疊式空腹桁架轉換結構在大空間建筑中的研究與應用

陳曉

近年來，公共建筑建設項目發展較為迅速，建筑造型逐漸趨向復雜化，功能日益多樣化，為滿足綜合性需求，對同一建筑不同流程的不同使用功能，應當在設計工作中保證沿縱向建筑功能發生變化，常見形式為建筑下部樓層用于商場、餐飲及娛樂設施或報告廳等公用場所，要求形成大開間的柱網結構。而上部樓層用于住宅、辦公室、酒店等，需設計小開間的軸線布置和較多墻體。所以在設計實踐中需將上部設計為剛度較大的剪力墻，下部設計剛度較小的框架柱。或者是沿結構豎向改善柱網尺寸，保證其形成上密下疏的形態。為實現這一目的，則要利用空腹桁架轉換結構。設計人員需要加強其在大空間建筑中的研究和應用，以此提升設計水平。

一、當前空腹桁架轉換結構常見型式及適用條件分析

1. 常見結構型式

空腹桁架一般是由上弦桿、下弦桿、直腹桿等部分組成，當承受荷載時將以彎曲變形為主，并具有桁架的受力特性。相比于桁架式轉換結構，均具有受力合理的優勢，但空腹桁架轉換結構的所有桿件采用水平和垂直形式，因此在大空間建筑中比桁架式轉換結構、箱式轉換結構更為優良。我國當前階段所利用的空腹桁架轉換結構型式較多，主要有等節間和不等節間空腹桁架、間隔空腹桁架、混合空腹桁架、疊層空腹桁架等。同時按照使用材料的不同，也可分為鋼筋混凝土空腹桁架、鋼結構空腹桁架、預應力混凝土桁架等。在現代建筑中應用較為廣泛的結構型式即是預應力混凝土空腹桁架，其能夠在桁架下對弦施加一定的預應力，從而對下弦拉力和部分跨中彎矩進行抵消，促使下弦由偏心受拉桿轉變為偏心受壓桿，進而使剛度得到顯著提升，有助于預防出現開裂現象。在具體的工程實踐中，通過施加預應力能夠有效減少構件的截面尺寸，進而減輕結構自重。這有助于控制撓度，預防出現裂縫等問題。不過在應用過程中存在構造設計復雜、施工難度大以及造價成本高等缺陷。設計人員應當綜合考慮工程特點，合理選型適當的空腹桁架轉換結構。

2. 關于疊式空腹桁架

疊式空腹桁架是空腹桁架轉換結構中的一個特例，相當于幾個單層空腹桁架組合起來的一種轉換結構形式，在不影響建筑美觀、使用功能前提下，充分利用上部結構構件作為一個整體空腹桁架受力，借鑒了高層建筑中巨型結構的思路。

二、空腹桁架轉換結構在大空間建筑中的受力特點

1. 空腹桁架轉換結構受力的研究

由于在當前階段空腹桁架轉換結構應用較為廣泛，因此我國對于該結構的研究也逐漸深入。比如現有研究中較為典型的即是對梁式轉換層與空腹桁架轉換結構模型試件，開展豎向和水平往復荷載作用下的對比實驗。將某大廈建筑作為試驗模型，其地上共有25層，高度為77.7m，對4層建筑采用轉換結構，試件共5層。確定縮尺比例為1∶6，混凝土等級選用C30。對兩種結構的試件均采用統一的加載方式。經過實驗后，結果顯示采用梁式轉換結構存在破壞現象，其是由框架支柱上、下兩端相繼出現塑性鉸，進而形成可變機構所導致的。空腹桁架轉換結構在應用中出現的破壞現象，主要是由腹桿所引起的，此時框架基本完善。同時經過檢驗空腹桁架轉換結構的位移和延性、可用位移延性等，均相對優于梁式轉換層試件。由此可總結在建筑空間內應用空腹桁架轉移結構的耗能能力，遠超過梁式轉換層試件。綜合試驗成果，可看出空腹桁架的弦桿在承受彎矩、剪力的基礎上，還會承受相對較大的軸力作用。其中弦桿在跨中處所受到的彎矩較小，逐漸向支座兩端進行遞增。而弦桿在中間跨受到剪力最小，逐漸向邊跨方向遞增。弦桿在中間跨受到的軸力最大，向邊跨呈遞減趨勢。所以設計人員可將跨中弦桿近似視為彎矩與軸力共同作用的構件，對邊跨可卡作為彎矩與剪力共同作用的構件。基于現有研究，空腹桁架轉換結構與梁式轉換結構的屈服荷載、局限荷載等差異較小，但前者屬于超靜定結果，存在塑性內力重分布，在水平荷載作用下會呈現變形分散的狀態，有助于提升耗能能力。由于在荷載作用下，空腹桁架轉換結構的受力較為均勻、傳力明確且抗側剛度較高，具有優越的抗震性能，在大空間建筑中具有顯著的應用優勢。

