【干货】钢结构抗震性能化设计

钢结构抗震性能化设计问题探讨抗震等级的实质是延性还是承载力？如果抗震等级的本质是延性，仅与结构高度和结构体系相关合理吗？构件延性和结构延性是一回事吗？承载力验算时地震作用为什么不采用设防地震作用？问题探讨中震弹性设计的结构安全度一定高于弹性承载力较低的结构吗？门式刚架是否需要符合抗震设计规范的规定？采用隔震设计的结构，弹性承载力要求是否可以降低？钢结构设计规范中抗震性能化设计的适用范围？抗震设计基本概念层间剪力分布抗震设计法固有周期质量分布影响下的动力作用抗震设计：控制地震施加给建筑物的能量衰减的能量塑性变形消耗的能量地震效应的大小由建筑物对地震波的反应结果决定抗震设计基本概念强梁弱柱可能产生中间层破坏强柱弱梁产生梁破坏机构抗震设计基本概念剪切型模型一般框架结构弯剪型模型框架支撑结构超高层结构和筒状结构（高宽比较大）构件及节点进入非线性屈服失稳滑移结构的能量吸收能力塑性变形能力结构体系构件延性日本抗震设计路径路径1：小震验算规模较小的钢结构路径2：小震和层间位移角验算建筑物的平面和立面高度方向都比较规则保证结构特征系数Ds=0.3的塑性变形能力建筑物高度小于31m路径3：保有水平承载力计算法用地震反应谱来代替时程解析法作为地震效应结构特征系数Ds代表结构实际吸收能量的能力抗震设计基本概念结构特征系数DsDS=Qy/Qmax=1/√(1+2η)•=1/√(1+4

ηave)累积塑性变形倍率η指正负塑性变形增量的总和除以弹性变形Δy的商SΔ0AB=SOCDE地震反应能量吸收抗震设计基本概念——累积塑性变形倍率η=ΣΔ

pi/Δyη

ave= ΣΔpi/（2Δ

y）抗震设计基本概念——累积塑性变形倍率η与最大塑性变形率μ0.25个循环η=μ-1抗震设计基本概念——累积塑性变形倍率η与最大塑性变形率μ滑移型1个循环η=2（μ-1）抗震设计基本概念——累积塑性变形倍率η与最大塑性变形率μ完全弹塑性型1个循环η=4（μ-1）抗震设计基本概念——累积塑性变形倍率η与最大塑性变形率μ完全弹塑性型2个循环η=8（μ-1）抗震设计基本概念——典型恢复力特性模型滑移型完全弹塑性型应变硬化型支撑的屈强比与结构的塑性变形能力（2-1）假设构件极限抗拉强度fu=375kN/mm2构件实际构件屈强比为0.85则构件净截面断裂承载力An*fu=（614.3-17*5）*375=198.45kN构件屈服承载力A*fyact=614.3*0.85*375=195.81kN<198.45kN结果整个构件屈服，结构延性较好支撑的屈强比与结构的塑性变形能力（2-2）假设构件极限抗拉强度fu=375kN/mm2构件实际构件屈强比为0.9则构件净截面断裂承载力An*fu=（614.3-17*5）*375=198.45kN构件屈服承载力A*fyact=614.3*0.9*375=207.33kN>198.45kN结果塑性化区域不能扩大，整体延性很低，发生脆性破坏工字形截面挑梁的塑性变形能力结构吸收能量的能力当建筑物的平面和立面高度方向都比较规则且保证塑性变形能力时，且建筑物高度在规范允许范围内，仅保证小震计算和层间位移验算即可。结构体系构件延性关于钢结构抗震设计地震效应的大小由建筑物对地震波的反应结果来决定阻尼、周期、后期刚度、二阶效应、多自由度体系等对地震力的影响影响钢构件延性的因素影响结构延性的因素阻尼的影响对于弹性体系，阻尼的影响相当大对于弹塑性体系，衡量阻尼影响的定量指标是它对R谱（地震力折减系数谱）的影响修订后的《抗规》GB50017-2010较2001版钢结构地震作用降低周期的影响随着周期增大，地震作用变小周期长时，场地土越软地震力越大后期刚度的影响钢结构的后期刚度来自如下几个方面：材料的抗拉强度超出屈服强度的部分，这部分要在变形很大时发挥作用双重抗侧力结构的主要抗侧力结构屈服，次要结构还没有屈服；这种体系往往有比较明确的双线性的荷载-位移关系超静定体系，塑性铰逐步形成。这种体系连续的刚度下降，直至达到极限强度延性越大，后期刚度的影响越大；后期刚度大，地震力折减系数大二阶效应的影响弹塑性结构，二阶效应导致刚度退化以及动力失稳，产生延性极限。考虑二阶效应，地震力要增大多自由度的影响多层的多自由度体系，研究起来工作量更大。但是目前国内外少量的研究表明，多层体系，地震力要放大，地震力折减系数要减少。地震力放大系数在1~2之间，随周期和自由度变化，以及随结构是弯曲型的还是弯剪型的而变。周期越长，放大系数就越大。但是简单的公式没有。影响钢构件的延性的因素钢构件的截面宽厚比杆件的长细比框架柱的轴压比影响结构延性的因素构件的延性连接节点的延性双重抗侧力结构中框架的剪力分担率确保“保险丝”的思路得以实现不适合采用极限承载力设计的建筑物不适合模拟成单质点体系的建筑物不适合使用等价线性法的建筑物高次卓越振型的建筑物偏心产生扭转的建筑物竖向震动的大跨度建筑物塑性率极大且仅在某一特定方向产生残余变形的建筑物《钢结构设计规范》抗震性能化设计•性能化设计体现在以下几个方面：根据结构特性及使用功能选定塑性耗能区性能等级根据结构塑性耗能区弹性承载力的差别，采用不同的延性等级进行延性开展机构的控制，确保地震来袭时结构按照预想的延性机构开展弹塑性变形《钢结构设计规范》抗震性能化设计

