隨著鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的急劇增長，結(jié)構(gòu)形式日益豐富，不同的結(jié)構(gòu)體系和截面特性的鋼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)延性差異較大，為貫徹國家提出的“鼓勵(lì)用鋼、合理用鋼”的經(jīng)濟(jì)政策，根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011（簡稱“抗規(guī)”）及《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50191規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)原則，針對鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017（簡稱“新鋼標(biāo)”）增加了鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)內(nèi)容。根據(jù)性能設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為： 驗(yàn)算本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震作用的構(gòu)件承載力和結(jié)構(gòu)彈性變形（小震不壞）、根據(jù)其延性驗(yàn)算設(shè)防地震作用下的承載力（中震可修）、驗(yàn)算罕遇地震作用的彈塑性變形（大震不倒）。

對于很多結(jié)構(gòu)，地震作用并不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，其構(gòu)件實(shí)際具有的受震承載力很高，因此，抗震構(gòu)造可適當(dāng)?shù)慕档停瑥亩档湍芎模?jié)省造價(jià)。

抗震設(shè)計(jì)的本質(zhì)是控制地震施加給建筑物的能量，彈性變形與塑性變形（延性）均可消耗能量。在能量輸入相同的條件下，結(jié)構(gòu)延性越好，彈性承載力要求越低，反之，結(jié)構(gòu)延性差，則彈性承載力要求高，在新鋼標(biāo)中簡稱為“高延性-低承載力”和“低延性-高承載力”兩種抗震設(shè)計(jì)思路，均可達(dá)成大致相同的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的延性等級確定對應(yīng)的地震作用設(shè)計(jì)方法，稱為“性能化設(shè)計(jì)方法”。

結(jié)構(gòu)遵循現(xiàn)有的抗震規(guī)范規(guī)定，采用的也是某種性能化設(shè)計(jì)的手段，不同點(diǎn)僅在于地震作用按小震設(shè)計(jì)意味著延性僅有一種選擇，由于設(shè)計(jì)條件及要求的多樣化，實(shí)際工程按照某類特定延性的要求實(shí)施，有時(shí)將導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理，甚至難以實(shí)現(xiàn)。大部分鋼結(jié)構(gòu)由薄壁板件構(gòu)成，針對結(jié)構(gòu)體系的多樣性及其不同的設(shè)防要求，采用合理的抗震設(shè)計(jì)思路才能在保證抗震設(shè)防目標(biāo)的前提下減少結(jié)構(gòu)的用鋼量。雖然大部分多高層結(jié)構(gòu)適合采用高延性-低承載力的設(shè)計(jì)思路，但是對于多層鋼框架結(jié)構(gòu)，在低烈度區(qū)，采用低延性-高承載力的抗震思路可能更合理，單層工業(yè)廠房也更適合采用低延性-高承載力的抗震設(shè)計(jì)思路。對于高烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)及較高的鋼框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中不應(yīng)采用低延性結(jié)構(gòu)，建議采用高延性-低承載力的抗震設(shè)計(jì)思路。

性能化設(shè)計(jì)的核心思想，即通過： “高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設(shè)計(jì)思路，在結(jié)構(gòu)的延性和承載力之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，對高延性結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬承載力要求，對高承載力結(jié)構(gòu)可適當(dāng)放寬延性要求。

注意：如果按照新鋼標(biāo)的抗震性能做了設(shè)計(jì)，就無需再滿足抗規(guī)及《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50191規(guī)定的特定結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求及規(guī)定。

本文系統(tǒng)梳理性能設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合算例展示PKPM軟件如何實(shí)現(xiàn)對于鋼結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)及對新鋼標(biāo)中支撐產(chǎn)生的不平衡力對梁設(shè)計(jì)的影響。

1.新鋼標(biāo)對性能設(shè)計(jì)的相關(guān)要求

1.1 抗震性能設(shè)計(jì)的性能等級和目標(biāo)的確定

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能化設(shè)計(jì)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的作用、使用功能和附屬設(shè)施功能的要求、投資大小、震后損失和修復(fù)難易程度等，經(jīng)綜合分析、比較后選定其抗震性能目標(biāo)。 鋼標(biāo)對構(gòu)件塑性耗能區(qū)的抗震承載性能等級及其在不同地震動(dòng)水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)的劃分按照如下圖1進(jìn)行的劃分。

▲圖1 構(gòu)件塑性耗能區(qū)的抗震承載性能等級和目標(biāo)

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低延性等級的確定

按照新鋼標(biāo)要求， 結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的延性等級應(yīng)根據(jù)設(shè)防類別和塑性耗能區(qū)最低承載性能等級按照下圖2所示的方法確定，確定不同設(shè)防類別不同性能目標(biāo)下的構(gòu)件延性等級。

