陳曉

近年來(lái)，公共建筑建設(shè)項(xiàng)目發(fā)展較為迅速，建筑造型逐漸趨向復(fù)雜化，功能日益多樣化，為滿足綜合性需求，對(duì)同一建筑不同流程的不同使用功能，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)工作中保證沿縱向建筑功能發(fā)生變化，常見(jiàn)形式為建筑下部樓層用于商場(chǎng)、餐飲及娛樂(lè)設(shè)施或報(bào)告廳等公用場(chǎng)所，要求形成大開(kāi)間的柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)。而上部樓層用于住宅、辦公室、酒店等，需設(shè)計(jì)小開(kāi)間的軸線布置和較多墻體。所以在設(shè)計(jì)實(shí)踐中需將上部設(shè)計(jì)為剛度較大的剪力墻，下部設(shè)計(jì)剛度較小的框架柱?；蛘呤茄亟Y(jié)構(gòu)豎向改善柱網(wǎng)尺寸，保證其形成上密下疏的形態(tài)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，則要利用空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)其在大空間建筑中的研究和應(yīng)用，以此提升設(shè)計(jì)水平。

一、當(dāng)前空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)常見(jiàn)型式及適用條件分析

1. 常見(jiàn)結(jié)構(gòu)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(dāng)承受荷載時(shí)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，均具有受力合理的優(yōu)勢(shì)，但空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)更為優(yōu)良。我國(guó)當(dāng)前階段所利用的空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)型式較多，主要有等節(jié)間和不等節(jié)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(shí)按照使用材料的不同，也可分為鋼筋混凝土空腹桁架、鋼結(jié)構(gòu)空腹桁架、預(yù)應(yīng)力混凝土桁架等。在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)型式即是預(yù)應(yīng)力混凝土空腹桁架，其能夠在桁架下對(duì)弦施加一定的預(yù)應(yīng)力，從而對(duì)下弦拉力和部分跨中彎矩進(jìn)行抵消，促使下弦由偏心受拉桿轉(zhuǎn)變?yōu)槠氖軌簵U，進(jìn)而使剛度得到顯著提升，有助于預(yù)防出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。在具體的工程實(shí)踐中，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力能夠有效減少構(gòu)件的截面尺寸，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)自重。這有助于控制撓度，預(yù)防出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題。不過(guò)在應(yīng)用過(guò)程中存在構(gòu)造設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度大以及造價(jià)成本高等缺陷。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)綜合考慮工程特點(diǎn)，合理選型適當(dāng)?shù)目崭硅旒苻D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

2. 關(guān)于疊式空腹桁架

疊式空腹桁架是空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的一個(gè)特例，相當(dāng)于幾個(gè)單層空腹桁架組合起來(lái)的一種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式，在不影響建筑美觀、使用功能前提下，充分利用上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為一個(gè)整體空腹桁架受力，借鑒了高層建筑中巨型結(jié)構(gòu)的思路。

二、空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在大空間建筑中的受力特點(diǎn)

1. 空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力的研究

由于在當(dāng)前階段空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，因此我國(guó)對(duì)于該結(jié)構(gòu)的研究也逐漸深入。比如現(xiàn)有研究中較為典型的即是對(duì)梁式轉(zhuǎn)換層與空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型試件，開(kāi)展豎向和水平往復(fù)荷載作用下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將某大廈建筑作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其地上共?5層，高度為77.7m，對(duì)4層建筑采用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，試件共5層。確定縮尺比例為1∶6，混凝土等級(jí)選用C30。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的試件均采用統(tǒng)一的加載方式。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果顯示采用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存在破壞現(xiàn)象，其是由框架支柱上、下兩端相繼出現(xiàn)塑性鉸，進(jìn)而形成可變機(jī)構(gòu)所導(dǎo)致的?？崭硅旒苻D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，主要是由腹桿所引起的，此時(shí)框架基本完善。同時(shí)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的位移和延性、可用位移延性等，均相對(duì)優(yōu)于梁式轉(zhuǎn)換層試件。由此可總結(jié)在建筑空間內(nèi)應(yīng)用空腹桁架轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的耗能能力，遠(yuǎn)超過(guò)梁式轉(zhuǎn)換層試件。綜合試驗(yàn)成果，可看出空腹桁架的弦桿在承受彎矩、剪力的基礎(chǔ)上，還會(huì)承受相對(duì)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(jìn)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(shì)。所以設(shè)計(jì)人員可將跨中弦桿近似視為彎矩與軸力共同作用的構(gòu)件，對(duì)邊跨可卡作為彎矩與剪力共同作用的構(gòu)件?；诂F(xiàn)有研究，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的屈服荷載、局限荷載等差異較小，但前者屬于超靜定結(jié)果，存在塑性內(nèi)力重分布，在水平荷載作用下會(huì)呈現(xiàn)變形分散的狀態(tài)，有助于提升耗能能力。由于在荷載作用下，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力較為均勻、傳力明確且抗側(cè)剛度較高，具有優(yōu)越的抗震性能，在大空間建筑中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2. 空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

