張永兆 姜文英 顧海龍 李恒躍

(洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 概述

玻璃幕墻作為現(xiàn)代高層建筑的外觀標(biāo)志，它將建筑美學(xué)、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等因素有機(jī)的統(tǒng)一在一起，提高了建筑品質(zhì)，豐富了城市景色[1]。隨著建筑高度的增加，風(fēng)載荷也越來(lái)越大，已成為高層建筑和高聳建筑結(jié)構(gòu)的主要側(cè)向荷載[2]。為了保證玻璃幕墻系統(tǒng)的正常工作，降低幕墻支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，必須合理設(shè)計(jì)幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的連接方式，以減小風(fēng)載對(duì)玻璃幕墻和主體結(jié)構(gòu)的影響[3]。

本研究針對(duì)高層建筑開(kāi)發(fā)了一種建筑用平面滑移支撐，該產(chǎn)品用于建筑玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)與建筑主體之間，能夠承擔(dān)幕墻支撐結(jié)構(gòu)的水平橫向載荷，為支撐結(jié)構(gòu)提供縱向和豎向位移；同時(shí)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(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 平面滑移支撐技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)院高層建筑的設(shè)計(jì)要求，該建筑用平面滑移支撐技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 平面滑移支座技術(shù)指標(biāo)

2.2 平面滑移支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平面滑移支撐的主要功能是承擔(dān)幕墻支撐結(jié)構(gòu)的橫向載荷，能夠?qū)崿F(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的縱向和豎向位移同時(shí)兼具有降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲的功能。

因此將平面滑移支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jù)建筑結(jié)構(gòu)的尺寸要求，設(shè)計(jì)制造的平面滑移支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)看，采用三層結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)承載功能，而且可以實(shí)現(xiàn)平面滑移支撐的滑動(dòng)要求。從設(shè)計(jì)尺寸看，平面滑移支撐的尺寸滿足安裝空間和滑動(dòng)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(guī)的結(jié)構(gòu)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(qiáng)、阻尼性能好、耐老化能力優(yōu)異的非金屬材料，以實(shí)現(xiàn)平面滑移支撐的承載、減振及降噪功能。依據(jù)目前橋梁支座的選材及平面滑移支撐的安裝使用環(huán)境及美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)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(xué)品性優(yōu)良、耐熱氧和臭氧性能優(yōu)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(diǎn)[6,7]。

3 平面滑移支撐產(chǎn)品性能研究

為了驗(yàn)證建筑抗風(fēng)支座的設(shè)計(jì)及制造的可靠性，我們對(duì)平面滑移支撐所用材料及產(chǎn)品開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作。

3.1 平面滑移支撐承載性能研究

按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求對(duì)平面滑移支撐進(jìn)行承載性能研究。對(duì)平面滑移支撐施加1.5倍設(shè)計(jì)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(yàn)曲線可以看出，平面滑移支撐在設(shè)計(jì)載荷作用下的豎向變形為2.02 mm；試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)平面滑移支撐進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)平面滑移支撐在高承載下并未出現(xiàn)有材料破壞的現(xiàn)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(qiáng)的聚氨酯，其交聯(lián)固化后的長(zhǎng)期使用壓應(yīng)力可達(dá)40 MPa以上；而平面滑移支撐設(shè)計(jì)載荷下聚氨酯承載板的設(shè)計(jì)應(yīng)力為11 MPa，遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)期使用應(yīng)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(guò)程中要為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)提供豎向和縱向位移，必須滿足一定的摩擦系數(shù)以減小滑動(dòng)阻力，因此對(duì)平面滑移支撐進(jìn)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(jìn)行水平加載測(cè)試平面滑移支撐的摩擦系數(shù)。結(jié)果如圖3所示。

