摘  要:本文從金屬橋架的理論伸縮量計算和通常做法入手,分析、探討伸縮節做法的適用范圍和缺陷,通過論證和比對,建議將伸縮量由集中消除改為分散消除。并通過橋架承插接口和改性連接片的設置實現分散、消除橋架溫差伸縮量的目的。

關鍵詞:橋架;熱脹冷縮;線性膨脹系數;伸縮節;伸縮量;承插式橋架;改性連接片

1.前言

橋架和電線導管是目前運用最為廣泛的電氣線路保護載體。隨著專業的拓展和需求的增加,電氣布線越來越復雜,而橋架相較于導管具有容量大、強度高、施工靈活、維修方便等特點,在大空間和線路密集的機房、豎井、通道等處更有明顯的優勢。

橋架作為各種電氣線路的載體,既要保護電線免遭外界的損壞,也要減少因電氣原因對外界造成的影響。因此電纜橋架應具有良好的防火、防觸電隔離、防形變的性能,在人員可觸及和環境影響較大的區域還應有良好的封閉效果。而制作橋架的材料(如鐵或鋁材)有其固有的物理、化學特性,如熱脹冷縮和電化學反應等。熱脹冷縮現象引起的橋架周期性的伸縮擾動會使金屬疲勞斷裂、柔性粘接物分離、硬質物間產生裂縫、接觸面磨損、固定件松脫等情況發生;而電化學反應造成的銹蝕更是直接影響到橋架的耐久性、耐火性、防水和接地等使用功能。在高層、超高層較為普遍的今天,這些影響尤為突出。如果處理不當,將會給使用安全和使用功能帶來不利的影響。因此,國家標準GB50303—2002《建筑電氣工程施工質量驗收規范》規定:電纜橋架應有足夠的強度(不變形)和防腐性能(無銹蝕);安裝牢固;接地可靠;直線段超過一定長度(鋼制橋架30米,鋁合金或玻璃鋼橋架15米)要設置伸縮節;橋架與支架間螺栓、橋架連接板螺栓固定緊固、無遺漏,螺母位于橋架外側;當鋁合金橋架與鋼支架固定時,有相互間的絕緣防電化腐蝕措施。建設部批準的《電纜橋架安裝》圖冊(編號04D701-3)也規定:鋼制電纜橋架直線段長度超過30m,鋁合金電纜橋架超過15m時,或當電纜橋架經過建筑伸縮(沉降)縫時應留20~30㎜補償量,其連接宜采用伸縮連接板。一些推薦性的地方圖冊和驗收、評優標準也有相同的內容。但這些資料對于伸縮節的設置方式、安裝要求和適用范圍都沒有更詳細的說明。本文將從橋架的伸縮問題入手,探討橋架溫差伸縮的解決方案。希望起到拋磚引玉的作用。

2.熱脹冷縮變形量的計算

物體的熱脹冷縮現象是大家熟知的、也是人類認識和運用較早的自然現象之一。我們用它修復癟了的乒乓球,加工爆米花、蒸饅頭、做膨化食品;用它的工作原理發明了溫度計、內燃機、燃氣輪機、制冷機等現代文明的動力源。當然,當我們對它重視不夠的時候它也會搞點破壞,如凍裂水管、脹裂爐窯、使鋼軌變形甚至斷裂、讓建筑物產生冷熱裂縫。其實熱脹冷縮現象并不神秘,只要我們揭示了它的原理和成因,通過適當的方法和措施,揚長避短,興利除弊,熱脹冷縮這一自然奇觀將會繼續為我們的生活增光添彩。

那么如何精確描述和測量熱脹冷縮的效果呢?通過對大量的試驗數據和測量結果分析,人們驚喜的發現:一種物質由于溫度變化引起的軸線尺寸或體積的變化與溫度的變化量呈現特定的函數關系,這種函數關系引用一個叫“線性膨脹系數”的參數(符號al)來表示,al指溫度每變化1℃時材料長度變化量和它在0℃時的長度之比。單位為1/開。可用下式表示:

al=(lt-l0)/l0△t             (1)

