文章作者：劉孝國 褚鳳根
本文將結合新鋼標要求，對性能設計的流程進行全面梳理，幫助大家在PKPM軟件輔助下掌握如何更加便捷的進行鋼結構性能設計。
上篇：最新鋼結構性能設計的設計全流程及案例分享（上篇）
2.5 確定構件的寬厚比等級
根據結構的抗震設防類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
對于按照性能設計的結構，SATWE程序在“多模型控制信息”下會自動形成如圖16所示“小震模型”和“新鋼標中震模型”兩個模型，分別進行小震與中震下的內力分析與承載力計算，最終將包絡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了小震與中震模型的強度應力比、穩定應力比、長細比、寬厚比、軸壓比及實際性能系數等結果。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，在程序中會標紅提示，如圖19所示的塑性耗能梁實際性能系數小于指定的最小的性能系數，不滿足要求程序顯紅。
圖16 多模型控制信息表
圖17 包絡輸出主模型下的強度、穩定應力比結果
圖18 主模型下包絡的寬厚比、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程序對于自動形成的中震模型進行中震下地震作用分析，同時按照鋼標進行相關的構件驗算及對應的構造控制。
中震下構件承載力驗算時承載力標準值應進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行中震下承載力驗算，同時按照指定的寬厚比等級及延性等級分別進行中震下構件的寬厚比、高厚比及長細比限值等構造措施的控制，同時圖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 按照滿足性能設計的要求進行構造控制
包絡之后，如果中震下承載力也滿足要求，可以按照性能設計的要求放寬對于構件寬厚比、高厚比及長細比的控制要求?？梢栽谥髂Ｐ拖峦ㄟ^查看詳細構件信息查看包絡過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
通過上述小震與中震的包絡可以看到，SATWE程序已經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、穩定應力比進行了包絡設計，在主模型中輸出了最不利的結果；對于構造措施也進行了包絡控制，在主模型的構件詳細信息下面已經按照小震和中震模型進行了包絡設計輸出，對于中震下承載力滿足要求，程序已經按照對應的指定的寬厚比等級控制構件的寬厚比限值，對于構件的長細比限值按照指定的延性等級及軸壓比進行限值的控制。并且對于包絡結果通過圖形文件可以直接查看應力比及相關寬厚比、高厚比、長細比等構造措施，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，通過罕遇地震下結構的彈塑性分析或按構件工作狀態形成新的結構等效彈性分析模型，進行豎向構件的彈塑性層間位移角驗算，應滿足現行國家標準《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足結構構件延性等級為Ⅰ級的要求時，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這幾個性能目標下的鋼結構在進行性能設計時需要補充進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足如下圖25所示抗規的限值要求。
圖25 抗規對各類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軟件對其進行大震彈塑性分析。大震彈塑性分析要進行地震波的選擇，按照抗規要求分別選擇對應滿足計算要求的地震波再進行彈塑性分析。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，在選定滿足規范要求的地震波作用下，查看該鋼框架結構能否滿足大震不倒的彈塑性變形要求,在兩個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 該鋼框架結構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一步較為精細化的考察結構塑性鉸開展情況及結構中梁柱構件的損傷情況，通過直觀的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參數
3.1 按照抗規設計方法進行設計
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、風荷載下的變形均滿足規范要求，但是長細比超限。該結構柱材料為Q345，四級抗震等級，按照抗規的長細比限值控制，對應的長細比限值為120*sqrt（235/345）=99.04，因此，對該柱截面X方向的長細比滿足規范要求，Y向的長細比為147.27，超出了規范99.04的限值。
圖32 按照抗規設計，柱長細比超限
對于上述超限的柱，可以修改柱截面，讓滿足抗震規范的要求，也可以直接采用性能設計進行“低延性-高承載力”或者“高延性-低承載力計算”。根據工程實際情況放松相應的柱的構造措施。
3.2 按照新鋼標進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。可初步選擇某個性能，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，填入性能設計時對應的參數如圖33所示。
圖33 性能設計相關參數
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 柱構造措施長細比、寬厚比及高厚比的放松
通過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控制，中震下是由地震控制的，不包含風的工況。此時很容易滿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柱長細比限值對于延性等級為Ⅳ級，且軸壓比小于0.15時，限值為150，軟件也輸出了150的控制限值，此時不需要調整構件截面，按照性能設計滿足承載力要求，長細比限值放松到150，本來按照抗規控制不滿足要求的，此時滿足了要求。
寬厚比的限值按照小震模型下抗震等級四級控制，抗規的限值為：13*sqrt（235/345）=10.73，按照鋼標S4的寬厚比限值為15?k=15*sqrt（235/345）=12.38，軟件在小震設計時候進行從嚴控制，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15?k=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。在中震下滿足了承載力要求，程序已經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，同時小震設計時程序要根據新鋼標對應的寬厚比等級S4級的寬厚比限值進行雙控，而新鋼標對應的寬厚比等級S4級是與受力有關系的，要根據應力梯度進行計算。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進行高厚比限值的控制，此時限值同樣與應力梯度有關系，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，程序已經按照性能設計的要求對于高厚比的限值進行了控制。注意：由于高厚比的限值與對應構件的應力狀態有關，因此，采用性能設計時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減小，從而使要求更加嚴格。
3.5 SATWE程序自動對性能設計下小震模型和中震模型的包絡
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所示該柱包絡詳細結果，該柱應力比顯示了小震與中震包絡以后的結果，對于構造措施也是按照包絡以后的結果展示的。長細比、寬厚比及高厚比已經展示了包絡之后，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，這會導致梁和板中均產生較大的軸力，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失效、支撐系統梁柱屈服或者屈曲前發生屈服，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還需要考慮彎矩效應中計入豎向不平衡力產生的附加彎矩影響。梁的壓彎驗算時，梁的軸力及豎向不平衡力分別按照規范17.2.4相關要求計算如下圖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
這種支撐產生的軸力分解到水平方向對梁的軸力會有明顯的影響，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形支撐情況類似，僅當斜桿失穩時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大?！币虼耍琒ATWE軟件對于這種情況下設置了對軸力進行折減，程序中提供了折減參數，如圖39，當選“按照新鋼標進行性能設計”時，該按鈕被打開，程序默認的“支撐系統中框架梁按照壓彎驗算時的軸力折減系數”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行了軸力與彎矩的取值，并進行相應內力折減，同時對梁按照壓彎構件做了強度與穩定驗算。需要注意的時，此時如果有樓板，要進行梁的壓彎設計，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 .
結論
新鋼標增加的性能設計屬于全新的抗震設計思路，在實際工程的設計中，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程中產生很多疑惑。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行設計，同時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的參數自動形成，對于滿足中震承載力要求的構件，程序在包絡主模型下已按照性能設計相關的要求進行了抗震構造措施的控制。
