隨著(zhù)鋼結構應用的急劇增長(cháng)，結構形式日益豐富，不同的結構體系和截面特性的鋼結構，其結構延性差異較大，為貫徹國家提出的“鼓勵用鋼、合理用鋼”的經(jīng)濟政策，根據現行《建筑抗震設計規范》GB50011（簡(jiǎn)稱(chēng)“抗規”）及《構筑物抗震設計規范》GB50191規定的抗震設計原則，針對鋼結構特點(diǎn)，《鋼結構設計標準》GB50017-2017（簡(jiǎn)稱(chēng)“新鋼標”）增加了鋼結構的抗震性能設計內容。根據性能設計的鋼結構，其抗震設計準則為： 驗算本地區抗震設防烈度的多遇地震作用的構件承載力和結構彈性變形（小震不壞）、根據其延性驗算設防地震作用下的承載力（中震可修）、驗算罕遇地震作用的彈塑性變形（大震不倒）。

對于很多結構，地震作用并不是結構設計的主要控制因素，其構件實(shí)際具有的受震承載力很高，因此，抗震構造可適當的降低，從而降低能耗，節省造價(jià)。

抗震設計的本質(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，結構延性越好，彈性承載力要求越低，反之，結構延性差，則彈性承載力要求高，在新鋼標中簡(jiǎn)稱(chēng)為“高延性-低承載力”和“低延性-高承載力”兩種抗震設計思路，均可達成大致相同的設防目標。結構根據預先設定的延性等級確定對應的地震作用設計方法，稱(chēng)為“性能化設計方法”。

結構遵循現有的抗震規范規定，采用的也是某種性能化設計的手段，不同點(diǎn)僅在于地震作用按小震設計意味著(zhù)延性?xún)H有一種選擇，由于設計條件及要求的多樣化，實(shí)際工程按照某類(lèi)特定延性的要求實(shí)施，有時(shí)將導致設計不合理，甚至難以實(shí)現。大部分鋼結構由薄壁板件構成，針對結構體系的多樣性及其不同的設防要求，采用合理的抗震設計思路才能在保證抗震設防目標的前提下減少結構的用鋼量。雖然大部分多高層結構適合采用高延性-低承載力的設計思路，但是對于多層鋼框架結構，在低烈度區，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(chǎng)房也更適合采用低延性-高承載力的抗震設計思路。對于高烈度區的結構及較高的鋼框架結構，設計中不應采用低延性結構，建議采用高延性-低承載力的抗震設計思路。

性能化設計的核心思想，即通過(guò)： “高延性-低承載力”或“低延性-高承載力”的抗震設計思路，在結構的延性和承載力之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，達到最優(yōu)設計結果，對高延性結構可適當放寬承載力要求，對高承載力結構可適當放寬延性要求。

注意：如果按照新鋼標的抗震性能做了設計，就無(wú)需再滿(mǎn)足抗規及《構筑物抗震設計規范》GB50191規定的特定結構的構造要求及規定。

本文系統梳理性能設計，同時(shí)結合算例展示PKPM軟件如何實(shí)現對于鋼結構性能設計的實(shí)現及對新鋼標中支撐產(chǎn)生的不平衡力對梁設計的影響。

1.新鋼標對性能設計的相關(guān)要求

1.1 抗震性能設計的性能等級和目標的確定

鋼結構構件的抗震性能化設計根據建筑的抗震設防類(lèi)別、設防烈度、場(chǎng)地條件、結構類(lèi)型和不規則性，結構構件在整個(gè)結構中的作用、使用功能和附屬設施功能的要求、投資大小、震后損失和修復難易程度等，經(jīng)綜合分析、比較后選定其抗震性能目標。 鋼標對構件塑性耗能區的抗震承載性能等級及其在不同地震動(dòng)水準下的性能目標的劃分按照如下圖1進(jìn)行的劃分。

▲圖1 構件塑性耗能區的抗震承載性能等級和目標

1.2 結構構件最低延性等級的確定

按照新鋼標要求， 結構構件和節點(diǎn)的延性等級應根據設防類(lèi)別和塑性耗能區最低承載性能等級按照下圖2所示的方法確定，確定不同設防類(lèi)別不同性能目標下的構件延性等級。

