高海拔混凝土汽车试验仓结构设计要点

刘闯，杨凯

（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）

1 概况与背景

模拟高海拔试验仓从试验室结构来看，外围壳体是高原环境模拟试验室与普通试验室的最大区别，此系统需承受不同海拔带来的压力差以保证设备的正常运行，故对其材料要求较高[1，2]。传统的高海拔试验仓的解决方案是钢结构仓体。但近年来，随着该类试验室的试验项目的普及，各大试验厂商也提出了用混凝土仓代替钢仓的解决方案，并在欧洲有了比较成功的案例。相比于钢仓，混凝土仓大大缩减了开支，并能有效解决钢仓拼装场地受限、吊装困难等一系列问题。

近年来，我国汽车企业也开始了在这方面的尝试，并取得了不错的效果。本文以中汽研汽车工业工程（天津）有限公司在2019 年完成的亚洲首例高海拔混凝土试验仓设计为例，剖析混凝土试验仓的结构设计要点。

该高海拔混凝土试验仓建设在中汽研汽车工业工程天津有限公司2018 年承接的宁波吉利汽车研究开发有限公司试制二期动力新能源试验室项目中。该试验室建于浙江省慈溪市，为3 层钢筋混凝土框架结构，高海拔混凝土试验仓位于该子项试验区的首层，建筑首层层高7.7 m。业主需求该仓具备模拟5 000 m 海拔，-40～60 ℃环境的试验能力。

2 方案对比

在论证的过程中，常规的钢仓方案遇到了比较大的困难。因为预制钢仓为了保证密封效果，必须要在运输允许的条件下尽可能采用工厂预制，减小现场的焊接工作，这就需要施工现场提供面积近2 000m2的安装场地，场地的使用周期在半年左右，且要在土建基础与主体结构之间。现场唯一可行的拼装场地恰好是主要的施工通道。故钢仓的安装条件是业主不具备的。

用混凝土仓替代钢仓在欧洲国家已经有了成功的先例，可以与试验室的土建施工同步进行，没有场地需求。难点在于在当时国内没有成功先例可供参考。

钢仓与混凝土仓的优劣对比详见表1。

表1 钢仓与混凝土仓的优劣对比

3 结构设计资料

项目条件概述：结构设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级，建筑场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6 度（0.05 g），设计地震分组为第一组。仓体位置预留地坑，底板顶面标高-1.800 m，地坑采用桩筏基础。试验仓壳体采用钢筋混凝土顶、底板、墙体围合而成。底板顶标高-0.627 m，顶板底标高5.300 m（±0.000 同动力新能源中心地面标高）。试验仓仓体净尺寸（长×宽）为13.450 m×8.400 m，仓壁厚度700 mm，顶板厚度800 mm。侧壁与建筑墙体之间留置≥100 mm 宽的变形缝。

4 试验工况及设计难点简介

1）仓体需保压，承受57 kN/m2流体压力荷载，并在该压力状态下，保证其气密性并能控制仓体变形。故工艺方出于保压效果的考虑，将混凝土仓的建议截面尺寸设置得较大。仓体侧壁厚度按700 mm 设计，顶板厚度按800 mm 设计，底板厚度约1 000 mm。

2）仓内会进行高低温模拟试验，试验温度跨度较大，混凝土内部温度要在12～20 ℃之间变化。内外温差形成温度梯度，对混凝土的耐久性提出了很高的要求。

3）施工难度大。试验室会布置必要的管路和线路，需在外围壳体相应位置预留开孔及门洞，并在试压前进行密封处理。所有门洞、预留洞均需1 次成型，不能后凿。该工艺开洞较多。

4）试验层需与设备层协调布置，所有的仓顶预留孔需要确保与设备层的梁不干涉，并且尽可能考虑检修空间，对建筑楼层的结构次梁布置有较大的限制。

5）全亚洲首例，国内尚无先例可参考。

5 结构设计分析

荷载统计情况如下：

1）恒载：仓体自重。

2）活荷载：仓顶板10 kN/m2的设备载荷（由工艺供应商资料等效而来）。

3）流体压力荷载：57 kN/m2向仓体内部方向。

4）温度作用：在试验过程中，仓内的温度变化范围为-40～60 ℃，因仓体内设有保温材料，仓体混凝土在试验过程中的温度变化为-12～20 ℃。综合混凝土浇筑时间及日常室内状况，仓体混凝土初始平均温度取25 ℃。各个区域工况具体详见图1。

图1 海拔仓各区域试验工况简图

5）风、雪荷载：建筑内部不受风雪荷载影响，故不考虑。

6）地震作用：因抗震设防烈度为6 度，该仓为单层且采用剪力墙结构，地震作用不起控制作用，故不考虑。

7）施工荷载：与流体荷载不同时组合且不起控制作用，故不考虑。

高海拔混凝土试验仓对温度作用较为敏感，需要考虑温度梯度作用，屋面设备荷载为多点荷载，边界条件特殊。综合来看，采用常规的简化方法难以准确分析该仓的受力情况，本项目采用MIDAS GEN 软件进行高海拔混凝土试验仓的有限元分析。主要步骤如下：