▲圖2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低延性等級

1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的板件寬厚比限值的控制

按照圖2確定出結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低的延性等級，再根據(jù)圖3規(guī)定 對不同延性等級的相應(yīng)要求，確定對應(yīng)的寬厚比等級，再采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

▲圖3 構(gòu)件延性等級對應(yīng)的塑像耗能區(qū)截面板件寬厚比等級

1.4 結(jié)構(gòu)塑性耗能區(qū)不同承載性能等級對應(yīng)的性能系數(shù)最小值

新鋼標(biāo)對框架結(jié)構(gòu)、中心支撐結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)，規(guī)范結(jié)構(gòu)的塑性耗能區(qū)不同承載性能等級對應(yīng)的性能系數(shù)最小值按照圖4要求執(zhí)行，對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的塑性耗能區(qū)構(gòu)件性能系數(shù)最小值， 宜比規(guī)則結(jié)構(gòu)增加15%~50%。

▲圖4 規(guī)則結(jié)構(gòu)塑性耗能區(qū)不同承載性能等級對應(yīng)的性能系數(shù)最小值

1.5 性能設(shè)計(jì)對于框架柱長細(xì)比的構(gòu)造要求

按照新鋼標(biāo)相關(guān)要求， 對于框架柱的長細(xì)比限值控制按照圖5的要求執(zhí)行，根據(jù)確定的延性等級進(jìn)行相應(yīng)的長細(xì)比限值控制。

▲圖5 框架柱長細(xì)比限值要求

1.6 柱節(jié)點(diǎn)域受剪正則化長細(xì)比限值控制

框架結(jié)構(gòu)梁柱采用剛接連接時(shí)， H形和箱形截面柱的節(jié)點(diǎn)域受剪正則化寬厚比λns限值應(yīng)符合圖 6規(guī)定的要求執(zhí)行。

▲圖6 H形和箱形截面柱節(jié)點(diǎn)域受剪正則化寬厚比λns限值

1.7 支撐結(jié)構(gòu)與框架—支撐結(jié)構(gòu)支撐長細(xì)比及寬厚比等級的控制

鋼結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)對支撐構(gòu)件的長細(xì)比、截面板件寬厚比限值等的控制均依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性等級。 對長細(xì)比、板件寬厚比限值控制按照圖7執(zhí)行。

▲圖7 支撐長細(xì)比、截面板件寬厚比等級

2.使用軟件實(shí)現(xiàn)新鋼標(biāo)性能設(shè)計(jì)的完整流程

按照新鋼標(biāo)的要求，要實(shí)現(xiàn)完整的鋼結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)，需要遵循以下的設(shè)計(jì)流程。

2.1 多遇地震下承載力與變形驗(yàn)算

對設(shè)計(jì)高度低于100m的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的驗(yàn)算，驗(yàn)算內(nèi)容包含結(jié)構(gòu)承載力及側(cè)向變形是否滿足抗規(guī)要求，即查看結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)力比、穩(wěn)定應(yīng)力比等是否均滿足新鋼標(biāo)要求，同時(shí)查看結(jié)構(gòu) 在風(fēng)和地震作用下的彈性層間位移角是否均滿足抗規(guī)及新鋼標(biāo)1/250的要求。只有在滿足小震下承載力和變形的情況下才能進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)。如果此時(shí)構(gòu)件的寬厚比、高厚比及長細(xì)比均不滿足抗震規(guī)范的要求，則有必要進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。如果按照對應(yīng)鋼標(biāo)的某性能目標(biāo)設(shè)計(jì)，滿足了中震下承載力要求，可以按照對應(yīng)的寬厚比等級及延性等級放松寬厚比、高厚比及長細(xì)比的限制。

2.2 確定結(jié)構(gòu)塑性耗能區(qū)的性能等級

結(jié)合設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)高度及設(shè)防烈度， 初步確定塑性耗能區(qū)承載性能等級范圍，按照圖8的參考表選擇，然后可初步在性能等級范圍內(nèi)選擇確定某一個(gè)具體的性能等級，按照確定的性能等級可以進(jìn)行后續(xù)的參數(shù)確定及相關(guān)設(shè)計(jì)。圖8 的該表可未必嚴(yán)格執(zhí)行，實(shí)際工程中可以根據(jù)實(shí)際情況做微調(diào)。

▲圖8 塑性耗能區(qū)承載性能等級參考選用表

2.3 確定構(gòu)件的延性等級

結(jié)合某一確定的性能等級及結(jié)構(gòu)設(shè)防類別，可以按照鋼標(biāo)表17.1.4-2確定出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最低延性等級。在軟件中的參數(shù)選擇執(zhí)行“《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017”如圖9所示，同時(shí) 按照確定的延性等級，直接填入如圖10所示的性能設(shè)計(jì)參數(shù)中。

