最新钢结构性能设计的整个设计流程及案例分享（上）

本文将结合钢结构新标准的要求，对性能设计流程进行全面梳理，帮助大家掌握如何借助PKPM软件更方便地进行钢结构性能设计。

0。

前言

随着钢结构应用的快速增长，结构形式也日益丰富。 不同结构体系和截面特征的钢结构，其结构延性差异较大。 为贯彻落实国家提出的“鼓励使用钢材、合理使用钢材”的经济政策，根据现行《建筑抗震设计规范》GB50011（简称《规范》）规定的抗震设计原则，抗震设计规范》）和《结构抗震设计规范》GB50191，根据钢结构的特点，《钢结构设计标准》GB50017-2017（简称《新钢标准》）增加了抗震钢结构性能设计内容。 按性能设计的钢结构抗震设计标准为：校核该地区抗震设防烈度（不被小地震破坏）中经常受地震影响的构件的结构承载力和弹性变形（不被小地震破坏） ）； 根据延性校核地震作用下工事的承载能力（中震后可修复），可校核罕见地震的弹塑性变形（大震后不会倒塌）。

对于许多结构来说，地震作用并不是结构设计的主要控制因素。 其构件的实际抗震承载能力非常高。 因此，可适当减少抗震结构，从而减少能耗，节省建设成本。

抗震设计的本质是控制地震对建筑物产生的能量。 弹性变形和塑性变形（延展性）都会消耗能量。 在相同能量输入条件下，结构延性越好，弹性承载力要求越低。 反之，结构延性较差，则需要较高的弹性承载能力要求。 在新的钢材标准中，它们分别被称为“高延性-低承载力”和“低延性-高承载力”两种抗震设计思想，可以达到大致相同的设防目标。结构决定了相应的地震作用。基于预设延展性水平的设计方法，称为“基于性能的设计方法”。

该结构遵循现有的抗震规范，并采用一些基于性能的设计方法。 唯一的区别是地震作用是根据小地震设计的，这意味着延性只有一种选择。 由于设计条件和要求的多样化，实际工程中根据某类具体延性要求实施，有时会导致设计不合理甚至难以实现。 大多数钢结构都是由薄壁板组成。 针对结构体系的多样性及其不同的设防要求，合理的抗震设计思路可以在保证抗震设防目标的同时减少结构的用钢量。 虽然大多数多层结构都适合高延性、低承载力的设计理念，但对于多层钢框架结构来说，在低烈度地区，采用低延性、高承载力的抗震理念可能更为合理。容量。 单层工业厂房也适用。 比较适合采用低延性、高承载力的抗震设计思想。 对于高强度地区的结构和较高的钢框架结构，设计时不宜采用低延性结构。 建议采用高延性低承载力抗震设计思想。

基于性能的设计的核心思想是通过“高延性-低承载力”或“低延性”的抗震设计思想，找到结构延性与承载力之间的平衡点，实现优化设计。 “高承载力”由此，对于高延性结构可适当放宽承载力要求，对于高承载力结构可适当放宽延性要求。

注：如果按照新钢标准的抗震性能进行设计，则无需满足抗震规范和《结构抗震设计规范》中规定的具体结构的结构要求和规定GB50191。

本文对性能设计进行了系统梳理，并结合计算实例展示了PKPM软件如何实现钢结构的性能设计以及新钢标准中支撑产生的不平衡力对梁设计的影响。

1.

新钢材标准中性能设计的相关要求

1.1 抗震性能设计性能水平和目标的确定

钢结构构件的抗震性能设计是根据建筑物的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型及不规则性、结构构件在整个结构中的作用、使用功能及功能要求等进行设计。附属设施、投资规模、抗震 根据最终损失和修复难度，综合分析比较后确定抗震性能指标。 钢材标准对不同地震振动等级下构件塑性耗能区的地震承载性能等级及其性能指标进行了划分，如下图1所示。

图1 构件塑性耗能区抗震承载性能等级及目标

1.2 结构件最低延性等级的确定

根据新钢材标准的要求，结构构件和节点的延性等级应根据设防类别和塑性能耗区的最低承载性能等级，按下图2所示的方法确定，确定了不同强化类别和不同性能目标下构件的延性水平。

