本文会结合新钢标提出的要求，全面梳理性能设计的流程，以此来帮助大家在 PKPM 软件的辅助之下，懂得怎样更加便捷地进行钢结构性能设计。

0.

前言

钢结构应用急剧增长，结构形式变得日益丰富。不同结构体系和截面特性的钢结构，其结构延性存在较大差异。为贯彻“鼓励用钢、合理用钢”的国家经济政策，依据现行《建筑抗震设计规范》GB50011（即“抗规”）以及《构筑物抗震设计规范》GB50191规定的抗震设计原则，针对钢结构的特点，《钢结构设计标准》GB50017-2017（即“新钢标”）增添了钢结构的抗震性能设计内容。3. 还需验算罕遇地震作用下的弹塑性变形，做到大震时不倒。

很多结构中，地震作用并非结构设计的主要控制因素。其构件实际具备的受震承载力是很高的。所以，抗震构造可以适当地降低，这样就能降低能耗，节省造价。

抗震设计的本质在于控制地震施加给建筑物的能量，弹性变形能够消耗能量钢结构设计规范全，塑性变形（延性）也能够消耗能量。当能量输入相同时，如果结构延性较好，那么弹性承载力的要求就会较低；反之，如果结构延性较差，那么弹性承载力的要求就会较高。在新钢标中，将其简称为“高延性-低承载力”和“低延性-高承载力”这两种抗震设计思路，这两种思路都可以达成大致相同的设防目标。根据预先设定的延性等级来确定对应的地震作用设计方法，这种方法被称为“性能化设计方法”。

结构遵循抗震规范规定，采用性能化设计手段。不同之处在于，按小震设计时地震作用意味着延性只有一种选择。由于设计条件和要求多样，实际工程按某类特定延性要求实施，有时会导致设计不合理，甚至难以实现。大部分钢结构是由薄壁板件所构成的。因为结构体系具有多样性，并且有着不同的设防要求，所以只有采用合理的抗震设计思路，才能够在保证抗震设防目标的前提下，减少结构的用钢量。大部分多高层结构适合用高延性 - 低承载力的设计思路。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或许更合理。单层工业厂房适合采用低延性 - 高承载力的抗震设计思路。高烈度区的结构以及较高的钢框架结构，设计中不能采用低延性结构，应建议采用高延性 - 低承载力的抗震设计思路。

性能化设计的核心思想在于：通过“高延性-低承载力”或者“低延性-高承载力”这样的抗震设计思路，去在结构的延性与承载力之间寻觅一个平衡点，以达成最优的设计结果。对于高延性结构，能够适当地放宽对其承载力的要求；对于高承载力结构，也可以适当地放宽对其延性的要求。

如果设计是按照新钢标规定的抗震性能来进行的，那么就不需要再去满足抗规以及《构筑物抗震设计规范》GB50191中所规定的特定结构的构造要求和规定。

本文对性能设计进行了系统的梳理。同时，结合算例，展示了 PKPM 软件是如何实现对钢结构性能设计的，以及新钢标中支撑产生的不平衡力对梁设计的影响。

1.

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，需依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等因素，同时考虑结构构件在整个结构中的作用、使用功能以及附属设施功能的要求，还有投资大小、震后损失和修复难易程度等情况，经过综合分析与比较之后，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进行了划分，同时也对其在不同地震动水准下的性能目标进行了划分，划分按照如下图 1 进行。

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

结构构件和节点的延性等级需根据新钢标要求来确定。确定延性等级时，要依据设防类别以及塑性耗能区最低承载性能等级，并且按照下图 2 所示的方法进行。要确定不同设防类别以及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

首先根据图 2 确定结构构件最低的延性等级，接着依据图 3 规定，针对不同延性等级的相应要求，确定对应的宽厚比等级，最后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

新钢标针对框架结构、中心支撑结构、框架 - 支撑结构这几种结构，以及规范结构的塑性耗能区，其不同承载性能等级所对应的性能系数最小值需按照图 4 来执行。同时，对于不规则结构的塑性耗能区构件性能系数最小值，最好比规则结构增加 15%到 50%。

图 4 中，对于规则结构的塑性耗能区，不同承载性能等级所对应的性能系数的最小值。

1.5 性能设计对于框架柱长细比的构造要求

新钢标有相关要求，对于框架柱的长细比限值控制需按照图 5 的要求来执行。并且要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。框架结构梁柱采用刚接连接时，箱形截面柱的节点域受剪正则化宽厚比λns 限值也应符合图 6 规定的要求。

图6H形和箱形截面柱节点域受剪正则化宽厚比λns限值

支撑结构与框架的关系为：对支撑结构的长细比以及宽厚比等级进行控制。

钢结构性能设计在对支撑构件进行控制时，其长细比以及截面板件宽厚比限值等方面的控制，都是依据结构构件的延性等级来进行的。并且，对于长细比和板件宽厚比限值的控制，是按照图 7 来执行的。

图7 支撑长细比、截面板件宽厚比等级

2.