采用能力设计法，进行塑性开展机构的控制强柱弱梁强节点弱构件强框架弱支撑《钢结构设计规范》抗震性能化设计引入非塑性耗能区内力增大系数βE引导构件相对强弱符合延性开展的要求；为罕遇地震作用下出现的重力荷载重分布做好准备引入钢材超强系数ηy，确保延性开展机构的实现框架结构根据延性要求采用不同的节点域验算方法支撑结构根据延性要求支撑的长细比和板件宽厚比性能化设计步骤验算小震作用下承载力满足《抗规》要求（不包括塑性耗能区）小震作用下层间位移满足《抗规》要求初步选择塑性耗能区的性能等级进行设防地震下的承载力验算确定构件和节点延性等级及相应抗震措施必要时验算大震层间位移角压弯和受弯构件的截面板件宽厚比等级及限值α=(σmax-σmin)/σmax构件截面板件宽厚比等级S1级S2级S3级S4级S5级压弯构件H形截面翼缘911131520腹板33+13α1.3038+13α1.3942+18α1.5145+25α1.66250箱形截面壁板（腹板）间翼缘30354245—受弯构件工字形截面翼缘911131520腹板657293124250箱形截面壁板（腹板）间翼缘25323742—钢结构房屋的抗震等级（引自GB50011-2010表8.1.3）房屋高度烈度6789≤50m——四三二>50m四三二一框架梁、柱板件宽厚比限值（引自GB50011-2010表8.3.2）构件一级二级三级四级柱H形截面翼缘10111213H形截面腹板43454852箱形截面壁板（腹板）间翼缘33363840梁工字形截面翼缘991011工字形截面腹板72-120Nb/Af≤6072-100Nb/Af≤6580-110Nb/Af≤7085-120Nb/Af≤75箱形截面壁板（腹板）间翼缘30303236受弯构件和压弯构件的截面板件宽厚比等级（引自GB50011-2010表6）构件A类B类C类柱H形截面翼缘1012指现行《钢规》按弹性准则设计时腹板不发生局部屈曲的情况H形截面腹板4450箱形截面壁板（腹板）间翼缘3337梁工字形截面翼缘911工字形截面腹板6572箱形截面壁板（腹板）间翼缘3036水平地震影响系数最大值地震影响6度7度8度9度多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32设防地震0.120.23（0.34）0.45（0.68）0.90多遇地震/设防地震0.330.350.36(0.35)0.36规则结构塑性耗能区不同性能等级对应的性能系数最小值性能等级性能1性能2性能3性能4性能5性能6性能7性能系数最小值1.100.90.700.550.450.350.28结构构件最低延性等级设防类别塑性耗能区最低性能等级性能1性能2性能3性能4性能5性能6性能7适度设防类（丁类）———Ⅴ级Ⅳ级Ⅲ级Ⅱ级标准设防类（丙类）——Ⅴ级Ⅳ级Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级重点设防类（乙类）—Ⅴ级Ⅳ级Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级—特殊设防类（甲类）Ⅴ级Ⅳ级Ⅲ级Ⅱ级Ⅰ级——按抗震性能化设计思路设计流程建筑物地震以外荷载承载能力和正常使用状态计算符合规范规定基本符合《建抗规》1-5章的规定（除材料和承载力）多遇地震作用下承载力符合《抗规》规定（对于丙类结构，延性等级不低于Ⅱ级的塑性耗能区除外）层间位移角≤1/250地下结构的验算设防地震作用验算高承载力低延性低承载力高延性非结构构件的问题按抗震性能化设计思路设防地震作用验算的设计流程建筑物根据《建筑工程抗震设防分类标准》确定设防类别根据设防烈度、结构体系、使用功能、附属设施功能要求、投资大小等确定最低延性等级验算塑性耗能区性能系数按照机构控制验算其他构件的承载力根据延性等级确定构件和节点的抗震措施按抗震性能化设计思路设防地震作用验算的框架结构设计流程建筑物根据《建筑工程抗震设防分类标准》确定设防类别根据设防烈度、使用功能、附属设施功能要求、投资大小等确定最低延性等级验算框架梁梁端性能系数（按层进行）剪力按梁端（或柱端）产生塑性铰时最大剪力计算强柱弱梁框架梁轴压比≤0.15根据延性等级确定框架梁梁端（柱最大应力区）板件宽厚比节点域框架柱长细比按抗震性能化设计思路设防地震作用验算的支撑结构设计流程建筑物根据《建筑工程抗震设防分类标准》确定设防类别根据设防烈度、使用功能、附属设施功能要求、投资大小等确定最低延性等级验算支撑性能系数当长细比大于130时，可按只受拉构件计算（按层进行）强柱弱支撑根据延性等级确定支撑板件宽厚比和长细比与《抗规》比较：《钢规》更适合精细化设计（2-1）均需符合《抗规》1-5章的规定（材料选用和承载力验算稍有区别）使用范围不同均须进行多遇地震作用下变形验算均须进行多遇地震作用下承载力验算，但按《钢规》设计时，塑性耗能区可不符合承载力要求与《抗规》比较：《钢规》更适合精细化设计（2-2）材料要求不同框架结构强柱弱梁验算不同框架结构节点域承载力验算不同支撑验算方法不同截面板件宽厚比的规定不同《钢规》采用延性等级、《抗规》采用抗震等级什么是性能系数？所谓的性能系数指进行设防地震作用验算时，考虑结构的延性对地震作用的折减系数，类似于抗震规范中的屈服强度系数。为什么要求塑性耗能区的性能系数较其他构件低？结构的延性不仅取决于构件的延性，更与结构预期的破坏途径相关，比如对于框架结构，只有框架梁的性能系数最低，预期的塑性铰才会出现在框架梁处，所有的验算都为了确保这一点。为什么门式刚架轻型钢结构厂房可不符合《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定？对于门式刚架轻型钢结构厂房，由于截面板件宽厚比等级允许采用S5级且采用变截面设计，内力无法进行重分布，所以内力计算和构件设计均采用弹性设计，由于围护结构均采用轻型材料，因此质量较小故地震作用影响一般比不上风荷载的影响，最适合低延性高承载力的设计，而《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中采用低延性高承载力设计的单层钢结构厂房截面板件宽厚比等级控制在S4级，所以门式刚架轻型钢结构厂房承载力要求应更高而延性要求可以降低。进行框架结构强柱弱梁验算有什么需要注意的地方？（2-1）采用《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）进行抗震设计，根据8.2.5条强柱弱梁采用式∑W