▲圖9 選擇按照新鋼標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)

▲圖10 鋼結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)填寫

2.4 確定鋼標(biāo)性能設(shè)計(jì)的其他參數(shù)

2.4.1 性能等級及性能系數(shù)的確定

根據(jù)確定的性能等級，程序會(huì)自動(dòng)按照新鋼標(biāo)要求，即圖4的要求，自動(dòng)確定最小的性能系數(shù)，設(shè)計(jì)師也可以對該最小的性能系數(shù)進(jìn)行修改。該性能系數(shù)是對于結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件都控制的，按照新鋼標(biāo)17.1.5條的要求，對于框架結(jié)構(gòu)，同層框架柱的性能系數(shù)高于框架梁，關(guān)鍵構(gòu)件的性能系數(shù)不應(yīng)低于一般構(gòu)件；同時(shí)新鋼標(biāo)17.1.5條文說明 要求對于關(guān)鍵構(gòu)件的性能系數(shù)不應(yīng)低于0.55，也就是說關(guān)鍵構(gòu)件的承載力性能等級最小不能低于性能4。對于單構(gòu)件性能系數(shù)不同時(shí)的修改在后續(xù)“層塔屬性”及“特殊梁”“特殊柱”菜單下均可實(shí)現(xiàn)不同層次的修改。

2.4.2 中震地震影響系數(shù)最大值及中震阻尼比

程序可以根據(jù)小震下的參數(shù)“地震烈度”自動(dòng)確定中震下的地震影響系數(shù)最大值。中震下程序默認(rèn)的阻尼比為2%，按照新鋼標(biāo)17.2.1條第四條所述， 對于彈塑性分析的阻尼比可適當(dāng)增加，采用等效線性化方法不宜大于5%。如果使用彈塑性分析軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)中震下的分析，可以根據(jù)輸出的每條地震波的能量圖，確定出每條地震波下結(jié)構(gòu)中震彈塑性附加阻尼比。中震下的阻尼比可以取多條地震波中震計(jì)算的結(jié)構(gòu)彈塑性附加阻尼比的平均值加上初始阻尼比。如圖 11所示為SAUSAGE軟件計(jì)算的某框架結(jié)構(gòu)在某條地震波中震下的能量圖及結(jié)構(gòu)彈塑性阻尼比情況。

▲圖11 某框架結(jié)構(gòu)中震下某條地震波能量圖及附加彈塑性阻尼比

2.4.3 塑性耗能構(gòu)件剛度折減系數(shù)

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思路是進(jìn)行塑性鉸機(jī)構(gòu)控制，由于非塑性耗能區(qū)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)要求取決于結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件塑性耗能區(qū)的性能，因此新鋼標(biāo)僅規(guī)定了構(gòu)件塑性耗能區(qū)的抗震性能目標(biāo)。對于框架結(jié)構(gòu)，除單層和頂層框架外，塑性耗能區(qū)宜為框架梁端；對于支撐結(jié)構(gòu)，塑性耗能區(qū)宜為成對設(shè)置的支撐；對于框架-中心支撐結(jié)構(gòu)，塑性耗能區(qū)宜為成對設(shè)置的支撐、框架梁端；對于框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)，塑性耗能區(qū)宜為耗能梁段、框架梁端。 結(jié)構(gòu)變形的完好指的是承載力設(shè)計(jì)值滿足彈性計(jì)算內(nèi)力設(shè)計(jì)值的要求，基本完好是指承載力設(shè)計(jì)值滿足剛度適當(dāng)折減后的內(nèi)力設(shè)計(jì)值要求或承載力標(biāo)準(zhǔn)值滿足要求，輕微變形指層間位移約為1/200時(shí)塑性耗能區(qū)的變形，顯著變形指層間側(cè)移為1/50-1/40時(shí)，塑性耗能區(qū)的變形。

對于塑性耗能梁及塑性耗能支撐等構(gòu)件，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)選定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能等級，定義剛度折減系數(shù)，該剛度折減系數(shù)是針對中震模型下的，小震下不起作用。在SATWE程序中，如果選擇框架結(jié)構(gòu)，程序會(huì)自動(dòng)判斷所有的主梁為塑性耗能構(gòu)件，定義的折減系數(shù)對于所有的主梁兩端均起作用。如果是框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，程序同時(shí)判斷默認(rèn)所有的支撐構(gòu)件與梁均為耗能支撐，該折減系數(shù)同樣對兩者起作用。如果要修改塑性耗能構(gòu)件單構(gòu)件的剛度折減系數(shù)可以在選擇如圖12所示的“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的性能目標(biāo)”菜單下，進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件剛度折減系數(shù)的定義，塑性耗能支撐構(gòu)件默認(rèn)自動(dòng)讀取前面整體參數(shù)中定義的剛度折減系數(shù)。