1）采用板单元建模，对板单元进行有限元网格划分，网格划分尺寸为0.5 m。

2）在底板四角添加水平方向的约束。底板采用将面弹性支承转换为节点支承来考虑混凝土地坑对底板的支承作用。

3）添加静力荷载工况：自重、流体压力荷载、设备活荷载、整体温度作用、温度梯度作用。

4）分别将各种工况下的荷载布置到模型上。

5）运行分析，对计算结果添加荷载组合。

6）计算各种荷载组合的内力、变形、应力。

7）求得内力后，按规范要求进行配筋设计，并验算裂缝等。

通过分析得出，顶板最大设计弯矩1 077 kN·m，按此结果配筋量巨大。设计结果偏大，且超出预期2～3 倍。

6 根据分析对模型进行调整

通过对比各个单工况下顶板的受力情况，发现自重荷载、流体荷载及温度梯度荷载单工况作用下的最大弯矩分别为95 kN·m、256 kN·m、750 kN·m，温度荷载起到了非常大的控制作用。在调整模型的过程中发现，减薄板厚会减小相应的弯矩。同时顶板厚度减小会降低自重也会减小弯矩，按此原则调整截面，重新分析调整。

由表2 可知，由于降低了温度梯度应力，平面内2 个方向的弯矩均有明显的降低。据此内力配筋计算更为经济。其原因可从公式（1）中得出结论。

表2 不同板厚温度应力及变形

式中，M 为等效弯矩；α 为线性热膨胀系数；E 为弹性模量；ΔT为单元两边缘(最外面)间的温度差；t 为板厚；ν 为泊松比。

从式（1）可知，等效弯矩与温差呈线性关系，与板厚的三次方呈线性关系。这很好地解释了板越厚，弯矩越大。恰恰足够的板厚是保证气密性的必要条件。所以板厚的选取和温度差的确定是高海拔混凝土试验仓设计的关键。

7 结构构造措施

该仓主要用于汽车能量流试验、热力学性能、极端环境模拟等，对结构的要求较高，除了对承载能力的要求较高外，还要具有较好的密封性能及抗裂性能。因此，结构设计还要有相应的构造措施。本设计采用了如下措施：

1）采用C40 补偿收缩混凝土，按限制膨胀率0.02%～0.03%要求，外加剂掺量应在6%～12%。胶凝材料最小用量为320 kg/m3。

2）混凝土中添加合成纤维，掺量约为0.9～1.2 kg/m3，相关技术要求按JGJ/T 221—2010 《纤维混凝土应用技术规程》执行。

3）混凝土选用低水化热水泥，浇筑温度不宜超过28 ℃,要求商品混凝土供应站混凝土的出罐温度不高于25 ℃。对现场对浇筑的混凝土每2 h 进行1 次浇筑温度的测量，浇筑温度均控制在16～23 ℃，混凝土浇筑体的降温速率应不大于2.0 ℃/d，混凝土浇筑体表面与大气温差不大于20 ℃。

4）根据配筋计算结果，在面积较大的门洞口周边、仓体四角设置暗柱、暗梁。

5）在墙、板中间位置增加1 层构造钢筋网片。

8 施工控制要点

为达到该仓对密封的要求，要采取措施对可能产生的施工裂缝进行严格控制。本工程主要从以下几方面进行控制：

1）混凝土配合比控制：采用低流态混凝土，掺粉煤灰、高效减水剂、微膨胀剂等，尽量减少单位水泥用量，降低水化热，并要求混凝土公司按此原则进行配合比设计。

2）温控控制：因施工期间外界气温较高，应尽可能地降低混凝土的最高温升，减小混凝土内外温差，控制温度应力。要求混凝土公司用冷水拌和混凝土；降低骨料初始温度；在夜间进行混凝土浇筑施工。

3）施工工艺上墙体采用整体分层法连续浇筑施工，分层厚度为500 mm。底、顶板混凝土浇筑方法采用“斜向分层，薄层浇筑，循序推进，一次到底”连续施工，分层厚度≤500 mm，分层浇捣使新混凝土沿斜坡流一次到顶，使混凝土充分散热，从而减少混凝土的热量。

4）养护控制：顶板在混凝土表面铺1 层塑料薄膜加盖1 层土工布进行保湿养护。墙体采用延长模板留置时间的方式，模板的留置时间要求不得低于14 d。14 d 后，墙体混凝土采用挂湿土工布的方法进行保湿养护。模板拆除时混凝土的表面温度与环境最大温差应＜20℃。

5）仓体混凝土施工缝的设置是施工控制中重要的一环。为保证结构性能，施工完毕后，底板与墙体之间按照水池等地下结构要求设置通长止水钢板；墙体和顶板因考虑墙体振捣质量，留置施工缝，在该位置留置通长遇水膨胀胶条2 条，保证施工通缝的整体性。

9 设计总结

1）采用通用有限元软件对有复杂荷载工况的混凝土仓体进行分析，结构模型较常规简化方法更为合理、可靠、全面。

2）温度梯度作用对混凝土仓体影响较大，仓体厚度越厚，温度梯度影响比例越大；而当仓体厚度较薄时，流体压力荷载为控制荷载，不具备一定的厚度，也不能满足承载能力。因此，截面厚度存在优选值，在结构分析时要多次试算以选定合理的截面厚度，使结构经济合理。

3）仓体对密封性能要求较高，设计及施工均要采取合适的措施严格控制裂缝的产生。