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【摘 要】本文对冷库结构的受力特点进行了总结，给出较为合理的建模方式假定和分析方法，并对结构的材料和相应特殊构造要求进行了简介，介绍了工程实例中的特殊节点处理，对冷库设计特殊节点进行了总结。
【关键词】冷库结构；构造处理；结构设计
1.引言
冷库结构作为一种特殊使用用途的结构形式，随着食品加工业不断发展，应用日益广泛。冷库结构根据物流和面积使用率的相关要求，有单层冷库、多层冷库之分；按设计规模可分：大型、中型和小型，冷藏间或冰库的公称容积为标准，公称容积大于20000m3为大型冷库，20000m3～5000m3为中型冷库，小于5000m3为小型冷库。鉴于其材料的使用环境的特殊性，设计中的计算和相关特殊节点引起重视。
2.冷库结构的结构选型和受力特点
2.1结构选型简介
根据工艺物流布置主结构可以采用：框架结构、板柱-抗震墙结构、排架结构和普通钢结构。
1）框架结构：当采用框架结构时，柱网布置较为灵活，可以适用于高层冷库。框架内部的主次梁布置需结合内部的工艺物流吊挂布置情况和净高要求，确定主次梁结构、交叉梁体系、井字梁格布置，板格形成单向板或双向板。根据分析对比可以知道，在柱网8m×12m并荷载小于500kg/m2的情况，布置单向梁格较为经济；在柱网8m×12m或12m×12m并荷载1000kg/m2～1500kg/m2的情况，采用井字梁格布置对受力和梁格大小均比较合理。在建筑防火分类为丙类建筑时，一定要注意板底至梁底的高度小于600mm，这样有利于电专业在造价方面的控制（设置防火报警装置的区域，如未加设吊顶时，板底至梁底的高度大于600mm，须在每一个梁格内设置报警装置）。
2）板柱-抗震墻结构：在小空间同时对净高要求较为严格的功能区，如考虑香蕉库使用功能采用这种形式较为普遍。
3）排架结构：在结构内部需要提升物流速度和货物立体存储的要求时，采用柱距为6～8m、跨度18～27m的排架较为合理。同时高度可以根据物流量和存储量的情况确定合理高度6～11.8m。
4）普通钢结构，主要承重构件由各种类型的钢材组成，结构形式多用于单层的装配式冷库。局部也可结合组合楼板设置夹层。实现与排架结构相对应的跨度和柱距要求。
2.2冷库结构的受力特点
冷库建筑属于仓库类建筑，主要用于库房、变配电房、冰库等功能房组成。冷库的使用性质的不同，冷间温度一般在-40℃～0℃左右[1]。因此冷库设计与一般建筑相比较，具有以下特点：
1）冷库属于仓库类建筑，主要用于放存食品，会有一定的堆放高度，因此结构均布荷载值大，活载标准值一般在15～30kN/m2。
2）冷库结构再常温施工，低温运行，结构再施工完至开始使用这一段时间内的温度变化大，结构的温差效应比一般结构大的多。需采取相关的保温措施。
3）冷库内长期处于低温、低温高湿及湿度频繁变化状态下，容易导致结构和构件产生裂缝。
4）由于冷库是属于人工降温，因此冷库的绝热要求很高，结构布置不合理容易产生冷桥，破坏保温层，导致结构耐久性不满足要求。
5）冷库与常温交接处，在使用过程中，须进行严格的建筑结构构造处理，避免产生裂缝。
3.涉及的荷载简介
目前大多数冷库进出货采用接卸叉车装卸，库内堆货货物高度有5～8m，按照规范冷藏物堆载20kN/m2就偏小，应按照实际对照容重换算。另外沉降的活载准永久值系数，以及多层库柱、基础活荷载折减系数，应按冷库设计规范规定的系数考虑，如按荷载规范规定或计算程序默认的系数进行计算就偏不安全。[2]
根据近期的某生鲜库设计资料和实际荷载情况，