▲圖12 按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇單構(gòu)件性能目標(biāo)

2.4.4 非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

按照新鋼標(biāo)，對于框架結(jié)構(gòu)與框架-支撐中的非塑性耗能構(gòu)件需要進(jìn)行中震下的承載力驗(yàn)算， 驗(yàn)算的時(shí)候?qū)τ谥姓鹣滤降卣鹱饔眠M(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，該調(diào)整系數(shù)與性能等級及結(jié)構(gòu)體系有關(guān)，應(yīng)按照如圖13所示的公式即新鋼標(biāo)17.2.2-1進(jìn)行計(jì)算。公式中的Ωmin的值按照對應(yīng)的性能等級確定。βe的取值按照圖 7.3-8新鋼標(biāo)要求執(zhí)行。

▲圖 13 新鋼標(biāo)17.2.2-1公式

▲圖14 新鋼標(biāo)對于非塑性耗能構(gòu)件βe的確定

注意： 由于SATWE程序中結(jié)構(gòu)體系沒有支撐系統(tǒng)，軟件對于所有的非塑性耗能構(gòu)件的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)均按照1.1ηy確定。

該處的非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)是針對全樓的參數(shù)，但是實(shí)際工程中塑性耗能區(qū)對于不同樓層新鋼標(biāo)要求是不同的。新鋼標(biāo)在17.2.5-3條中明確要求“框架柱應(yīng)該按壓彎構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算彎矩效應(yīng)和軸力時(shí)，其非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)不宜小于1.1ηy。對框架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行受剪計(jì)算時(shí)，剪力應(yīng)按照鋼標(biāo)17.2.5-5計(jì)算；計(jì)算彎矩效應(yīng)時(shí)，多高層鋼結(jié)構(gòu)底層柱的非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)不應(yīng)小于1.35。”對于框架結(jié)構(gòu)底層柱的“非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)”SATWE程序默認(rèn)為1.35，無需設(shè)計(jì)人員填入。其他層自動(dòng)讀取性能設(shè)計(jì)參數(shù)中填入的“非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)”。如果要按照樓層進(jìn)行該調(diào)整系數(shù)的修改，可在SATWE軟件“層塔屬性”下進(jìn)行各類非塑性耗能構(gòu)件的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)定義，如圖15所示，當(dāng)然在此處也可以按照樓層進(jìn)行不同的寬厚比等級、性能等級及延性等級等的定義。

▲圖15 按樓層定義各類

非塑性耗能構(gòu)件內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

2.5 確定構(gòu)件的寬厚比等級

根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別及確定的性能等級，確定出對應(yīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性等級，按照鋼標(biāo)17.3.4確定對應(yīng)的板件寬厚比等級，并在SATWE軟件中選擇“梁、柱及支撐構(gòu)件的寬厚比等級”，如圖10所示。

2.6 小震模型與新鋼標(biāo)中震模型的計(jì)算及包絡(luò)

對于按照性能設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，SATWE程序在“多模型控制信息”下會(huì)自動(dòng)形成如圖16所示“小震模型”和“新鋼標(biāo)中震模型”兩個(gè)模型，分別進(jìn)行小震與中震下的內(nèi)力分析與承載力計(jì)算，最終將包絡(luò)結(jié)果展示在主模型中。 查看主模型計(jì)算結(jié)果，可以看到在主模型下包絡(luò)了小震與中震模型的強(qiáng)度應(yīng)力比、穩(wěn)定應(yīng)力比、長細(xì)比、寬厚比、軸壓比及實(shí)際性能系數(shù)等結(jié)果。軟件輸出的結(jié)果分別如圖 17、圖 18所示，如果各項(xiàng)指標(biāo)有超限，在程序中會(huì)標(biāo)紅提示，如圖19所示的塑性耗能梁實(shí)際性能系數(shù)小于指定的最小的性能系數(shù)，不滿足要求程序顯紅。

▲圖16 多模型控制信息表

▲圖17 包絡(luò)輸出主模型下的強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比結(jié)果

▲圖18 主模型下包絡(luò)的寬厚比、高厚比及限值

▲圖19 主模型下顯示的塑性耗能構(gòu)件實(shí)際性能系數(shù)

