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？建筑抗震设计标准?GB500n（简称“抗规〃）及？构筑物抗震设计标

准?GB50191规定的抗震设计原那么，针对钢结构特点，？钢结构设计标准?GB50017-

2021（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，

其抗震设计准那么为：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

的主要限制因素,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.抗震设计的本质是限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,那么弹性承载力要求高,在新钢标中简称为“高延性-低

承载）｝"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标准规定,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

工程根据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.大局部钢

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.虽然大局部多高层结构

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，到达最优设计结果,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：如果根据

新钢标的抗震性能做了设计，就无需再满足抗规及?构筑物抗震设计标准?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确实定

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

类型和不规那么性,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、比拟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

根据如以下图1进行的划分.

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▲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确实定

根据新钢标要求,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

性能等级根据以下图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.

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▲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限制根据图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

构造举措.

结构构件延忤等级IV级II级1级

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▲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、中央支撑结构、框架-支撑结构，标准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根据图4要求执行，对于不规那么结构的塑性耗能区

构件性能系数最小值,宜比规那么结构增加15%〜50%

承载性能等级性能】性能2性能3性能4性能与性能6性能7

性能系数最小值L109070aS50.350.28

▲图4规那么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

根据新钢标相关要求,对于框架柱的长细比限值限制根据图5的要求执行,根据确定的

延性等级进行相应的长细比限值限制.

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I结构梅件延性等级

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▲图5框架柱长细比限值要求

1.6柱节点域受剪正那么化长细比限值限制

框架结构梁柱采用刚接连接时,H形和箱形截面柱的节点域受剪正那么化宽厚比入ns

限值应符合图6规定的要求执行.

结构构件选性等级1级，U级in级IVSV级

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▲图6H形和箱形截面柱节点域受剪正那么化宽厚比入ns限值

1.7支撑结构与框架一支撑结构支撑长细比及宽厚比等级的限制

钢结构性能设计对支撑构件的长细比、截面板件宽厚比限值等的限制均依据结构

构件的延性等级.对长细比、板件宽厚比限值限制根据图7执行.

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▲图7支撑长细比、截面板件宽厚比等级

2.使用软件实现新钢标性能设计的完整流程

根据新钢标的要求,要实现完整的钢结构性能设计,需要遵循以下的设计流程.

2.1多遇地震下承载力与变形验算

对设计高度低于100m的钢结构进行多遇地震作用下的验算，验算内容包含结构承载力

及侧向变形是否满足抗规要求，即查看结构构件的强度应力比、稳定应力比等是否均

满足新钢标要求，同时查看结构在风和地震作用下的弹性层间位移角是否均满足抗规

及新钢标1/250的要求.只有在满足小震下承载力和变形的情况下才能进行抗震性能

设计.如果此时构件的宽厚比、高厚比及长细比均不满足抗震标准的要求，那么有必要

进行性能设计.如果根据对应钢标的某性能目标设计，满足了中震下承载力要求,可以

根据对应的宽厚比等级及延性等级放松宽厚比、高厚比及长细比的限制.

2.2确定结构塑性耗能区的性能等级

结合设计的结构高度及设防烈度,初步确定塑性耗能区承载性能等级范围,根据图8

的参考表选择,然后可初步在性能等级范围内选择确定某一个具体的性能等级,根据

确定的性能等级可以进行后续的参数确定及相关设计.图8的该表可未必严格执行,

实际工程中可以根据实际情况做微调.

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▲图8塑性耗能区承载性能等级参考选用表

2.3确定构件的延性等级

结合某一确定的性能等级及结构设防类别,可以根据钢标表17.1.4-2确定出结构构

件的最低延性等级.在软件中的参数选择执行“？钢结构设计标准？GB50017-2021"如

图9所示，同时根据确定的延性等级,直接填入如图10所示的性能设计参数中.