▲圖2 結構構件最低延性等級

1.3 結構構件的板件寬厚比限值的控制

按照圖2確定出結構構件最低的延性等級，再根據圖3規定 對不同延性等級的相應要求，確定對應的寬厚比等級，再采取相應的抗震構造措施。

▲圖3 構件延性等級對應的塑像耗能區截面板件寬厚比等級

1.4 結構塑性耗能區不同承載性能等級對應的性能系數最小值

新鋼標對框架結構、中心支撐結構、框架-支撐結構，規范結構的塑性耗能區不同承載性能等級對應的性能系數最小值按照圖4要求執行，對于不規則結構的塑性耗能區構件性能系數最小值， 宜比規則結構增加15%~50%。

▲圖4 規則結構塑性耗能區不同承載性能等級對應的性能系數最小值

1.5 性能設計對于框架柱長(cháng)細比的構造要求

按照新鋼標相關(guān)要求， 對于框架柱的長(cháng)細比限值控制按照圖5的要求執行，根據確定的延性等級進(jìn)行相應的長(cháng)細比限值控制。

▲圖5 框架柱長(cháng)細比限值要求

1.6 柱節點(diǎn)域受剪正則化長(cháng)細比限值控制

框架結構梁柱采用剛接連接時(shí)， H形和箱形截面柱的節點(diǎn)域受剪正則化寬厚比λns限值應符合圖 6規定的要求執行。

▲圖6 H形和箱形截面柱節點(diǎn)域受剪正則化寬厚比λns限值

1.7 支撐結構與框架—支撐結構支撐長(cháng)細比及寬厚比等級的控制

鋼結構性能設計對支撐構件的長(cháng)細比、截面板件寬厚比限值等的控制均依據結構構件的延性等級。 對長(cháng)細比、板件寬厚比限值控制按照圖7執行。

▲圖7 支撐長(cháng)細比、截面板件寬厚比等級

2.使用軟件實(shí)現新鋼標性能設計的完整流程

按照新鋼標的要求，要實(shí)現完整的鋼結構性能設計，需要遵循以下的設計流程。

2.1 多遇地震下承載力與變形驗算

對設計高度低于100m的鋼結構進(jìn)行多遇地震作用下的驗算，驗算內容包含結構承載力及側向變形是否滿(mǎn)足抗規要求，即查看結構構件的強度應力比、穩定應力比等是否均滿(mǎn)足新鋼標要求，同時(shí)查看結構 在風(fēng)和地震作用下的彈性層間位移角是否均滿(mǎn)足抗規及新鋼標1/250的要求。只有在滿(mǎn)足小震下承載力和變形的情況下才能進(jìn)行抗震性能設計。如果此時(shí)構件的寬厚比、高厚比及長(cháng)細比均不滿(mǎn)足抗震規范的要求，則有必要進(jìn)行性能設計。如果按照對應鋼標的某性能目標設計，滿(mǎn)足了中震下承載力要求，可以按照對應的寬厚比等級及延性等級放松寬厚比、高厚比及長(cháng)細比的限制。

2.2 確定結構塑性耗能區的性能等級

結合設計的結構高度及設防烈度， 初步確定塑性耗能區承載性能等級范圍，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)行后續的參數確定及相關(guān)設計。圖8 的該表可未必嚴格執行，實(shí)際工程中可以根據實(shí)際情況做微調。

▲圖8 塑性耗能區承載性能等級參考選用表

2.3 確定構件的延性等級

結合某一確定的性能等級及結構設防類(lèi)別，可以按照鋼標表17.1.4-2確定出結構構件的最低延性等級。在軟件中的參數選擇執行“《鋼結構設計標準》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所示的性能設計參數中。

▲圖9 選擇按照新鋼標進(jìn)行設計

▲圖10 鋼結構性能設計相關(guān)參數填寫(xiě)

2.4 確定鋼標性能設計的其他參數

2.4.1 性能等級及性能系數的確定

根據確定的性能等級，程序會(huì )自動(dòng)按照新鋼標要求，即圖4的要求，自動(dòng)確定最小的性能系數，設計師也可以對該最小的性能系數進(jìn)行修改。該性能系數是對于結構所有構件都控制的，按照新鋼標17.1.5條的要求，對于框架結構，同層框架柱的性能系數高于框架梁，關(guān)鍵構件的性能系數不應低于一般構件；同時(shí)新鋼標17.1.5條文說(shuō)明 要求對于關(guān)鍵構件的性能系數不應低于0.55，也就是說(shuō)關(guān)鍵構件的承載力性能等級最小不能低于性能4。對于單構件性能系數不同時(shí)的修改在后續“層塔屬性”及“特殊梁”“特殊柱”菜單下均可實(shí)現不同層次的修改。