2.7 中震下構(gòu)件承載力驗(yàn)算

對于按照性能設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，SATWE程序?qū)τ谧詣?dòng)形成的中震模型進(jìn)行中震下地震作用分析，同時(shí)按照鋼標(biāo)進(jìn)行相關(guān)的構(gòu)件驗(yàn)算及對應(yīng)的構(gòu)造控制。

中震下構(gòu)件承載力驗(yàn)算時(shí)承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)進(jìn)行計(jì)入性能系數(shù)的內(nèi)力組合效應(yīng)驗(yàn)算，按照圖20所示即新鋼標(biāo)17.2.3條公式進(jìn)行驗(yàn)算。其中Ωi為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能系數(shù)，注意： 不是最小的性能系數(shù)，該系數(shù)需要考慮βe，Ωi=βe*Ωmin。

▲圖20 中震下構(gòu)件承載力驗(yàn)算公式

對于梁、柱及支撐構(gòu)件均按照新鋼標(biāo)的要求進(jìn)行中震下承載力驗(yàn)算，同時(shí)按照指定的寬厚比等級及延性等級分別進(jìn)行中震下構(gòu)件的寬厚比、高厚比及長細(xì)比限值等構(gòu)造措施的控制，同時(shí)圖21展示了不同的板件寬厚比等級下對應(yīng)鋼構(gòu)件梁、柱的寬厚比、高厚比限值。

▲圖21 不同板件寬厚比等級及限值控制

2.8 按照滿足性能設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行構(gòu)造控制

包絡(luò)之后，如果中震下承載力也滿足要求，可以按照性能設(shè)計(jì)的要求放寬對于構(gòu)件寬厚比、高厚比及長細(xì)比的控制要求。 可以在主模型下通過查看詳細(xì)構(gòu)件信息查看包絡(luò)過程及構(gòu)造控制放松的結(jié)果。

如圖22所示為某柱構(gòu)件按照性能設(shè)計(jì)之后主模型中詳細(xì)構(gòu)件輸出的結(jié)果。如圖23及圖24分別為該柱構(gòu)件小震與中震下計(jì)算的結(jié)果。

▲圖22 主模型下柱包絡(luò)的強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比及構(gòu)造限值結(jié)果

▲圖23 小震模型下該柱強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比及構(gòu)造限值結(jié)果

▲圖24 中震模型下該柱強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比及構(gòu)造限值結(jié)果

通過上述小震與中震的包絡(luò)可以看到，SATWE程序已經(jīng)完全按照新鋼標(biāo)對性能設(shè)計(jì)的要求，對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)力比、穩(wěn)定應(yīng)力比進(jìn)行了包絡(luò)設(shè)計(jì)，在主模型中輸出了最不利的結(jié)果；對于構(gòu)造措施也進(jìn)行了包絡(luò)控制，在主模型的構(gòu)件詳細(xì)信息下面已經(jīng)按照小震和中震模型進(jìn)行了包絡(luò)設(shè)計(jì)輸出，對于中震下承載力滿足要求，程序已經(jīng)按照對應(yīng)的指定的寬厚比等級控制構(gòu)件的寬厚比限值，對于構(gòu)件的長細(xì)比限值按照指定的延性等級及軸壓比進(jìn)行限值的控制。并且對于包絡(luò)結(jié)果通過圖形文件可以直接查看應(yīng)力比及相關(guān)寬厚比、高厚比、長細(xì)比等構(gòu)造措施，另外圖面文件上可以直接查看塑性耗能構(gòu)件實(shí)際的性能系數(shù)。

2.9 性能5，6，7的鋼結(jié)構(gòu)大震彈塑性變形驗(yàn)算

新鋼標(biāo)17.1.4第五條要求，當(dāng)塑性耗能區(qū)的最低承載性能等級為性能5、性能6或性能7時(shí)， 通過罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈塑性分析或按構(gòu)件工作狀態(tài)形成新的結(jié)構(gòu)等效彈性分析模型，進(jìn)行豎向構(gòu)件的彈塑性層間位移角驗(yàn)算，應(yīng)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011的彈塑性層間位移角限值；當(dāng)所有構(gòu)造要求均滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級為Ⅰ級的要求時(shí)，彈塑性層間位移角限值可增加25%。

按照上述新鋼標(biāo)的要求，對于5,6,7這幾個(gè)性能目標(biāo)下的鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行性能設(shè)計(jì)時(shí)需要補(bǔ)充進(jìn)行大震下彈塑性分析的變形驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)在大震下彈塑性層間位移角需要滿足如下圖25所示抗規(guī)的限值要求。

