鋼結構伸縮縫設置問題的探討

徐 偉 濤

(中國建筑股份有限公司，北京 100125)

鋼結構伸縮縫設置問題的探討

徐 偉 濤

(中國建筑股份有限公司，北京 100125)

對我國設計規范中涉及溫度縫設置條文進行總結，分析了鋼結構房屋伸縮縫影響因素，并對減小溫度應力的構造措施進行了研究探討，以期為合理設置溫度伸縮縫提供一定的參考依據。

鋼結構，伸縮縫，設置，溫度應力

0 引言

眾所周知，絕大多數的物體都有熱脹冷縮現象，建筑結構暴露在外界環境中當然也存在同樣的現象，如果整個建筑都在同樣的溫度環境之下，而且各構件又都可以隨意脹縮就不會存在太大的問題。但一棟建筑一定是作用在基礎上的，而基礎又深埋在地下，地下的溫度往往沒有地上溫度變化得大，況且溫度的變化對建筑屋面影響很大，這樣就出現了基礎還沒有明顯脹縮的情況下，屋面已經有了很大的脹縮，這種情況會使墻、柱等豎向構件出現很大的拉、壓應力；另外，由于混凝土材料自身的特性，新澆混凝土在凝結初期或硬化過程中會收縮，當這種變形受到約束的時候，就會在結構的內部產生應力，它在結構的長度方向和高度方向都會產生影響。在建筑和使用過程中，這些應力必然存在，如果不能合理的消弱這部分應力，會對結構的安全性和耐久性產生影響。

為了消除或減小這種應力對結構的影響，規范上通常規定結構溫度區段的宜用長度，伸縮縫把上部結構從頂到基礎頂面斷開，分成幾個獨立的溫度區段來降低溫度變形對結構的不利影響；或者將混凝土結構分割為較小的單元，從而避免引起較大的約束應力和開裂，這樣如何設置溫度伸縮縫就成為了關鍵。鋼結構建筑由于受力體系不同，對應不同結構的伸縮縫設置應考慮因素也不同，這導致如何設置伸縮縫存在很大爭議。因此，本文對我國現行設計規范中涉及溫度縫設置條文進行總結，分析鋼結構房屋伸縮縫影響因素，并對減小溫度應力的構造措施進行探討，為合理設置溫度縫提供參考。

1 相關規范及措施規定

混凝土結構設計規范[1]8.1.1規定鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距可按表1確定，同時規范中還規定了對于柱高低于8 m及屋面無保溫、隔熱措施的排架結構或經常處于高溫作用下的結構等，溫度應力對結構的間接作用效應影響較大的不利情況，溫度伸縮縫的間距宜適當減??；而當施工時采取了一些改善這種不利影響的措施時，其伸縮縫的間距可以適當增加。

表1 鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距 m

另外，高層民用建筑設計防火規范[2]3.4.12規定高層建筑結構伸縮縫的最大間距宜符合表2的規定，同時也規定當采用有效的構造措施和施工措施減小溫度和混凝土收縮對結構的影響時，可以適當放寬伸縮縫的間距，而且規范列出了一些措施并規定不限于這些措施，只要措施有效都可以放寬伸縮縫的間距。

表2 伸縮縫的最大間距

鋼結構設計規范[3]8.1.5規定：單層房屋和露天結構的溫度區段長度(即伸縮縫的間距)，當不超過表3的數值時，一般情況可不考慮溫度應力和溫度變形的影響。

表3 溫度區段長度值 m

CECS 102—2002(2012版)門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[4]4.3.1門式剛架輕型房屋鋼結構的溫度區段長度(伸縮縫間距)，應符合下列規定：縱向溫度區段不大于300 m；橫向溫度區段不大于150 m。當有計算依據時，溫度區段長度可適當加大。當需要設置伸縮縫時，可采用兩種做法：在搭接檁條的螺栓連接處采用長圓孔，并使該處屋面板在構造上允許脹縮或設置雙柱。吊車梁與柱的連接處宜采用長圓孔。

2 鋼結構伸縮縫設置應考慮的問題

由于鋼結構構件重量輕、材料強度高、整體性能好、變形能力強、抗震性好、施工速度快等優點，不論是在工業還是民用建筑中，使得鋼結構在建筑領域中扮演著越來越重要的角色，鋼結構建筑不再局限于工業廠房、大跨度空間結構和高層結構，越來越多的多層，高層鋼結構房屋出現。

從我國各規范規定內容上看，設置溫度伸縮縫時對于混凝土結構，規范規定的很多，也很詳細，對于鋼結構相關規范只規定了單層房屋、露天結構和門式剛架輕型房屋這些單層鋼結構的溫度區段設置的間距，而對于多層鋼結構在很多我們常用的相關規范中并無涉及。不過在《全國民用建筑工程設計技術措施(結構)》[5](2003版)第19章多層鋼結構的補充規定中條文如下：多層鋼結構建筑物的最大伸縮縫區段長度一般可為150 m左右，若外墻為磚墻時一般可取60 m～90 m。此外，在同一多層建筑中若高度相差較多時，為了避免不均勻沉降的影響，可設置自上而下的沉降縫(兼做防震縫)分離建筑物。

其實，雖然同樣是鋼結構房屋，單層廠房、露天結構、門式剛架輕型房屋都是單層鋼結構和多層鋼結構有很大的不同，主要表現在屋面或樓面結構的不同上，前面規范所規定的這些單層鋼結構屋面大都是輕型屋面，這些屋面大都只是溫度改變時會在屋面位置產生脹縮，這時的溫度應力不大，因此規范所規定的變形縫設置的間距也很大，大都超過100 m；而多層鋼結構房屋不同，其屋面板、樓面板通常是現澆混凝土的，這樣混凝土硬結收縮產生的應力對結構會產生很大影響，因此多層鋼結構變形縫設置的間距就更嚴格，更接近于混凝土結構了。另外，由于《民用建筑工程設計技術措施》設計人員不常使用，故對于多層鋼結構伸縮縫間距的相關規定應列入到《鋼結構設計規范》中來。

