钢结构伸缩缝设置问题的探讨

徐 伟 涛

(中国建筑股份有限公司，北京 100125)

钢结构伸缩缝设置问题的探讨

徐 伟 涛

(中国建筑股份有限公司，北京 100125)

对我国设计规范中涉及温度缝设置条文进行总结，分析了钢结构房屋伸缩缝影响因素，并对减小温度应力的构造措施进行了研究探讨，以期为合理设置温度伸缩缝提供一定的参考依据。

钢结构，伸缩缝，设置，温度应力

0 引言

众所周知，绝大多数的物体都有热胀冷缩现象，建筑结构暴露在外界环境中当然也存在同样的现象，如果整个建筑都在同样的温度环境之下，而且各构件又都可以随意胀缩就不会存在太大的问题。但一栋建筑一定是作用在基础上的，而基础又深埋在地下，地下的温度往往没有地上温度变化得大，况且温度的变化对建筑屋面影响很大，这样就出现了基础还没有明显胀缩的情况下，屋面已经有了很大的胀缩，这种情况会使墙、柱等竖向构件出现很大的拉、压应力；另外，由于混凝土材料自身的特性，新浇混凝土在凝结初期或硬化过程中会收缩，当这种变形受到约束的时候，就会在结构的内部产生应力，它在结构的长度方向和高度方向都会产生影响。在建筑和使用过程中，这些应力必然存在，如果不能合理的消弱这部分应力，会对结构的安全性和耐久性产生影响。

为了消除或减小这种应力对结构的影响，规范上通常规定结构温度区段的宜用长度，伸缩缝把上部结构从顶到基础顶面断开，分成几个独立的温度区段来降低温度变形对结构的不利影响；或者将混凝土结构分割为较小的单元，从而避免引起较大的约束应力和开裂，这样如何设置温度伸缩缝就成为了关键。钢结构建筑由于受力体系不同，对应不同结构的伸缩缝设置应考虑因素也不同，这导致如何设置伸缩缝存在很大争议。因此，本文对我国现行设计规范中涉及温度缝设置条文进行总结，分析钢结构房屋伸缩缝影响因素，并对减小温度应力的构造措施进行探讨，为合理设置温度缝提供参考。

1 相关规范及措施规定

混凝土结构设计规范[1]8.1.1规定钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距可按表1确定，同时规范中还规定了对于柱高低于8 m及屋面无保温、隔热措施的排架结构或经常处于高温作用下的结构等，温度应力对结构的间接作用效应影响较大的不利情况，温度伸缩缝的间距宜适当减小；而当施工时采取了一些改善这种不利影响的措施时，其伸缩缝的间距可以适当增加。

表1 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距 m

另外，高层民用建筑设计防火规范[2]3.4.12规定高层建筑结构伸缩缝的最大间距宜符合表2的规定，同时也规定当采用有效的构造措施和施工措施减小温度和混凝土收缩对结构的影响时，可以适当放宽伸缩缝的间距，而且规范列出了一些措施并规定不限于这些措施，只要措施有效都可以放宽伸缩缝的间距。

表2 伸缩缝的最大间距

钢结构设计规范[3]8.1.5规定：单层房屋和露天结构的温度区段长度(即伸缩缝的间距)，当不超过表3的数值时，一般情况可不考虑温度应力和温度变形的影响。

表3 温度区段长度值 m

CECS 102—2002(2012版)门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[4]4.3.1门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度(伸缩缝间距)，应符合下列规定：纵向温度区段不大于300 m；横向温度区段不大于150 m。当有计算依据时，温度区段长度可适当加大。当需要设置伸缩缝时，可采用两种做法：在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造上允许胀缩或设置双柱。吊车梁与柱的连接处宜采用长圆孔。

2 钢结构伸缩缝设置应考虑的问题

由于钢结构构件重量轻、材料强度高、整体性能好、变形能力强、抗震性好、施工速度快等优点，不论是在工业还是民用建筑中，使得钢结构在建筑领域中扮演着越来越重要的角色，钢结构建筑不再局限于工业厂房、大跨度空间结构和高层结构，越来越多的多层，高层钢结构房屋出现。

从我国各规范规定内容上看，设置温度伸缩缝时对于混凝土结构，规范规定的很多，也很详细，对于钢结构相关规范只规定了单层房屋、露天结构和门式刚架轻型房屋这些单层钢结构的温度区段设置的间距，而对于多层钢结构在很多我们常用的相关规范中并无涉及。不过在《全国民用建筑工程设计技术措施(结构)》[5](2003版)第19章多层钢结构的补充规定中条文如下：多层钢结构建筑物的最大伸缩缝区段长度一般可为150 m左右，若外墙为砖墙时一般可取60 m～90 m。此外，在同一多层建筑中若高度相差较多时，为了避免不均匀沉降的影响，可设置自上而下的沉降缝(兼做防震缝)分离建筑物。