▲圖25 抗規(guī)對各類結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值要求

圖26所示為一鋼框架結(jié)構(gòu)， 使用SAUSAGE軟件對其進(jìn)行大震彈塑性分析。大震彈塑性分析要進(jìn)行地震波的選擇，按照抗規(guī)要求分別選擇對應(yīng)滿足計(jì)算要求的地震波再進(jìn)行彈塑性分析。計(jì)算完畢之后，可以直接查看其彈塑性層間位移角如圖 27所示，在選定滿足規(guī)范要求的地震波作用下，查看該鋼框架結(jié)構(gòu)能否滿足大震不倒的彈塑性變形要求,在兩個(gè)方向均需要滿足大震彈塑性層間位移角限值要求。

▲圖26 大震彈塑性分析的鋼框架三維圖

▲圖27 該鋼框架結(jié)構(gòu)在某條地震波作用下X方向彈塑性層間位移角

通過大震彈塑性分析還可以進(jìn)一步較為精細(xì)化的考察結(jié)構(gòu)塑性鉸開展情況及結(jié)構(gòu)中梁柱構(gòu)件的損傷情況， 通過直觀的SAUSAGE軟件圖形輸出結(jié)果，可以查看到全樓及樓層的梁、柱損傷比例，分別如圖28、圖29所示。

▲圖28 該鋼框架大震彈塑性分析全樓及分層梁損傷情況

▲圖 29該鋼框架大震彈塑性分析全樓及分層柱損傷情況

3.鋼框架工程性能設(shè)計(jì)案例

某框架結(jié)構(gòu)三維模型圖如圖30所示，該框架結(jié)構(gòu)三層，與地震相關(guān)的參數(shù)如圖31所示。

▲圖30 鋼框架三維模型圖

▲圖31 該框架結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算相關(guān)參數(shù)

3.1 按照抗規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)

由于該框架結(jié)構(gòu)屬于50m以下，六度區(qū)，按照抗規(guī)規(guī)范屬于五級抗震等級，在設(shè)計(jì)中按照四級抗震等級控制相應(yīng)的構(gòu)造措施。小震計(jì)算完畢之后選取其中某根柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果進(jìn)行查看，如下圖32所示。小震設(shè)計(jì)下計(jì)算的該柱的強(qiáng)度應(yīng)力比、穩(wěn)定應(yīng)力比及在地震、風(fēng)荷載下的變形均滿足規(guī)范要求，但是長細(xì)比超限。該結(jié)構(gòu)柱材料為Q345，四級抗震等級，按照抗規(guī)的長細(xì)比限值控制，對應(yīng)的長細(xì)比限值為120*sqrt（235/345）=99.04，因此，對該柱截面X方向的長細(xì)比滿足規(guī)范要求，Y向的長細(xì)比為147.27，超出了規(guī)范99.04的限值。

▲圖32 按照抗規(guī)設(shè)計(jì)，柱長細(xì)比超限

對于上述超限的柱，可以修改柱截面，讓滿足抗震規(guī)范的要求，也可以直接采用性能設(shè)計(jì)進(jìn)行“低延性-高承載力”或者“高延性-低承載力計(jì)算”。根據(jù)工程實(shí)際情況放松相應(yīng)的柱的構(gòu)造措施。

3.2 按照新鋼標(biāo)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)參數(shù)選擇。

該結(jié)構(gòu)的高度小于50m，屬于6度區(qū)的結(jié)構(gòu)，按照新鋼標(biāo)表17.1.4-1可以初步選擇出該結(jié)構(gòu)可以選擇的性能范圍為4-7，由于屬于低烈度區(qū)的多層結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中可以選擇“高承載力—低延性”的性能設(shè)計(jì)思路。可初步選擇某個(gè)性能，在該工程中選擇性能為性能4，則查新鋼標(biāo)表17.1.4-2可以確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件最低的延性等級為Ⅳ級，同時(shí)按照鋼標(biāo)表17.3.4-1確定截面板件的寬厚比最低等級為S4級，按照上述確定的參數(shù)，填入性能設(shè)計(jì)時(shí)對應(yīng)的參數(shù)如圖33所示。

▲圖33 性能設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

3.3 查看中震下該柱的計(jì)算輸出結(jié)果。

該柱在中震下輸出的構(gòu)件詳細(xì)信息中，對于性能設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的展示，如圖34所示，對于該柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力驗(yàn)算及對應(yīng)的構(gòu)造控制輸出圖35所示的結(jié)果。

▲圖34 柱構(gòu)件中震下輸出詳細(xì)的性能設(shè)計(jì)參數(shù)

▲圖35 柱構(gòu)件中震下輸出強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比結(jié)果及構(gòu)造限值

