【解构】最新钢结构性能设计的设计全流程及案例分享（上篇）

本文将结合新钢标要求，对性能设计的流程进行全面梳理，帮助大家在PKPM软件辅助下掌握如何更加便捷的进行钢结构性能设计。

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前言

随着钢结构应用的急剧增长，结构形式日益丰富，不同的结构体系和截面特性的钢结构，其结构延性差异较大，为贯彻国家提出的“鼓励用钢、合理用钢”的经济政策，根据现行《建筑抗震设计规范》GB50011（简称“抗规”）及《构筑物抗震设计规范》GB50191规定的抗震设计原则，针对钢结构特点，《钢结构设计标准》GB50017-2017（简称“新钢标”）增加了钢结构的抗震性能设计内容。根据性能设计的钢结构，其抗震设计准则为：验算本地区抗震设防烈度的多遇地震作用的构件承载力和结构弹性变形（小震不坏）、根据其延性验算设防地震作用下的承载力（中震可修）、验算罕遇地震作用的弹塑性变形（大震不倒）。

对于很多结构，地震作用并不是结构设计的主要控制因素，其构件实际具有的受震承载力很高，因此，抗震构造可适当的降低，从而降低能耗，节省造价。

抗震设计的本质是控制地震施加给建筑物的能量，弹性变形与塑性变形（延性）均可消耗能量。在能量输入相同的条件下，结构延性越好，弹性承载力要求越低，反之，结构延性差，则弹性承载力要求高，在新钢标中简称为“高延性-低承载力”和“低延性-高承载力”两种抗震设计思路，均可达成大致相同的设防目标。结构根据预先设定的延性等级确定对应的地震作用设计方法，称为“性能化设计方法”。

结构遵循现有的抗震规范规定，采用的也是某种性能化设计的手段，不同点仅在于地震作用按小震设计意味着延性仅有一种选择，由于设计条件及要求的多样化，实际工程按照某类特定延性的要求实施，有时将导致设计不合理，甚至难以实现。大部分钢结构由薄壁板件构成，针对结构体系的多样性及其不同的设防要求，采用合理的抗震设计思路才能在保证抗震设防目标的前提下减少结构的用钢量。虽然大部分多高层结构适合采用高延性-低承载力的设计思路，但是对于多层钢框架结构，在低烈度区，采用低延性-高承载力的抗震思路可能更合理，单层工业厂房也更适合采用低延性-高承载力的抗震设计思路。对于高烈度区的结构及较高的钢框架结构，设计中不应采用低延性结构，建议采用高延性-低承载力的抗震设计思路。

性能化设计的核心思想,即通过：“高延性-低承载力”或“低延性-高承载力”的抗震设计思路，在结构的延性和承载力之间找到一个平衡点，达到最优设计结果，对高延性结构可适当放宽承载力要求，对高承载力结构可适当放宽延性要求。

注意：如果按照新钢标的抗震性能做了设计，就无需再满足抗规及《构筑物抗震设计规范》GB50191规定的特定结构的构造要求及规定。

本文系统梳理性能设计，同时结合算例展示PKPM软件如何实现对于钢结构性能设计的实现及对新钢标中支撑产生的不平衡力对梁设计的影响。

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新钢标对性能设计的相关要求

1.1 抗震性能设计的性能等级和目标的确定

钢结构构件的抗震性能化设计根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，结构构件在整个结构中的作用、使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等，经综合分析、比较后选定其抗震性能目标。钢标对构件塑性耗能区的抗震承载性能等级及其在不同地震动水准下的性能目标的划分按照如下图1进行的划分。

图1 构件塑性耗能区的抗震承载性能等级和目标

1.2 结构构件最低延性等级的确定

按照新钢标要求，结构构件和节点的延性等级应根据设防类别和塑性耗能区最低承载性能等级按照下图2所示的方法确定，确定不同设防类别不同性能目标下的构件延性等级。

图2 结构构件最低延性等级

1.3 结构构件的板件宽厚比限值的控制

按照图2确定出结构构件最低的延性等级，再根据图 3规定对不同延性等级的相应要求，确定对应的宽厚比等级，再采取相应的抗震构造措施。

图3 构件延性等级对应的塑像耗能区截面板件宽厚比等级

1.4 结构塑性耗能区不同承载性能等级对应的性能系数最小值

新钢标对框架结构、中心支撑结构、框架-支撑结构，规范结构的塑性耗能区不同承载性能等级对应的性能系数最小值按照图4要求执行，对于不规则结构的塑性耗能区构件性能系数最小值，宜比规则结构增加15%~50%。