同時，值得注意的是為了提高鋼結構房屋的整體剛度，我們通常在柱間增加支撐，而柱間支撐的剛度比單獨柱大很多，如果設兩道以上的柱間支撐，由于溫度變形而引起的柱頂位移對兩道柱間支撐及中間的梁影響會很大，而由于混凝土結構受拉能力遠不如鋼結構，如果樓板使用混凝土結構，那么兩道支撐之間的混凝土樓板內部會產生較大拉應力，這一點必須引起足夠重視。在鋼結構規范中，表8.1.5下有三個注意條款，其中第二條：無橋式吊車房屋的柱間支撐和有橋式吊車梁或吊車桁架以下的柱間支撐宜對稱布置于溫度區段中部。當不對稱布置時，上述柱間支撐的中點(兩道柱間支撐時為兩支撐距離的中點)至溫度區段端部的距離不宜大于表8.1.5縱向溫度區段長度的60%。就是考慮到柱間支撐的剛度而規定的。門式剛架房屋和多層鋼結構房屋也存在較大剛度的柱間支撐問題，因此在規范中也應該有明確規定。此外，在鋼結構中不要在長建筑物的端部設置剛度很大的柱間支撐，因為端部構件剛度愈大，限制溫度變形就愈嚴重，相應溫度應力就愈大。

對于一個實際工程來說，需要驗算溫度應力(溫度作用參與荷載組合)，其計算是非常復雜的。一般可以采用估算方法，即假定荷載的作用和結構的響應是線性關系，找出控制組合的組合值，然后把有溫度作用參與組合的組合值與之比較，在結構的應力比上保留適當比例的余量。但與其這樣，還不如直接按照規范規定設置溫度伸縮縫的間距用伸縮縫把結構分開。通常認為溫度縫間距滿足規范要求的結構不需要驗算溫度應力。如果超出規范要求，可以按王鐵夢[7]《工程結構裂縫控制》一書計算柱頭容許位移值，當滿足表4時，可以驗算溫度應力即可直接不設伸縮縫；如不滿足要求，需通過驗算溫度應力來確定是否設置伸縮縫。

表4 柱頭位移容許值

3 放寬伸縮縫間距可采取的措施[6]

眾所周知伸縮縫會造成多用材料、施工困難、構造復雜及地震時伸縮縫處的碰撞破壞，對于鋼結構也存在同樣的問題，尤其是鋼結構廠房如果設置溫度伸縮縫還常常會發生漏水隱患，所以同其他結構一樣，很多鋼結構超出規范要求的時候都不希望設置或盡可能少設置伸縮縫。近些年，國內外已經比較普遍地采取了不設伸縮縫，僅從施工或構造處理的角度來解決收縮應力問題的方法，取得了較好的效果，這些方法適用于混凝土結構也適用于鋼結構房屋。歸納起來大概有下面幾種措施：

1)設后澆帶。

當鋼結構中的收縮應力主要由混凝土的硬結收縮引起時，可以在適當距離選擇對結構無嚴重影響的位置，在混凝土樓板上設置后澆帶，通常每30 m～40 m設一道，混凝土早期收縮占總收縮的大部分，如果后澆帶保留一個月的時間，在此期間，混凝土收縮變形可以完成30%～40%，帶寬一般為0.8 m～1.0 m，正確使用這種方法一般能取得消除混凝土收縮的較好效果。

2)設控制縫。

當估計結構可能發生裂縫時，可以人為控制裂縫位置，使其有規律地發生在對結構和建筑影響最小的部位，以保證整體結構的安全，這種縫稱為控制縫。

3)局部設伸縮縫。

由于結構頂部及底部受到的溫度應力比較大，因此在多、高層結構中可以采取在上面或下面幾層局部設縫的辦法，通常取全高的1/4左右。

4)從布置和構造上采取措施減少溫度應力的影響，通常由于屋頂受到的溫度應力比較大，可以采取有效的保溫隔熱措施，如，設雙層屋頂或使屋頂不連成整片大面積，而是做成高低錯落的屋面。

4 結語

目前來說，溫度、收縮應力的理論計算還比較困難，溫度區段究竟允許多長還是一個需要探討的問題，但溫度收縮應力問題必須引起重視。鋼結構種類繁多，受力復雜，對于各種鋼結構房屋的伸縮縫設置間距急需明確規定下來，使設計人員有章可循，有規范可以依靠。

[1] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[2] GB 50045—95，高層民用建筑設計防火規范[S].

[3] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4] CECS 102—2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[5] 全國民用建筑工程設計技術措施(結構)[Z].2003.

[6] 包世華，張銅生.高層建筑結構設計和計算[M].第2版.北京：清華大學出版社，2012:39-40.

[7] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997:370-371.

Study on setting expansion joint of steel structure

Xu Weitao

(ChinaStateConstructionEngineeringCorporation，Beijing100125,China)

In this paper the provisions containing temperature expansion joint are summarized, the influence factors of steel structure are analyzed， the structure measures about how to reduce temperature stress are discussed. This work is a useful reference for the design of expansion joint.

steel structure， expansion joint， setting， temperature stress

2015-01-09

徐偉濤(1976- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)08-0046-02

TU375

A