本文将结合新钢材标准的要求，对性能设计流程进行全面的梳理，帮助大家掌握如何借助PKPM软件更加便捷的进行钢结构性能设计。
0.
前言
随着钢结构应用领域的快速增长，结构形式日趋多样化，不同结构体系、不同截面特征的钢结构，其结构延性也有所不同。为贯彻落实国家“鼓励使用钢材、合理用钢”的经济政策，根据现行《建筑抗震设计规范》GB50011(简称《抗震规范》)和《结构抗震设计规范》GB50191规定的抗震设计原则，并针对钢结构的特点，《钢结构设计标准》GB50017-2017(简称《新钢结构设计标准》)增加了钢结构的抗震性能设计内容。基于性能设计的钢结构的抗震设计标准为：验算该区域抗震设防烈度的多次地震下构件的承载能力和结构的弹性变形(小震下不破坏)，依据其延性，计算抗震设防作用下的承载能力(中震时可修复)，计算罕遇地震下的弹塑性变形(大震下不会倒塌)。
对于很多结构而言，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力很高，因此可以适当降低结构的抗震强度，从而减少能耗，节省建筑成本。
抗震设计的本质是控制地震作用于建筑物的能量。弹性变形和塑性变形（延性）都会消耗能量。在同样的能量输入条件下，结构延性越好，弹性承载力要求越低。反之，结构延性越低，弹性承载力要求越低。延性差的，要求弹性承载力高。在新钢铁标准中，分别提到“高延性-低承载力”和“低延性-高承载力”两种抗震设计思路，可以达到大致相同的防御目标。与预设的延性水平相对应的地震作用的设计方法称为“基于性能的设计方法”。
结构符合现行抗震规范规定，采取了一定的基于性能的设计方法，唯一不同的是小震抗震设计意味着延性只有一种选择，由于设计条件和要求的多样性，实际工程中根据某些特定的延性要求实施，有时会导致设计不合理，甚至难以实现。钢结构大部分由薄壁板组成，鉴于结构体系的多样性及其不同的设防要求，可以采用合理的抗震设计思路，在保证抗震设防目标的情况下减少结构用钢量。虽然大多数多层结构适用于高延性-低承载力的设计理念，但对于多层钢框架结构，在低烈度地区，低延性-高承载力的抗震设计理念可能更合理，而低延性高承载力的抗震设计理念更适合单层工业厂房。对于高烈度区域的结构和高强度钢框架结构，不宜采用低延性设计，建议采用高延性-低承载力抗震设计方法。
基于性能化设计的核心思想是通过“高延性-低承载力”或“低延性-高承载力”的抗震设计思路，在结构的延性与承载力之间寻找平衡点，实现最优设计。对延性高的结构可以适当放宽承载力要求，对承载力高的结构可以适当放宽延性要求。
注：若按照新钢材标准的抗震性能进行设计，则无需满足抗震规范及《结构抗震设计规范》GB50191中对具体结构的构造要求及规定。
本文对性能设计进行了系统梳理，并通过实例说明了PKPM软件如何实现钢结构的性能设计以及新钢材标准中支撑产生的不平衡力对梁设计的影响。
1.