2.4.2 中震地震影響系數最大值及中震阻尼比

程序可以根據小震下的參數“地震烈度”自動(dòng)確定中震下的地震影響系數最大值。中震下程序默認的阻尼比為2%，按照新鋼標17.2.1條第四條所述， 對于彈塑性分析的阻尼比可適當增加，采用等效線(xiàn)性化方法不宜大于5%。如果使用彈塑性分析軟件進(jìn)行了結構中震下的分析，可以根據輸出的每條地震波的能量圖，確定出每條地震波下結構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算的結構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軟件計算的某框架結構在某條地震波中震下的能量圖及結構彈塑性阻尼比情況。

▲圖11 某框架結構中震下某條地震波能量圖及附加彈塑性阻尼比

2.4.3 塑性耗能構件剛度折減系數

鋼結構抗震設計的思路是進(jìn)行塑性鉸機構控制，由于非塑性耗能區構件和節點(diǎn)的承載力設計要求取決于結構體系及構件塑性耗能區的性能，因此新鋼標僅規定了構件塑性耗能區的抗震性能目標。對于框架結構，除單層和頂層框架外，塑性耗能區宜為框架梁端；對于支撐結構，塑性耗能區宜為成對設置的支撐；對于框架-中心支撐結構，塑性耗能區宜為成對設置的支撐、框架梁端；對于框架-偏心支撐結構，塑性耗能區宜為耗能梁段、框架梁端。 結構變形的完好指的是承載力設計值滿(mǎn)足彈性計算內力設計值的要求，基本完好是指承載力設計值滿(mǎn)足剛度適當折減后的內力設計值要求或承載力標準值滿(mǎn)足要求，輕微變形指層間位移約為1/200時(shí)塑性耗能區的變形，顯著(zhù)變形指層間側移為1/50-1/40時(shí)，塑性耗能區的變形。

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

▲圖12 按照鋼結構設計標準選擇單構件性能目標

2.4.4 非塑性耗能區內力調整系數

按照新鋼標，對于框架結構與框架-支撐中的非塑性耗能構件需要進(jìn)行中震下的承載力驗算， 驗算的時(shí)候對于中震下水平地震作用進(jìn)行內力調整，該調整系數與性能等級及結構體系有關(guān)，應按照如圖13所示的公式即新鋼標17.2.2-1進(jìn)行計算。公式中的Ωmin的值按照對應的性能等級確定。βe的取值按照圖 7.3-8新鋼標要求執行。

▲圖 13 新鋼標17.2.2-1公式

▲圖14 新鋼標對于非塑性耗能構件βe的確定

注意： 由于SATWE程序中結構體系沒(méi)有支撐系統，軟件對于所有的非塑性耗能構件的內力調整系數均按照1.1ηy確定。

該處的非塑性耗能區內力調整系數是針對全樓的參數，但是實(shí)際工程中塑性耗能區對于不同樓層新鋼標要求是不同的。新鋼標在17.2.5-3條中明確要求“框架柱應該按壓彎構件計算，計算彎矩效應和軸力時(shí)，其非塑性耗能區內力調整系數不宜小于1.1ηy。對框架結構，進(jìn)行受剪計算時(shí)，剪力應按照鋼標17.2.5-5計算；計算彎矩效應時(shí)，多高層鋼結構底層柱的非塑性耗能區內力調整系數不應小于1.35。”對于框架結構底層柱的“非塑性耗能區內力調整系數”SATWE程序默認為1.35，無(wú)需設計人員填入。其他層自動(dòng)讀取性能設計參數中填入的“非塑性耗能區內力調整系數”。如果要按照樓層進(jìn)行該調整系數的修改，可在SATWE軟件“層塔屬性”下進(jìn)行各類(lèi)非塑性耗能構件的內力調整系數定義，如圖15所示，當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(lèi)

非塑性耗能構件內力調整系數

2.5 確定構件的寬厚比等級

根據結構的抗震設防類(lèi)別及確定的性能等級，確定出對應結構構件的延性等級，按照鋼標17.3.4確定對應的板件寬厚比等級，并在SATWE軟件中選擇“梁、柱及支撐構件的寬厚比等級”，如圖10所示。