3.4 柱構(gòu)造措施長細(xì)比、寬厚比及高厚比的放松

通過上述中震下輸出的結(jié)果可以看到，由于設(shè)置的性能等級為4級，并且屬于6度區(qū)，地震作用很小，中震下的強(qiáng)度應(yīng)力比的結(jié)果比小震下的應(yīng)力比結(jié)果還小，因?yàn)樾≌鹣略撝鶚?gòu)件由恒活風(fēng)控制，中震下是由地震控制的，不包含風(fēng)的工況。此時(shí)很容易滿足中震下承載力的要求，因此，對于柱構(gòu)件的構(gòu)造措施均做了放松。 按照新鋼標(biāo)表17.3.5柱長細(xì)比限值對于延性等級為Ⅳ級，且軸壓比小于0.15時(shí)，限值為150，軟件也輸出了150的控制限值，此時(shí)不需要調(diào)整構(gòu)件截面，按照性能設(shè)計(jì)滿足承載力要求，長細(xì)比限值放松到150，本來按照抗規(guī)控制不滿足要求的，此時(shí)滿足了要求。

寬厚比的限值按照小震模型下抗震等級四級控制，抗規(guī)的限值為：13*sqrt（235/345）=10.73，按照鋼標(biāo)S4的寬厚比限值為15Ɛk=15*sqrt（235/345）=12.38，軟件在小震設(shè)計(jì)時(shí)候進(jìn)行從嚴(yán)控制，嚴(yán)格意義上講 應(yīng)該區(qū)分抗震組合與非抗震組合，抗震組合下按照抗震控制寬厚比限值，非抗震組合下按照新鋼標(biāo)控制寬厚比限值。但在中震下，滿足了承載力要求，對于寬厚比等級為S4級的H截面，其寬厚比限值為15Ɛk=15*sqrt（235/345）=12.38，直接按照性能設(shè)計(jì)中對應(yīng)的寬厚比等級控制寬厚比限值即可，手工校核結(jié)果與軟件計(jì)算輸出結(jié)果一致。在中震下滿足了承載力要求，程序已經(jīng)按照性能設(shè)計(jì)的要求對于寬厚比的限值做了放松。

腹板高厚比的限值按照小震模型下抗震等級四級控制，抗規(guī)的限值為：52*sqrt（235/345）=42.9，同時(shí)小震設(shè)計(jì)時(shí)程序要根據(jù)新鋼標(biāo)對應(yīng)的寬厚比等級S4級的寬厚比限值進(jìn)行雙控，而 新鋼標(biāo)對應(yīng)的寬厚比等級S4級是與受力有關(guān)系的，要根據(jù)應(yīng)力梯度進(jìn)行計(jì)算。軟件輸出的37.14的限值，顯然該柱在小震下按照新鋼標(biāo)的S4級控制高厚比限值與抗規(guī)的四級抗震等級雙控的結(jié)果，并且輸出最不利結(jié)果。中震下程序直接按照新鋼標(biāo)性能設(shè)計(jì)指定的寬厚比等級S4進(jìn)行高厚比限值的控制，此時(shí)限值同樣與應(yīng)力梯度有關(guān)系，因此，即使中震下也是S4級的寬厚比等級，但是高厚比的限值控制是不一樣的，軟件輸出的高厚比限值為37.81。

在中震下滿足了承載力要求，程序已經(jīng)按照性能設(shè)計(jì)的要求對于高厚比的限值進(jìn)行了控制。注意： 由于高厚比的限值與對應(yīng)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，因此，采用性能設(shè)計(jì)時(shí)未必一定能確保高厚比限值放松，有可能高厚比限值反而會(huì)減小，從而使要求更加嚴(yán)格。

3.5 SATWE程序自動(dòng)對性能設(shè)計(jì)下小震模型和中震模型的包絡(luò)

SATWE程序在性能設(shè)計(jì)計(jì)算完畢之后，對小震模型和中震模型均做了計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果在主模型下展示了包絡(luò)后的圖形文件，如果要查看詳細(xì)構(gòu)件信息，可看到如圖36所示該柱包絡(luò)詳細(xì)結(jié)果，該柱應(yīng)力比顯示了小震與中震包絡(luò)以后的結(jié)果，對于構(gòu)造措施也是按照包絡(luò)以后的結(jié)果展示的。長細(xì)比、寬厚比及高厚比已經(jīng)展示了包絡(luò)之后，構(gòu)造措施按照中震相應(yīng)的結(jié)果輸出。

