叠式空腹桁架转换结构在大空间建筑中的研究与应用

陈晓

近年来，公共建筑建设项目发展较为迅速，建筑造型逐渐趋向复杂化，功能日益多样化，为满足综合性需求，对同一建筑不同流程的不同使用功能，应当在设计工作中保证沿纵向建筑功能发生变化，常见形式为建筑下部楼层用于商场、餐饮及娱乐设施或报告厅等公用场所，要求形成大开间的柱网结构。而上部楼层用于住宅、办公室、酒店等，需设计小开间的轴线布置和较多墙体。所以在设计实践中需将上部设计为刚度较大的剪力墙，下部设计刚度较小的框架柱。或者是沿结构竖向改善柱网尺寸，保证其形成上密下疏的形态。为实现这一目的，则要利用空腹桁架转换结构。设计人员需要加强其在大空间建筑中的研究和应用，以此提升设计水平。

一、当前空腹桁架转换结构常见型式及适用条件分析

1. 常见结构型式

空腹桁架一般是由上弦杆、下弦杆、直腹杆等部分组成，当承受荷载时将以弯曲变形为主，并具有桁架的受力特性。相比于桁架式转换结构，均具有受力合理的优势，但空腹桁架转换结构的所有杆件采用水平和垂直形式，因此在大空间建筑中比桁架式转换结构、箱式转换结构更为优良。我国当前阶段所利用的空腹桁架转换结构型式较多，主要有等节间和不等节间空腹桁架、间隔空腹桁架、混合空腹桁架、叠层空腹桁架等。同时按照使用材料的不同，也可分为钢筋混凝土空腹桁架、钢结构空腹桁架、预应力混凝土桁架等。在现代建筑中应用较为广泛的结构型式即是预应力混凝土空腹桁架，其能够在桁架下对弦施加一定的预应力，从而对下弦拉力和部分跨中弯矩进行抵消，促使下弦由偏心受拉杆转变为偏心受压杆，进而使刚度得到显著提升，有助于预防出现开裂现象。在具体的工程实践中，通过施加预应力能够有效减少构件的截面尺寸，进而减轻结构自重。这有助于控制挠度，预防出现裂缝等问题。不过在应用过程中存在构造设计复杂、施工难度大以及造价成本高等缺陷。设计人员应当综合考虑工程特点，合理选型适当的空腹桁架转换结构。

2. 关于叠式空腹桁架

叠式空腹桁架是空腹桁架转换结构中的一个特例，相当于几个单层空腹桁架组合起来的一种转换结构形式，在不影响建筑美观、使用功能前提下，充分利用上部结构构件作为一个整体空腹桁架受力，借鉴了高层建筑中巨型结构的思路。

二、空腹桁架转换结构在大空间建筑中的受力特点

1. 空腹桁架转换结构受力的研究

由于在当前阶段空腹桁架转换结构应用较为广泛，因此我国对于该结构的研究也逐渐深入。比如现有研究中较为典型的即是对梁式转换层与空腹桁架转换结构模型试件，开展竖向和水平往复荷载作用下的对比实验。将某大厦建筑作为试验模型，其地上共有25层，高度为77.7m，对4层建筑采用转换结构，试件共5层。确定缩尺比例为1∶6，混凝土等级选用C30。对两种结构的试件均采用统一的加载方式。经过实验后，结果显示采用梁式转换结构存在破坏现象，其是由框架支柱上、下两端相继出现塑性铰，进而形成可变机构所导致的。空腹桁架转换结构在应用中出现的破坏现象，主要是由腹杆所引起的，此时框架基本完善。同时经过检验空腹桁架转换结构的位移和延性、可用位移延性等，均相对优于梁式转换层试件。由此可总结在建筑空间内应用空腹桁架转移结构的耗能能力，远超过梁式转换层试件。综合试验成果，可看出空腹桁架的弦杆在承受弯矩、剪力的基础上，还会承受相对较大的轴力作用。其中弦杆在跨中处所受到的弯矩较小，逐渐向支座两端进行递增。而弦杆在中间跨受到剪力最小，逐渐向边跨方向递增。弦杆在中间跨受到的轴力最大，向边跨呈递减趋势。所以设计人员可将跨中弦杆近似视为弯矩与轴力共同作用的构件，对边跨可卡作为弯矩与剪力共同作用的构件。基于现有研究，空腹桁架转换结构与梁式转换结构的屈服荷载、局限荷载等差异较小，但前者属于超静定结果，存在塑性内力重分布，在水平荷载作用下会呈现变形分散的状态，有助于提升耗能能力。由于在荷载作用下，空腹桁架转换结构的受力较为均匀、传力明确且抗侧刚度较高，具有优越的抗震性能，在大空间建筑中具有显著的应用优势。