生鲜立体库：20～35kN/m2（根据货架的高度、托盘的重量、货架支架的布置方式及层数等情况确认），单层库房冻结物冷藏间堆货高度达6m时，地面均布活载标准值可采用30kN/m2。单层高货架库房可根据货架平面布置和货架层按实际情况计算取值[3]；
香蕉催熟库：8 kN/m2（3m层高内）；
普通香蕉库：20～25kN/m2（7m层高内）；
普通的果蔬冷库：30kN/m2（7m层高内）；
发电机房：20～25kN/m2（7m层高内）；
制冷机房楼面：8kN/m2（设备荷载按实际情况折算成均布荷载）；
冰库：9h（h为堆冰高度，以m为单位）；
冻结物冷藏间：20kN/m2；
冷却物冷藏间：15kN/m2；
压缩机等振动设备动力系数取1.3。
冷库设计中还牵涉到建筑的一些构造保温层，其荷载不容忽视，设计师应根据填料的容重进行设计。其楼屋盖设计时牵涉到室外设备和吊顶和库板等载荷，应按实际做法和受力形式，进行等效计算。
4.结构建模注意事项
1）由于冷库结构设计的特殊要求，对于四层及四层以上的冷库及穿堂，其梁、柱和基础活荷载的折减系数宜按下表执行[3]：
项目 结构部位
梁 柱 基础
穿堂 0.7 0.7 0.5
库房 1.0 0.8 0.8
2）对于排架结构带夹层情况，需按单榀和整体建模空间分析进行包络设计。
3）对于牵涉到结构单元内，使用功能的不同造成温差较大时，宜进行温度变化产生的温度应力分析，指导关键部位设计。
4）计算基础内力时，架空地坪也应输入模型，对荷载进行计算。
5.结构的材料和相应特殊构造要求
5.1材料要求
由于冷库结构长期处于低温、低温高湿及湿度频繁变化状态下，因此建筑结构应采用耐低温、耐湿、抗水性能好的材料。具体冷间内材料要符合以下要求[3]。
1）应采用普通硅酸盐水泥，或采用矿渣硅酸盐水泥。不得采用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。
2）不同品种水泥不得混合使用，同一构件不得使用两种以上品种的水泥。 3）冷间内砖砌体应采用强度等级不低于MU10的烧结普通砖，并应用水泥砂浆砌筑和抹面。砌筑用的水泥砂浆强度等级不应低于M7.5。
4）冷间内钢筋混凝土的受力钢筋宜采用HRB400级和HRB335级热轧钢筋，也可采用HPB235级热轧钢筋。冷间结构用钢除符合本规范外，尚应符合现行国家标准《钢结构设计规范》（GB50017）和《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的规定。
5）0℃以下冷间处于低温环境，属于二b类环境；冷间的混凝土强度等级不得低于C25，配制混凝土时，最大水胶比为0.55，最大氯离子含量为0.15%，最大碱含量3.0kg/m3。
5.2结构构件特殊构造要求
由于冷库结构长期处于环境因素，对构造有特殊的要求，宜采用钢筋混凝土结构或钢结构，也可采用砌体结构。由于温度变化作用产生的变形及内力应力影响，并采取相应减少温度变化作用对结构的不利影响。结合现有的文献和资料总结如下：
1）冷间采用钢筋混凝土结构时，伸缩缝的最大间距不宜大于50m；
2）柱：根据工艺对冷库内货架布置和通道要求，冷库柱距控制一般在6～8m，也有特殊的情况高达12m。柱断面尺寸根据其结构形式和受力情况确定，在满足抗震要求的情况下，需结合工艺的叉车使用频率提高其受叉车撞击的因素，尺寸不宜小于400mm×400mm[4]。
3）剪力墙：由于冷库结构温差效应较一般结构明显，同时考虑有效利用剪力墙的抗侧和抗扭刚度，应沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的抗侧刚度不宜相差过大。房屋较长时，刚度较大的纵向抗震墙不宜設置在房屋的端开间。
