用盆式橡胶支座解决建筑连体结构的支座问题
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内容提要：将盆式橡胶支座用于建筑领域，解决连体结构的支座，简化支座设计，降低施工难度。
一、 引言
建筑设计中，由于建筑整体外观的需要，或使用功能的要求，经常在两栋建筑之间架设连廊或装饰架，作为连体，将两栋建筑联系起来。
针对这样的问题时，结构设计常采取以下几种处理方案：
1. 在连体与两侧建筑之间设变形缝，使连体成为独立的结构单元；
2. 在连体与一侧建筑之间设变形缝，与另一侧建筑牢固连接，使连体成为单侧建筑的结构单元的一部分；
3. 连体与两栋建筑均牢固连接，将两侧建筑通过连体连成一个整体，称之为刚性连接连体结构；
4. 连体与两栋建筑均采用弱连接，连体结构仅向两侧建筑传递竖向荷载，不传递水平荷载和弯矩，称之为非刚性连接连体结构。
实际工程中，被连接的两栋建筑极少能做到在受水平力作用下，水平变形一致。因此，将连体与两栋建筑均牢固连接，一方面会造成连体难以承担两侧建筑的变形差，另一方面连体会对两侧建筑形成很大的应力集中，引起建筑的局部破坏。
而将连体与两侧建筑物用变形缝分开，则连体需要设置独立的支承系统。此时，很可能会影响连体下部的使用功能，作得不好，还可能影响建筑外立面的美观。
为此，我们希望还是将连体直接作用在两侧的建筑上，但采用可靠的连接节点形式，使连体能承受建筑的变形，且能减小对建筑形成的局部应力。
所谓可靠的连接节点形式，可以是一侧与建筑物采用固定铰支座，而另一侧采用活动铰支座的形式。
一般现场采用的土建支座或用钢材加工的支座形式复杂，安装繁琐。这里我们介绍一种简单有效的支座形式--盆式橡胶支座。
二、 盆式橡胶支座
橡胶支座作为支座构件，被广泛应用于桥梁方面。橡胶支座可分为板式橡胶支座和盆式橡胶支座等多种形式，其中以盆式橡胶支座的特点最为明显。盆式橡胶支座可适应的水平位移量最大。
盆式橡胶支座是由钢构件和橡胶构件组合而成的桥梁支座。它具有承载力高，水平位移量大、转动灵活等特点；具有重量轻、结构紧凑、构造简单、高度低，加工方便、节省钢材、降低造价等优点，是适宜于大跨径桥梁使用的较理想的支座。其竖向承载力可以达到1500～50000KN，能满足国内大型桥梁建造的需要，使用寿命可以达到50年以上。
盆式橡胶支座有多种标准系列，如《公路桥梁盆式橡胶支座(JT391-1999)》之GPZ系列、《铁路桥梁盆式橡胶支座(TBT2331-2004)》之TPZ系列等。
以GPZ系列为例，可按性能将盆式橡胶支座分为三个种类：双向活动支座、单向活动支座和固定支座。
1. 双向活动支座：具有竖向转动和纵向与横向滑移性能，代号为SX。
图 1双向活动支座(横桥向)
2. 单向活动支座：具有竖向转动的单一方向滑移性能，代号为DX。
图 2单向活动支座(横桥向)
表 1单向活动支座规格系列参数(部分)
3. 固定支座：仅量有竖向转动性能，代号为GD。
图 3固定支座
表 2固定支座规格系列参数(部分)
4. 支座性能技术要求：
a) 竖向承载力：竖向承载力(即支座反力)分为31级，即0.8~60 MN。在竖向设计承载力作用下，支座压缩变形值不大于支座总高度的2%，盆环上口径向变形不大于外径的0.5‰，支座残余变形不超过总变形量的5%。
b) 水平承载力：固定支座在各方面和单向活动非滑移方向的水平承载力不小于竖向承载力的10%。抗震型支座水平承载力不小于支座竖向承载力的20%。
c) 转角：支座转动角度不小于0.02rad。
