浅谈钢结构抗震性能化设计

浅谈钢结构抗震性能化设计

余顺齐

广东南海国际建筑设计有限公司

摘要：随着国家经济形势的变化，钢结构的应用急剧增加，结构形式日益丰富，钢结构的抗震性能设计也越来越得到重视，采用合理的设计方法，可有效降低建设成本，本文对钢结构抗震性能化设计做相关问题的简单论述。

关键字：钢结构；抗震性能化；性能等级

引言

建筑的抗震性能化设计，立足于承载力和变形能力的综合考虑，具有很强的针对性和灵活性。针对具体工程的需要和可能，可以对整个结构，也可以对某些部位或关键构件，灵活运用各种措施达到预期的性能目标——着重提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。按抗震规范做抗震性能化设计，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。钢结构构件一般由薄壁板件构成，因此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。虽然大部分多高层钢结构适合采用高延性-低承载力设计思路，但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为合理，单层工业厂房也更适合采用低延性-高承载力的抗震思路。

1. 钢结构抗震性能化设计的基本步骤和方法

（1）小震弹性验算

建筑结构应先进行小震的弹性验算，承载力及侧移满足《建筑抗震设计规范》要求，侧移满足层间位移角≤1/250，但并不是要求结构所有构件满足小震承载力设计要求，比如偏心支撑的耗能梁段在多遇地震作用下即可进入塑性状态，另外，进行小震计算时，仅塑性耗能区屈服的结构可考虑刚度折减，塑性耗能区可不满足弹性要求，构件进入塑性。

（2）设定塑性耗能区的承载力性能目标

塑性耗能区的承载性能等级, 初步选择可按下表选用

根据建筑所在地的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑高度、结构类型、投资大小、震后损失和维修难易程度等，经综合分析、比较后选定抗震性能目标。可以看出，除8度（0.2g）高度为50~100m的建筑性能等级确定为性能7外，其他性能等级均为一个范围，设计时可根据根据国家制定的安全度标准、投资成本，权衡承载力和延性，采用合理的承载性能等级，利用有限的财力，使地震造成的损失控制在合理的范围内。

（3）进行设防地震下的承载力验算

1）、建立合适的结构计算模型进行结构分析。

2）、设定塑性耗能区的性能系数、选择塑性耗能区截面，使其实际承载性能等级与设定的性能系数尽量接近。

整个结构中不同部位的构件、同一部位的水平构件和竖向构件，可有不同的性能系数；对框架结构，柱性能系数宜高于框架梁；对支撑结构和框架-中心支撑结构的支撑系统，同层框架柱的性能系数宜高于框架梁，框架梁的性能系数宜高于支撑；对框架-偏心支撑结构的支撑系统，层框架柱的性能系数宜高于支撑，支撑的性能系数宜高于框架梁，框架梁的性能系数应高于消能梁段；关键构件的性能系数不应低于一般构件。

钢结构构件的性能系数可按下式计算：

Ωi≥βe Ωai,min

Ωi:第i层构件塑性耗能区实际性能系数，

βe：水平地震作用非塑性耗能区内力调整系数，

Ωai,min：第i层构件塑性耗能区实际性能系数最小值。

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宜符合下表

不规则结构塑性耗能区的构件性能系数最小值，宜比规则结构增加15％～50％。

3）、其他构件承载力标准值应进行计入性能系数的内力组合效应验算，当结构构件承载力满足延性等级为Ⅴ级的内力组合效应验算时，可忽略机构控制验算。

4）、必要时可调整截面或重新设定塑性耗能区的性能系数。

（4）根据承载力目标确定延性等级，验算构造要求

结合某一确定的性能等级及结构设防类别，可按《钢结构设计标准》表17.1.4-2确定出结构构件的最低延性等级，并按《钢结构设计标准》17.3节的规定对不同延性等级的相应要求采取抗震措施。采用不同的延性等级，对应不同的截面板件宽厚比、构件长细比以及节点连接处理方式等，目的是保证节点破坏不先于构件破坏，利用这种相应的构造来保证设计的经济性。

（5）性能5、6、7补充计算弹塑性分析

当塑性耗能区的最低承载性能等级为性能5、性能6或性能7时，通过罕遇地震下结构的弹塑性分析或按构件工作状态形成新的结构等效弹性分析模型，进行竖向构件的弹塑性层间位移角验算，应满足现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011的弹塑性层间位移角限值；当所有构造要求均满足结构构件延性等级为Ⅰ级的要求时，弹塑性层间位移角限值可增加25％。

结束语

钢结构抗震性能化设计需要确定的设计参数较多，并且由于性能目标的不确定性，设计的流程比较复杂，在钢结构设计中普及度还不够。钢结构抗震性能化设计属于全新的抗震设计思路，它与抗震规范相比，钢结构抗震性能化设计更加精细化，对材料、截面板件宽厚比及验算方法均有所不同，通过各部位不同的延性等级、性能系数，达到材料、截面的合理应用，对降低建筑用钢有重要的意义。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范

[2] GB50017-2017 钢结构设计标准

[3] 漫谈钢结构抗震设计-余海群