鋼結(jié)構(gòu)伸縮縫設(shè)置問題的探討

徐 偉 濤

(中國建筑股份有限公司，北京 100125)

鋼結(jié)構(gòu)伸縮縫設(shè)置問題的探討

徐 偉 濤

(中國建筑股份有限公司，北京 100125)

對(duì)我國設(shè)計(jì)規(guī)范中涉及溫度縫設(shè)置條文進(jìn)行總結(jié)，分析了鋼結(jié)構(gòu)房屋伸縮縫影響因素，并對(duì)減小溫度應(yīng)力的構(gòu)造措施進(jìn)行了研究探討，以期為合理設(shè)置溫度伸縮縫提供一定的參考依據(jù)。

鋼結(jié)構(gòu)，伸縮縫，設(shè)置，溫度應(yīng)力

0 引言

眾所周知，絕大多數(shù)的物體都有熱脹冷縮現(xiàn)象，建筑結(jié)構(gòu)暴露在外界環(huán)境中當(dāng)然也存在同樣的現(xiàn)象，如果整個(gè)建筑都在同樣的溫度環(huán)境之下，而且各構(gòu)件又都可以隨意脹縮就不會(huì)存在太大的問題。但一棟建筑一定是作用在基礎(chǔ)上的，而基礎(chǔ)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(duì)建筑屋面影響很大，這樣就出現(xiàn)了基礎(chǔ)還沒有明顯脹縮的情況下，屋面已經(jīng)有了很大的脹縮，這種情況會(huì)使墻、柱等豎向構(gòu)件出現(xiàn)很大的拉、壓應(yīng)力；另外，由于混凝土材料自身的特性，新澆混凝土在凝結(jié)初期或硬化過程中會(huì)收縮，當(dāng)這種變形受到約束的時(shí)候，就會(huì)在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，它在結(jié)構(gòu)的長度方向和高度方向都會(huì)產(chǎn)生影響。在建筑和使用過程中，這些應(yīng)力必然存在，如果不能合理的消弱這部分應(yīng)力，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性產(chǎn)生影響。

為了消除或減小這種應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，規(guī)范上通常規(guī)定結(jié)構(gòu)溫度區(qū)段的宜用長度，伸縮縫把上部結(jié)構(gòu)從頂?shù)交A(chǔ)頂面斷開，分成幾個(gè)獨(dú)立的溫度區(qū)段來降低溫度變形對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；或者將混凝土結(jié)構(gòu)分割為較小的單元，從而避免引起較大的約束應(yīng)力和開裂，這樣如何設(shè)置溫度伸縮縫就成為了關(guān)鍵。鋼結(jié)構(gòu)建筑由于受力體系不同，對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的伸縮縫設(shè)置應(yīng)考慮因素也不同，這導(dǎo)致如何設(shè)置伸縮縫存在很大爭議。因此，本文對(duì)我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中涉及溫度縫設(shè)置條文進(jìn)行總結(jié)，分析鋼結(jié)構(gòu)房屋伸縮縫影響因素，并對(duì)減小溫度應(yīng)力的構(gòu)造措施進(jìn)行探討，為合理設(shè)置溫度縫提供參考。

1 相關(guān)規(guī)范及措施規(guī)定

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]8.1.1規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距可按表1確定，同時(shí)規(guī)范中還規(guī)定了對(duì)于柱高低于8 m及屋面無保溫、隔熱措施的排架結(jié)構(gòu)或經(jīng)常處于高溫作用下的結(jié)構(gòu)等，溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的間接作用效應(yīng)影響較大的不利情況，溫度伸縮縫的間距宜適當(dāng)減??；而當(dāng)施工時(shí)采取了一些改善這種不利影響的措施時(shí)，其伸縮縫的間距可以適當(dāng)增加。

表1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距 m

另外，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[2]3.4.12規(guī)定高層建筑結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距宜符合表2的規(guī)定，同時(shí)也規(guī)定當(dāng)采用有效的構(gòu)造措施和施工措施減小溫度和混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，可以適當(dāng)放寬伸縮縫的間距，而且規(guī)范列出了一些措施并規(guī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[3]8.1.5規(guī)定：單層房屋和露天結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長度(即伸縮縫的間距)，當(dāng)不超過表3的數(shù)值時(shí)，一般情況可不考慮溫度應(yīng)力和溫度變形的影響。