新钢材标准对性能设计的要求
1.1 抗震性能设计的性能水平和目标的确定
钢结构构件的抗震性能化设计是根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构型式及不规则性、结构构件在整个结构中的作用、使用功能及附属设施功能的要求、投资大小、抗震性能等综合分析比较后选定抗震性能目标。钢材标准对构件塑性耗能区的抗震承载性能水平及其在不同地震运动水平下的性能目标划分如下：图1中的划分。
图1 构件抗震承载性能水平及塑性耗能区目标
1.2 结构构件最低延性等级的确定
根据新钢材标准的要求，结构构件及节点的延性等级应根据防护类别、塑性耗能区最小承载性能等级按照下图2所示的方法确定，确定不同防护类别、不同性能目标下构件的延性等级。
图2 结构构件最低延展性等级
1.3 结构件宽厚比限值控制
根据图2确定结构构件的最低延性水平，再根据图3中对不同延性水平的对应要求，确定相应的宽厚比水平，并采取相应的抗震构造措施。
图 3 雕塑耗能区板截面宽厚比与构件延性等级对应关系
1.4 结构塑性耗能区不同承载性能水平对应的性能系数最小值
新钢材标准按照图4的要求规定了框架结构、中心支撑结构、框支结构塑性耗能区构件的最小性能系数。对于不规则结构塑性耗能区构件的性能系数，不规则结构塑性耗能区构件的最小性能系数应为：该系数的最小值宜比规则结构高15%~50%。
图4 普通结构塑性耗能区不同承载性能水平对应的最小性能系数
1.5 性能设计中框架柱长细比的结构要求
根据新钢材标准的相关要求，框架柱的长细比限值控制按图5的要求进行，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 柱节点域受剪切正则化长细比限制控制
当框架结构的梁、柱采用刚接连接时,H形柱、箱形柱节点域剪切规范化宽厚比λns限值应符合图6的规定。
图6 剪切作用下H形柱和箱形柱节点域规范化宽厚比λns的极限值
1.7 支撑结构及框架——支撑结构的长细比和宽厚比的控制
钢结构性能设计中支撑构件长细比及截面板宽厚比限值的控制以结构构件的延性等级为依据，板材长细比及宽厚比限值的控制按图7进行。
图7 支撑长细比及型材板宽厚比等级
2.
利用软件实现新钢标准性能设计完整流程
根据新钢材标准的要求，要实现完整的钢结构性能设计，需要遵循如下设计流程。
2.1 多灾地震作用下的承载力与变形验证
设计高度小于100m的钢结构在多次地震作用下进行校核，校核内容包括结构承载力、侧向变形是否满足抗震规程的要求，即结构构件的强度应力比、稳定应力比等是否满足要求。新钢材标准要求还应校核结构在风震和地震作用下的弹性层间位移角，是否满足抗震规范和新钢材标准1/250的要求。抗震性能设计。如果构件的宽厚比、高厚比、长细比不符合抗震规范的要求，则需要进行性能设计，如果按照相应钢材标准的某一性能目标进行设计，则满足中震下的承载力。宽厚比、高厚比、长细比的限制可按相应的宽厚比等级和延性等级放宽。
2.2 结构塑性耗能区性能水平的确定
结合设计结构高度、设防烈度，初步确定塑性耗能区的承载性能水平范围，根据图8中的参考表格，可在该性能水平范围内初步选取具体的性能水平，进行后续的参数确定和相关设计。实际工程中可以不严格按照图8中的表格进行，可根据实际情况进行微调。
图8 塑性耗能区支座性能水平选择参考表
2.3 确定构件的延展性等级
结合一定的性能水平和结构防护类别，可根据钢材标准表17.1.4-2确定结构构件的最小延性水平。软件中的参数选择执行《钢结构设计标准》GB50017-2017。如图9所示，根据确定的延性水平，直接填写图10所示的性能设计参数。
图9：选择按照新钢材标准进行设计
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
根据确定的性能等级，程序会自动按照新钢材标准的要求确定最小性能系数，也就是图4的要求，设计人员也可以修改最小性能系数，这个性能系数是针对所有结构构件进行控制的，根据新钢材标准第17.1.5条的要求，对于框架结构，同一楼层的框架柱的性能系数要高于框架梁的性能系数，关键构件的性能系数不应低于一般构件的性能系数；同时，新钢材标准第17.1.5条要求关键构件的性能系数不应小于0.55，也就是关键构件的最小承载力性能等级不能低于性能4。关于不同性能系数的单个构件的性能系数的修改，将在后面的“层塔属性”和“特殊梁”和“特殊柱”菜单下进行讨论，可以在“特殊梁”和“特殊柱”菜单下实现不同级别的修改。