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▲图9选择根据新钢标进行设计

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▲图10钢结构性能设计相关参数填写

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确实定

根据确定的性能等级，程序会自动根据新钢标要求,即图4的要求，自动确定最小的性

能系数,设计师也可以对该最小的性能系数进行修改.该性能系数是对于结构所有构

件都限制的，根据新钢标17.1.5条的要求，对于框架结构，同层框架柱的性能系数高

于框架梁,关键构件的性能系数不应低于一般构件；同时新钢标17.1.5条文说明要求

对于关键构件的性能系数不应低于0.55,也就是说关键构件的承载力性能等级最小不

能低于性能4.对于单构件性能系数不同时的修改在后续“层塔属性”及"特殊梁”

“特殊柱〃菜单下均可实现不同层次的修改.2.4.2中震地震影响系数最大值及中震

阻尼比

程序可以根据小震下的参数“地震烈度”自动确定中震下的地震影响系数最大值.中

震下程序默认的阻尼比为2版根据新钢标17.2.1条第四条所述,对于弹塑性分析的阻

尼比可适当增加，采用等效线性化方法不宜大于5%.如果使用弹塑性分析软件进行了

结构中震下的分析，可以根据输出的每条地震波的能量图，确定出每条地震波下结构

中震弹塑性附加阻尼比.中震下的阻尼比可以取多条地震波中震计算的结构弹塑性附

加阻尼比的平均值加上初始阻尼比.如图11所示为SAUSAGE软件计算的某框架结构在

某条地震波中震下的能量图及结构弹塑性阻尼比情况.

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▲图11某框架结构中震下某条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进行塑性较机构限制，由于非塑性耗能区构件和节点的承载

力设计要求取决于结构体系及构件塑性耗能区的性能,因此新钢标仅规定了构件塑性

耗能区的抗震性能目标.对于框架结构，除单层和顶层框架外,塑性耗能区宜为框架梁

端；对于支撑结构，塑性耗能区宜为成对设置的支撑；对于框架-中央支撑结构，塑性

耗能区宜为成对设置的支撑、框架梁端；对于框架-偏心支撑结构,塑性耗能区宜为耗

能梁段、框架梁端.结构变形的完好指的是承载力设计值满足弹性计算内力设计值的

要求,根本完好是指承载力设计值满足刚度适当折减后的内力设计值要求或承载力标

准值满足要求,稍微变形指层间位移约为1/200时塑性耗能区的变形,显著变形指层间

侧移为1/50-1/40时,塑性耗能区的变形.

对于塑性耗能梁及塑性耗能支撑等构件，设计人员可根据选定的结构构件的性能等级,

定义刚度折减系数，该刚度折减系数是针对中震模型下的,小震下不起作用.在SATWE

程序中，如果选择框架结构,程序会自动判断所有的主梁为塑性耗能构件,定义的折减

系数对于所有的主梁两端均起作用.如果是框架-支撑结构体系,程序同时判断默认所

有的支撑构件与梁均为耗能支撑，该折减系数同样对两者起作用.如果要修改塑性耗

能构件单构件的刚度折减系数可以在选择如图12所示的“钢结构设计标准的性能目

标”菜单下，进行单个构件刚度折减系数的定义，塑性耗能支撑构件默认自动读取前

面整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择单构件性能目标

2.4.4非塑性耗能区内力调整系数

根据新钢标,对于框架结构与框架-支撑中的非塑性耗能构件需要进行中震下的承载

力验算,验算的时候对于中震下水平地震作用进行内力调整，该调整系数与性能等级

及结构体系有关，应根据如图13所示的公式即新钢标17.2.2-1进行计算.公式中的

Qmin的值根据对应的性能等级确定.Be的取值根据图7.3-8新钢标要求执行.

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▲图13新钢标17.2.2-1公式

A——水平地震作用非般性耗凿区内力调整系数.塑性耗能区构件应取L0.其余构

件不宜小于L1行,支撑系统应按式C17.2,2-9）计算确定手

4）支撑系统的水平地震作用非塑性耗能区内力调整系数应按下式计算；

诙汨=1」小门十0.了何）（17.2.2-9）

▲图14新钢标对于非塑性耗能构件Be确实定

注意：由于SATWE程序中结构体系没有支撑系统,软件对于所有的非塑性耗能构

件的内力调整系数均根据1.Iny确定.