图4 规则结构塑性耗能区不同承载性能等级对应的性能系数最小值

1.5 性能设计对于框架柱长细比的构造要求

按照新钢标相关要求，对于框架柱的长细比限值控制按照图5的要求执行，根据确定的延性等级进行相应的长细比限值控制。

图5 框架柱长细比限值要求

1.6 柱节点域受剪正则化长细比限值控制

框架结构梁柱采用刚接连接时，H形和箱形截面柱的节点域受剪正则化宽厚比λns限值应符合图 6规定的要求执行。

图6 H形和箱形截面柱节点域受剪正则化宽厚比λns限值

1.7 支撑结构与框架—支撑结构支撑长细比及宽厚比等级的控制

钢结构性能设计对支撑构件的长细比、截面板件宽厚比限值等的控制均依据结构构件的延性等级。对长细比、板件宽厚比限值控制按照图7执行。

图7 支撑长细比、截面板件宽厚比等级

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使用软件实现新钢标性能设计的完整流程

按照新钢标的要求，要实现完整的钢结构性能设计，需要遵循以下的设计流程。

2.1 多遇地震下承载力与变形验算

对设计高度低于100m的钢结构进行多遇地震作用下的验算，验算内容包含结构承载力及侧向变形是否满足抗规要求，即查看结构构件的强度应力比、稳定应力比等是否均满足新钢标要求，同时查看结构在风和地震作用下的弹性层间位移角是否均满足抗规及新钢标1/250的要求。只有在满足小震下承载力和变形的情况下才能进行抗震性能设计。如果此时构件的宽厚比、高厚比及长细比均不满足抗震规范的要求，则有必要进行性能设计。如果按照对应钢标的某性能目标设计，满足了中震下承载力要求，可以按照对应的宽厚比等级及延性等级放松宽厚比、高厚比及长细比的限制。

2.2 确定结构塑性耗能区的性能等级

结合设计的结构高度及设防烈度，初步确定塑性耗能区承载性能等级范围，按照图8的参考表选择，然后可初步在性能等级范围内选择确定某一个具体的性能等级，按照确定的性能等级可以进行后续的参数确定及相关设计。图8 的该表可未必严格执行，实际工程中可以根据实际情况做微调。

图8 塑性耗能区承载性能等级参考选用表

2.3 确定构件的延性等级

结合某一确定的性能等级及结构设防类别，可以按照钢标表17.1.4-2确定出结构构件的最低延性等级。在软件中的参数选择执行“《钢结构设计标准》GB50017-2017”如图9所示，同时按照确定的延性等级，直接填入如图10所示的性能设计参数中。

图9 选择按照新钢标进行设计

图10 钢结构性能设计相关参数填写

2.4 确定钢标性能设计的其他参数

2.4.1 性能等级及性能系数的确定

根据确定的性能等级，程序会自动按照新钢标要求，即图4的要求，自动确定最小的性能系数，设计师也可以对该最小的性能系数进行修改。该性能系数是对于结构所有构件都控制的，按照新钢标17.1.5条的要求，对于框架结构，同层框架柱的性能系数高于框架梁，关键构件的性能系数不应低于一般构件；同时新钢标17.1.5条文说明要求对于关键构件的性能系数不应低于0.55，也就是说关键构件的承载力性能等级最小不能低于性能4。对于单构件性能系数不同时的修改在后续“层塔属性”及“特殊梁”“特殊柱”菜单下均可实现不同层次的修改。

