包络设计方法在某超限结构中的应用

文/邓德君 上海天华建筑设计有限公司 上海 200235

包络，形象的理解是由许多椭圆形曲线交织而成的一种图形，外观看起来是包起来的一样，其在各个学科中均有其独特的含义和应用[1]。工程结构设计的目的是使设计建造的各类工程结构能够满足确保人的生命和财产安全并符合国家的技术经济政策的要求，因此在工程结构设计领域必然直接或间接地存在包络，如包络设计，即能够包络住所有可能的最不利情况或条件。

本文结合多年在建筑结构设计方面的经验，讨论从包络设计的角度去理解规范中的类似条文，并举例介绍包络设计在某超限结构中的应用。

1、规范中类似包络设计的理解

1.1 荷载（作用）组合中包络的理解

（1）结构设计目标的包络：大部分结构设计规范（如文献[2]～[4]、[6]、[7]）总则第一条均指出其制定规范的目的是使结构符合可持续发展的要求，并符合安全可靠、经济合理、技术先进、确保质量的要求。可以理解为，所设计的结构需按上述目的进行包络设计。

（2）极限状态的包络：任何一种结构均存在两种极限状态，即与安全有关的承载能力极限状态和与使用功能有关的正常使用极限状态。文献[2]第4.1.1条、文献[3]第3.2.1条、文献[4]第3.1.3条均指出了结构设计必须满足上述两种极限状态。可以理解为，所设计的结构需按上述两种极限状态进行包络设计。

（3）设计状况的包络：文献[2]第4.2.1条指出，工程结构设计时应区分持久设计状况、短暂设计状况、偶然设计状况和地震设计状况，同时第4.2.2条指出，工程结构设计时，对不同的设计状况应采用相应的结构体系、可靠度水平、基本变量和作用组合。可以理解为，所设计的结构需按上述四种设计状况采用相应的可靠度水平进行包络设计。

（4）荷载（或作用）的包络：作用在结构上的荷载（或作用）有四类，文献[3]第3.1.1条对永久荷载、可变荷载、偶然荷载进行了举例，文献[5]阐述了地震作用及相关设计要求。但这四类荷载并非同时一直作用在结构上，需要区分两种极限状态和四种设计状况及相应组合，存在基本组合、偶然组合、地震组合、标准组合、频遇组合、准永久组合共六种荷载（作用）组合，在每种组合的最不利情况下结构均需满足规定的要求。抛开可靠度来讲，可理解为，所设计的结构需在四类荷载（或作用）下按要求进行包络设计。

1.2 抗震设计中包络的理解

（1）抗震设防目标：文献[5]第1.0.1条规定我国基本的抗震设防目标是“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准目标，可理解为是根据现有的科学水平和经济条件对地震作用的一种包络设计。

（2）多种分析方法的包络：文献[5]第5.1.2条第3款规定，对于指定结构需采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，即对小震采用CQC和时程分析两种方法进行包络设计。

1.3 超限结构设计中包络的理解

（1）多软件包络分析：文献[5]第3.6.6条、文献[6]第5.1.12条均指出对于复杂结构在多遇地震下分析时，需采用不少于两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算，并进行比较和分析，以保证力学分析结构的可靠性。

（2）多模型包络设计：文献[6]第5.1.14条指出，对多塔楼结构，宜按整体模型和各塔楼分开的模型分别计算，并采用较不利的结果进行结构设计。文献[7]第十一条第七款也指出，当几部分结构的连接薄弱时，应考虑连接部位各构件的实际构造和连接的可靠程度，必要时可取结构整体模型和分开模型计算的不利情况，或要求某部分结构在设防烈度下保持弹性工作状态。

（3）结构抗震性能设计：文献[5]附录M及文献[6]第3.11节均对抗震性能设计方法进行了统计的介绍。超限结构除按一般的抗震设计方法设计外，还需要按此性能设计方法进行设计，可以理解为是对设计方法的一种补充和包络。

2、本项目中包络设计方法的应用

2.1 项目概况

苏州高新区文体中心项目由文化中心子项、健身中心子项、体育馆子项及配套商业组成，本文介绍的是其文化中心子项。该子项包括电影院、图书馆、文化馆等功能，1～3层为裙房，4～6层为文化馆塔楼，见图1典型楼层示意。

图1 a 二层结构平面图（裙房）

图1 b 五层结构平面图（塔楼）

2.2 包络设计方法的应用

文化中心由于建筑功能和立面要求，塔楼与裙房之间及平面上连接相对薄弱处均未设缝断开，存在多项不规则，根据文献[8]判别为超限高层建筑，下面重点介绍该子项在设计过程中遇到与超限有关的包络设计。

2.2.1 多软件包络分析

与一般的超限结构类似，整体模型进行了YJK和PMSAP两个软件的对比分析，两个软件分析结果接近且均满足规范要求，误差在可接收范围内，如前六阶周期（见表1），表明所采用的计算机软件及搭建的结构模型是可靠的。

表1 aYJK前6阶振型

表1 bPMSAP前6阶振型

2.2.2 多模型包络设计

图书馆和影视中心为2层或3层裙房，在四层及以上，建筑立面收进，仅剩文化馆的高层塔楼，塔楼主要竖向构件为四个交通核形成的类筒体（每个交通核由四根型钢混凝土柱和型钢梁组成），以及中部的四根钢管混凝土柱。文化馆的四个交通核在底部三层与裙房相接的楼板宽度较小，部分相连楼板有高差，甚至不连接。

考虑到文化馆塔楼投影范围与裙房的连接较为薄弱，经与超限专家沟通，需将属于高层的文化馆塔楼与周边裙房脱开，对文化馆塔楼进行单独分析，以考察文化馆塔楼在地震作用下各项计算分析和指标是否满足要求，即塔楼及投影范围的整体指标和配筋均按照和裙房切开与连成整体的两个模型进行包络设计。

2.2.3 性能设计

除满足一般项目的三水准抗震设防目标，本项目作为平、立面特别不规则的超限高层结构，在设计时进行了性能设计，作为一种补充和包络。整体选用了文献[6]中的性能目标D，部分关键构件的性能目标参照目标C进行确定，具体见表2所示。

表2 部分关键构件性能目标

结语：

本文根据多年结构设计经验，对规范中类似包络设计的条文进行了探讨，并以一个具体项目实例详细介绍了超限结构设计中遇到的包络设计。需要说明的是，本文旨在为类似项目和规范理解提供一种思路，文中部分观点或对规范的理解可能不是完全正确或合理，欢迎与同行进行交流学习。