该处的非塑性耗能区内力调整系数是针对全楼的参数，但是实际工程中塑性耗能区对

于不同楼层新钢标要求是不同的.新钢标在17.2.5-3条中明确要求“框架柱应该按

压弯构件计算,计算弯矩效应和轴力时,其非塑性耗能区内力调整系数不宜小于1.Iny.

对框架结构,进行受剪计算时,剪力应根据钢标17.2.5-5计算；计算弯矩效应时,多高

层钢结构底层柱的非塑性耗能区内力调整系数不应小于1.35.〃对于框架结构底层柱

的“非塑性耗能区内力调整系数"SATWE程序默认为1.35,无需设计人员填入.其他层

自动读取性能设计参数中填入的‘'非塑性耗能区内力调整系数”.如果要根据楼层进

行该调整系数的修改，可在SATWE软件“层塔属性”下进行各类非塑性耗能构件的内

力调整系数定义,如图15所示,当然在此处也可以根据楼层进行不同的宽厚比等级、

性能等级及延性等级等的定义.

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▲图15按楼层定

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非塑性耗能构件内力调整系数

2.5确定构件的宽厚比等级

根据结构的抗震设防类别及确定的性能等级,确定出对应结构构件的延性等级，根据

钢标17.3.4确定对应的板件宽厚比等级,并在SATWE软件中选择“梁、柱及支撑构

件的宽厚比等级”，如图10所示.

2.6小震模型与新钢标中震模型的计算及包络

对于根据性能设计的结构,SATWE程序在“多模型限制信息”下会自动形成如图16所

示“小震模型〃和“新钢标中震模型〃两个模型，分别进行小震与中震下

的内力分析与承载力计算,最终将包络结果展示在主模型中.查看主模型计算结果,可

以看到在主模型下包络了小震与中震模型的强度应力比、稳定应力比、长细比、宽

厚比、轴压比及实际性能系数等结果.软件输出的结果分别如图17、图18所示，如

果各项指标有超限,在程序中会标红提示，如图19所示的塑性耗能梁实际性能系数小

于指定的最小的性能系数,不满足要求程序显红.

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▲图16多模型限制信息表

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▲图18主模型下包络的宽厚比、高厚比及限值

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▲图19主模型下显示的塑性耗能构件实际性能系数

2.7中震下构件承载力验算

对于根据性能设计的结构,SATWE程序对于自动形成的中震模型进行中震下地震作用

分析,同时根据钢标进行相关的构件验算及对应的构造限制.

中震下构件承载力验算时承载力标准值应进行计入性能系数的内力组合效应验算,根

据图20所示即新钢标17.2.3条公式进行验算.其中Qi为钢结构构件的性能系数,注

意：不是最小的性能系数,该系数需要考虑Be,Qi=Be*Qmin.

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▲图20中震下构件承载力验算公式

对于梁、柱及支撑构件均根据新钢标的要求进行中震下承载力验算，同时根据指定的

宽厚比等级及延性等级分别进行中震下构件的宽厚比、高厚比及长细比限值等构造举

措的限制，同时图21展示了不同的板件宽厚比等级下对应钢构件梁、柱的宽厚比、高

厚比限值.

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▲图21不同板件宽厚比等级及限值限制

2.8根据满足性能设计的要求进行构造限制

包络之后，如果中震下承载力也满足要求,可以根据性能设计的要求放宽对于构件宽

厚比、高厚比及长细比的限制要求.可以在主模型下通过查看详细构件信息查看包络

过程及构造限制放松的结果.

如图22所示为某柱构件根据性能设计之后主模型中详细构件输出的结果.如图23及

图24分别为该柱构件小震与中震下计算的结果.