4）梁：由于冷库内的荷载通常较大，根据柱距和梁的支撑长度，尽量满足净空使用和管道安装要求减低梁高度，设置宽扁梁，且尽量保证两个方向梁的高度相同，便于通风、消防管道和电缆桥架的实施。
5）板：由于冷库冷间内荷载大，采用框架结构时，板跨度宜取2～3m之间，板厚宜取120～150mm，保护层厚度宜取20～25mm（根据冷库设计规范确定环境类别，再依据混凝土规范确定保护层厚度），当采用板柱剪力墙结构时，板厚宜取柱距1/25～1/30（即200～300mm）。冷间钢筋混凝土板每个方向全截面最小温度配筋率不应小于0.3%[3]。
6）基础顶～架空段的基础：该段基础宜按短柱进行配筋，同时考虑其环境类别为二（b）类。
5.3外围护墙体
1）冷库的墙体几乎都是密闭的，室内温度变化比较缓慢，跟不上室外自然界昼夜气温的变化，加大了屋面与墙体之间原来就已经存在温差而且混凝土与砖砌体的膨胀系数不同，原来的温度变形就不同，变形差随温差而加大，在其接触面所产生剪应力也相应加大，从而导致裂缝比一般建筑容易产生[5]。
2）冷库外墙采用自承重墙时，外墙与库内承重结构之间每层均应可靠拉接，设置锚系梁。锚系梁间距可为6m，墙角处不宜设置。墙角砌体应适当配筋且墙角至第一个锚系梁的距离不宜小于6m。设置的锚系梁应能承受外墙的拉力与压力。抗震设防烈度6度及6度以上，外墙应设置钢筋混凝土构造柱及圈梁[3]。
冷库墙体的水平裂缝产生除了受库体建筑本身固有的因素和温差影响外，库体屋面混凝土前期收缩变形也是非常主要的原因；因此结合冷库设计规范对墙体和房屋的最大伸缩缝等构造要求，在墙体内增设相应的抗剪钢筋非常有必要，并在工程中合理的设置后浇带，以降低混凝土的收缩变形。
6.特殊部位的节点处理大样总结
6.1当冷间阁楼屋面采用现浇钢筋混凝土楼盖，且相对边柱中心距离大于或等于30m时，边柱柱顶与屋面梁宜采用交接。在钢筋锚固和计算模型上均应进行合理的设定。
6.2在冷库设置架空层且设置卸货平台时，可以将卸货平台板设置为三边支撑板。
6.3底层库内地面防潮做法是冷库设计的重要构造之一。冷库所处的位置的水文地质条件不同对该部位的设计要求也相应不同。下面结合相关文献介绍几种地坪防冻形式：
1）地下室高温库防冻，在底层下设置地下室，地下室为不会引起土壤冻胀的“高温”库房（即0℃库房）。这样形式适用于地下水位校底的且有需要设“高温”库的冷库。
2）地坪架空防冻法，即在地坪进行架空设计，使冷库与地面隔开，冷库底板与地面留够一定的空间（净高1.0～1.2m），在造价较低的情况下同时满足排水、通风、隔热等要求。当地质条件较好，且地下水位较低时，也可采用地垄墙半架空法，墙体可采用砖或混凝土；在荷载加大高库，建议采用现浇地坪，同时满足工艺的构造地坪和安装等要求。
3）地坪的通风防冻法，在冷库的实铺地坪下埋设通风管道进行自然通风或机械通风。这种做法造价低，适用于地质条件好，地下水位低的场地，采用此法时，必须加强管理，防止通风管高堵塞及水倒灌入管内。一般在建设规格较大、档次较高的冷库时，不采用这种方法。
各种做法，有相应的优缺点和适用范围，对于架空地坪在寒冷地区的冬季不能起到防冻而相反起促冻作用；尤其是土壤本身具备冻胀条件，则架空在冬季必至冻胀；欲不冻，处非冬季另采取通入暖风措施。所以冷库设计前必须判断土壤是否具备冻胀条件。
7.结语
