2020-026钢结构设计标准解说专题——抗震性能化设计

1、钢结构设计标准解说专题（4 4）原创牛必任从钢结构到装配式钢结构建筑好了，终于可以谈谈钢结构设计标准（GB50017-2017GB50017-2017）（简称钢标”）的抗震设计了，也称之为钢结构抗震性能化设计”，这是钢标相对于钢结构设计规范（GB50017-2003GB50017-2003）（简称钢规”）变化最大的一部分内容。钢标的抗震性能化设计具体怎么做，包括设计软件中如何操作，已经有一些文章进行了详细阐述。本文并不准备去重复那些内容，而只是打算就抗震设计的原理性问题以及几个关键要点进行澄清，帮助你从概念层面的深入理解，以免给程序玩死（换句话说，看本文之前，应该好好看过钢标）。另外还是得说明

2、（虽然本该是结构工程师的常识），程序是程序，规范是规范，程序仅仅代表了编程人员对规范的理解， 可能对， 也可能错。 倒是， 规范理解不到位,做设计容易给程序玩残。经常有人问我，某某软件计算结果红了，怎么调？我一般回答，程序的操作问题，去问软件客服。红了绿了的事，用规范语言来描述，我才能跟你讨论（似乎开篇说了一些废话，抱歉抱歉）一、抗震性能化设计 vsvs 传统抗震设计，原理上的差异是啥？在本公众号发表的前几篇解读文章中已经谈到，钢标的抗震性能化设计描述为：在能量输入相同的条件下，结构延性越好，弹性承载力要求越低，反之，结构延性差，则弹性承载力要求高，本规范简称为高延性-低承载力”和低延性-高承

3、载力两种抗震设计思路，均可达成大致相同的设防目标。结构根据预先设定的延性等级确定对应的地震作用的设计方法，本规范称为性能化设计方法”即，抗震并不是非得延性，高延性和低延性，都能实现抗震设防目标，可以进行选择，怎么合理怎么做。从地震工程学的理论看，实际上就是下图表达的等能量原理，结构可以可以按照图中不同的路径抗震，不同曲线和横坐标围住的面积相同（即地震能量）即可。不同路径对应不同的弹性承载力和延性。抗震性能化设计传统的抗震设计是什么思路呢？抗规抗震设计的思路是， 结构在设防地震作用下会进入弹塑性。因此，基于基于延性耗能的原则，设防烈度高需要耗能多点，延性要求就高。所以抗规的抗震构造就根据建筑高度

4、和设防烈度决定的抗震等级来确定（等级高延性要求就高，当然也不尽然）。所以，钢标的抗震性能化设计，实际上是在常规抗震设计方法（考虑一定的延性，大致属于中到高延性）的基础上还给了另一个低延性的抗震设计途径，从而能适用于更多的情况。、抗震性能化设计 vsvs 传统抗震设计，具体设计流程上的区别在哪儿?常规的抗震设计方法，按照小震地震作用计算+抗震构造要求进行设计。抗震性能化设计则是小震设计后，再进行中震设计。中震设计时，是在承载力和延性之间的平衡和选择，实际上可能处于一个迭代循环过程，即假定塑性耗能区承载性能等级（与塑性耗能区的延性等级直接挂钩，设防类别高的提高一档），得到地震作用效应，再进行构件承

5、载力抗震验算（钢标 17.2.117.2.117.2.317.2.3 条），以及机构控制验算（17.2.417.2.417.2.1217.2.12 条），如有问题则进行调整，循环计算。塑性耗能区承载性能等级则与延性措施对应，选择了什么等级则要求在设计时采用对应的抗震措施（17.317.3 节）。需要注意的是，抗震措施不再是一刀切，而是对应不同的等级采用对应的措施，这是与常规抗震设计方法最大的区别，也是体现其设计合理性的地方。抗震性能化设计中，有几个关键点，如塑性耗能区、性能系数，塑性耗能区在前文中解读过，这儿说说性能系数。性能系数是啥？性能系数是构件的计算参数，按钢标（17.2.2-117.2

6、.2-1）计算。注意要区分塑性耗能区构件和非塑性耗能区构件。1钢结构构件的性能系数应按下式计算:(17.2.2-1)看一下 17.3.217.3.2 条就明白， 性能系数是计算地震作用效应时候水平地震作用效应的系数。 另外需要注意，用来计算的地震作用是设防地震下的，即中震”，换句话说,性能系数其实就是地震作用的折减系数（参见前面的强度-延性示意图）。17.2.3钢结构构件的承载力应按下列公式验算：5琮=&正+03日犯+0.4SRg(17.2,34)、分别为按弹性或等效弹性计算的构件水平设防地震作用标准值效应、8度且高度大于50m时按弹性或等效弹性计算的构件竖向设防地震作用标准值效应：&