2. 空腹桁架转换结构受力特点

结合相关研究以及现阶段工程实践，总结空腹桁架转换结构的受力的特点，有以下几个方面。

转换结构承受荷载大。在多层和高层建筑中带有转换结构，多数是采用低位转换方式。由于建筑上部楼层较多，所以转换结构承担上部传递的竖向荷载相对表达。而对于悬挂式转换结构来说，大多需要悬挂下部多层荷载，在转换结构构件中将会出现较大的内力，设计人员针对这一受力特点需要在转换结构的优化设计中，重点考虑竖向荷载因素。

转换结构跨度大。一般来说，转换结构的跨度会远超过上部建筑结构，在竖向荷载作用下，将会产生相对较大的挠度和变形力。所以设计人员在应用空腹桁架转换结构时，应当严格控制竖向挠度，以此保障结构设计符合建筑实际要求。

转换结构构件与节点受力情况复杂。因为大部分的转换结构构件位于弯矩、剪力和轴力的共同作业下，导致构件和节点的受力状态较为复杂。为保障力矩平衡，按照截面法可知桁架型式不同，但桁架高度保持一致，则桁架上下弦杆轴力保持不变，如图1所示。

图1 空腹桁架转换结构轴力示意图

沿建筑物高度方向上的刚度，一般在转换层结构出会发生一定改变，导致传力途径发生较大的变化。所以设计人员在实际工作中，应当采用反常规方法开展分析和计算，保证空腹桁架转换结构设计得到优化和合理调整。

建筑转换结构施工过程具有复杂化的特点，操作难度较大。必须要在设计环节进行有效优化，尽可能为施工活动开展提供便利性。

三、叠式空腹桁架转换结构在大空间建筑中的实践应用

1. 设计原则

在大空间建筑中设计应用叠式空腹桁架转换结构时，应当严格遵循抗震概念设计原则，确保叠式空腹桁架在结构体系承受地震作用时不先于其他构件失效：

在整体结构设计中，遵循强化转换层及其下部结构、弱化转换层上部结构的原则，目的是保证转换结构和下部大空间结构的强度、刚度、延性和抗震性能得到提升。对于转换层结构的上部设计，还是遵循强柱弱梁、强边柱、弱中柱的原则。比如促使塑性铰在梁端优先设计产生，以此有助于保障柱具有良好的安全性。

设计空腹桁架转换结构可采用强边腹杆（即框架柱）和增强节点的原则。即是设计中要结合实际工程情况，尽量提高边腹杆（即框架柱）和节点的承载力，促使弦杆变形能力得到提升。

设计结构构件时，应严格按照强剪弱弯的原则，有助于避免延性较差的构件发生剪切破坏，尽量使用发生延性较好的构件承受弯矩。

注意弦杆的作用，其布置方式可影响叠式空腹桁架受力整体性。在满足建筑使用功能的前提下，通过调节其截面尺寸、间距等来调整叠式空腹桁架的刚度。

叠式空腹桁架因大空间要求，竖向构件少且间距大，水平承重构件的跨度也大，叠式空腹桁架的弦杆的设计就特别关键。参照抗震设计多道防线、和防连续倒塌的概念，采用“强底层下弦杆”的设计原则，把叠式空腹桁架底层弦杆作为最后一道防线。