結(jié)合相關(guān)研究以及現(xiàn)階段工程實(shí)踐，總結(jié)空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力的特點(diǎn)，有以下幾個(gè)方面。

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承受荷載大。在多層和高層建筑中帶有轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，多數(shù)是采用低位轉(zhuǎn)換方式。由于建筑上部樓層較多，所以轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承擔(dān)上部傳遞的豎向荷載相對(duì)表達(dá)。而對(duì)于懸掛式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，大多需要懸掛下部多層荷載，在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件中將會(huì)出現(xiàn)較大的內(nèi)力，設(shè)計(jì)人員針對(duì)這一受力特點(diǎn)需要在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮豎向荷載因素。

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨度大。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的跨度會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)上部建筑結(jié)構(gòu)，在豎向荷載作用下，將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的撓度和變形力。所以設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制豎向撓度，以此保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合建筑實(shí)際要求。

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)受力情況復(fù)雜。因?yàn)榇蟛糠值霓D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件位于彎矩、剪力和軸力的共同作業(yè)下，導(dǎo)致構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)較為復(fù)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)軸力示意圖

沿建筑物高度方向上的剛度，一般在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)出會(huì)發(fā)生一定改變，導(dǎo)致傳力途徑發(fā)生較大的變化。所以設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)采用反常規(guī)方法開(kāi)展分析和計(jì)算，保證空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到優(yōu)化和合理調(diào)整。

建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工過(guò)程具有復(fù)雜化的特點(diǎn)，操作難度較大。必須要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效優(yōu)化，盡可能為施工活動(dòng)開(kāi)展提供便利性。

三、疊式空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在大空間建筑中的實(shí)踐應(yīng)用

1. 設(shè)計(jì)原則

在大空間建筑中設(shè)計(jì)應(yīng)用疊式空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循抗震概念設(shè)計(jì)原則，確保疊式空腹桁架在結(jié)構(gòu)體系承受地震作用時(shí)不先于其他構(gòu)件失效：

在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，遵循強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)、弱化轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的原則，目的是保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和下部大空間結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、延性和抗震性能得到提升。對(duì)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的上部設(shè)計(jì)，還是遵循強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)邊柱、弱中柱的原則。比如促使塑性鉸在梁端優(yōu)先設(shè)計(jì)產(chǎn)生，以此有助于保障柱具有良好的安全性。

設(shè)計(jì)空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可采用強(qiáng)邊腹桿（即框架柱）和增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的原則。即是設(shè)計(jì)中要結(jié)合實(shí)際工程情況，盡量提高邊腹桿（即框架柱）和節(jié)點(diǎn)的承載力，促使弦桿變形能力得到提升。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照強(qiáng)剪弱彎的原則，有助于避免延性較差的構(gòu)件發(fā)生剪切破壞，盡量使用發(fā)生延性較好的構(gòu)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(guò)調(diào)節(jié)其截面尺寸、間距等來(lái)調(diào)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(gòu)件少且間距大，水平承重構(gòu)件的跨度也大，疊式空腹桁架的弦桿的設(shè)計(jì)就特別關(guān)鍵。參照抗震設(shè)計(jì)多道防線、和防連續(xù)倒塌的概念，采用“強(qiáng)底層下弦桿”的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在大空間建筑中得到良好的實(shí)踐應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中合理進(jìn)行布置。綜合考慮到空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(diǎn)。需科學(xué)規(guī)劃各構(gòu)件的布置方案，比如在高度方向上，可按照建筑使用功能、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。而在平面方向上，則是對(duì)該結(jié)構(gòu)采用滿層布置形式。對(duì)于部分具有特殊要求的建筑，也可在某一樓層進(jìn)行局部布置，促使上弦節(jié)點(diǎn)與上部框架柱、剪力墻墻肢等進(jìn)行重合布置，有助于提升轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剛度和整體受力性能。

