摘 要：本文从金属桥架的理论伸缩量计算和通常做法入手，分析、探讨伸缩节做法的适用范围和缺陷，通过论证和比对，建议将伸缩量由集中消除改为分散消除。并通过桥架承插接口和改性连接片的设置实现分散、消除桥架温差伸缩量的目的。
关键词：桥架；热胀冷缩；线性膨胀系数；伸缩节；伸缩量；承插式桥架；改性连接片
1．前言
桥架和电线导管是目前运用最为广泛的电气线路保护载体。随着专业的拓展和需求的增加，电气布线越来越复杂，而桥架相较于导管具有容量大、强度高、施工灵活、维修方便等特点，在大空间和线路密集的机房、竖井、通道等处更有明显的优势。
桥架作为各种电气线路的载体，既要保护电线免遭外界的损坏，也要减少因电气原因对外界造成的影响。因此电缆桥架应具有良好的防火、防触电隔离、防形变的性能，在人员可触及和环境影响较大的区域还应有良好的封闭效果。而制作桥架的材料（如铁或铝材）有其固有的物理、化学特性，如热胀冷缩和电化学反应等。热胀冷缩现象引起的桥架周期性的伸缩扰动会使金属疲劳断裂、柔性粘接物分离、硬质物间产生裂缝、接触面磨损、固定件松脱等情况发生；而电化学反应造成的锈蚀更是直接影响到桥架的耐久性、耐火性、防水和接地等使用功能。在高层、超高层较为普遍的今天，这些影响尤为突出。如果处理不当，将会给使用安全和使用功能带来不利的影响。因此，国家标准GB50303—2002《建筑电气工程施工质量验收规范》规定：电缆桥架应有足够的强度（不变形）和防腐性能（无锈蚀）；安装牢固；接地可靠；直线段超过一定长度（钢制桥架30米，铝合金或玻璃钢桥架15米）要设置伸缩节；桥架与支架间螺栓、桥架连接板螺栓固定紧固、无遗漏，螺母位于桥架外侧；当铝合金桥架与钢支架固定时，有相互间的绝缘防电化腐蚀措施。建设部批准的《电缆桥架安装》图册（编号04D701-3）也规定：钢制电缆桥架直线段长度超过30m，铝合金电缆桥架超过15m时，或当电缆桥架经过建筑伸缩（沉降）缝时应留20～30㎜补偿量，其连接宜采用伸缩连接板。一些推荐性的地方图册和验收、评优标准也有相同的内容。但这些资料对于伸缩节的设置方式、安装要求和适用范围都没有更详细的说明。本文将从桥架的伸缩问题入手，探讨桥架温差伸缩的解决方案。希望起到抛砖引玉的作用。
2．热胀冷缩变形量的计算
物体的热胀冷缩现象是大家熟知的、也是人类认识和运用较早的自然现象之一。我们用它修复瘪了的乒乓球，加工爆米花、蒸馒头、做膨化食品；用它的工作原理发明了温度计、内燃机、燃气轮机、制冷机等现代文明的动力源。当然，当我们对它重视不够的时候它也会搞点破坏，如冻裂水管、胀裂炉窑、使钢轨变形甚至断裂、让建筑物产生冷热裂缝。其实热胀冷缩现象并不神秘，只要我们揭示了它的原理和成因，通过适当的方法和措施，扬长避短，兴利除弊，热胀冷缩这一自然奇观将会继续为我们的生活增光添彩。
那么如何精确描述和测量热胀冷缩的效果呢？通过对大量的试验数据和测量结果分析，人们惊喜的发现：一种物质由于温度变化引起的轴线尺寸或体积的变化与温度的变化量呈现特定的函数关系，这种函数关系引用一个叫“线性膨胀系数”的参数（符号al）来表示，al指温度每变化1℃时材料长度变化量和它在0℃时的长度之比。单位为1/开。可用下式表示：
al=(lt-l0)/l0△t （1）
或lt=l0(1+al△t) （2）
式中：lt 表示温度为t℃时的长度
l0表示温度为0℃时的长度
△t表示温度的变化量，也叫温差
“线性膨胀系数”的绝对值与物质的晶体结构和晶体间结构键的强度密切相关，不同的物质有不同的系数，同种物质在不同温度条件下系数稍有不同；在常温下变化不大，可以将常温下的“线性膨胀系数”视为与温度无关的常数。因此，在实际运用中，如果已知一种物质t1温度状态下的长度l1，求t2温度状态下的长度l2，可以用下式进行简化计算：
l2=l1[1 +a1(t2-t1)] (3)
计算的方法已经找到，下面我们来计算一根2米长的钢质电缆桥架在最不利条件下的最大变化量：即气温从极端低（高）温变化到极端高（低）温时桥架的最大伸缩量。以下是通过网络查询得到的部分城市温度列表（表1）。
除列表的数据外，其他地区的极端温度有：2002年XX地区的43℃高温；2012年1月23日XX的-46.9℃低温；而号称三大火炉之首的XX近50年来的最高温度为42.3℃。
从以上的数据可以看到，南方地区极端温差较小，年平均气温较高；北方地区极端温差较大，年平均气温较低。其中极端温差最大的XX市，达到了73.3℃，最小的是XX市，只有30.6℃。为了计算的简单，极端温差取整数计算；升温/降温过程导致t2-t1 的值有正有负,但其绝对值不会变化,正负号仅代表是膨胀还是收缩。不影响计算结果；线性膨胀系数可查阅材料手册得到：钢质件a1=1.18×10-5/开。有了这些数据，可以算出单根桥架（长2m）在极端温差最大（74℃条件下）时的变形量△l。