2. 布置原则

为保障空腹桁架转换结构在大空间建筑中得到良好的实践应用，应当在设计中合理进行布置。综合考虑到空腹桁架转换结构在大空间建筑中，沿着高度方向和平面方向上的布置均有较大灵活性的特点。需科学规划各构件的布置方案，比如在高度方向上，可按照建筑使用功能、结构传力的需求，在建筑中的一处、间隔或者多处布置空腹桁架转换结构。而在平面方向上，则是对该结构采用满层布置形式。对于部分具有特殊要求的建筑，也可在某一楼层进行局部布置，促使上弦节点与上部框架柱、剪力墙墙肢等进行重合布置，有助于提升转换结构的刚度和整体受力性能。

另外，空腹桁架转换结构层可作为正常的使用楼层，也可设置为建筑的设备层。不过在布置过程中，必须保障转换结构层的上下层剪切刚度比接近1，不大于2的要求，目的是避免出现沿竖向刚度差异较大，防范转换层与下部大空间楼层的刚度发生突然变化。当设计布置抗震设防烈度为7度和8度的大空间建筑时，采用空腹桁架转换结构能够与该建筑的加强层结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等进行同时布置。但应注意不超过两种结构的组合布置。在具体设计工作中，相关人员还要考虑空腹桁架的作用，其即可作为竖向承重构件，也能够作为抵抗水平力的构件。所以当实施平面布置时，应保证结构具有均匀性、对称性、分散性和周边性，从而降低扭转力的影响。

3. 叠式空腹桁架转换结构应用实例

某建筑单体为一座成人办公、教育建筑，建筑面积约8000平方米，结构屋面高度约18m。其中地上四层，一层由于使用功能要求设计为950座阶梯型报告厅，一层层高的高处为9m， 低处为6m；二至四层均为教室，典型层高为3.9m。阶梯型报告厅的横纵向尺寸为27.4m×29.3m，为无柱大空间，上面三层按教室设置要求采用9m×10.6m柱距的框架结构。

结构设计中考虑到上部建筑功能和底层报告厅净空要求，选用27.4m跨3层高的叠式空腹桁架来承托上部结构。空腹桁架的支座柱采用型钢混凝土柱，既能控制其轴压比和截面尺寸又能提供良好的抗震性能，为结构安全提供保证。空腹桁架的腹杆和弦杆也采用了型钢混凝土。

本工程结构体系为钢筋混凝土框架结构，抗震等级为四级。其中跨度大于18米的框架为型钢钢筋混凝土框架，抗震等级按三级。建筑结构的安全等级为二级。建筑结构设计工作年限为50年。建筑物抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。

利用开间梁柱围合形成的叠式空腹桁架上弦杆、中弦杆、下弦杆及直腹杆，整体桁架示意图及构件截面。

如前所述，叠式空腹桁架整体以弯曲变形为主，其受力特点是上、下弦杆构件除了弯矩、剪力外，还有较大的轴压、轴拉力；所以设计中明确要求施工过程中整个叠式空腹桁架底部要设置满堂脚手架支撑，并要求上弦杆、腹杆达到设计强度后方可拆撑。

结构计算分析中，在YJK软件中加载方式采用一次性加载模式，保证与实际受力状态相符；同时在整体计算过程中，将和空腹桁架范围内及相邻的楼板设置为弹性楼板6，即因空腹桁架水平力不可忽略、不再采用刚性楼板假定，通过变形协调计算，真实反映该水平力在竖向构件的实际分配。

四、结束语

综上所述，在当前大空间建筑设计施工项目不断增多的背景下，对空腹桁架转换结构的应用越来越普遍。叠式空腹桁架是一种传力明确、受力性能较好的转换结构型式，能够较好地满足建筑功能要求。设计重点是根据建筑功能要求，合理确定腹杆间距、弦杆腹杆截面尺寸，合理调节空腹桁架的整体刚度；同时考虑到该结构下弦杆就是轴拉力较大的拉弯构件，因此在实践工程中可采用型钢混凝土构件，并适当加大下弦的含钢量，提高结构抗开裂能力，促使下弦杆轴力有效抵消，进而减小下弦杆挠度，保障大空间建筑转换结构具有稳定性。同时要做好型钢混凝土结构的节点设计，合理的节点构造应该是安全可靠并便于施工的。