2. 空腹桁架轉換結構受力特點

結合相關研究以及現階段工程實踐，總結空腹桁架轉換結構的受力的特點，有以下幾個方面。

轉換結構承受荷載大。在多層和高層建筑中帶有轉換結構，多數是采用低位轉換方式。由于建筑上部樓層較多，所以轉換結構承擔上部傳遞的豎向荷載相對表達。而對于懸掛式轉換結構來說，大多需要懸掛下部多層荷載，在轉換結構構件中將會出現較大的內力，設計人員針對這一受力特點需要在轉換結構的優化設計中，重點考慮豎向荷載因素。

轉換結構跨度大。一般來說，轉換結構的跨度會遠超過上部建筑結構，在豎向荷載作用下，將會產生相對較大的撓度和變形力。所以設計人員在應用空腹桁架轉換結構時，應當嚴格控制豎向撓度，以此保障結構設計符合建筑實際要求。

轉換結構構件與節點受力情況復雜。因為大部分的轉換結構構件位于彎矩、剪力和軸力的共同作業下，導致構件和節點的受力狀態較為復雜。為保障力矩平衡，按照截面法可知桁架型式不同，但桁架高度保持一致，則桁架上下弦桿軸力保持不變，如圖1所示。

圖1 空腹桁架轉換結構軸力示意圖

沿建筑物高度方向上的剛度，一般在轉換層結構出會發生一定改變，導致傳力途徑發生較大的變化。所以設計人員在實際工作中，應當采用反常規方法開展分析和計算，保證空腹桁架轉換結構設計得到優化和合理調整。

建筑轉換結構施工過程具有復雜化的特點，操作難度較大。必須要在設計環節進行有效優化，盡可能為施工活動開展提供便利性。

三、疊式空腹桁架轉換結構在大空間建筑中的實踐應用

1. 設計原則

在大空間建筑中設計應用疊式空腹桁架轉換結構時，應當嚴格遵循抗震概念設計原則，確保疊式空腹桁架在結構體系承受地震作用時不先于其他構件失效：

在整體結構設計中，遵循強化轉換層及其下部結構、弱化轉換層上部結構的原則，目的是保證轉換結構和下部大空間結構的強度、剛度、延性和抗震性能得到提升。對于轉換層結構的上部設計，還是遵循強柱弱梁、強邊柱、弱中柱的原則。比如促使塑性鉸在梁端優先設計產生，以此有助于保障柱具有良好的安全性。

設計空腹桁架轉換結構可采用強邊腹桿（即框架柱）和增強節點的原則。即是設計中要結合實際工程情況，盡量提高邊腹桿（即框架柱）和節點的承載力，促使弦桿變形能力得到提升。

設計結構構件時，應嚴格按照強剪弱彎的原則，有助于避免延性較差的構件發生剪切破壞，盡量使用發生延性較好的構件承受彎矩。

注意弦桿的作用，其布置方式可影響疊式空腹桁架受力整體性。在滿足建筑使用功能的前提下，通過調節其截面尺寸、間距等來調整疊式空腹桁架的剛度。

疊式空腹桁架因大空間要求，豎向構件少且間距大，水平承重構件的跨度也大，疊式空腹桁架的弦桿的設計就特別關鍵。參照抗震設計多道防線、和防連續倒塌的概念，采用“強底層下弦桿”的設計原則，把疊式空腹桁架底層弦桿作為最后一道防線。