或lt=l0(1+al△t)          (2)

式中:lt 表示溫度為t℃時的長度

l0表示溫度為0℃時的長度

△t表示溫度的變化量,也叫溫差

 “線性膨脹系數”的絕對值與物質的晶體結構和晶體間結構鍵的強度密切相關,不同的物質有不同的系數,同種物質在不同溫度條件下系數稍有不同;在常溫下變化不大,可以將常溫下的“線性膨脹系數”視為與溫度無關的常數。因此,在實際運用中,如果已知一種物質t1溫度狀態下的長度l1,求t2溫度狀態下的長度l2,可以用下式進行簡化計算:

l2=l1[1 +a1(t2-t1)]      (3)

計算的方法已經找到,下面我們來計算一根2米長的鋼質電纜橋架在最不利條件下的最大變化量:即氣溫從極端低(高)溫變化到極端高(低)溫時橋架的最大伸縮量。以下是通過網絡查詢得到的部分城市溫度列表(表1)。

QQ截圖20200610140842.png

除列表的數據外,其他地區的極端溫度有:2002年XX地區的43℃高溫;2012年1月23日XX的-46.9℃低溫;而號稱三大火爐之首的XX近50年來的最高溫度為42.3℃。

從以上的數據可以看到,南方地區極端溫差較小,年平均氣溫較高;北方地區極端溫差較大,年平均氣溫較低。其中極端溫差最大的XX市,達到了73.3℃,最小的是XX市,只有30.6℃。為了計算的簡單,極端溫差取整數計算;升溫/降溫過程導致t2-t1 的值有正有負,但其絕對值不會變化,正負號僅代表是膨脹還是收縮。不影響計算結果;線性膨脹系數可查閱材料手冊得到:鋼質件a1=1.18×10-5/開。有了這些數據,可以算出單根橋架(長2m)在極端溫差最大(74℃條件下)時的變形量△l。

l2=l1[1 +a1(t2-t1)]     (4)

 =2000×(1+1.18×10-5×74)

 =2000+2000×1.18×10-5×74

 =2001.75(㎜)

橋架的實際伸縮變形量△l為

△l= l2-l1 =1.75(㎜)    (5)

通過上述的計算,得知2米的鐵質橋架在溫差74℃的范圍內,其最大伸縮變形量為1.75㎜。在溫差31℃的范圍內,其最大伸縮變形量為0.73㎜。

(鋁質橋架的“線性膨脹系數”a1=2.36×10-5/開,單根鋁質橋架的理論伸縮長度也可進行計算。)

按照規范的要求,鐵質橋架直線長度超過30米時必須做伸縮節,那么30米橋架的最大伸縮量將在11~26.3㎜之間(0.73×15~1.75㎜×15根)。

雖然大多數地區的實際溫差不會達到74℃,而且安裝時間也不會正好都在極端天氣時進行,所以純粹的伸長量或收縮量的概率極低,大多數情況下都是“熱脹伸長量+冷縮量=伸縮變形量”,所以實際的熱漲量或冷縮量都小于極端伸縮量。不同的地區因溫差不同單根橋架的實際伸縮量會有差異。

3、存在的主要問題

室外橋架大多采用角鋼、型鋼、方鋼、鋼管等剛性支架固定;每根橋架(通常為2米)最大伸縮量達到0.73~1.75㎜,30米橋架的總伸縮量將達到11~26.3㎜。對于有剛性支架固定的橋架來說,由于橋架和支架間的剛性連接,橋架無法沿伸縮方向滑動,只能通過支架偏移或橋架起拱、側移等形式抵消。當支架的強度足夠大并且連接處無法滑動時,集中式伸縮節根本起不到預期的作用。室內橋架也存在相同的問題,室內小型水平橋架大部分采用圓鋼吊桿+剛性防晃支架吊掛固定,由于圓鋼的柔性可以適量偏移;而尺寸較大或負荷較重的水平線槽(或托盤)以及所有垂直橋架均采用角鋼、型鋼、方鋼等剛性支、吊架螺栓固定,無法沿伸縮方向移動,集中設置的伸縮節也難以發揮預期的作用;有些梯架采用YB-2型壓板固定,在壓板較松的情況下伸縮狀況可能稍好一點,但又會出現低端橋架應力集中的問題。