冷库设计在我国的东部沿海一带较多，内地近几年也逐步增多，由于该部分的设计有相应的特殊要求，建议设计人在确定结构方案之前必须了解场地的水文、地质条件，并结合工艺的布置和物流要求选择合理结构形式，并在设计中充分考虑相关荷载及特殊节点部位的构造处理，加强地面防潮处理同时采取有效措施防止墙体开裂。
【关键词】冷库结构；构造处理；结构设计
1.引言
冷库结构作为一种特殊使用用途的结构形式，随着食品加工业不断发展，应用日益广泛。冷库结构根据物流和面积使用率的相关要求，有单层冷库、多层冷库之分；按设计规模可分：大型、中型和小型，冷藏间或冰库的公称容积为标准，公称容积大于20000m3为大型冷库，20000m3～5000m3为中型冷库，小于5000m3为小型冷库。鉴于其材料的使用环境的特殊性，设计中的计算和相关特殊节点引起重视。
2.冷库结构的结构选型和受力特点
2.1结构选型简介
根据工艺物流布置主结构可以采用：框架结构、板柱-抗震墙结构、排架结构和普通钢结构。
1）框架结构：当采用框架结构时，柱网布置较为灵活，可以适用于高层冷库。框架内部的主次梁布置需结合内部的工艺物流吊挂布置情况和净高要求，确定主次梁结构、交叉梁体系、井字梁格布置，板格形成单向板或双向板。根据分析对比可以知道，在柱网8m×12m并荷载小于500kg/m2的情况，布置单向梁格较为经济；在柱网8m×12m或12m×12m并荷载1000kg/m2～1500kg/m2的情况，采用井字梁格布置对受力和梁格大小均比较合理。在建筑防火分类为丙类建筑时，一定要注意板底至梁底的高度小于600mm，这样有利于电专业在造价方面的控制（设置防火报警装置的区域，如未加设吊顶时，板底至梁底的高度大于600mm，须在每一个梁格内设置报警装置）。
2）板柱-抗震墻结构：在小空间同时对净高要求较为严格的功能区，如考虑香蕉库使用功能采用这种形式较为普遍。
3）排架结构：在结构内部需要提升物流速度和货物立体存储的要求时，采用柱距为6～8m、跨度18～27m的排架较为合理。同时高度可以根据物流量和存储量的情况确定合理高度6～11.8m。
4）普通钢结构，主要承重构件由各种类型的钢材组成，结构形式多用于单层的装配式冷库。局部也可结合组合楼板设置夹层。实现与排架结构相对应的跨度和柱距要求。
2.2冷库结构的受力特点
冷库建筑属于仓库类建筑，主要用于库房、变配电房、冰库等功能房组成。冷库的使用性质的不同，冷间温度一般在-40℃～0℃左右[1]。因此冷库设计与一般建筑相比较，具有以下特点：
1）冷库属于仓库类建筑，主要用于放存食品，会有一定的堆放高度，因此结构均布荷载值大，活载标准值一般在15～30kN/m2。
2）冷库结构再常温施工，低温运行，结构再施工完至开始使用这一段时间内的温度变化大，结构的温差效应比一般结构大的多。需采取相关的保温措施。
3）冷库内长期处于低温、低温高湿及湿度频繁变化状态下，容易导致结构和构件产生裂缝。
4）由于冷库是属于人工降温，因此冷库的绝热要求很高，结构布置不合理容易产生冷桥，破坏保温层，导致结构耐久性不满足要求。
5）冷库与常温交接处，在使用过程中，须进行严格的建筑结构构造处理，避免产生裂缝。
3.涉及的荷载简介
目前大多数冷库进出货采用接卸叉车装卸，库内堆货货物高度有5～8m，按照规范冷藏物堆载20kN/m2就偏小，应按照实际对照容重换算。另外沉降的活载准永久值系数，以及多层库柱、基础活荷载折减系数，应按冷库设计规范规定的系数考虑，如按荷载规范规定或计算程序默认的系数进行计算就偏不安全。[2]
根据近期的某生鲜库设计资料和实际荷载情况，
生鲜立体库：20～35kN/m2（根据货架的高度、托盘的重量、货架支架的布置方式及层数等情况确认），单层库房冻结物冷藏间堆货高度达6m时，地面均布活载标准值可采用30kN/m2。单层高货架库房可根据货架平面布置和货架层按实际情况计算取值[3]；