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▲图22主模型下柱包络的强度、稳定应力比及构造限值结果

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▲图24中震模型下该柱强度、稳定应力比及构造限值结果

通过上述小震与中震的包络可以看到,SATWE程序已经完全根据新钢标对性能设计的

要求，对于结构构件的强度应力比、稳定应力比进行了包络设计，在主模型中输出了最

不利的结果；对于构造举措也进行了包络限制,在主模型的构件详细信息下面已经根

据小震和中震模型进行了包络设计输出，对于中震下承载力满足要求,程序已经根据

对应的指定的宽厚比等级限制构件的宽厚比限值,对于构件的长细比限值根据指定的

延性等级及轴压比进行限值的限制.并且对于包络结果通过图形文件可以直接查看应

力比及相关宽厚比、高厚比、长细比等构造举措，另外图面文件上可以直接查看塑性

耗能构件实际的性能系数.

2.9性能5,6,7的钢结构大震弹塑性变形验算

新钢标17.1.4第五条要求,当塑性耗能区的最低承载性能等级为性能5、性能6或性

能7时,通过罕遇地震下结构的弹塑性分析或按构件工作状态形成新的结构等效弹性

分析模型,进行竖向构件的弹塑性层间位移角验算,应满足现行国家标准?建筑抗震设

计标准?GB500n的弹塑性层间位移角限值；当所有构造要求均满足结构构件延性等级

为I级的要求时,弹塑性层间位移角限值可增加25%.

根据上述新钢标的要求,对于5,6,7这几个性能目标下的钢结构在进行性能设计时需

要补充进行大震下弹塑性分析的变形验算.结构在大震下弹塑性层间位移角需要满足

如以下图25所示抗规的限值要求.

表5.5,5弹圈性层间位移角限值

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单层痢筋屉壁上柱排架V30

钢筋曜酸土框架!/50

底部框架砌悻房屋中的偃架-抗震堵17100

钢筋混凝1:幄架-杭福崎、板柱-抗或堵，板架-核心前]/100

钢筋混殿七抗震端、同中筒1/130

_____________________[等.高层钢结构A

▲图25抗规对各类结构弹塑性层间位移角限值要求

图26所示为一钢框架结构，使用SAUSAGE软件对其进行大震弹塑性分析.大震弹塑性

分析要进行地震波的选择,根据抗规要求分别选择对应满足计算要求的地震波再进行

弹塑性分析.计算完毕之后,可以直接查看其弹塑性层间位移角如图27所示,在选定满

足标准要求的地震波作用下,查看该钢框架结构能否满足大震不倒的弹塑性变形要求,

在两个方向均需要满足大震弹塑性层间位移角限值要求.

▲图26大震弹塑性分析的钢框架三维图

▲图27该钢框架结构在某条地震波作用下X方向弹塑性层间位移角

通过大震弹塑性分析还可以进一步较为精细化的考察结构塑性较开展情况及结构中

梁柱构件的损伤情况,通过直观的SAUSAGE软件图形输出结果,可以查看到全楼及楼

层的梁、柱损伤比例，分别如图28、图29所示.

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▲图28该钢框架大震弹塑性分析全楼及分层梁损伤情况

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▲图29该钢框架大震弹塑性分析全楼及分层柱损伤情况3.

钢框架工程性能设计案例

某框架结构三维模型图如图30所示，该框架结构三层，31

所示.

与地震相关的参数如图

▲图30钢框架三维模型图

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▲图31该框架结构地震作用计算相关参数

3.1根据抗规设计方法进行设计

由于该框架结构属于50m以下，六度区,根据抗规标准属于五级抗震等级,在设计中根

据四级抗震等级限制相应的构造举措.小震计算完毕之后选取其中某根柱的强度及稳

定应力比计算结果进行查看,如以下图32所示.小震设计下计算的该柱的强度应力比、

稳定应力比及在地震、风荷载下的变形均满足标准要求，但是长细比超限.该结构柱材

料为Q345,四级抗震等级，根据抗规的长细比限值控制,对应的长细比限值为120*sqrt

(235/345)=99.04,因此,对该柱截面X方向的长细比满足标准要求,Y向的长细比为

147.27,超出了标准99.04的限值.