图2 结构构件的最低延性等级

1.3 结构件板材宽厚比限值控制

根据图2确定结构构件的最低延性等级pkpm建筑钢结构工程设计实例，然后根据图3规定不同延性等级的相应要求，确定相应的宽厚比等级，然后采取相应的抗震结构措施。

图3 构件延性等级对应的雕像能耗区域断面面板宽厚比等级

1.4 结构塑性能耗区不同承载性能水平对应的性能系数最小值

对于框架结构、中心支撑结构、框架支撑结构，新钢标准按照图4的要求规定了结构塑性能耗区域内不同承载性能等级对应的最低性能系数对于不规则结构塑料能耗区的构件性能系数最小值应比规则结构提高15%~50%。

图4 规则结构塑性能耗区不同承载性能水平对应的性能系数最小值

1.5 框架柱长细比性能设计结构要求

根据新钢材标准的相关要求，框架柱的长细比极限控制按照图5的要求进行，并根据确定的延性等级进行相应的长细比极限控制。

图5 框架柱长细比限值要求

1.6 柱节点域受剪切正则化长细比限制控制

框架结构梁、柱刚性连接时，H形、箱形截面柱的剪力正则宽厚比λns限值应符合图6的规定。

图6 H形柱和箱形柱节点域剪力规整宽厚比λns极限

1.7 支撑结构及框架——支撑结构长细比和宽厚比的控制

钢结构性能设计根据结构构件的延性等级，控制支撑构件的长细比和截面面板的宽厚比限制。 长细比和板宽厚比的极限控制按图7进行。

图7 支撑长细比与截面面板宽厚比等级

2.

利用软件实现新钢标准性能设计的完整流程

根据新钢标准的要求，要实现完整的钢结构性能设计，需要遵循以下设计流程。

2.1 频繁地震作用下的承载力及变形计算

对设计高度小于100m的钢结构进行频繁地震作用下的验证计算。 验证内容包括结构承载力、横向变形是否满足规范要求，即结构构件的强度应力比、稳定应力比等是否满足要求。 根据新钢标准的要求，校核结构在风、地震作用下的弹性层间位移角是否满足抗力规范和新钢标准1/250的要求。 只有满足小地震下的承载力和变形才能进行抗震性能设计。 如果此时构件的宽厚比、高厚比、长细比不满足抗震规范的要求，就需要进行性能设计。 如果按相应钢材标准的一定性能指标进行设计，并满足中震下的承载能力要求，则可按相应钢材标准放宽宽厚比、高厚比、长细比的限制。宽厚比等级和延展性等级。

2.2确定结构塑料能耗区域的性能水平

结合设计的结构高度和设防强度，初步确定塑料能耗区域的承载性能等级范围，并根据图8的参考表进行选择。然后可以在性能等级范围内初步选择具体的性能等级，并根据确定的性能水平可以进行后续的参数确定和相关设计。 图8中的表格可能并不严格执行，在实际项目中可以根据实际情况进行微调。

图8 塑料能耗领域承载性能等级参考选型表

2.3 确定构件的延展性等级

结合一定的性能等级和结构设防类别，结构构件的最低延性等级可按钢标准表17.1.4-2确定。 软件中参数选择执行《钢结构设计标准》GB50017-2017如图9所示。同时根据确定的延性等级，直接填写性能设计参数如图10所示。

图9 选择按照新钢标准进行设计

图10 填写钢结构性能设计相关参数

2.4 确定钢材标准性能设计的其他参数

2.4.1 性能水平和性能系数的确定

在确定的性能等级的基础上，程序会根据新钢标准的要求，自动确定最低性能系数，即图4的要求。设计者也可以修改最低性能系数。 该性能系数针对结构的所有组件进行控制。 根据新钢标准第17.1.5条的要求，对于框架结构，同层框架柱的性能系数应高于框架梁的性能系数，且关键构件的性能系数不应低于通用组件。 ; 同时，新钢材标准第17.1.5条要求关键部件的性能系数不应低于0.55，这意味着关键部件的最低承载力性能等级不应低于性能4级。单个部件不同性能系数的修改，可以在后续的“故事塔属性”和“特殊梁”“特殊柱”菜单下实现不同级别的修改。

