高层建筑用平面滑移支撑设计研究

张永兆 姜文英 顾海龙 李恒跃

(洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000)

1 概述

玻璃幕墙作为现代高层建筑的外观标志，它将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机的统一在一起，提高了建筑品质，丰富了城市景色[1]。随着建筑高度的增加，风载荷也越来越大，已成为高层建筑和高耸建筑结构的主要侧向荷载[2]。为了保证玻璃幕墙系统的正常工作，降低幕墙支撑结构应力水平，必须合理设计幕墙支撑结构与主体结构之间的连接方式，以减小风载对玻璃幕墙和主体结构的影响[3]。

本研究针对高层建筑开发了一种建筑用平面滑移支撑，该产品用于建筑玻璃幕墙支撑结构与建筑主体之间，能够承担幕墙支撑结构的水平横向载荷，为支撑结构提供纵向和竖向位移；同时该平面滑移支撑还具有一定的减震降噪功能。

2 平面滑移支撑设计过程

2.1 平面滑移支撑技术指标

根据设计院高层建筑的设计要求，该建筑用平面滑移支撑技术指标如表1所示。

表1 平面滑移支座技术指标

2.2 平面滑移支撑结构设计

平面滑移支撑的主要功能是承担幕墙支撑结构的横向载荷，能够实现支撑结构的纵向和竖向位移同时兼具有降低结构振动和噪声的功能。

因此将平面滑移支撑结构设计成三部分组成，分别为上支撑板、中间承压板和下支撑板。根据建筑结构的尺寸要求，设计制造的平面滑移支撑结构如图1所示。

从设计结构来看，采用三层结构不仅可以实现承载功能，而且可以实现平面滑移支撑的滑动要求。从设计尺寸看，平面滑移支撑的尺寸满足安装空间和滑动位移的要求。

2.3 平面滑移支撑选材

平面滑移支撑主体材料(上下支撑板)采用常规的结构钢，以满足平面滑移支撑的安装及承载要求。

中间承载板选用承载能力强、阻尼性能好、耐老化能力优异的非金属材料，以实现平面滑移支撑的承载、减振及降噪功能。依据目前桥梁支座的选材及平面滑移支撑的安装使用环境及美国公路桥梁设计规范AASHTO中第18章描述，我们选用耐热型聚氨酯弹性体作为平面滑移支撑的中间承压部件材料[4,5]。耐热性聚氨酯弹性体具有承载能力高、耐磨性能好、耐油脂及耐化学品性优良、耐热氧和臭氧性能优良、耐疲劳性和抗震性能好，抗冲击性高，耐热型聚氨酯弹性体可耐140 ℃高温等特点[6,7]。

3 平面滑移支撑产品性能研究

为了验证建筑抗风支座的设计及制造的可靠性，我们对平面滑移支撑所用材料及产品开展了相应的研究工作。

3.1 平面滑移支撑承载性能研究

按照产品设计要求对平面滑移支撑进行承载性能研究。对平面滑移支撑施加1.5倍设计载荷，记录竖向变形曲线，如图2所示。

从图2平面滑移支撑承载性能试验曲线可以看出，平面滑移支撑在设计载荷作用下的竖向变形为2.02 mm；试验结束后对平面滑移支撑进行检查，发现平面滑移支撑在高承载下并未出现有材料破坏的现象。

平面滑移支撑最薄弱的部位为中间承载板，中间承载板选用的是承载能力强的聚氨酯，其交联固化后的长期使用压应力可达40 MPa以上；而平面滑移支撑设计载荷下聚氨酯承载板的设计应力为11 MPa，远小于其长期使用应力，因此完全满足平面滑移支撑的使用要求。

3.2 平面滑移支撑摩擦性能研究

平面滑移支撑在使用过程中要为玻璃幕墙结构提供竖向和纵向位移，必须满足一定的摩擦系数以减小滑动阻力，因此对平面滑移支撑进行了摩擦性能研究。将平面滑移支撑竖向承载力分别加载至750 kN,1 500 kN,2 250 kN，保压3 min，然后进行水平加载测试平面滑移支撑的摩擦系数。结果如图3所示。