使用软件实现新钢标性能设计的完整流程

新钢标有要求，要达成完整的钢结构性能设计，需遵循如下设计流程。

2.1 多遇地震下承载力与变形验算

同时还要查看结构在风和地震作用下的弹性层间位移角是否都满足抗规及新钢标 1/250 的要求。只有在小震情况下满足承载力和变形的要求，才能够进行抗震性能设计。此时若构件的宽厚比、高厚比以及长细比都不满足抗震规范的要求，那么就有进行性能设计的必要。若按照对应钢标的某性能目标进行设计，且满足了中震下的承载力要求，就可以依据对应的宽厚比等级和延性等级来放松宽厚比、高厚比以及长细比的限制。

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以及设防烈度，先初步确定塑性耗能区承载性能等级的范围，接着依据图 8 的参考表进行选择，之后就能够在性能等级范围内初步选择并确定某一个具体的性能等级，按照确定的性能等级就可以进行后续的参数确定以及相关设计。图 8 的该表不一定非要严格执行，在实际工程中可以依据实际情况进行微调。

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

如果确定了某一性能等级以及结构设防类别，那么就能够依据钢标表 17.1.4 - 2 来确定出结构构件的最低延性等级。在软件进行参数选择时，要执行“《钢结构设计标准》GB50017 - 2017”，这一操作如图 9 所示。并且，按照已经确定好的延性等级，直接将其填入如图 10 所示的性能设计参数当中。

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

程序会依据确定的性能等级，按照新钢标要求也就是图 4 的要求，自动确定出最小的性能系数。同时，设计师也有权利对这个最小的性能系数进行修改。该性能系数对结构的所有构件都有控制作用。按照新钢标 17.1.5 条的要求，在框架结构中，同层框架柱的性能系数比框架梁高。关键构件的性能系数不应低于一般构件。同时钢结构设计规范全，新钢标 17.1.5 条文说明要求，关键构件的性能系数不应低于 0.55，这意味着关键构件的承载力性能等级最小不能低于性能 4。单构件性能系数不同时的修改，在后续的“层塔属性”菜单下可以实现修改，在“特殊梁”菜单下可以实现修改，在“特殊柱”菜单下也可以实现修改，且这些修改是不同层次的。

2.4.2 中震地震影响系数最大值及中震阻尼比

程序能够依据小震下的参数“地震烈度”，自动把中震下的地震影响系数最大值确定下来。在中震的情况下，程序所设定的默认阻尼比为 2%。依据新钢标 17.2.1 条第四条的内容，对于进行弹塑性分析时的阻尼比，可以适当地进行增加。而采用等效线性化方法时，阻尼比不宜大于 5%。如果使用弹塑性分析软件对结构进行了中震下的分析，那么能够依据输出的每条地震波的能量图，把每条地震波下结构中震弹塑性附加阻尼比确定出来。中震下的阻尼比可以取多条地震波中震计算所得的结构弹塑性附加阻尼比的平均值，再加上初始阻尼比。如图 11 展示的是 SAUSAGE 软件计算出的某框架结构在某条地震波作用下的能量图，同时也呈现了该结构弹塑性阻尼比的情况。

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在于进行塑性铰机构的控制。因为非塑性耗能区的构件和节点的承载力设计要求是由结构体系以及构件塑性耗能区的性能所决定的。所以新钢标仅仅规定了构件塑性耗能区的抗震性能目标。框架结构中，除单层和顶层框架外，框架梁端适宜作为塑性耗能区；支撑结构里，成对设置的支撑适宜作为塑性耗能区；框架 - 中心支撑结构中，成对设置的支撑和框架梁端适宜作为塑性耗能区；框架 - 偏心支撑结构里，耗能梁段和框架梁端适宜作为塑性耗能区。显著变形是指层间侧移为 1/50 至 1/40 时，塑性耗能区的变形。

对于塑性耗能梁以及塑性耗能支撑等构件，设计人员能够依据选定的结构构件的性能等级，去定义刚度折减系数。此刚度折减系数是针对中震模型而言的，在小震情况下是不起作用的。在 SATWE 程序中，倘若选择框架结构，程序会自动对所有的主梁作出判断，将其认定为塑性耗能构件，并且所定义的折减系数会对所有主梁的两端都起到作用。如果是框架-支撑结构体系，程序会同时进行判断，默认所有的支撑构件与梁都属于耗能支撑，这个折减系数会对两者都起作用。要是想修改塑性耗能构件单构件的刚度折减系数，就可以在选择如图 12 所示的“钢结构设计标准的性能目标”菜单下，对单个构件的刚度折减系数进行定义，而塑性耗能支撑构件会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，框架结构与框架 - 支撑中的非塑性耗能构件需进行中震下的承载力验算。在验算时，要对中震下的水平地震作用进行内力调整。此调整系数与性能等级及结构体系有关，应依据如图 13 所示的公式即新钢标 17.2.2 - 1 来进行计算。公式中的Ωmin 的值需根据对应的性能等级来确定。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

SATWE 程序里结构体系不存在支撑系统，所以软件对于所有的非塑性耗能构件，其内力调整系数是按照 1.1ηy 来确定的。

新钢标在 17.2.5 - 3 条中明确要求，框架柱应按压弯构件计算，在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。在对框架结构进行受剪计算时，需按照钢标 17.2.5 - 5 来计算剪力；在计算弯矩效应时，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 程序默认值为 1.35，设计人员无需填入。其他层会自动读取性能设计参数中所填入的“非塑性耗能区内力调整系数”。若要依据楼层来对该调整系数进行修改，能够在 SATWE 软件的“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，就像图 15 所展示的那样。并且，在此处也可以按照楼层来对不同的宽厚比等级、性能等级以及延性等级等进行定义。

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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