2.4.2 中震影响系数和中震阻尼比最大值

程序可以根据小震下的“地震烈度”参数，自动确定中震下的地震影响系数最大值。 程序默认中震下的阻尼比为2%。 根据新钢标准第17.2.1条第四条规定，弹塑性分析的阻尼比可适当增大，等效线性化法不应大于5%。 如果采用弹塑性分析软件对结构在中震作用下进行分析，则根据各次地震波输出的能量图，可以确定结构在各次地震波作用下的中震弹塑性附加阻尼比。 中震阻尼比可为中震多次地震波计算出的结构弹塑性附加阻尼比加上初始阻尼比的平均值。 图11为SAUSAGE软件计算得到的框架结构在一定地震波作用下的能量图和弹塑性阻尼比。

图11 中震作用下框架结构某地震波能量图及附加弹塑性阻尼比

2.4.3 塑料耗能部件刚度折减系数

钢结构抗震设计的思想是控制塑性铰机构。 由于非塑性能耗区域构件和节点的承载力设计要求取决于结构体系的性能和构件的塑性能耗区域，因此新钢标准仅规定了构件的塑性能耗。 能源区的抗震性能目标。 对于框架结构，除单层、顶层框架外，塑性耗能区域宜为框架梁端部； 对于支撑结构，塑性耗能区域宜为成对支撑； 对于框架中心支撑结构，其塑性耗能面积应为成对设置的支撑和框架梁端部； 对于框架偏心支撑结构pkpm建筑钢结构工程设计实例，塑性耗能区域应为耗能梁段和框架梁端部。 结构变形的完整性是指承载力设计值满足弹性计算内力设计值的要求。 基本完整性是指适当降低刚度后，承载力设计值满足内力设计值或承载力标准值满足要求。 轻微变形是指适当降低刚度后，承载力设计值满足内力设计值的要求。 当层间位移约为1/200时，塑性耗能区发生变形。 显着变形是指层间位移为1/50-1/40时塑性耗能区的变形。

对于塑料耗能梁、塑料耗能支撑等构件，设计者可以根据所选结构构件的性能水平定义刚度折减系数。 该刚度折减系数是针对中震模型的，不能在小震下使用。 影响。 在SATWE程序中，如果选择框架结构，程序会自动判定所有主梁均为塑料耗能构件，定义的折减系数将应用到所有主梁的两端。 如果是框架-支撑结构体系，程序还会判断默认所有支撑杆件和梁都是耗能支撑，折减系数也对两者起作用。 如果要修改塑性耗能构件单个构件的刚度折减系数，可以在“钢结构设计标准性能目标”菜单下定义单个构件的刚度折减系数，如图12所示。塑料耗能支撑件 默认情况下，自动读取前面总体参数中定义的刚度折减系数。

图12 根据钢结构设计标准选取单构件性能指标

2.4.4 非塑料能耗区内力调节系数

根据新钢标准，框架结构和框架支撑中的非塑性耗能构件需要进行中震承载能力校核。 计算时根据中震水平地震效应对内力进行了调整。 调整系数和性能水平对于结构体系，应按图13所示公式进行计算，即新钢标准17.2.2-1。 式中Ωmin的值根据相应的性能等级确定。 βe值应按新钢标准图7.3-8的要求确定。

图13 新钢标准17.2.2-1公式

图14 新钢标准中非塑料耗能部件βe的测定

注：由于SATWE程序中没有结构体系的支撑系统，因此软件根据1.1ηy确定所有非塑性耗能构件的内力调整系数。

非塑料能耗区域的内力调节系数是整个建筑的一个参数，但在实际项目中，塑料能耗区域对于不同楼层有不同的新钢标要求。 新钢标准第17.2.5-3条明确要求“框架柱应按受压受弯构件计算。计算弯矩效应和轴力时，非塑性耗能区的内力调整系数不宜采用小于1.1 ηy.对于框架结构，进行剪力计算时，剪力应按钢标17.2.5-5计算；计算弯矩效应时，按非塑性能中的内力调整系数计算多层钢结构底部柱耗散区不应小于1.35。 对于框架结构的底柱“非塑性耗能区内力调整系数”SATWE程序默认为1.35，不需要设计者填写。 其他层自动读取性能设计参数中填写的“非塑料能耗区域力调节系数”。 如果想根据楼层修改调整系数，可以在SATWE软件的“Story Tower Properties”下定义各种非塑料耗能构件的内力调整系数，如图15所示。 ，也可以根据楼层在这里修改。 不同宽厚比等级、性能等级、延展性等级等的定义

图15 按楼层定义了各种非塑料耗能构件的内力调节系数

待续

……

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