包絡(luò)設(shè)計方法在某超限結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

文/鄧德君 上海天華建筑設(shè)計有限公司 上海 200235

包絡(luò)，形象的理解是由許多橢圓形曲線交織而成的一種圖形，外觀看起來是包起來的一樣，其在各個學(xué)科中均有其獨(dú)特的含義和應(yīng)用[1]。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是使設(shè)計建造的各類工程結(jié)構(gòu)能夠滿足確保人的生命和財產(chǎn)安全并符合國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策的要求，因此在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域必然直接或間接地存在包絡(luò)，如包絡(luò)設(shè)計，即能夠包絡(luò)住所有可能的最不利情況或條件。

本文結(jié)合多年在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的經(jīng)驗，討論從包絡(luò)設(shè)計的角度去理解規(guī)范中的類似條文，并舉例介紹包絡(luò)設(shè)計在某超限結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1、規(guī)范中類似包絡(luò)設(shè)計的理解

1.1 荷載（作用）組合中包絡(luò)的理解

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)的包絡(luò)：大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（如文獻(xiàn)[2]～[4]、[6]、[7]）總則第一條均指出其制定規(guī)范的目的是使結(jié)構(gòu)符合可持續(xù)發(fā)展的要求，并符合安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、確保質(zhì)量的要求。可以理解為，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)需按上述目的進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

（2）極限狀態(tài)的包絡(luò)：任何一種結(jié)構(gòu)均存在兩種極限狀態(tài)，即與安全有關(guān)的承載能力極限狀態(tài)和與使用功能有關(guān)的正常使用極限狀態(tài)。文獻(xiàn)[2]第4.1.1條、文獻(xiàn)[3]第3.2.1條、文獻(xiàn)[4]第3.1.3條均指出了結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足上述兩種極限狀態(tài)。可以理解為，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)需按上述兩種極限狀態(tài)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

（3）設(shè)計狀況的包絡(luò)：文獻(xiàn)[2]第4.2.1條指出，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)區(qū)分持久設(shè)計狀況、短暫設(shè)計狀況、偶然設(shè)計狀況和地震設(shè)計狀況，同時第4.2.2條指出，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對不同的設(shè)計狀況應(yīng)采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系、可靠度水平、基本變量和作用組合。可以理解為，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)需按上述四種設(shè)計狀況采用相應(yīng)的可靠度水平進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

（4）荷載（或作用）的包絡(luò)：作用在結(jié)構(gòu)上的荷載（或作用）有四類，文獻(xiàn)[3]第3.1.1條對永久荷載、可變荷載、偶然荷載進(jìn)行了舉例，文獻(xiàn)[5]闡述了地震作用及相關(guān)設(shè)計要求。但這四類荷載并非同時一直作用在結(jié)構(gòu)上，需要區(qū)分兩種極限狀態(tài)和四種設(shè)計狀況及相應(yīng)組合，存在基本組合、偶然組合、地震組合、標(biāo)準(zhǔn)組合、頻遇組合、準(zhǔn)永久組合共六種荷載（作用）組合，在每種組合的最不利情況下結(jié)構(gòu)均需滿足規(guī)定的要求。拋開可靠度來講，可理解為，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)需在四類荷載（或作用）下按要求進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

1.2 抗震設(shè)計中包絡(luò)的理解

（1）抗震設(shè)防目標(biāo)：文獻(xiàn)[5]第1.0.1條規(guī)定我國基本的抗震設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)目標(biāo)，可理解為是根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件對地震作用的一種包絡(luò)設(shè)計。

（2）多種分析方法的包絡(luò)：文獻(xiàn)[5]第5.1.2條第3款規(guī)定，對于指定結(jié)構(gòu)需采用彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計算，即對小震采用CQC和時程分析兩種方法進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

1.3 超限結(jié)構(gòu)設(shè)計中包絡(luò)的理解

（1）多軟件包絡(luò)分析：文獻(xiàn)[5]第3.6.6條、文獻(xiàn)[6]第5.1.12條均指出對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)在多遇地震下分析時，需采用不少于兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計算，并進(jìn)行比較和分析，以保證力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的可靠性。