pc(f

yc-N/Ac)≤ηW

pcf

yc（等截面梁）验算时，公式左侧为框架柱的富余受弯承载力，而右侧作为框架梁受弯承载力，一般均应考虑硬化系数1.1，因此，当框架柱不考虑采用塑性设计时，公式应改为∑W

Ec(f

yc-N/Ac)≤1.1ηW

pcf

yc

（等截面梁），当采用塑性设计，根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）9.2.3条，当轴压比大于0.13时，框架柱作为压弯构件的富余受弯承载力为1.15∑W

pc(f

yc-N/Ac)

（详细分析可参考童根树教授《钢结构的平面内稳定》第3.3节“截面在压力和弯矩作用下的弹塑性性能和极限承载力”），进行框架结构强柱弱梁验算有什么需要注意的地方？（2-2）因此，采用抗震规范的强柱弱梁验算时，框架柱采用塑性截面。细心的设计者会发现8.3.2条条文说明“从抗震设计的角度，对于板件宽厚比的要求，主要是地震下构件端部可能的塑性铰范围，非塑性铰范围的构件宽厚比可有所放宽”当放宽框架柱板件宽厚比限值时，强柱弱梁的计算也应适当调整。焊接梁柱翼缘与腹板间的焊缝什么时候必须采用熔透焊缝？塑性耗能区板件间的连接、在梁翼缘上下各600mm的节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝，采用全熔透焊缝。钢结构拼接时应该注意什么？尽量避免在最大应力区尤其是塑性耗能区的拼接，应选择弯矩较小、在地震作用下弯矩波动变化较小的弹性区拼接。当拼接位置避开了塑性耗能区，则可按与较小被拼接截面承载力等强的原则设计，需要注意的是，承载力等强并不是真正物理意义上的等强，一般采用节点极限承载力大于构件屈服承载力乘以连接系数的原则验算，也可采用最大荷载内力组合值（暴雨、大雪、罕遇地震等），考虑一定的安全系数（对于地震可采用连接系数作为安全系数）进行连接的承载力弹性设计。当由于条件限制不能避开塑性耗能区，如框架梁的拼接位置到柱翼缘表面的距离不小于

