng)的受力情況，本項(xiàng)目采用MIDAS GEN 軟件進(jìn)行高海拔混凝土試驗(yàn)倉(cāng)的有限元分析。主要步驟如下：

1）采用板單元建模，對(duì)板單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分尺寸為0.5 m。

2）在底板四角添加水平方向的約束。底板采用將面彈性支承轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)支承來(lái)考慮混凝土地坑對(duì)底板的支承作用。

3）添加靜力荷載工況：自重、流體壓力荷載、設(shè)備活荷載、整體溫度作用、溫度梯度作用。

4）分別將各種工況下的荷載布置到模型上。

5）運(yùn)行分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果添加荷載組合。

6）計(jì)算各種荷載組合的內(nèi)力、變形、應(yīng)力。

7）求得內(nèi)力后，按規(guī)范要求進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，并驗(yàn)算裂縫等。

通過(guò)分析得出，頂板最大設(shè)計(jì)彎矩1 077 kN·m，按此結(jié)果配筋量巨大。設(shè)計(jì)結(jié)果偏大，且超出預(yù)期2～3 倍。

6 根據(jù)分析對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整

通過(guò)對(duì)比各個(gè)單工況下頂板的受力情況，發(fā)現(xiàn)自重荷載、流體荷載及溫度梯度荷載單工況作用下的最大彎矩分別為95 kN·m、256 kN·m、750 kN·m，溫度荷載起到了非常大的控制作用。在調(diào)整模型的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，減薄板厚會(huì)減小相應(yīng)的彎矩。同時(shí)頂板厚度減小會(huì)降低自重也會(huì)減小彎矩，按此原則調(diào)整截面，重新分析調(diào)整。

由表2 可知，由于降低了溫度梯度應(yīng)力，平面內(nèi)2 個(gè)方向的彎矩均有明顯的降低。據(jù)此內(nèi)力配筋計(jì)算更為經(jīng)濟(jì)。其原因可從公式（1）中得出結(jié)論。

表2 不同板厚溫度應(yīng)力及變形

式中，M 為等效彎矩；α 為線性熱膨脹系數(shù)；E 為彈性模量；ΔT為單元兩邊緣(最外面)間的溫度差；t 為板厚；ν 為泊松比。

從式（1）可知，等效彎矩與溫差呈線性關(guān)系，與板厚的三次方呈線性關(guān)系。這很好地解釋了板越厚，彎矩越大。恰恰足夠的板厚是保證氣密性的必要條件。所以板厚的選取和溫度差的確定是高海拔混凝土試驗(yàn)倉(cāng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

7 結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

該倉(cāng)主要用于汽車能量流試驗(yàn)、熱力學(xué)性能、極端環(huán)境模擬等，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求較高，除了對(duì)承載能力的要求較高外，還要具有較好的密封性能及抗裂性能。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要有相應(yīng)的構(gòu)造措施。本設(shè)計(jì)采用了如下措施：

1）采用C40 補(bǔ)償收縮混凝土，按限制膨脹率0.02%～0.03%要求，外加劑摻量應(yīng)在6%～12%。膠凝材料最小用量為320 kg/m3。

2）混凝土中添加合成纖維，摻量約為0.9～1.2 kg/m3，相關(guān)技術(shù)要求按JGJ/T 221—2010 《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。

3）混凝土選用低水化熱水泥，澆筑溫度不宜超過(guò)28 ℃,要求商品混凝土供應(yīng)站混凝土的出罐溫度不高于25 ℃。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)澆筑的混凝土每2 h 進(jìn)行1 次澆筑溫度的測(cè)量，澆筑溫度均控制在16～23 ℃，混凝土澆筑體的降溫速率應(yīng)不大于2.0 ℃/d，混凝土澆筑體表面與大氣溫差不大于20 ℃。

4）根據(jù)配筋計(jì)算結(jié)果，在面積較大的門洞口周邊、倉(cāng)體四角設(shè)置暗柱、暗梁。

5）在墻、板中間位置增加1 層構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片。

8 施工控制要點(diǎn)

為達(dá)到該倉(cāng)對(duì)密封的要求，要采取措施對(duì)可能產(chǎn)生的施工裂縫進(jìn)行嚴(yán)格控制。本工程主要從以下幾方面進(jìn)行控制：

1）混凝土配合比控制：采用低流態(tài)混凝土，摻粉煤灰、高效減水劑、微膨脹劑等，盡量減少單位水泥用量，降低水化熱，并要求混凝土公司按此原則進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

2）溫控控制：因施工期間外界氣溫較高，應(yīng)盡可能地降低混凝土的最高溫升，減小混凝土內(nèi)外溫差，控制溫度應(yīng)力。要求混凝土公司用冷水拌和混凝土；降低骨料初始溫度；在夜間進(jìn)行混凝土澆筑施工。

3）施工工藝上墻體采用整體分層法連續(xù)澆筑施工，分層厚度為500 mm。底、頂板混凝土澆筑方法采用“斜向分層，薄層澆筑，循序推進(jìn)，一次到底”連續(xù)施工，分層厚度≤500 mm，分層澆搗使新混凝土沿斜坡流一次到頂，使混凝土充分散熱，從而減少混凝土的熱量。

4）養(yǎng)護(hù)控制：頂板在混凝土表面鋪1 層塑料薄膜加蓋1 層土工布進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。墻體采用延長(zhǎng)模板留置時(shí)間的方式，模板的留置時(shí)間要求不得低于14 d。14 d 后，墻體混凝土采用掛濕土工布的方法進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。模板拆除時(shí)混凝土的表面溫度與環(huán)境最大溫差應(yīng)＜20℃。

5）倉(cāng)體混凝土施工縫的設(shè)置是施工控制中重要的一環(huán)。為保證結(jié)構(gòu)性能，施工完畢后，底板與墻體之間按照水池等地下結(jié)構(gòu)要求設(shè)置通長(zhǎng)止水鋼板；墻體和頂板因考慮墻體振搗質(zhì)量，留置施工縫，在該位置留置通長(zhǎng)遇水膨脹膠條2 條，保證施工通縫的整體性。

9 設(shè)計(jì)總結(jié)

1）采用通用有限元軟件對(duì)有復(fù)雜荷載工況的混凝土倉(cāng)體進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)模型較常規(guī)簡(jiǎn)化方法更為合理、可靠、全面。

2）溫度梯度作用對(duì)混凝土倉(cāng)體影響較大，倉(cāng)體厚度越厚，溫度梯度影響比例越大；而當(dāng)倉(cāng)體厚度較薄時(shí)，流體壓力荷載為控制荷載，不具備一定的厚度，也不能滿足承載能力。因此，截面厚度存在優(yōu)選值，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)要多次試算以選定合理的截面厚度，使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理。

3）倉(cāng)體對(duì)密封性能要求較高，設(shè)計(jì)及施工均要采取合適的措施嚴(yán)格控制裂縫的產(chǎn)生。