2.6 小震模型與新鋼標中震模型的計算及包絡(luò )

對于按照性能設計的結構，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“新鋼標中震模型”兩個(gè)模型，分別進(jìn)行小震與中震下的內力分析與承載力計算，最終將包絡(luò )結果展示在主模型中。 查看主模型計算結果，可以看到在主模型下包絡(luò )了小震與中震模型的強度應力比、穩定應力比、長(cháng)細比、寬厚比、軸壓比及實(shí)際性能系數等結果。軟件輸出的結果分別如圖 17、圖 18所示，如果各項指標有超限，在程序中會(huì )標紅提示，如圖19所示的塑性耗能梁實(shí)際性能系數小于指定的最小的性能系數，不滿(mǎn)足要求程序顯紅。

▲圖16 多模型控制信息表

▲圖17 包絡(luò )輸出主模型下的強度、穩定應力比結果

▲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件實(shí)際性能系數

2.7 中震下構件承載力驗算

對于按照性能設計的結構，SATWE程序對于自動(dòng)形成的中震模型進(jìn)行中震下地震作用分析，同時(shí)按照鋼標進(jìn)行相關(guān)的構件驗算及對應的構造控制。

中震下構件承載力驗算時(shí)承載力標準值應進(jìn)行計入性能系數的內力組合效應驗算，按照圖20所示即新鋼標17.2.3條公式進(jìn)行驗算。其中Ωi為鋼結構構件的性能系數，注意： 不是最小的性能系數，該系數需要考慮βe，Ωi=βe*Ωmin。

▲圖20 中震下構件承載力驗算公式

對于梁、柱及支撐構件均按照新鋼標的要求進(jìn)行中震下承載力驗算，同時(shí)按照指定的寬厚比等級及延性等級分別進(jìn)行中震下構件的寬厚比、高厚比及長(cháng)細比限值等構造措施的控制，同時(shí)圖21展示了不同的板件寬厚比等級下對應鋼構件梁、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(mǎn)足性能設計的要求進(jìn)行構造控制

包絡(luò )之后，如果中震下承載力也滿(mǎn)足要求，可以按照性能設計的要求放寬對于構件寬厚比、高厚比及長(cháng)細比的控制要求。 可以在主模型下通過(guò)查看詳細構件信息查看包絡(luò )過(guò)程及構造控制放松的結果。

如圖22所示為某柱構件按照性能設計之后主模型中詳細構件輸出的結果。如圖23及圖24分別為該柱構件小震與中震下計算的結果。

▲圖22 主模型下柱包絡(luò )的強度、穩定應力比及構造限值結果

▲圖23 小震模型下該柱強度、穩定應力比及構造限值結果

▲圖24 中震模型下該柱強度、穩定應力比及構造限值結果

通過(guò)上述小震與中震的包絡(luò )可以看到，SATWE程序已經(jīng)完全按照新鋼標對性能設計的要求，對于結構構件的強度應力比、穩定應力比進(jìn)行了包絡(luò )設計，在主模型中輸出了最不利的結果；對于構造措施也進(jìn)行了包絡(luò )控制，在主模型的構件詳細信息下面已經(jīng)按照小震和中震模型進(jìn)行了包絡(luò )設計輸出，對于中震下承載力滿(mǎn)足要求，程序已經(jīng)按照對應的指定的寬厚比等級控制構件的寬厚比限值，對于構件的長(cháng)細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 )結果通過(guò)圖形文件可以直接查看應力比及相關(guān)寬厚比、高厚比、長(cháng)細比等構造措施，另外圖面文件上可以直接查看塑性耗能構件實(shí)際的性能系數。

2.9 性能5，6，7的鋼結構大震彈塑性變形驗算

新鋼標17.1.4第五條要求，當塑性耗能區的最低承載性能等級為性能5、性能6或性能7時(shí)， 通過(guò)罕遇地震下結構的彈塑性分析或按構件工作狀態(tài)形成新的結構等效彈性分析模型，進(jìn)行豎向構件的彈塑性層間位移角驗算，應滿(mǎn)足現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB50011的彈塑性層間位移角限值；當所有構造要求均滿(mǎn)足結構構件延性等級為Ⅰ級的要求時(shí)，彈塑性層間位移角限值可增加25%。

按照上述新鋼標的要求，對于5,6,7這幾個(gè)性能目標下的鋼結構在進(jìn)行性能設計時(shí)需要補充進(jìn)行大震下彈塑性分析的變形驗算。結構在大震下彈塑性層間位移角需要滿(mǎn)足如下圖25所示抗規的限值要求。

