高層建筑用平面滑移支撐設計研究

張永兆 姜文英 顧海龍 李恒躍

(洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000)

1 概述

玻璃幕墻作為現代高層建筑的外觀標志，它將建筑美學、建筑功能、建筑節能和建筑結構等因素有機的統一在一起，提高了建筑品質，豐富了城市景色[1]。隨著建筑高度的增加，風載荷也越來越大，已成為高層建筑和高聳建筑結構的主要側向荷載[2]。為了保證玻璃幕墻系統的正常工作，降低幕墻支撐結構應力水平，必須合理設計幕墻支撐結構與主體結構之間的連接方式，以減小風載對玻璃幕墻和主體結構的影響[3]。

本研究針對高層建筑開發了一種建筑用平面滑移支撐，該產品用于建筑玻璃幕墻支撐結構與建筑主體之間，能夠承擔幕墻支撐結構的水平橫向載荷，為支撐結構提供縱向和豎向位移；同時該平面滑移支撐還具有一定的減震降噪功能。

2 平面滑移支撐設計過程

2.1 平面滑移支撐技術指標

根據設計院高層建筑的設計要求，該建筑用平面滑移支撐技術指標如表1所示。

表1 平面滑移支座技術指標

2.2 平面滑移支撐結構設計

平面滑移支撐的主要功能是承擔幕墻支撐結構的橫向載荷，能夠實現支撐結構的縱向和豎向位移同時兼具有降低結構振動和噪聲的功能。

因此將平面滑移支撐結構設計成三部分組成，分別為上支撐板、中間承壓板和下支撐板。根據建筑結構的尺寸要求，設計制造的平面滑移支撐結構如圖1所示。

從設計結構來看，采用三層結構不僅可以實現承載功能，而且可以實現平面滑移支撐的滑動要求。從設計尺寸看，平面滑移支撐的尺寸滿足安裝空間和滑動位移的要求。

2.3 平面滑移支撐選材

平面滑移支撐主體材料(上下支撐板)采用常規的結構鋼，以滿足平面滑移支撐的安裝及承載要求。

中間承載板選用承載能力強、阻尼性能好、耐老化能力優異的非金屬材料，以實現平面滑移支撐的承載、減振及降噪功能。依據目前橋梁支座的選材及平面滑移支撐的安裝使用環境及美國公路橋梁設計規范AASHTO中第18章描述，我們選用耐熱型聚氨酯彈性體作為平面滑移支撐的中間承壓部件材料[4,5]。耐熱性聚氨酯彈性體具有承載能力高、耐磨性能好、耐油脂及耐化學品性優良、耐熱氧和臭氧性能優良、耐疲勞性和抗震性能好，抗沖擊性高，耐熱型聚氨酯彈性體可耐140 ℃高溫等特點[6,7]。

3 平面滑移支撐產品性能研究

為了驗證建筑抗風支座的設計及制造的可靠性，我們對平面滑移支撐所用材料及產品開展了相應的研究工作。

3.1 平面滑移支撐承載性能研究

按照產品設計要求對平面滑移支撐進行承載性能研究。對平面滑移支撐施加1.5倍設計載荷，記錄豎向變形曲線，如圖2所示。

從圖2平面滑移支撐承載性能試驗曲線可以看出，平面滑移支撐在設計載荷作用下的豎向變形為2.02 mm；試驗結束后對平面滑移支撐進行檢查，發現平面滑移支撐在高承載下并未出現有材料破壞的現象。

平面滑移支撐最薄弱的部位為中間承載板，中間承載板選用的是承載能力強的聚氨酯，其交聯固化后的長期使用壓應力可達40 MPa以上；而平面滑移支撐設計載荷下聚氨酯承載板的設計應力為11 MPa，遠小于其長期使用應力，因此完全滿足平面滑移支撐的使用要求。

3.2 平面滑移支撐摩擦性能研究

平面滑移支撐在使用過程中要為玻璃幕墻結構提供豎向和縱向位移，必須滿足一定的摩擦系數以減小滑動阻力，因此對平面滑移支撐進行了摩擦性能研究。將平面滑移支撐豎向承載力分別加載至750 kN,1 500 kN,2 250 kN，保壓3 min，然后進行水平加載測試平面滑移支撐的摩擦系數。結果如圖3所示。