2. 布置原則

為保障空腹桁架轉換結構在大空間建筑中得到良好的實踐應用，應當在設計中合理進行布置。綜合考慮到空腹桁架轉換結構在大空間建筑中，沿著高度方向和平面方向上的布置均有較大靈活性的特點。需科學規劃各構件的布置方案，比如在高度方向上，可按照建筑使用功能、結構傳力的需求，在建筑中的一處、間隔或者多處布置空腹桁架轉換結構。而在平面方向上，則是對該結構采用滿層布置形式。對于部分具有特殊要求的建筑，也可在某一樓層進行局部布置，促使上弦節點與上部框架柱、剪力墻墻肢等進行重合布置，有助于提升轉換結構的剛度和整體受力性能。

另外，空腹桁架轉換結構層可作為正常的使用樓層，也可設置為建筑的設備層。不過在布置過程中，必須保障轉換結構層的上下層剪切剛度比接近1，不大于2的要求，目的是避免出現沿豎向剛度差異較大，防范轉換層與下部大空間樓層的剛度發生突然變化。當設計布置抗震設防烈度為7度和8度的大空間建筑時，采用空腹桁架轉換結構能夠與該建筑的加強層結構、錯層結構、連體結構、多塔樓結構等進行同時布置。但應注意不超過兩種結構的組合布置。在具體設計工作中，相關人員還要考慮空腹桁架的作用，其即可作為豎向承重構件，也能夠作為抵抗水平力的構件。所以當實施平面布置時，應保證結構具有均勻性、對稱性、分散性和周邊性，從而降低扭轉力的影響。

3. 疊式空腹桁架轉換結構應用實例

某建筑單體為一座成人辦公、教育建筑，建筑面積約8000平方米，結構屋面高度約18m。其中地上四層，一層由于使用功能要求設計為950座階梯型報告廳，一層層高的高處為9m， 低處為6m；二至四層均為教室，典型層高為3.9m。階梯型報告廳的橫縱向尺寸為27.4m×29.3m，為無柱大空間，上面三層按教室設置要求采用9m×10.6m柱距的框架結構。

結構設計中考慮到上部建筑功能和底層報告廳凈空要求，選用27.4m跨3層高的疊式空腹桁架來承托上部結構。空腹桁架的支座柱采用型鋼混凝土柱，既能控制其軸壓比和截面尺寸又能提供良好的抗震性能，為結構安全提供保證。空腹桁架的腹桿和弦桿也采用了型鋼混凝土。

本工程結構體系為鋼筋混凝土框架結構，抗震等級為四級。其中跨度大于18米的框架為型鋼鋼筋混凝土框架，抗震等級按三級。建筑結構的安全等級為二級。建筑結構設計工作年限為50年。建筑物抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，設計地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組。

利用開間梁柱圍合形成的疊式空腹桁架上弦桿、中弦桿、下弦桿及直腹桿，整體桁架示意圖及構件截面。

如前所述，疊式空腹桁架整體以彎曲變形為主，其受力特點是上、下弦桿構件除了彎矩、剪力外，還有較大的軸壓、軸拉力；所以設計中明確要求施工過程中整個疊式空腹桁架底部要設置滿堂腳手架支撐，并要求上弦桿、腹桿達到設計強度后方可拆撐。

結構計算分析中，在YJK軟件中加載方式采用一次性加載模式，保證與實際受力狀態相符；同時在整體計算過程中，將和空腹桁架范圍內及相鄰的樓板設置為彈性樓板6，即因空腹桁架水平力不可忽略、不再采用剛性樓板假定，通過變形協調計算，真實反映該水平力在豎向構件的實際分配。

四、結束語

綜上所述，在當前大空間建筑設計施工項目不斷增多的背景下，對空腹桁架轉換結構的應用越來越普遍。疊式空腹桁架是一種傳力明確、受力性能較好的轉換結構型式，能夠較好地滿足建筑功能要求。設計重點是根據建筑功能要求，合理確定腹桿間距、弦桿腹桿截面尺寸，合理調節空腹桁架的整體剛度；同時考慮到該結構下弦桿就是軸拉力較大的拉彎構件，因此在實踐工程中可采用型鋼混凝土構件，并適當加大下弦的含鋼量，提高結構抗開裂能力，促使下弦桿軸力有效抵消，進而減小下弦桿撓度，保障大空間建筑轉換結構具有穩定性。同時要做好型鋼混凝土結構的節點設計，合理的節點構造應該是安全可靠并便于施工的。