7、amp;按屈服强度计算的构件实际截面承载力标准值(N/mm:)17.17.2,2钢结构构件的性能系数应符合下列规定:还有一个实际性能系数，按下式计算，这是用来检查你设定的性能系数是否合理的。需要注意，公式(17.2.2-2)17.2.2-2)中有印刷错误， 水平地震和竖向地震在公式中搞反了实际性能系数的物理意义，以框架为例，是结构的屈服承载力扣除重力荷载代表值以及竖向地震作用效应后，与设防地震(中震)产生弯矩的比值，即达到中震的多少分之一时屈服，1.01.0 表示在中震时刚好屈服。显然，实际性能系数不能小于设定的性能系数。框架结构工0=(WEf,-A4GE-0.4MEhk)/MEvk2(17.

8、2.2-2)支撑结构；一(NhrNGE0.4NE*k2)17991第a+0.7R)N一(17.2,23)那么，对于支撑结构，实际性能系数的物理意义，你看明白了吗？三、抗震性能化设计 vsvs 传统抗震设计，能带来什么好处？抗震性能化设计相对于传统抗震设计，带来的最大的好处，就在于设计的灵活化，而不是固定不变的强制性抗震措施。相信各位在以往的设计中，因为各种抗震措施（尤其是构造措施）的要求导致你自己都觉得设计很不合理的情况比比皆是。而这些，都将是抗震性能化设计的用武之地。 也就是说， 抗震措施的区别化对待 （包括各种抗震措施免除条件） ，是抗震性能化设计的优势所在。举个栗子：钢标的 17.1.4

9、17.1.4 条 3 3 款：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，当结构构件延性等级为V V 级时，无须进行机构控制验算；”条文说明解释如下：当按本规范进行性能化设计，采用低延性-高承载力设计思路时，无须进行机构控制验算，本规范第 17.2.417.2.4 条至 17.2.1217.2.12 条为机构控制验算的具体规定， 但当性能系数小于 1 1 时， 支撑系统构件尚应考虑压杆屈曲和卸载的影响。”好好去看看钢标的 17.2.417.2.12,17.2.417.2.12,有哪些内容，就明白了。强柱弱梁？强节点弱构件？柱脚极限承载力？这都不是事。是不是觉得，原本要给玩死的设计

10、，用抗震性能化设计似乎有戏了？恭喜你，你似乎找到门道了。如果这篇文章就这么一丁点对你有用，我都觉得值了。我就不再去多说啥宽厚比、长细比、节点域、支撑结构等等这些带来的不同了。希望你能在钢标中有新的发现。如有疑问或者新发现，欢迎来一起分享和讨论。四、抗震性能化设计 vsvs 传统抗震设计，如何选择？前文已经谈过规范的选择问题，主要是抗规体系和钢标抗震性能化设计的选择，不再多说规范选择的逻辑问题，只是谈怎么选择设计更合适更合理的问题。钢标条文说明对抗震性能化设计有如下说明：另外，对于很多结构，地震作用并不是结构设计的主要控制因素，其构件实际具有的抗震承载力很高，因此抗震构造可适当降低，从而降低能耗

11、，节省造价。”因此，用句大白话说，只要是按照常规抗震设计方法设计给抗震措施（包括构造）整得不舒坦的，你就得考虑用用抗震性能化设计了。当然，用规矩的语言说，就是地震作用不是那么大，风荷载或者变形控制等等都导致结构承载力较高的情况，都将是抗震性能化设计低延性路径的适用场合。其实经常做工业厂房尤其是普钢厂房的应该早就知道了，在抗规的 9.29.2 节就已经采用了类似的思路，解放了一些构造要求。当然，现在的钢标抗震性能化设计，更为全面，甚至也把门刚类结构的抗震设计纳入进去了（你可以尝试看看，如何将常见的门刚结构按钢标的抗震性能化设计路径走通，且不产生什么过多附加的抗震要求）。对于常规的按中等到高延性思路进行设计的情况，抗震性能化设计与抗规的抗震设计方法差异不至于太大，方法的选用上矛盾没有那么突出。另外对于一些钢结构的构筑物，采用钢标的抗震性能化设计有时也更为合理。后记：好久没写，让大家久等了。抗震性能化设计，其实可以洋洋洒洒写上很多很多。可是现在再把条文照抄捋一遍似乎并没有多少意义，希望蜻蜓点水的这些零星解读对大家理解规范条文带来些许帮助。如果对于