▲圖25 抗規對各類(lèi)結構彈塑性層間位移角限值要求

圖26所示為一鋼框架結構， 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，按照抗規要求分別選擇對應滿(mǎn)足計算要求的地震波再進(jìn)行彈塑性分析。計算完畢之后，可以直接查看其彈塑性層間位移角如圖 27所示，在選定滿(mǎn)足規范要求的地震波作用下，查看該鋼框架結構能否滿(mǎn)足大震不倒的彈塑性變形要求,在兩個(gè)方向均需要滿(mǎn)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 該鋼框架結構在某條地震波作用下X方向彈塑性層間位移角

通過(guò)大震彈塑性分析還可以進(jìn)一步較為精細化的考察結構塑性鉸開(kāi)展情況及結構中梁柱構件的損傷情況， 通過(guò)直觀(guān)的SAUSAGE軟件圖形輸出結果，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.鋼框架工程性能設計案例

某框架結構三維模型圖如圖30所示，該框架結構三層，與地震相關(guān)的參數如圖31所示。

▲圖30 鋼框架三維模型圖

▲圖31 該框架結構地震作用計算相關(guān)參數

3.1 按照抗規設計方法進(jìn)行設計

由于該框架結構屬于50m以下，六度區，按照抗規規范屬于五級抗震等級，在設計中按照四級抗震等級控制相應的構造措施。小震計算完畢之后選取其中某根柱的強度及穩定應力比計算結果進(jìn)行查看，如下圖32所示。小震設計下計算的該柱的強度應力比、穩定應力比及在地震、風(fēng)荷載下的變形均滿(mǎn)足規范要求，但是長(cháng)細比超限。該結構柱材料為Q345，四級抗震等級，按照抗規的長(cháng)細比限值控制，對應的長(cháng)細比限值為120*sqrt（235/345）=99.04，因此，對該柱截面X方向的長(cháng)細比滿(mǎn)足規范要求，Y向的長(cháng)細比為147.27，超出了規范99.04的限值。

▲圖32 按照抗規設計，柱長(cháng)細比超限

對于上述超限的柱，可以修改柱截面，讓滿(mǎn)足抗震規范的要求，也可以直接采用性能設計進(jìn)行“低延性-高承載力”或者“高延性-低承載力計算”。根據工程實(shí)際情況放松相應的柱的構造措施。

3.2 按照新鋼標進(jìn)行性能設計參數選擇。

該結構的高度小于50m，屬于6度區的結構，按照新鋼標表17.1.4-1可以初步選擇出該結構可以選擇的性能范圍為4-7，由于屬于低烈度區的多層結構，在設計中可以選擇“高承載力—低延性”的性能設計思路?？沙醪竭x擇某個(gè)性能，在該工程中選擇性能為性能4，則查新鋼標表17.1.4-2可以確定結構構件最低的延性等級為Ⅳ級，同時(shí)按照鋼標表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，填入性能設計時(shí)對應的參數如圖33所示。