表3 溫度區(qū)段長度值 m

CECS 102—2002(2012版)門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[4]4.3.1門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長度(伸縮縫間距)，應(yīng)符合下列規(guī)定：縱向溫度區(qū)段不大于300 m；橫向溫度區(qū)段不大于150 m。當(dāng)有計(jì)算依據(jù)時(shí)，溫度區(qū)段長度可適當(dāng)加大。當(dāng)需要設(shè)置伸縮縫時(shí)，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(gòu)造上允許脹縮或設(shè)置雙柱。吊車梁與柱的連接處宜采用長圓孔。

2 鋼結(jié)構(gòu)伸縮縫設(shè)置應(yīng)考慮的問題

由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量輕、材料強(qiáng)度高、整體性能好、變形能力強(qiáng)、抗震性好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，不論是在工業(yè)還是民用建筑中，使得鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色，鋼結(jié)構(gòu)建筑不再局限于工業(yè)廠房、大跨度空間結(jié)構(gòu)和高層結(jié)構(gòu)，越來越多的多層，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋出現(xiàn)。

從我國各規(guī)范規(guī)定內(nèi)容上看，設(shè)置溫度伸縮縫時(shí)對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，規(guī)范規(guī)定的很多，也很詳細(xì)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范只規(guī)定了單層房屋、露天結(jié)構(gòu)和門式剛架輕型房屋這些單層鋼結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段設(shè)置的間距，而對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)在很多我們常用的相關(guān)規(guī)范中并無涉及。不過在《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(結(jié)構(gòu))》[5](2003版)第19章多層鋼結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充規(guī)定中條文如下：多層鋼結(jié)構(gòu)建筑物的最大伸縮縫區(qū)段長度一般可為150 m左右，若外墻為磚墻時(shí)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(shí)，為了避免不均勻沉降的影響，可設(shè)置自上而下的沉降縫(兼做防震縫)分離建筑物。

其實(shí)，雖然同樣是鋼結(jié)構(gòu)房屋，單層廠房、露天結(jié)構(gòu)、門式剛架輕型房屋都是單層鋼結(jié)構(gòu)和多層鋼結(jié)構(gòu)有很大的不同，主要表現(xiàn)在屋面或樓面結(jié)構(gòu)的不同上，前面規(guī)范所規(guī)定的這些單層鋼結(jié)構(gòu)屋面大都是輕型屋面，這些屋面大都只是溫度改變時(shí)會(huì)在屋面位置產(chǎn)生脹縮，這時(shí)的溫度應(yīng)力不大，因此規(guī)范所規(guī)定的變形縫設(shè)置的間距也很大，大都超過100 m；而多層鋼結(jié)構(gòu)房屋不同，其屋面板、樓面板通常是現(xiàn)澆混凝土的，這樣混凝土硬結(jié)收縮產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大影響，因此多層鋼結(jié)構(gòu)變形縫設(shè)置的間距就更嚴(yán)格，更接近于混凝土結(jié)構(gòu)了。另外，由于《民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》設(shè)計(jì)人員不常使用，故對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)伸縮縫間距的相關(guān)規(guī)定應(yīng)列入到《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中來。