max[L/10,1.5h]（L为梁的净跨、h为梁高）时，则应考虑连接系数进行梁端梁-梁拼接极限受弯、受剪承载力验算，此时尚需注意受剪承载力应考虑0.5的折减系数。构件承载力越高，结构的抗震性能越好吗？（2-1）结构抗震性能的高低和构件承载力高低有关系，但并不是简单的构件承载力越高结构抗震性能越好的关系。结构体系、塑性耗能区的构造要求以及构件承载力的高低都和抗震性能的高低有着直接关系。构件承载力越高，结构的抗震性能越好吗？（2-2）简单的说，除隔震设计外，抗震设计可有下列二种思路：1

采用普通结构体系，即刚强的结构抗侧力体系抵抗地震作用，此时构件承载力直接决定结构的承载力。2

采用制振结构体系，主要的设计思想是让结构按照设计者预想的破坏途径破坏，这样，设计者必须控制塑性耗能区的承载力，不能使其过高，如仅增加塑性耗能区的承载力，而其他构件的承载力未相应增加，结构的抗震性能反而可能降低。以交叉支撑系统为例，当支撑实际屈服强度较低时，在强烈地震作用下，支撑屈服时，与支撑直接连接的框架柱所承担的相应的竖向分力也相对较低，当仅提高支撑承载力，则框架柱可能在支撑屈服前发生破坏而导致结构破坏。为什么说钢结构适合做性能化设计？（2-1）一方面，钢结构为薄壁构件，构件尺寸大并不意味着用钢量高，比如500mmx800mm的混凝土构件一定比500mmx500mm的材料用量高，但钢结构可以通过采用调整板厚的手段在不提高甚至减低用钢量的条件下提高构件抗弯承载力。对于截面大小无限制的框架结构，通过增加腹板高度减小腹板厚度可在不增加用钢量的条件下提高构件的弹性承载力，从而降低构件延性要求，达到节约造价的目的。比如轻型门式刚架结构，即便是采用中震弹性的要求，其结构一般也是由风荷载控制，这样，在设计门式刚架时，腹板和翼缘间的焊缝甚至可采用单面角焊缝、间断焊缝等。为什么说钢结构适合做性能化设计？（2-2）另一方面，由于钢材有着良好的延性，特定的结构采用一定的设计处理手段可以使结构仅需较低的承载力即可满足。我国幅员辽阔，各地地震环境及结构类型千差万别，指望规范为所有的结构给出唯一的正确解恐怕不太现实，设计者应根据场地、结构体系、功能要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等，掌握各类构件的性能，了解其本质，把握关键点，采用性能化设计方法进行抗震设计。采用钢结构性能化设计有什么好处，采用高延性低承载力思路设计的钢结构用钢量一定比采用低延性高承载力的钢结构低吗？（2-1）采用性能化设计后，结构设计采用了不同的设计手法，一类为高延性低承载力，另一类为低延性高承载力，对于采用高延性低承载力设计手法设计的结构，构件分为三类，第一类是塑性耗能区的构件，承载力要求不高但构造要求高，第二类是弹性区的普通构件，构造要求不高但承载力有一定要求，第三类为关键构件，构造要求不高但承载力要求高。这样对于同一结构的不同部位，可采用不同的构造要求。采用钢结构性能化设计有什么好处，采用高延性低承载力思路设计的钢结构用钢量一定比采用低延性高承载力的钢结构低吗？（2-2）有一点设计人员必须了解，即所有的构造措施对应的都是能耗的增加和造价的升高，因此，设计应设法避免不必要的构造要求。比如，对于柱脚，尽量采用角焊缝而不是熔透焊缝。对于拼接接头，只要选择合适位置，则无需为了庞大的节点而发愁，这一点也为抗震设防区的装配式钢结构提供了出路。采用高延性低承载力思路设计的钢结构用钢量不一定比采用低延性高承载力的钢结构低。以7度设防的单层抗弯框架为例，众所周知，门式刚架轻型钢结构房屋用钢量远较普通钢结构低，主要原因是由于抗弯承载力的提高对材料用量的要求远远低于由于延性需求所要求的，因此，进行钢结构抗震设计时寻求承载力和延性需求的最佳结合点是合理设计的关键点。塑性耗能区