集中式伸縮節的設置,使每節橋架的溫差伸縮量疊加,人為的放大每節橋架的伸縮位移,越鄰近伸縮節橋架的位移量越大。橋架周期性溫差伸縮不僅對固定支架產生影響,而且還影響層間防火封堵的嚴密性;更為嚴重的是放大后的伸縮量造成橋架內、外防火堵料錯位(見圖1),有效防火層厚度相對減小,影響防火封堵的效果,留下火災隱患。

QQ截圖20200610140910.png

目前,為解決橋架伸縮問題同行們想了不少辦法,比如在橋架固定點處沿伸縮方向開30㎜左右的長孔,采用圓頭方頸螺栓固定,使橋架和支架保持半緊半松狀態,保證橋架能小范圍的滑動。這種辦法是以犧牲橋架的封閉性和降低支架和橋架之間的接地可靠性換來的,而且由于垂直橋架直接承受重力,開長孔或松動壓板會導致低端的橋架承受集中的外力,存在安全隱患。還有些單位在垂直線槽上加工彈簧或彈性支、掛件。現場加工不僅繁瑣,質量也難以保證。

4.建議與措施

對于如何減少溫差伸縮帶來的影響,雖然可以在現有條件下采取一些補救措施,比如開發滑動支架、給支、吊件單獨接地線,定制彈性或彈簧配件,增加防火封堵層的厚度等。這些措施只能解決單一的技術問題,綜合效果不佳。筆者認為應將解決的思路從集中消除轉變到分散消除的思路上來,從橋架本身做文章,讓每節橋架都具有調節伸縮的功能,消除橋架的整體移位,借此解決橋架固定牢固與滿足溫差伸縮的矛盾。

按照上述的解決思路和前面的計算結果,我們知道每根橋架(通常為2米)的實際伸縮量(伸長量或收縮量)通常不會超過1.75㎜。如果在每根橋架的連接處預留不小于4㎜(>2*1.75㎜)的活動間隙,同時使連接板具有允許4㎜以上的微量活動的能力就可以解決這個問題。

根據這一想法,筆者設計了幾個橋架配件,見圖2~5。該配件與現在通用的橋架配件有些不同,主要體現在:

⑴ 將橋架的一端端口改為承插結構,保證線槽滑動時密封性并起到滑動導軌的作用。

⑵ 采用“V”型彈性連接板,保證兩節橋架間的柔性連接和接地連續性。

⑶ 內承插接口橋架可以采用卡扣式連接板+接地線的方案,以節省安裝材料和勞動力。對比的詳細情況見表2。

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通過理論計算和模型試驗,改進后的橋架在剛性固定條件下可以滿足橋架溫差伸縮的要求,承插式接口加強了線槽接口部位的防火、密封性能。

5.兩種橋架性能的比較

表2是普通橋架和改進后的橋架性能對比列表。

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6.結論

筆者認為橋架溫差伸縮量的分散消除比集中消除更有效、更安全,雖然會增加一些加工成本和制作難度,但現場安裝更簡單可靠;特別是卡口式連接方式做到少螺栓連接,節約安裝成本和勞動力資源,值得大家繼續研究。

7.結束語

橋架溫差伸縮的問題,是一個重要而且永恒的話題,因此,橋架溫差伸縮的理論研究和實踐探索也不會就此停息,在這里作者只是作了一些有益的嘗試,期待大家的共同參與。