2.4.2 中震地震影响系数最大值及中震阻尼比

程序可以根据小震下的参数“地震烈度”自动确定中震下的地震影响系数最大值。中震下程序默认的阻尼比为2%，按照新钢标17.2.1条第四条所述，对于弹塑性分析的阻尼比可适当增加，采用等效线性化方法不宜大于5%。如果使用弹塑性分析软件进行了结构中震下的分析，可以根据输出的每条地震波的能量图，确定出每条地震波下结构中震弹塑性附加阻尼比。中震下的阻尼比可以取多条地震波中震计算的结构弹塑性附加阻尼比的平均值加上初始阻尼比。如图 11所示为SAUSAGE软件计算的某框架结构在某条地震波中震下的能量图及结构弹塑性阻尼比情况。

图11 某框架结构中震下某条地震波能量图及附加弹塑性阻尼比

2.4.3 塑性耗能构件刚度折减系数

钢结构抗震设计的思路是进行塑性铰机构控制，由于非塑性耗能区构件和节点的承载力设计要求取决于结构体系及构件塑性耗能区的性能，因此新钢标仅规定了构件塑性耗能区的抗震性能目标。对于框架结构，除单层和顶层框架外，塑性耗能区宜为框架梁端；对于支撑结构，塑性耗能区宜为成对设置的支撑；对于框架-中心支撑结构，塑性耗能区宜为成对设置的支撑、框架梁端；对于框架-偏心支撑结构，塑性耗能区宜为耗能梁段、框架梁端。结构变形的完好指的是承载力设计值满足弹性计算内力设计值的要求，基本完好是指承载力设计值满足刚度适当折减后的内力设计值要求或承载力标准值满足要求，轻微变形指层间位移约为1/200时塑性耗能区的变形，显著变形指层间侧移为1/50-1/40时，塑性耗能区的变形。

对于塑性耗能梁及塑性耗能支撑等构件，设计人员可根据选定的结构构件的性能等级，定义刚度折减系数，该刚度折减系数是针对中震模型下的，小震下不起作用。在SATWE程序中，如果选择框架结构，程序会自动判断所有的主梁为塑性耗能构件，定义的折减系数对于所有的主梁两端均起作用。如果是框架-支撑结构体系，程序同时判断默认所有的支撑构件与梁均为耗能支撑，该折减系数同样对两者起作用。如果要修改塑性耗能构件单构件的刚度折减系数可以在选择如图12所示的“钢结构设计标准的性能目标”菜单下，进行单个构件刚度折减系数的定义，塑性耗能支撑构件默认自动读取前面整体参数中定义的刚度折减系数。

图12 按照钢结构设计标准选择单构件性能目标

2.4.4 非塑性耗能区内力调整系数

按照新钢标，对于框架结构与框架-支撑中的非塑性耗能构件需要进行中震下的承载力验算，验算的时候对于中震下水平地震作用进行内力调整，该调整系数与性能等级及结构体系有关，应按照如图13所示的公式即新钢标17.2.2-1进行计算。公式中的Ωmin的值按照对应的性能等级确定。βe的取值按照图 7.3-8新钢标要求执行。

图 13 新钢标17.2.2-1公式

图14 新钢标对于非塑性耗能构件βe的确定

注意：由于SATWE程序中结构体系没有支撑系统，软件对于所有的非塑性耗能构件的内力调整系数均按照1.1ηy确定。

该处的非塑性耗能区内力调整系数是针对全楼的参数，但是实际工程中塑性耗能区对于不同楼层新钢标要求是不同的。新钢标在17.2.5-3条中明确要求“框架柱应该按压弯构件计算，计算弯矩效应和轴力时，其非塑性耗能区内力调整系数不宜小于1.1ηy。对框架结构，进行受剪计算时，剪力应按照钢标17.2.5-5计算；计算弯矩效应时，多高层钢结构底层柱的非塑性耗能区内力调整系数不应小于1.35。”对于框架结构底层柱的“非塑性耗能区内力调整系数”SATWE程序默认为1.35，无需设计人员填入。其他层自动读取性能设计参数中填入的“非塑性耗能区内力调整系数”。如果要按照楼层进行该调整系数的修改，可在SATWE软件“层塔属性”下进行各类非塑性耗能构件的内力调整系数定义，如图15所示，当然在此处也可以按照楼层进行不同的宽厚比等级、性能等级及延性等级等的定义。

图15 按楼层定义各类非塑性耗能构件内力调整系数

未完待续

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