▲圖33 性能設計相關(guān)參數

3.3 查看中震下該柱的計算輸出結果。

該柱在中震下輸出的構件詳細信息中，對于性能設計相關(guān)參數的展示，如圖34所示，對于該柱的強度、穩定應力驗算及對應的構造控制輸出圖35所示的結果。

▲圖34 柱構件中震下輸出詳細的性能設計參數

▲圖35 柱構件中震下輸出強度、穩定應力比結果及構造限值

3.4 柱構造措施長(cháng)細比、寬厚比及高厚比的放松

通過(guò)上述中震下輸出的結果可以看到，由于設置的性能等級為4級，并且屬于6度區，地震作用很小，中震下的強度應力比的結果比小震下的應力比結果還小，因為小震下該柱構件由恒活風(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(mǎn)足中震下承載力的要求，因此，對于柱構件的構造措施均做了放松。 按照新鋼標表17.3.5柱長(cháng)細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)不需要調整構件截面，按照性能設計滿(mǎn)足承載力要求，長(cháng)細比限值放松到150，本來(lái)按照抗規控制不滿(mǎn)足要求的，此時(shí)滿(mǎn)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，抗規的限值為：13*sqrt（235/345）=10.73，按照鋼標S4的寬厚比限值為15Ɛk=15*sqrt（235/345）=12.38，軟件在小震設計時(shí)候進(jìn)行從嚴控制，嚴格意義上講 應該區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控制寬厚比限值。但在中震下，滿(mǎn)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，直接按照性能設計中對應的寬厚比等級控制寬厚比限值即可，手工校核結果與軟件計算輸出結果一致。在中震下滿(mǎn)足了承載力要求，程序已經(jīng)按照性能設計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，抗規的限值為：52*sqrt（235/345）=42.9，同時(shí)小震設計時(shí)程序要根據新鋼標對應的寬厚比等級S4級的寬厚比限值進(jìn)行雙控，而 新鋼標對應的寬厚比等級S4級是與受力有關(guān)系的，要根據應力梯度進(jìn)行計算。軟件輸出的37.14的限值，顯然該柱在小震下按照新鋼標的S4級控制高厚比限值與抗規的四級抗震等級雙控的結果，并且輸出最不利結果。中震下程序直接按照新鋼標性能設計指定的寬厚比等級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(mǎn)足了承載力要求，程序已經(jīng)按照性能設計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構件的應力狀態(tài)有關(guān)，因此，采用性能設計時(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，從而使要求更加嚴格。

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

SATWE程序在性能設計計算完畢之后，對小震模型和中震模型均做了計算，最終計算結果在主模型下展示了包絡(luò )后的圖形文件，如果要查看詳細構件信息，可看到如圖36所示該柱包絡(luò )詳細結果，該柱應力比顯示了小震與中震包絡(luò )以后的結果，對于構造措施也是按照包絡(luò )以后的結果展示的。長(cháng)細比、寬厚比及高厚比已經(jīng)展示了包絡(luò )之后，構造措施按照中震相應的結果輸出。

▲圖36 主模型下查看柱構件的詳細信息

4.對框架支撐體系支撐產(chǎn)生的不平衡力對梁設計影響的考慮

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

▲圖37 框架-支撐體系中

與支撐相連的梁的軸力計算

▲圖38 人字形、V形支撐豎向不平衡力的計算

這種支撐產(chǎn)生的軸力分解到水平方向對梁的軸力會(huì )有明顯的影響，如果該軸力值直接按新鋼標公式直接計算，結果很大，造成梁的設計基本無(wú)法設計。按抗震規范8.2.6的條文表述“當人字支撐的腹桿在大震下受壓屈曲后，其承載力將下降，導致橫梁在支撐處出現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(lèi)似，僅當斜桿失穩時(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。設計單位反映，考慮不平衡力后梁截面過(guò)大。”因此， SATWE軟件對于這種情況下設置了對軸力進(jìn)行折減，程序中提供了折減參數，如圖39， 當選“按照新鋼標進(jìn)行性能設計”時(shí)，該按鈕被打開(kāi)，程序默認的“支撐系統中框架梁按照壓彎驗算時(shí)的軸力折減系數”系數值為0.3，設計師可以修改。

▲圖39 支撐系統中框架梁按照壓彎驗算時(shí)的軸力折減系數

SATWE程序對于做性能設計的框架—支撐結構，對有與人字支撐相連的梁按照新鋼標進(jìn)行了軸力與彎矩的取值，并進(jìn)行相應內力折減，同時(shí)對梁按照壓彎構件做了強度與穩定驗算。需要注意的時(shí)， 此時(shí)如果有樓板，要進(jìn)行梁的壓彎設計，需要將樓板定義為彈性?；蛘邚椥园?，一般建議定義為彈性模。

5.結論

新鋼標增加的性能設計屬于全新的抗震設計思路，在實(shí)際工程的設計中，由于設計的流程比較復雜，確定的設計參數較多，并且由于性能目標的不確定性及各種新概念的出現導致設計師在設計過(guò)程中產(chǎn)生很多疑惑。本文結合新鋼標對性能設計的要求、PKPM軟件及實(shí)際工程案例，展示了在設計中如何使配合軟件對鋼結構工程采用性能設計進(jìn)行設計，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計導致梁截面很大的情況軟件采用折減系數的方式使得梁的壓彎驗算實(shí)現。對于小震模型和新鋼標中震模型是程序根據性能設計相關(guān)的參數自動(dòng)形成，對于滿(mǎn)足中震承載力要求的構件，程序在包絡(luò )主模型下已按照性能設計相關(guān)的要求進(jìn)行了抗震構造措施的控制。