從測試結果看，平面滑移支撐的靜摩擦系數和動摩擦系數均小于0.06，滿足平面滑移支撐的設計要求；從摩擦系數與壓力的關系可以看出，隨著壓力的增大，平面滑移支撐的靜摩擦系數和動摩擦系數均逐漸減小。平面滑移支撐摩擦副由聚四氟乙烯板和不銹鋼板構成，聚四氟乙烯具有摩擦系數小、自潤滑性能優異的特點，因此平面滑移支撐的摩擦系數較小。當摩擦副受到豎向載荷作用時，它們僅在微凸體頂端接觸，隨著載荷的增大，相接觸的微凸體壓力逐漸增大，當豎向載荷增大至某一臨界值時，引起微凸體的塑性變形，在水平載荷的作用下很容易發生滑動；同時，隨著豎向荷載的增大，而水平運動的摩擦力卻增大不多，從而引起摩擦系數的逐漸減小。

平面滑移支撐摩擦系數符合設計指標，滿足高層建筑受風載影響時幕墻支撐結構豎向和縱向滑動的要求。

3.3 平面滑移支撐極限承載性能研究

平面滑移支撐在使用過程中受風向、安裝誤差等因素的影響，有可能發生偏載，造成局部受力過大，因此有必要針對平面滑移支撐進行極限承載性能研究。對平面滑移支撐施加12 000 kN載荷，此時中間承載板的應力達到了85 MPa，遠大于其設計壓應力。其結果如圖4所示。

從圖4平面滑移支撐極限承載試驗曲線可以看出，當平面滑移支撐受到8倍設計載荷作用時，變形量增大至16 mm，試驗結束后對平面滑移支撐進行了詳細檢查，其上下支撐板及中間承壓板均完好無損，且放置一段時間后其高度基本恢復至原始狀態。試驗結果表明選用的聚氨酯承載板具有很強的承載能力，其極限承載能力遠遠大于其設計水平。保證了平面滑移支撐使用過程中受到偏載時不發生破壞。

3.4 聚氨酯抗蠕變性能試驗

蠕變現象在高分子材料中普遍存在，平面滑移支撐中間承壓板選用聚氨酯高分子材料，長期受載狀態有可能發生蠕變現象，因此針對平面滑移支撐進行了蠕變性能研究。對平面滑移支撐施加設計載荷，并持荷24 h，記錄支座高度變化曲線，見圖5。

從圖5測試結果可以看出平面滑移支撐在24 h內的蠕變量非常小。從開始到第24小時材料的蠕變量為0.374 mm。平面滑移支撐24 h蠕變曲線，擬合出平面滑移支撐蠕變公式，并推算出1年后的蠕變量為0.63 mm， 50年后的蠕變量為0.89 mm，由此可見平面滑移支撐在長期受載狀態下的抗蠕變性能優異。平面滑移支撐的上下支撐板為鋼結構不存在蠕變現象，發生蠕變的是中間承載板，承載板選用聚氨酯，聚氨酯具有良好的抗蠕變性能，我們選用的聚氨酯屬于熱固性，在成型后其內部結構呈交聯結構，分子鏈相互纏結，在外力作用下分子鏈段運動，因此長期受載作用下蠕變量小。平面滑移支撐的抗蠕變性能表明了該產品能夠滿足幕墻支撐結構的長期使用要求。

3.5 平面滑移支撐耐老化性能研究

平面滑移支撐在高層建筑中使用溫度高、長期受光照、熱氧作用；若中間承載板材料選擇不當，會發生老化現象，嚴重時會影響產品性能，因此必須對中間承載板聚氨酯材料進行耐老化性能研究，研究結果見表2。

表2 聚氨酯熱空氣老化試驗結果

從表2老化前后結果可以看出，經過100 ℃×168 h苛刻的熱空氣老化后，聚氨酯材料的硬度及力學性能基本無變化，表明我們選用的聚氨酯材料具有良好的耐老化性能，能夠滿足建筑用平面滑移支撐在高層建筑中高溫及熱氧等惡劣環境中的使用要求。

4 結語

1)平面滑移支撐的承載性能、摩擦性能、極限承載性能及蠕變性能均達到了設計指標，滿足承擔玻璃幕墻橫向載荷、減小豎向和縱向滑動摩擦阻力的要求，并且能夠滿足平面滑移支撐長期受載的使用要求。

2)平面滑移支撐選用的聚氨酯材料具有優異的耐老化性能，滿足高層建筑惡劣的使用環境。

3)平面滑移支撐解作為玻璃幕墻與建筑主體結構的連接紐帶，具有橫向承載和縱向及豎向滑移的功能，能夠減小風荷載對玻璃幕墻和主體結構影響。