2.4.2 中震影响系数与阻尼比最大值
程序可以根据小震下“地震烈度”参数自动确定中震下地震影响系数的最大值，程序在中震下的默认阻尼比为2%，根据新钢标准第17.2.1条第四款规定，弹塑性分析的阻尼比可适当增大，采用等效线性化方法时，不应大于5%。若采用弹塑性分析软件对结构进行中震分析，可利用各地震波能量图确定结构在各地震波下的弹塑性附加阻尼比。将计算出的结构在多道地震波下的弹塑性附加阻尼比的平均值与初始阻尼比相加，即可得到中震下的阻尼比。软件计算出某一框架结构在某一地震波下的能量图和结构弹塑性阻尼比。
图11 中震作用下框架结构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是控制塑性铰机制。由于非塑性耗能区构件及节点的承载力设计要求取决于结构体系性能和构件塑性耗能区，因此新钢标准仅规定了构件的塑性耗能区。对于框架结构，除单层和顶层框架外，塑性耗能区应为框架梁端部；对于支撑结构，塑性耗能区应为成对设置的支撑；对于框架-中心支撑结构，塑性耗能区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，塑性耗能区应为耗能梁截面和框架梁端部。结构变形的完整性是指承载力设计值满足按弹性计算的内力设计值的要求。基本完好是指适当减小刚度或承载力标准值后，承载力设计值满足内力设计值的要求，轻微变形是指层间位移为1/200左右时，塑性变形；层间位移为1/50-1/40时，塑性变形；耗能区变形明显变形是指层间位移为1/50-1/40时，塑性耗能区变形。
对于塑性吸能梁、塑性吸能支座等构件，设计人员可根据所选结构构件的性能等级定义刚度折减系数。刚度折减系数针对中震模型，不会受到小震影响。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性吸能构件，定义的折减系数在所有主梁两端均有效。如果是框架-支撑结构体系，程序还会默认判定所有支撑构件和梁均为吸能支座钢结构设计规范全，折减系数对二者均适用。如果要修改单个塑性吸能构件的刚度折减系数，可以选择图12所示的选项。在菜单“钢结构设计标准性能目标”下，定义单个构件的刚度折减系数。对于塑性耗能支座构件，默认情况下会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件性能目标
2.4.4 非塑性耗能区内力调整系数
根据新钢材标准，框架结构及框支座中非塑性吸能构件的承载力需进行中震下的验算，验算时针对中震下的水平地震作用对内力进行调整，调整系数与性能等级及结构体系计算有关，应按图13所示公式进行计算，即新钢材标准17.2.2-1。公式中Ωmin的取值根据对应的性能等级确定，βe的取值按图7.3-8确定，即新钢材标准要求执行。
图13 新钢标准17.2.2-1公式
图14 新钢材标准中非塑性吸能构件βe的确定
注：由于SATWE程序结构体系中无支撑体系，所有非塑性吸能构件的内力调整系数均按1.1ηy确定。
非塑性消能区内力调整系数是针对整个建筑的参数，但实际工程中，新钢标准对不同楼层的塑性消能区要求有所不同。新钢标准在第17.2.5-3条中明确要求“框架柱应按压弯构件计算，计算弯矩效应和轴力时，非塑性耗能区内力调整系数不宜小于1.1ηy。计算框架结构剪力时，剪力应按钢标准17.2.5-5计算：计算弯矩效应时钢结构设计规范全，多层钢结构底柱非塑性耗能区内力调整系数不宜小于1.35。”对于框架结构底柱的“非塑性耗能区内力调整系数”，SATWE程序默认值为1.35，设计者无需填写。其他层自动读取性能设计参数中填写的“非塑性耗能区内力调整系数”。如果想根据楼层修改调整系数，可以在SATWE软件的“Story Tower Properties”下定义各类非塑性吸能构件的内力调整系数，如图15所示。当然，这里也可以根据楼层修改不同的宽厚比等级、性能等级、延性等级等的定义。
图15 按楼面划分各类非塑性吸能构件内力调整系数定义
待续
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