（2）多模型包絡(luò)設(shè)計：文獻(xiàn)[6]第5.1.14條指出，對多塔樓結(jié)構(gòu)，宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。文獻(xiàn)[7]第十一條第七款也指出，當(dāng)幾部分結(jié)構(gòu)的連接薄弱時，應(yīng)考慮連接部位各構(gòu)件的實際構(gòu)造和連接的可靠程度，必要時可取結(jié)構(gòu)整體模型和分開模型計算的不利情況，或要求某部分結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下保持彈性工作狀態(tài)。

（3）結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計：文獻(xiàn)[5]附錄M及文獻(xiàn)[6]第3.11節(jié)均對抗震性能設(shè)計方法進(jìn)行了統(tǒng)計的介紹。超限結(jié)構(gòu)除按一般的抗震設(shè)計方法設(shè)計外，還需要按此性能設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，可以理解為是對設(shè)計方法的一種補(bǔ)充和包絡(luò)。

2、本項目中包絡(luò)設(shè)計方法的應(yīng)用

2.1 項目概況

蘇州高新區(qū)文體中心項目由文化中心子項、健身中心子項、體育館子項及配套商業(yè)組成，本文介紹的是其文化中心子項。該子項包括電影院、圖書館、文化館等功能，1～3層為裙房，4～6層為文化館塔樓，見圖1典型樓層示意。

圖1 a 二層結(jié)構(gòu)平面圖（裙房）

圖1 b 五層結(jié)構(gòu)平面圖（塔樓）

2.2 包絡(luò)設(shè)計方法的應(yīng)用

文化中心由于建筑功能和立面要求，塔樓與裙房之間及平面上連接相對薄弱處均未設(shè)縫斷開，存在多項不規(guī)則，根據(jù)文獻(xiàn)[8]判別為超限高層建筑，下面重點(diǎn)介紹該子項在設(shè)計過程中遇到與超限有關(guān)的包絡(luò)設(shè)計。

2.2.1 多軟件包絡(luò)分析

與一般的超限結(jié)構(gòu)類似，整體模型進(jìn)行了YJK和PMSAP兩個軟件的對比分析，兩個軟件分析結(jié)果接近且均滿足規(guī)范要求，誤差在可接收范圍內(nèi)，如前六階周期（見表1），表明所采用的計算機(jī)軟件及搭建的結(jié)構(gòu)模型是可靠的。

表1 aYJK前6階振型

表1 bPMSAP前6階振型

2.2.2 多模型包絡(luò)設(shè)計

圖書館和影視中心為2層或3層裙房，在四層及以上，建筑立面收進(jìn)，僅剩文化館的高層塔樓，塔樓主要豎向構(gòu)件為四個交通核形成的類筒體（每個交通核由四根型鋼混凝土柱和型鋼梁組成），以及中部的四根鋼管混凝土柱。文化館的四個交通核在底部三層與裙房相接的樓板寬度較小，部分相連樓板有高差，甚至不連接。

考慮到文化館塔樓投影范圍與裙房的連接較為薄弱，經(jīng)與超限專家溝通，需將屬于高層的文化館塔樓與周邊裙房脫開，對文化館塔樓進(jìn)行單獨(dú)分析，以考察文化館塔樓在地震作用下各項計算分析和指標(biāo)是否滿足要求，即塔樓及投影范圍的整體指標(biāo)和配筋均按照和裙房切開與連成整體的兩個模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

2.2.3 性能設(shè)計

除滿足一般項目的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)，本項目作為平、立面特別不規(guī)則的超限高層結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時進(jìn)行了性能設(shè)計，作為一種補(bǔ)充和包絡(luò)。整體選用了文獻(xiàn)[6]中的性能目標(biāo)D，部分關(guān)鍵構(gòu)件的性能目標(biāo)參照目標(biāo)C進(jìn)行確定，具體見表2所示。

表2 部分關(guān)鍵構(gòu)件性能目標(biāo)

結(jié)語：

本文根據(jù)多年結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，對規(guī)范中類似包絡(luò)設(shè)計的條文進(jìn)行了探討，并以一個具體項目實例詳細(xì)介紹了超限結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的包絡(luò)設(shè)計。需要說明的是，本文旨在為類似項目和規(guī)范理解提供一種思路，文中部分觀點(diǎn)或?qū)σ?guī)范的理解可能不是完全正確或合理，歡迎與同行進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。