包絡設計方法在某超限結構中的應用

鄧德君

【摘要】包絡在各個學科中均有其定義和應用，在工程結構設計領域也大量直接或間接地應用包絡的概念。本文首先結合自己的項目經驗和對規范的理解，對規范中一些類似包絡的規定或條文進行了闡述，然后通過一個具體的超限結構對包絡設計進行了應用舉例，可為類似項目和規范理解提供一種思路。

【關鍵詞】包絡設計;超限結構;性能設計

包絡，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，其在各個學科中均有其獨特的含義和應用[1]。工程結構設計的目的是使設計建造的各類工程結構能夠滿足確保人的生命和財產安全并符合國家的技術經濟政策的要求，因此在工程結構設計領域必然直接或間接地存在包絡，如包絡設計，即能夠包絡住所有可能的最不利情況或條件。

本文結合多年在建筑結構設計方面的經驗，討論從包絡設計的角度去理解規范中的類似條文，并舉例介紹包絡設計在某超限結構中的應用。

1、規范中類似包絡設計的理解

1.1荷載（作用）組合中包絡的理解

（1）結構設計目標的包絡：大部分結構設計規范（如文獻[2]～[4]、[6]、[7]）總則第一條均指出其制定規范的目的是使結構符合可持續發展的要求，并符合安全可靠、經濟合理、技術先進、確保質量的要求。可以理解為，所設計的結構需按上述目的進行包絡設計。

（2）極限狀態的包絡：任何一種結構均存在兩種極限狀態，即與安全有關的承載能力極限狀態和與使用功能有關的正常使用極限狀態。文獻[2]第4.1.1條、文獻[3]第3.2.1條、文獻[4]第3.1.3條均指出了結構設計必須滿足上述兩種極限狀態。可以理解為，所設計的結構需按上述兩種極限狀態進行包絡設計。

（3）設計狀況的包絡：文獻[2]第4.2.1條指出，工程結構設計時應區分持久設計狀況、短暫設計狀況、偶然設計狀況和地震設計狀況，同時第4.2.2條指出，工程結構設計時，對不同的設計狀況應采用相應的結構體系、可靠度水平、基本變量和作用組合。可以理解為，所設計的結構需按上述四種設計狀況采用相應的可靠度水平進行包絡設計。

（4）荷載（或作用）的包絡：作用在結構上的荷載（或作用）有四類，文獻[3]第3.1.1條對永久荷載、可變荷載、偶然荷載進行了舉例，文獻[5]闡述了地震作用及相關設計要求。但這四類荷載并非同時一直作用在結構上，需要區分兩種極限狀態和四種設計狀況及相應組合，存在基本組合、偶然組合、地震組合、標準組合、頻遇組合、準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構均需滿足規定的要求。拋開可靠度來講，可理解為，所設計的結構需在四類荷載（或作用）下按要求進行包絡設計。

1.2抗震設計中包絡的理解

（1）抗震設防目標：文獻[5]第1.0.1條規定我國基本的抗震設防目標是“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準目標，可理解為是根據現有的科學水平和經濟條件對地震作用的一種包絡設計。

（2）多種分析方法的包絡：文獻[5]第5.1.2條第3款規定，對于指定結構需采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，即對小震采用CQC和時程分析兩種方法進行包絡設計。

1.3超限結構設計中包絡的理解

（1）多軟件包絡分析：文獻[5]第3.6.6條、文獻[6]第5.1.12條均指出對于復雜結構在多遇地震下分析時，需采用不少于兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算，并進行比較和分析，以保證力學分析結構的可靠性。

（2）多模型包絡設計：文獻[6]第5.1.14條指出，對多塔樓結構，宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結果進行結構設計。文獻[7]第十一條第七款也指出，當幾部分結構的連接薄弱時，應考慮連接部位各構件的實際構造和連接的可靠程度，必要時可取結構整體模型和分開模型計算的不利情況，或要求某部分結構在設防烈度下保持彈性工作狀態。

（3）結構抗震性能設計：文獻[5]附錄M及文獻[6]第3.11節均對抗震性能設計方法進行了統計的介紹。超限結構除按一般的抗震設計方法設計外，還需要按此性能設計方法進行設計，可以理解為是對設計方法的一種補充和包絡。

2、本項目中包絡設計方法的應用

2.1項目概況

蘇州高新區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。

2.2包絡設計方法的應用

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縫斷開，存在多項不規則，根據文獻[8]判別為超限高層建筑，下面重點介紹該子項在設計過程中遇到與超限有關的包絡設計。

2.2.1多軟件包絡分析

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

2.2.2多模型包絡設計

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，僅剩文化館的高層塔樓，塔樓主要豎向構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，對文化館塔樓進行單獨分析，以考察文化館塔樓在地震作用下各項計算分析和指標是否滿足要求，即塔樓及投影范圍的整體指標和配筋均按照和裙房切開與連成整體的兩個模型進行包絡設計。

2.2.3性能設計

除滿足一般項目的三水準抗震設防目標，本項目作為平、立面特別不規則的超限高層結構，在設計時進行了性能設計，作為一種補充和包絡。整體選用了文獻[6]中的性能目標D，部分關鍵構件的性能目標參照目標C進行確定，具體見表2所示。

結語：

本文根據多年結構設計經驗，對規范中類似包絡設計的條文進行了探討，并以一個具體項目實例詳細介紹了超限結構設計中遇到的包絡設計。需要說明的是，本文旨在為類似項目和規范理解提供一種思路，文中部分觀點或對規范的理解可能不是完全正確或合理，歡迎與同行進行交流學習。

參考文獻：

[1]陳頌，閆曉芳.包絡定理及其應用[J].新課程（中），2014（9）.

[2]GB50153-2008工程結構可靠性設計統一標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]GB50010-2012建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[4]GB50010-2010混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6]JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[7]JGJ99-98高層民用建筑鋼結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[8]超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點.建質[2015]67號.