l2=l1[1 +a1(t2-t1)] （4）
=2000×(1+1.18×10-5×74)
=2000+2000×1.18×10-5×74
=2001.75（㎜）
桥架的实际伸缩变形量△l为
△l= l2-l1 =1.75（㎜） （5）
通过上述的计算，得知2米的铁质桥架在温差74℃的范围内，其最大伸缩变形量为1.75㎜。在温差31℃的范围内，其最大伸缩变形量为0.73㎜。
（铝质桥架的“线性膨胀系数”a1=2.36×10-5/开，单根铝质桥架的理论伸缩长度也可进行计算。）
按照规范的要求，铁质桥架直线长度超过30米时必须做伸缩节，那么30米桥架的最大伸缩量将在11～26.3㎜之间（0.73×15～1.75㎜×15根）。
虽然大多数地区的实际温差不会达到74℃，而且安装时间也不会正好都在极端天气时进行，所以纯粹的伸长量或收缩量的概率极低，大多数情况下都是“热胀伸长量+冷缩量=伸缩变形量”，所以实际的热涨量或冷缩量都小于极端伸缩量。不同的地区因温差不同单根桥架的实际伸缩量会有差异。
3、存在的主要问题
室外桥架大多采用角钢、型钢、方钢、钢管等刚性支架固定；每根桥架（通常为2米）最大伸缩量达到0.73～1.75㎜，30米桥架的总伸缩量将达到11～26.3㎜。对于有刚性支架固定的桥架来说，由于桥架和支架间的刚性连接，桥架无法沿伸缩方向滑动，只能通过支架偏移或桥架起拱、侧移等形式抵消。当支架的强度足够大并且连接处无法滑动时，集中式伸缩节根本起不到预期的作用。室内桥架也存在相同的问题，室内小型水平桥架大部分采用圆钢吊杆+刚性防晃支架吊挂固定，由于圆钢的柔性可以适量偏移；而尺寸较大或负荷较重的水平线槽（或托盘）以及所有垂直桥架均采用角钢、型钢、方钢等刚性支、吊架螺栓固定，无法沿伸缩方向移动，集中设置的伸缩节也难以发挥预期的作用；有些梯架采用YB-2型压板固定，在压板较松的情况下伸缩状况可能稍好一点，但又会出现低端桥架应力集中的问题。
集中式伸缩节的设置，使每节桥架的温差伸缩量叠加，人为的放大每节桥架的伸缩位移，越邻近伸缩节桥架的位移量越大。桥架周期性温差伸缩不仅对固定支架产生影响，而且还影响层间防火封堵的严密性；更为严重的是放大后的伸缩量造成桥架内、外防火堵料错位（见图1），有效防火层厚度相对减小，影响防火封堵的效果，留下火灾隐患。
目前，为解决桥架伸缩问题同行们想了不少办法，比如在桥架固定点处沿伸缩方向开30㎜左右的长孔，采用圆头方颈螺栓固定，使桥架和支架保持半紧半松状态，保证桥架能小范围的滑动。这种办法是以牺牲桥架的封闭性和降低支架和桥架之间的接地可靠性换来的，而且由于垂直桥架直接承受重力，开长孔或松动压板会导致低端的桥架承受集中的外力，存在安全隐患。还有些单位在垂直线槽上加工弹簧或弹性支、挂件。现场加工不仅繁琐，质量也难以保证。
4．建议与措施
对于如何减少温差伸缩带来的影响，虽然可以在现有条件下采取一些补救措施，比如开发滑动支架、给支、吊件单独接地线，定制弹性或弹簧配件，增加防火封堵层的厚度等。这些措施只能解决单一的技术问题，综合效果不佳。笔者认为应将解决的思路从集中消除转变到分散消除的思路上来，从桥架本身做文章，让每节桥架都具有调节伸缩的功能，消除桥架的整体移位，借此解决桥架固定牢固与满足温差伸缩的矛盾。
按照上述的解决思路和前面的计算结果，我们知道每根桥架（通常为2米）的实际伸缩量（伸长量或收缩量）通常不会超过1.75㎜。如果在每根桥架的连接处预留不小于4㎜(>2*1.75㎜)的活动间隙，同时使连接板具有允许4㎜以上的微量活动的能力就可以解决这个问题。
根据这一想法，笔者设计了几个桥架配件，见图2～５。该配件与现在通用的桥架配件有些不同，主要体现在：
⑴ 将桥架的一端端口改为承插结构，保证线槽滑动时密封性并起到滑动导轨的作用。
⑵ 采用“V”型弹性连接板，保证两节桥架间的柔性连接和接地连续性。
⑶ 内承插接口桥架可以采用卡扣式连接板+接地线的方案，以节省安装材料和劳动力。对比的详细情况见表２。
通过理论计算和模型试验，改进后的桥架在刚性固定条件下可以满足桥架温差伸缩的要求，承插式接口加强了线槽接口部位的防火、密封性能。
5．两种桥架性能的比较
表2是普通桥架和改进后的桥架性能对比列表。
6．结论
笔者认为桥架温差伸缩量的分散消除比集中消除更有效、更安全，虽然会增加一些加工成本和制作难度，但现场安装更简单可靠；特别是卡口式连接方式做到少螺栓连接，节约安装成本和劳动力资源，值得大家继续研究。
7．结束语
桥架温差伸缩的问题，是一个重要而且永恒的话题，因此，桥架温差伸缩的理论研究和实践探索也不会就此停息，在这里作者只是作了一些有益的尝试，期待大家的共同参与。