d) 摩擦系数：加5201硅脂后，常温型活动支座设计摩擦系数最小为0.03，耐寒型活动支座设计摩擦系数最小为0.06。
e) 位移：活动支座位移量可达到±50~300mm。
5. 支座安装：
盆式橡胶支座与连接结构上的预埋件直接焊接，也可用预埋螺栓栓接，安装方便。
三、 使用盆式橡胶支座的设计思路
建筑设计中连体支座位移量一般考虑以下几个因素：
建筑物在地震荷载、风荷载、温度荷载作用下以及施工期间连体支撑拆除的原因，引起支座间的相对位移差。
在地震荷载和风荷载作用下，单侧建筑的位移量，在其结构整体设计中一般会被控制在规范的允许范围内。《建筑抗震设计规范》中规定了各种结构类型的弹性层间位移角限值[θe]，支座位移与支座高度之比近似的按[θe]取值。允许位移量最大的多层钢结构[θe]为1/300，当建筑高度为24m时，建筑位移不超过80mm。
另外，温度变化可引起连体伸缩变形，特别是无外装饰连体，当产生温差较大时，其变形量会很大。如钢结构连体，当长度为35m时，昼夜温差15℃，就会产生35×103×12×10-6×15=6.3mm的变形。
施工期间连体支撑的拆除时，因连体构件间内力重新分布，也可能会产生连体支座的位移。
支座的位移量应能满足两侧建筑允许位移量、温度荷载作用变形以及支撑拆除引起变形的总和。
根据结构布置需要，连体支座一般一端选用固定支座，另一端选用单向活动支座。盆式橡胶活动支座位移量可达到±50~300mm，可以满足多层结构连体支座变形的要求。
四、 工程实例
如某工程一、二期分别建设两栋三层钢筋混凝土框架厂房，厂房总高度19m，两厂房间距35m，在二期厂房建设时，建设单位要求，在两栋厂房之间设两座4m宽的连廊，将厂房二、三层连通。由于生产要求，不允许连廊设独立的支承系统，只能支承于两栋厂房之上。设计时，将连廊设计为二层钢桁架结构，连廊与主体之间采用盆式橡胶支座连接，其中二期厂房端为固定支座，一期端为单向活动支座。
图 3 连廊施工照片
经过计算得知，单榀支座最大轴力设计值为870kN，在连廊自重及使用荷载作用下，支座水平位移0.2mm，支座标高位于13m，厂房节点最大位移为水平地震作用下24mm，支座变形要求为24×2＋0.2=48.2mm。
固定支座选用GPZ1GD，单向活动支座选用GPZ1DX，设计承载力均为1MN=1000kN，单向活动支座的顺桥向允许位移量为±50mm，满足计算要求。
该工程现已竣工投入使用，使用后尚未发现问题。
五、 结语
盆式橡胶支座有着承载力高、构造简单、安装方便以及活动支座位移量较大的特点，非常适用于非刚性连接连体结构形式。
盆式橡胶支座可以使结构设计铰支座和滑动铰支座的设计假定得以完美实现，即减小设计师关于节点设计的难度，同时减小了现场制作支座节点的尺寸，起到了美观的效果。
当然，将橡胶支座应用于建筑领域，还有其局限性。对于高层非刚性连接的连体结构，由于《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，支座滑移量应能满足罕遇地震下的位移要求，橡胶支座位移能力可能还不能完全满足要求。另外规程还规定，8度抗震设计时，还应考虑竖向地震的影响，因此，使用橡胶支座的同时，还应采取其他有效措施。
橡胶支座现已广泛的应用于公路铁路桥梁上，将其直接应用于建筑领域，是否存在不适用的问题，尚需广大工程技术人员在工程实践当中不断研究发现总结。
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