從測(cè)試結(jié)果看，平面滑移支撐的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)均小于0.06，滿足平面滑移支撐的設(shè)計(jì)要求；從摩擦系數(shù)與壓力的關(guān)系可以看出，隨著壓力的增大，平面滑移支撐的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)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(gòu)成，聚四氟乙烯具有摩擦系數(shù)小、自潤(rùn)滑性能優(yōu)異的特點(diǎn)，因此平面滑移支撐的摩擦系數(shù)較小。當(dāng)摩擦副受到豎向載荷作用時(shí)，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(dāng)豎向載荷增大至某一臨界值時(shí)，引起微凸體的塑性變形，在水平載荷的作用下很容易發(fā)生滑動(dòng)；同時(shí)，隨著豎向荷載的增大，而水平運(yùn)動(dòng)的摩擦力卻增大不多，從而引起摩擦系數(shù)的逐漸減小。

平面滑移支撐摩擦系數(shù)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足高層建筑受風(fēng)載影響時(shí)幕墻支撐結(jié)構(gòu)豎向和縱向滑動(dòng)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(guò)程中受風(fēng)向、安裝誤差等因素的影響，有可能發(fā)生偏載，造成局部受力過(guò)大，因此有必要針對(duì)平面滑移支撐進(jìn)行極限承載性能研究。對(duì)平面滑移支撐施加12 000 kN載荷，此時(shí)中間承載板的應(yīng)力達(dá)到了85 MPa，遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)壓應(yīng)力。其結(jié)果如圖4所示。

從圖4平面滑移支撐極限承載試驗(yàn)曲線可以看出，當(dāng)平面滑移支撐受到8倍設(shè)計(jì)載荷作用時(shí)，變形量增大至16 mm，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)平面滑移支撐進(jìn)行了詳細(xì)檢查，其上下支撐板及中間承壓板均完好無(wú)損，且放置一段時(shí)間后其高度基本恢復(fù)至原始狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明選用的聚氨酯承載板具有很強(qiáng)的承載能力，其極限承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)水平。保證了平面滑移支撐使用過(guò)程中受到偏載時(shí)不發(fā)生破壞。

3.4 聚氨酯抗蠕變性能試驗(yàn)

蠕變現(xiàn)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(zhǎng)期受載狀態(tài)有可能發(fā)生蠕變現(xiàn)象，因此針對(duì)平面滑移支撐進(jìn)行了蠕變性能研究。對(duì)平面滑移支撐施加設(shè)計(jì)載荷，并持荷24 h，記錄支座高度變化曲線，見(jiàn)圖5。

從圖5測(cè)試結(jié)果可以看出平面滑移支撐在24 h內(nèi)的蠕變量非常小。從開(kāi)始到第24小時(shí)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(jiàn)平面滑移支撐在長(zhǎng)期受載狀態(tài)下的抗蠕變性能優(yōu)異。平面滑移支撐的上下支撐板為鋼結(jié)構(gòu)不存在蠕變現(xiàn)象，發(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)呈交聯(lián)結(jié)構(gòu)，分子鏈相互纏結(jié)，在外力作用下分子鏈段運(yùn)動(dòng)，因此長(zhǎng)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(chǎn)品能夠滿足幕墻支撐結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)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(zhǎng)期受光照、熱氧作用；若中間承載板材料選擇不當(dāng)，會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響產(chǎn)品性能，因此必須對(duì)中間承載板聚氨酯材料進(jìn)行耐老化性能研究，研究結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 聚氨酯熱空氣老化試驗(yàn)結(jié)果

從表2老化前后結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)100 ℃×168 h苛刻的熱空氣老化后，聚氨酯材料的硬度及力學(xué)性能基本無(wú)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(huán)境中的使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

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(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足承擔(dān)玻璃幕墻橫向載荷、減小豎向和縱向滑動(dòng)摩擦阻力的要求，并且能夠滿足平面滑移支撐長(zhǎng)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(yōu)異的耐老化性能，滿足高層建筑惡劣的使用環(huán)境。

3)平面滑移支撐解作為玻璃幕墻與建筑主體結(jié)構(gòu)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(fēng)荷載對(duì)玻璃幕墻和主體結(jié)構(gòu)影響。