另外，空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層可作為正常的使用樓層，也可設(shè)置為建筑的設(shè)備層。不過(guò)在布置過(guò)程中，必須保障轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(xiàn)沿豎向剛度差異較大，防范轉(zhuǎn)換層與下部大空間樓層的剛度發(fā)生突然變化。當(dāng)設(shè)計(jì)布置抗震設(shè)防烈度為7度和8度的大空間建筑時(shí)，采用空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能夠與該建筑的加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔樓結(jié)構(gòu)等進(jìn)行同時(shí)布置。但應(yīng)注意不超過(guò)兩種結(jié)構(gòu)的組合布置。在具體設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)人員還要考慮空腹桁架的作用，其即可作為豎向承重構(gòu)件，也能夠作為抵抗水平力的構(gòu)件。所以當(dāng)實(shí)施平面布置時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有均勻性、對(duì)稱性、分散性和周邊性，從而降低扭轉(zhuǎn)力的影響。

3. 疊式空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)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(jié)構(gòu)屋面高度約18m。其中地上四層，一層由于使用功能要求設(shè)計(jì)為950座階梯型報(bào)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(bào)告廳的橫縱向尺寸為27.4m×29.3m，為無(wú)柱大空間，上面三層按教室設(shè)置要求采用9m×10.6m柱距的框架結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮到上部建筑功能和底層報(bào)告廳凈空要求，選用27.4m跨3層高的疊式空腹桁架來(lái)承托上部結(jié)構(gòu)?？崭硅旒艿闹ё捎眯弯摶炷林饶芸刂破漭S壓比和截面尺寸又能提供良好的抗震性能，為結(jié)構(gòu)安全提供保證?？崭硅旒艿母箺U和弦桿也采用了型鋼混凝土。

本工程結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為四級(jí)。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(jí)按三級(jí)。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限為50年。建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

利用開(kāi)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(gòu)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(diǎn)是上、下弦桿構(gòu)件除了彎矩、剪力外，還有較大的軸壓、軸拉力；所以設(shè)計(jì)中明確要求施工過(guò)程中整個(gè)疊式空腹桁架底部要設(shè)置滿堂腳手架支撐，并要求上弦桿、腹桿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可拆撐。

結(jié)構(gòu)計(jì)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(shí)際受力狀態(tài)相符；同時(shí)在整體計(jì)算過(guò)程中，將和空腹桁架范圍內(nèi)及相鄰的樓板設(shè)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(guò)變形協(xié)調(diào)計(jì)算，真實(shí)反映該水平力在豎向構(gòu)件的實(shí)際分配。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前大空間建筑設(shè)計(jì)施工項(xiàng)目不斷增多的背景下，對(duì)空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。疊式空腹桁架是一種傳力明確、受力性能較好的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)型式，能夠較好地滿足建筑功能要求。設(shè)計(jì)重點(diǎn)是根據(jù)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(diào)節(jié)空腹桁架的整體剛度；同時(shí)考慮到該結(jié)構(gòu)下弦桿就是軸拉力較大的拉彎構(gòu)件，因此在實(shí)踐工程中可采用型鋼混凝土構(gòu)件，并適當(dāng)加大下弦的含鋼量，提高結(jié)構(gòu)抗開(kāi)裂能力，促使下弦桿軸力有效抵消，進(jìn)而減小下弦桿撓度，保障大空間建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。同時(shí)要做好型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)該是安全可靠并便于施工的。