同時(shí)，值得注意的是為了提高鋼結(jié)構(gòu)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(dú)柱大很多，如果設(shè)兩道以上的柱間支撐，由于溫度變形而引起的柱頂位移對(duì)兩道柱間支撐及中間的梁影響會(huì)很大，而由于混凝土結(jié)構(gòu)受拉能力遠(yuǎn)不如鋼結(jié)構(gòu)，如果樓板使用混凝土結(jié)構(gòu)，那么兩道支撐之間的混凝土樓板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，這一點(diǎn)必須引起足夠重視。在鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中，表8.1.5下有三個(gè)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(duì)稱布置于溫度區(qū)段中部。當(dāng)不對(duì)稱布置時(shí)，上述柱間支撐的中點(diǎn)(兩道柱間支撐時(shí)為兩支撐距離的中點(diǎn))至溫度區(qū)段端部的距離不宜大于表8.1.5縱向溫度區(qū)段長度的60%。就是考慮到柱間支撐的剛度而規(guī)定的。門式剛架房屋和多層鋼結(jié)構(gòu)房屋也存在較大剛度的柱間支撐問題，因此在規(guī)范中也應(yīng)該有明確規(guī)定。此外，在鋼結(jié)構(gòu)中不要在長建筑物的端部設(shè)置剛度很大的柱間支撐，因?yàn)槎瞬繕?gòu)件剛度愈大，限制溫度變形就愈嚴(yán)重，相應(yīng)溫度應(yīng)力就愈大。

對(duì)于一個(gè)實(shí)際工程來說，需要驗(yàn)算溫度應(yīng)力(溫度作用參與荷載組合)，其計(jì)算是非常復(fù)雜的。一般可以采用估算方法，即假定荷載的作用和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是線性關(guān)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力比上保留適當(dāng)比例的余量。但與其這樣，還不如直接按照規(guī)范規(guī)定設(shè)置溫度伸縮縫的間距用伸縮縫把結(jié)構(gòu)分開。通常認(rèn)為溫度縫間距滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)不需要驗(yàn)算溫度應(yīng)力。如果超出規(guī)范要求，可以按王鐵夢(mèng)[7]《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》一書計(jì)算柱頭容許位移值，當(dāng)滿足表4時(shí)，可以驗(yàn)算溫度應(yīng)力即可直接不設(shè)伸縮縫；如不滿足要求，需通過驗(yàn)算溫度應(yīng)力來確定是否設(shè)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(huì)造成多用材料、施工困難、構(gòu)造復(fù)雜及地震時(shí)伸縮縫處的碰撞破壞，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)也存在同樣的問題，尤其是鋼結(jié)構(gòu)廠房如果設(shè)置溫度伸縮縫還常常會(huì)發(fā)生漏水隱患，所以同其他結(jié)構(gòu)一樣，很多鋼結(jié)構(gòu)超出規(guī)范要求的時(shí)候都不希望設(shè)置或盡可能少設(shè)置伸縮縫。近些年，國內(nèi)外已經(jīng)比較普遍地采取了不設(shè)伸縮縫，僅從施工或構(gòu)造處理的角度來解決收縮應(yīng)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(jié)構(gòu)也適用于鋼結(jié)構(gòu)房屋。歸納起來大概有下面幾種措施：

1)設(shè)后澆帶。

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)中的收縮應(yīng)力主要由混凝土的硬結(jié)收縮引起時(shí)，可以在適當(dāng)距離選擇對(duì)結(jié)構(gòu)無嚴(yán)重影響的位置，在混凝土樓板上設(shè)置后澆帶，通常每30 m～40 m設(shè)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(gè)月的時(shí)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(shè)控制縫。

當(dāng)估計(jì)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生裂縫時(shí)，可以人為控制裂縫位置，使其有規(guī)律地發(fā)生在對(duì)結(jié)構(gòu)和建筑影響最小的部位，以保證整體結(jié)構(gòu)的安全，這種縫稱為控制縫。

3)局部設(shè)伸縮縫。

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

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

4 結(jié)語

目前來說，溫度、收縮應(yīng)力的理論計(jì)算還比較困難，溫度區(qū)段究竟允許多長還是一個(gè)需要探討的問題，但溫度收縮應(yīng)力問題必須引起重視。鋼結(jié)構(gòu)種類繁多，受力復(fù)雜，對(duì)于各種鋼結(jié)構(gòu)房屋的伸縮縫設(shè)置間距急需明確規(guī)定下來，使設(shè)計(jì)人員有章可循，有規(guī)范可以依靠。

[1] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50045—95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[3] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] CECS 102—2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(結(jié)構(gòu))[Z].2003.

[6] 包世華，張銅生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2012:39-40.

[7] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)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(jí)工程師

1009-6825(2015)08-0046-02

TU375

A