超详细的钢结构设计全流程解析

超详细的钢结构设计全流程解析随着钢结构应用的急剧增长，结构形式日益丰富，不同的结构体系和截面特性的钢结构，其结构延性差异较大，为贯彻国家提出的“鼓励用钢、合理用钢”的经济政策，根据现行《建筑抗震设计规范》GB50011（简称“抗规”）及《构筑物抗震设计规范》GB50191规定的抗震设计原则，针对钢结构特点，《钢结构设计标准》GB50017-2017（简称“新钢标”）增加了钢结构的抗震性能设计内容。根据性能设计的钢结构，其抗震设计准则为：验算本地区抗震设防烈度的多遇地震作用的构件承载力和结构弹性变形（小震不坏）、根据其延性验算设防地震作用下的承载力（中震可修）、验算罕遇地震作用的弹塑性变形（大震不倒）。对于很多结构，地震作用并不是结构设计的主要控制因素，其构件实际具有的受震承载力很高，因此，抗震构造可适当的降低，从而降低能耗，节省造价。抗震设计的本质是控制地震施加给建筑物的能量，弹性变形与塑性变形（延性）均可消耗能量。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，在新钢标中简称为“高延性-低承载力”和“低延性-高承载力”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设计方法，称为“性能化设计方法”。结构遵循现有的抗震规范规定，采用的也是某种性能化设计的手段，不同点仅在于地震作用按小震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。大部分钢结构由薄壁板件构成，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。虽然大部分多高层结构适合采用高延性-低承载力的设计思路，但是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合理，单层工业厂房也更适合采用低延性-高承载力的抗震设计思路。对于高烈度区的结构及较高的钢框架结构，设计中不应采用低延性结构，建议采用高延性-低承载力的抗震设计思路。性能化设计的核心思想，即通过：“高延性-低承载力”或“低延性-高承载力”的抗震设计思路，在结构的延性和承载力之间找到一个平衡点，达到最优设计结果，对高延性结构可适当放宽承载力要求，对高承载力结构可适当放宽延性要求。注意：如果按照新钢标的抗震性能做了设计，就无需再满足抗规及《构筑物抗震设计规范》GB50191规定的特定结构的构造要求及规定。本文系统梳理性能设计，同时结合算例展示PKPM软件如何实现对于钢结构性能设计的实现及对新钢标中支撑产生的不平衡力对梁设计的影响。1.新钢标对性能设计的相关要求1.1抗震性能设计的性能等级和目标的确定钢结构构件的抗震性能化设计根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，结构构件在整个结构中的作用、使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等，经综合分析、比较后选定其抗震性能目标。钢标对构件塑性耗能区的抗震承载性能等级及其在不同地震动水准下的性能目标的划分按照如下图1进行的划分。▲图1构件塑性耗能区的抗震承载性能等级和目标1.2结构构件最低延性等级的确定按照新钢标要求，结构构件和节点的延性等级应根据设防类别和塑性耗能区最低承载性能等级按照下图2所示的方法确定，确定不同设防类别不同性能目标下的构件延性等级。▲图2结构构件最低延性等级1.3结构构件的板件宽厚比限值的控制按照图2确定出结构构件最低的延性等级，再根据图3规定对不同延性等级的相应要求，确定对应的宽厚比等级，再采取相应的抗震构造措施。▲图3构件延性等级对应的塑像耗能区截面板件宽厚比等级1.4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新钢标对框架结构、中心支撑结构、框架-支撑结构，规范结构的塑性耗能区不同承载性能等级对应的性能系数最小值按照图4要求执行，对于不规则结构的塑性耗能区构件性能系数最小值，宜比规则结构增加15%~50%。▲图4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1.5性能设计对于框架柱长细比的构造要求按照新钢标相关要求，对于框架柱的长细比限值控制按照图5的要求执行，根据确定的延性等级进行相应的长细比