从测试结果看，平面滑移支撑的静摩擦系数和动摩擦系数均小于0.06，满足平面滑移支撑的设计要求；从摩擦系数与压力的关系可以看出，随着压力的增大，平面滑移支撑的静摩擦系数和动摩擦系数均逐渐减小。平面滑移支撑摩擦副由聚四氟乙烯板和不锈钢板构成，聚四氟乙烯具有摩擦系数小、自润滑性能优异的特点，因此平面滑移支撑的摩擦系数较小。当摩擦副受到竖向载荷作用时，它们仅在微凸体顶端接触，随着载荷的增大，相接触的微凸体压力逐渐增大，当竖向载荷增大至某一临界值时，引起微凸体的塑性变形，在水平载荷的作用下很容易发生滑动；同时，随着竖向荷载的增大，而水平运动的摩擦力却增大不多，从而引起摩擦系数的逐渐减小。

平面滑移支撑摩擦系数符合设计指标，满足高层建筑受风载影响时幕墙支撑结构竖向和纵向滑动的要求。

3.3 平面滑移支撑极限承载性能研究

平面滑移支撑在使用过程中受风向、安装误差等因素的影响，有可能发生偏载，造成局部受力过大，因此有必要针对平面滑移支撑进行极限承载性能研究。对平面滑移支撑施加12 000 kN载荷，此时中间承载板的应力达到了85 MPa，远大于其设计压应力。其结果如图4所示。

从图4平面滑移支撑极限承载试验曲线可以看出，当平面滑移支撑受到8倍设计载荷作用时，变形量增大至16 mm，试验结束后对平面滑移支撑进行了详细检查，其上下支撑板及中间承压板均完好无损，且放置一段时间后其高度基本恢复至原始状态。试验结果表明选用的聚氨酯承载板具有很强的承载能力，其极限承载能力远远大于其设计水平。保证了平面滑移支撑使用过程中受到偏载时不发生破坏。

3.4 聚氨酯抗蠕变性能试验

蠕变现象在高分子材料中普遍存在，平面滑移支撑中间承压板选用聚氨酯高分子材料，长期受载状态有可能发生蠕变现象，因此针对平面滑移支撑进行了蠕变性能研究。对平面滑移支撑施加设计载荷，并持荷24 h，记录支座高度变化曲线，见图5。

从图5测试结果可以看出平面滑移支撑在24 h内的蠕变量非常小。从开始到第24小时材料的蠕变量为0.374 mm。平面滑移支撑24 h蠕变曲线，拟合出平面滑移支撑蠕变公式，并推算出1年后的蠕变量为0.63 mm， 50年后的蠕变量为0.89 mm，由此可见平面滑移支撑在长期受载状态下的抗蠕变性能优异。平面滑移支撑的上下支撑板为钢结构不存在蠕变现象，发生蠕变的是中间承载板，承载板选用聚氨酯，聚氨酯具有良好的抗蠕变性能，我们选用的聚氨酯属于热固性，在成型后其内部结构呈交联结构，分子链相互缠结，在外力作用下分子链段运动，因此长期受载作用下蠕变量小。平面滑移支撑的抗蠕变性能表明了该产品能够满足幕墙支撑结构的长期使用要求。

3.5 平面滑移支撑耐老化性能研究

平面滑移支撑在高层建筑中使用温度高、长期受光照、热氧作用；若中间承载板材料选择不当，会发生老化现象，严重时会影响产品性能，因此必须对中间承载板聚氨酯材料进行耐老化性能研究，研究结果见表2。

表2 聚氨酯热空气老化试验结果

从表2老化前后结果可以看出，经过100 ℃×168 h苛刻的热空气老化后，聚氨酯材料的硬度及力学性能基本无变化，表明我们选用的聚氨酯材料具有良好的耐老化性能，能够满足建筑用平面滑移支撑在高层建筑中高温及热氧等恶劣环境中的使用要求。

4 结语

1)平面滑移支撑的承载性能、摩擦性能、极限承载性能及蠕变性能均达到了设计指标，满足承担玻璃幕墙横向载荷、减小竖向和纵向滑动摩擦阻力的要求，并且能够满足平面滑移支撑长期受载的使用要求。

2)平面滑移支撑选用的聚氨酯材料具有优异的耐老化性能，满足高层建筑恶劣的使用环境。

3)平面滑移支撑解作为玻璃幕墙与建筑主体结构的连接纽带，具有横向承载和纵向及竖向滑移的功能，能够减小风荷载对玻璃幕墙和主体结构影响。