其实，虽然同样是钢结构房屋，单层厂房、露天结构、门式刚架轻型房屋都是单层钢结构和多层钢结构有很大的不同，主要表现在屋面或楼面结构的不同上，前面规范所规定的这些单层钢结构屋面大都是轻型屋面，这些屋面大都只是温度改变时会在屋面位置产生胀缩，这时的温度应力不大，因此规范所规定的变形缝设置的间距也很大，大都超过100 m；而多层钢结构房屋不同，其屋面板、楼面板通常是现浇混凝土的，这样混凝土硬结收缩产生的应力对结构会产生很大影响，因此多层钢结构变形缝设置的间距就更严格，更接近于混凝土结构了。另外，由于《民用建筑工程设计技术措施》设计人员不常使用，故对于多层钢结构伸缩缝间距的相关规定应列入到《钢结构设计规范》中来。

同时，值得注意的是为了提高钢结构房屋的整体刚度，我们通常在柱间增加支撑，而柱间支撑的刚度比单独柱大很多，如果设两道以上的柱间支撑，由于温度变形而引起的柱顶位移对两道柱间支撑及中间的梁影响会很大，而由于混凝土结构受拉能力远不如钢结构，如果楼板使用混凝土结构，那么两道支撑之间的混凝土楼板内部会产生较大拉应力，这一点必须引起足够重视。在钢结构规范中，表8.1.5下有三个注意条款，其中第二条：无桥式吊车房屋的柱间支撑和有桥式吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑宜对称布置于温度区段中部。当不对称布置时，上述柱间支撑的中点(两道柱间支撑时为两支撑距离的中点)至温度区段端部的距离不宜大于表8.1.5纵向温度区段长度的60%。就是考虑到柱间支撑的刚度而规定的。门式刚架房屋和多层钢结构房屋也存在较大刚度的柱间支撑问题，因此在规范中也应该有明确规定。此外，在钢结构中不要在长建筑物的端部设置刚度很大的柱间支撑，因为端部构件刚度愈大，限制温度变形就愈严重，相应温度应力就愈大。

对于一个实际工程来说，需要验算温度应力(温度作用参与荷载组合)，其计算是非常复杂的。一般可以采用估算方法，即假定荷载的作用和结构的响应是线性关系，找出控制组合的组合值，然后把有温度作用参与组合的组合值与之比较，在结构的应力比上保留适当比例的余量。但与其这样，还不如直接按照规范规定设置温度伸缩缝的间距用伸缩缝把结构分开。通常认为温度缝间距满足规范要求的结构不需要验算温度应力。如果超出规范要求，可以按王铁梦[7]《工程结构裂缝控制》一书计算柱头容许位移值，当满足表4时，可以验算温度应力即可直接不设伸缩缝；如不满足要求，需通过验算温度应力来确定是否设置伸缩缝。

表4 柱头位移容许值

3 放宽伸缩缝间距可采取的措施[6]

众所周知伸缩缝会造成多用材料、施工困难、构造复杂及地震时伸缩缝处的碰撞破坏，对于钢结构也存在同样的问题，尤其是钢结构厂房如果设置温度伸缩缝还常常会发生漏水隐患，所以同其他结构一样，很多钢结构超出规范要求的时候都不希望设置或尽可能少设置伸缩缝。近些年，国内外已经比较普遍地采取了不设伸缩缝，仅从施工或构造处理的角度来解决收缩应力问题的方法，取得了较好的效果，这些方法适用于混凝土结构也适用于钢结构房屋。归纳起来大概有下面几种措施：

1)设后浇带。

当钢结构中的收缩应力主要由混凝土的硬结收缩引起时，可以在适当距离选择对结构无严重影响的位置，在混凝土楼板上设置后浇带，通常每30 m～40 m设一道，混凝土早期收缩占总收缩的大部分，如果后浇带保留一个月的时间，在此期间，混凝土收缩变形可以完成30%～40%，带宽一般为0.8 m～1.0 m，正确使用这种方法一般能取得消除混凝土收缩的较好效果。

2)设控制缝。

当估计结构可能发生裂缝时，可以人为控制裂缝位置，使其有规律地发生在对结构和建筑影响最小的部位，以保证整体结构的安全，这种缝称为控制缝。

3)局部设伸缩缝。

由于结构顶部及底部受到的温度应力比较大，因此在多、高层结构中可以采取在上面或下面几层局部设缝的办法，通常取全高的1/4左右。

4)从布置和构造上采取措施减少温度应力的影响，通常由于屋顶受到的温度应力比较大，可以采取有效的保温隔热措施，如，设双层屋顶或使屋顶不连成整片大面积，而是做成高低错落的屋面。

4 结语

目前来说，温度、收缩应力的理论计算还比较困难，温度区段究竟允许多长还是一个需要探讨的问题，但温度收缩应力问题必须引起重视。钢结构种类繁多，受力复杂，对于各种钢结构房屋的伸缩缝设置间距急需明确规定下来，使设计人员有章可循，有规范可以依靠。

[1] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[2] GB 50045—95，高层民用建筑设计防火规范[S].

[3] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[4] CECS 102—2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[5] 全国民用建筑工程设计技术措施(结构)[Z].2003.

[6] 包世华，张铜生.高层建筑结构设计和计算[M].第2版.北京：清华大学出版社，2012:39-40.

[7] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，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

徐伟涛(1976- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)08-0046-02

TU375

A