香蕉催熟库：8 kN/m2（3m层高内）；
普通香蕉库：20～25kN/m2（7m层高内）；
普通的果蔬冷库：30kN/m2（7m层高内）；
发电机房：20～25kN/m2（7m层高内）；
制冷机房楼面：8kN/m2（设备荷载按实际情况折算成均布荷载）；
冰库：9h（h为堆冰高度，以m为单位）；
冻结物冷藏间：20kN/m2；
冷却物冷藏间：15kN/m2；
压缩机等振动设备动力系数取1.3。
冷库设计中还牵涉到建筑的一些构造保温层，其荷载不容忽视，设计师应根据填料的容重进行设计。其楼屋盖设计时牵涉到室外设备和吊顶和库板等载荷，应按实际做法和受力形式，进行等效计算。
4.结构建模注意事项
1）由于冷库结构设计的特殊要求，对于四层及四层以上的冷库及穿堂，其梁、柱和基础活荷载的折减系数宜按下表执行[3]：
项目 结构部位
梁 柱 基础
穿堂 0.7 0.7 0.5
库房 1.0 0.8 0.8
2）对于排架结构带夹层情况，需按单榀和整体建模空间分析进行包络设计。
3）对于牵涉到结构单元内，使用功能的不同造成温差较大时，宜进行温度变化产生的温度应力分析，指导关键部位设计。
4）计算基础内力时，架空地坪也应输入模型，对荷载进行计算。
5.结构的材料和相应特殊构造要求
5.1材料要求
由于冷库结构长期处于低温、低温高湿及湿度频繁变化状态下，因此建筑结构应采用耐低温、耐湿、抗水性能好的材料。具体冷间内材料要符合以下要求[3]。
1）应采用普通硅酸盐水泥，或采用矿渣硅酸盐水泥。不得采用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。
2）不同品种水泥不得混合使用，同一构件不得使用两种以上品种的水泥。 3）冷间内砖砌体应采用强度等级不低于MU10的烧结普通砖，并应用水泥砂浆砌筑和抹面。砌筑用的水泥砂浆强度等级不应低于M7.5。
4）冷间内钢筋混凝土的受力钢筋宜采用HRB400级和HRB335级热轧钢筋，也可采用HPB235级热轧钢筋。冷间结构用钢除符合本规范外，尚应符合现行国家标准《钢结构设计规范》（GB50017）和《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的规定。
5）0℃以下冷间处于低温环境，属于二b类环境；冷间的混凝土强度等级不得低于C25，配制混凝土时，最大水胶比为0.55，最大氯离子含量为0.15%，最大碱含量3.0kg/m3。
5.2结构构件特殊构造要求
由于冷库结构长期处于环境因素，对构造有特殊的要求，宜采用钢筋混凝土结构或钢结构，也可采用砌体结构。由于温度变化作用产生的变形及内力应力影响，并采取相应减少温度变化作用对结构的不利影响。结合现有的文献和资料总结如下：
1）冷间采用钢筋混凝土结构时，伸缩缝的最大间距不宜大于50m；
2）柱：根据工艺对冷库内货架布置和通道要求，冷库柱距控制一般在6～8m，也有特殊的情况高达12m。柱断面尺寸根据其结构形式和受力情况确定，在满足抗震要求的情况下，需结合工艺的叉车使用频率提高其受叉车撞击的因素，尺寸不宜小于400mm×400mm[4]。
3）剪力墙：由于冷库结构温差效应较一般结构明显，同时考虑有效利用剪力墙的抗侧和抗扭刚度，应沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的抗侧刚度不宜相差过大。房屋较长时，刚度较大的纵向抗震墙不宜設置在房屋的端开间。