▲圖36 主模型下查看柱構(gòu)件的詳細(xì)信息

4.對框架支撐體系支撐產(chǎn)生的不平衡力對梁設(shè)計(jì)影響的考慮

按照新鋼標(biāo)性能設(shè)計(jì)的要求，對于框架-支撐結(jié)構(gòu)，如果存在交叉支撐或者人字形支撐，這會(huì)導(dǎo)致梁和板中均產(chǎn)生較大的軸力，并且按照新鋼標(biāo)對于這種框架-支撐結(jié)構(gòu)，一般要求支撐斜桿應(yīng)該在支撐與梁柱連接節(jié)點(diǎn)失效、支撐系統(tǒng)梁柱屈服或者屈曲前發(fā)生屈服，這就要求 在拉壓支撐達(dá)到屈服前框架-支撐體系中與支撐相連的梁應(yīng)該有足夠的剛度和承載力，因此規(guī)范對于框架-支撐結(jié)構(gòu)中的梁有壓彎計(jì)算的特殊要求，并且對于人字形和V字形支撐系統(tǒng)中的框架梁壓彎驗(yàn)算時(shí)還需要考慮彎矩效應(yīng)中計(jì)入豎向不平衡力產(chǎn)生的附加彎矩影響。梁的壓彎驗(yàn)算時(shí)，梁的軸力及豎向不平衡力分別按照規(guī)范17.2.4相關(guān)要求計(jì)算如下圖37，38所示。

▲圖37 框架-支撐體系中

與支撐相連的梁的軸力計(jì)算

▲圖38 人字形、V形支撐豎向不平衡力的計(jì)算

這種支撐產(chǎn)生的軸力分解到水平方向?qū)α旱妮S力會(huì)有明顯的影響，如果該軸力值直接按新鋼標(biāo)公式直接計(jì)算，結(jié)果很大，造成梁的設(shè)計(jì)基本無法設(shè)計(jì)。按抗震規(guī)范8.2.6的條文表述“當(dāng)人字支撐的腹桿在大震下受壓屈曲后，其承載力將下降，導(dǎo)致橫梁在支撐處出現(xiàn)向下的不平衡集中力，可能引起橫梁的破壞和樓板的下陷，并在橫梁兩端出現(xiàn)塑性鉸；此不平衡集中力取受拉支撐的豎向分量減去受壓支撐屈服壓力豎向分量的30%。V形支撐情況類似，僅當(dāng)斜桿失穩(wěn)時(shí)樓板不是下陷而是是向上隆起，不平衡力與前種情況相反。設(shè)計(jì)單位反映，考慮不平衡力后梁截面過大。”因此， SATWE軟件對于這種情況下設(shè)置了對軸力進(jìn)行折減，程序中提供了折減參數(shù)，如圖39， 當(dāng)選“按照新鋼標(biāo)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)”時(shí)，該按鈕被打開，程序默認(rèn)的“支撐系統(tǒng)中框架梁按照壓彎驗(yàn)算時(shí)的軸力折減系數(shù)”系數(shù)值為0.3，設(shè)計(jì)師可以修改。

▲圖39 支撐系統(tǒng)中框架梁按照壓彎驗(yàn)算時(shí)的軸力折減系數(shù)

SATWE程序?qū)τ谧鲂阅茉O(shè)計(jì)的框架—支撐結(jié)構(gòu)，對有與人字支撐相連的梁按照新鋼標(biāo)進(jìn)行了軸力與彎矩的取值，并進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)力折減，同時(shí)對梁按照壓彎構(gòu)件做了強(qiáng)度與穩(wěn)定驗(yàn)算。需要注意的時(shí)， 此時(shí)如果有樓板，要進(jìn)行梁的壓彎設(shè)計(jì)，需要將樓板定義為彈性模或者彈性板6，一般建議定義為彈性模。

5.結(jié)論

新鋼標(biāo)增加的性能設(shè)計(jì)屬于全新的抗震設(shè)計(jì)思路，在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)的流程比較復(fù)雜，確定的設(shè)計(jì)參數(shù)較多，并且由于性能目標(biāo)的不確定性及各種新概念的出現(xiàn)導(dǎo)致設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生很多疑惑。本文結(jié)合新鋼標(biāo)對性能設(shè)計(jì)的要求、PKPM軟件及實(shí)際工程案例，展示了在設(shè)計(jì)中如何使配合軟件對鋼結(jié)構(gòu)工程采用性能設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對于框架支撐體系遇到的與支撐相連的梁的壓彎設(shè)計(jì)導(dǎo)致梁截面很大的情況軟件采用折減系數(shù)的方式使得梁的壓彎驗(yàn)算實(shí)現(xiàn)。對于小震模型和新鋼標(biāo)中震模型是程序根據(jù)性能設(shè)計(jì)相關(guān)的參數(shù)自動(dòng)形成，對于滿足中震承載力要求的構(gòu)件，程序在包絡(luò)主模型下已按照性能設(shè)計(jì)相關(guān)的要求進(jìn)行了抗震構(gòu)造措施的控制。