4）梁：由于冷库内的荷载通常较大，根据柱距和梁的支撑长度，尽量满足净空使用和管道安装要求减低梁高度，设置宽扁梁，且尽量保证两个方向梁的高度相同，便于通风、消防管道和电缆桥架的实施。
5）板：由于冷库冷间内荷载大，采用框架结构时，板跨度宜取2～3m之间，板厚宜取120～150mm，保护层厚度宜取20～25mm（根据冷库设计规范确定环境类别，再依据混凝土规范确定保护层厚度），当采用板柱剪力墙结构时，板厚宜取柱距1/25～1/30（即200～300mm）。冷间钢筋混凝土板每个方向全截面最小温度配筋率不应小于0.3%[3]。
6）基础顶～架空段的基础：该段基础宜按短柱进行配筋，同时考虑其环境类别为二（b）类。
5.3外围护墙体
1）冷库的墙体几乎都是密闭的，室内温度变化比较缓慢，跟不上室外自然界昼夜气温的变化，加大了屋面与墙体之间原来就已经存在温差而且混凝土与砖砌体的膨胀系数不同，原来的温度变形就不同，变形差随温差而加大，在其接触面所产生剪应力也相应加大，从而导致裂缝比一般建筑容易产生[5]。
2）冷库外墙采用自承重墙时，外墙与库内承重结构之间每层均应可靠拉接，设置锚系梁。锚系梁间距可为6m，墙角处不宜设置。墙角砌体应适当配筋且墙角至第一个锚系梁的距离不宜小于6m。设置的锚系梁应能承受外墙的拉力与压力。抗震设防烈度6度及6度以上，外墙应设置钢筋混凝土构造柱及圈梁[3]。
冷库墙体的水平裂缝产生除了受库体建筑本身固有的因素和温差影响外，库体屋面混凝土前期收缩变形也是非常主要的原因；因此结合冷库设计规范对墙体和房屋的最大伸缩缝等构造要求，在墙体内增设相应的抗剪钢筋非常有必要，并在工程中合理的设置后浇带，以降低混凝土的收缩变形。
6.特殊部位的节点处理大样总结
6.1当冷间阁楼屋面采用现浇钢筋混凝土楼盖，且相对边柱中心距离大于或等于30m时，边柱柱顶与屋面梁宜采用交接。在钢筋锚固和计算模型上均应进行合理的设定。
6.2在冷库设置架空层且设置卸货平台时，可以将卸货平台板设置为三边支撑板。
6.3底层库内地面防潮做法是冷库设计的重要构造之一。冷库所处的位置的水文地质条件不同对该部位的设计要求也相应不同。下面结合相关文献介绍几种地坪防冻形式：
1）地下室高温库防冻，在底层下设置地下室，地下室为不会引起土壤冻胀的“高温”库房（即0℃库房）。这样形式适用于地下水位校底的且有需要设“高温”库的冷库。
2）地坪架空防冻法，即在地坪进行架空设计，使冷库与地面隔开，冷库底板与地面留够一定的空间（净高1.0～1.2m），在造价较低的情况下同时满足排水、通风、隔热等要求。当地质条件较好，且地下水位较低时，也可采用地垄墙半架空法，墙体可采用砖或混凝土；在荷载加大高库，建议采用现浇地坪，同时满足工艺的构造地坪和安装等要求。
3）地坪的通风防冻法，在冷库的实铺地坪下埋设通风管道进行自然通风或机械通风。这种做法造价低，适用于地质条件好，地下水位低的场地，采用此法时，必须加强管理，防止通风管高堵塞及水倒灌入管内。一般在建设规格较大、档次较高的冷库时，不采用这种方法。
各种做法，有相应的优缺点和适用范围，对于架空地坪在寒冷地区的冬季不能起到防冻而相反起促冻作用；尤其是土壤本身具备冻胀条件，则架空在冬季必至冻胀；欲不冻，处非冬季另采取通入暖风措施。所以冷库设计前必须判断土壤是否具备冻胀条件。
7.结语
冷库设计在我国的东部沿海一带较多，内地近几年也逐步增多，由于该部分的设计有相应的特殊要求，建议设计人在确定结构方案之前必须了解场地的水文、地质条件，并结合工艺的布置和物流要求选择合理结构形式，并在设计中充分考虑相关荷载及特殊节点部位的构造处理，加强地面防潮处理同时采取有效措施防止墙体开裂。