摘要：钢框架工程性能设计案例BIM装配式设计系列丛书：结合工程实例介绍如何通过BIM平台实现全专业协同设计，进而完成装配式建筑的方案设计和深化设计。...
2.5 确定构件宽厚比等级
根据结构的抗震设防类别和确定的性能等级，确定相应结构构件的延性等级，并按钢标准17.3.4确定相应的板宽厚比等级，选择“梁、柱及支撑”成员“SATWE软件宽厚比级别”，如图10所示。
2.6 小震模型和新钢标准中震模型计算及包络线
对于按性能设计的结构，SATWE程序会在“多模型控制信息”下自动形成如图16所示的“小震模型”和“新钢标准中震模型”两个模型，进行小震和分别为中震。 进行内力分析和承载力计算，包络线结果最终显示在主模型中。 查看主模型的计算结果可以看到，小震和中震模型的强度应力比、稳定应力比、长细比、宽厚比、轴压比和实际性能系数都包含在主要模型。 软件输出的结果分别如图17和图18所示。 如果各项指标超过限制，程序中会标注红色提示。 图19所示塑料耗能梁的实际性能系数小于规定的最小性能系数。 ，不符合要求的程序显示为红色。
图16 多模型控制信息表
图17 包络线输出主模型下的强度和稳定应力比结果
图18 主模型下围护结构的宽厚比、高厚比及极限
图19 主模型下显示的塑料耗能部件实际性能系数
2.7 中震作用下构件承载力计算
对于按性能设计的结构，SATWE程序在自动生成的中震模型上进行中震下的地震作用分析，同时按照钢结构标准进行相关构件验证和相应的结构控制。
校核中度地震下构件的承载力时，应在性能系数中考虑内力的综合作用，校核承载力的标准值，并按图所示公式进行计算。 20，即新钢标准17.2.3。 其中，Ωi为钢结构构件的性能系数。 注：并非最低性能系数。 这个系数需要考虑βe，Ωi=βe*Ωmin。
图20 中震作用下构件承载力计算公式
梁、柱及支撑构件按新钢标准要求计算中震承载力。 同时，根据规定的宽厚比等级和延性等级，计算构件在中震作用下的宽厚比、高厚比和长细比极限值。 及其他结构性措施。 同时，图21给出了不同板宽厚比水平下相应钢构件梁、柱的宽厚比和高厚比限值。
图21 不同面板的宽厚比级别及限制控制
2.8 按照满足性能设计要求进行结构控制
围护后，若中震承载力也满足要求，则可根据性能设计要求放宽构件宽厚比、高厚比、长细比的控制要求。 您可以通过查看主模型下的详细组件信息来查看包络过程和结构控制松弛的结果。
图22所示为根据性能设计某列组件后主模型中详细组件的输出结果。 图23和图24分别为小震和中震作用下柱杆的计算结果。
图22 主模型下柱围护结构强度、稳定应力比及结构极限结果
图23 小地震模型下柱体强度、稳定应力比及结构极限结果
图24 中震模型下柱体强度、稳定应力比及结构极限结果
从上述小震和中震的包络线可以看出，SATWE方案完全符合新钢标准的性能设计要求。 对结构构件的强度应力比和稳定应力比进行包络线设计，并在主模型中输出。 最不利的结果已经达到； 结构措施也进行了围护结构控制。 在主模型的构件细部下，根据中小地震模型进行了围护结构设计输出。 为满足中震下的承载力要求，方案中按相应规定的宽厚比等级控制构件的宽厚比限值，按规定的长细比限值控制构件的长细比限值。指定的延展性等级和轴向压缩比。 并且对于围护结构结果，可以通过图形文件直接查看应力比以及相关的结构测量，例如宽厚比、高厚比、长细比等。 另外，塑料耗能部件的实际性能系数可以直接在图纸文件上查看。
2.9 性能5、6、7钢结构大地震弹塑性变形计算
新钢标准17.1.4第5条要求，当塑性能耗区最低承载性能等级为性能5、性能6或性能7时，应通过弹塑性分析形成新的承载能力结构在罕见地震下的性能或根据构件的工作状态。 采用结构等效弹性分析模型校核竖向构件弹塑性层间位移角，应满足现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011弹塑性层间位移角限值; 当所有结构要求满足结构构件延性等级要求为I级时，弹塑性层间位移角极限可提高25%。
根据上述新钢标准的要求，钢结构在5、6、7级性能指标下的性能设计需补充大地震下弹塑性分析的变形校核。 结构在大震作用下的弹塑性层间位移角需要满足抗震规范的极限要求，如下图25所示。
图25 各类结构弹塑性层间位移角限值反规范要求
图 26 显示了一个钢框架结构，使用 SAUSAGE 软件对其进行了大地震弹塑性分析。 大地震的弹塑性分析需要地震波的选择。 根据规范要求pkpm建筑钢结构工程设计实例，选择满足计算要求的地震波，然后进行弹塑性分析。 计算完成后，可直接查看弹塑性层间位移角，如图27所示。在选择符合规范要求的地震波作用下，校核钢框架结构是否能满足抵御大地震的弹塑性变形要求。 两个方向均需满足大地震弹塑性层间位移角极限要求。
图26 大地震弹塑性分析钢框架三维图
图27 钢框架结构在一定地震波作用下X方向的弹塑性层间位移角
通过大地震的弹塑性分析，可以进一步更详细地考察结构塑性铰的发展以及结构中梁、柱的破坏情况。 通过直观的SAUSAGE软件图形输出结果，我们可以查看整个建筑和楼层的梁、柱的损坏情况。 比例分别如图28和图29所示。
图28 大震后整栋建筑及钢框架层梁破坏弹塑性分析
图29 大震时钢框架对整栋建筑及分层柱破坏的弹塑性分析
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，该框架结构共有三层，地震相关参数如图31所示。
图30 钢框架三维模型图
图31 框架结构地震作用计算相关参数
3.1 按照反规设计方法进行设计
由于框架结构属于50m以下六度地区，根据抗震规定属于五级抗震等级。 设计中按四级抗震等级控制相应的结构措施。 小震计算完成后，选择其中一根柱的强度和稳定应力比计算结果进行查看，如下图32所示。 小震设计下计算的柱的强度应力比、稳定应力比以及地震和风荷载作用下的变形均满足规范要求，但长细比超出限值。 该结构柱材质为Q345，抗震级别为四级。 按照抗阻力规定的细长限度进行控制。 相应的长细度极限为 120*sqrt (235/345) = 99.04。 因此，柱截面X方向的长细比满足规范要求，Y方向的长细比为147.27，超过了规范中99.04的限值。
图32 根据反规设计，柱体长细比超限。
对于上述超限柱，可修改柱截面以满足抗震规范要求，也可直接采用性能设计进行“低延性-高承载力”或“高延性-低承载力”计算”。 根据工程实际情况放宽相应的立柱施工措施。
3.2按照新钢材标准选择性能设计参数。
该结构高度小于50m，属6度区。 根据新钢标准表17.1.4-1，可初步选定本结构可选性能范围为4-7。 由于是低强度区的多层结构，在设计时可以选择“高承载力-低延性”的性能设计思想。 您可以预先选择某种性能。 如果本工程选择性能4，则查新钢标准表17.1.4-2确定结构件的最低延性等级为IV级。 同时，根据钢材标准表17.3.4-1确定截面面板的最小宽厚比为S4。 根据上面确定的参数，填写相应的性能设计参数，如图33所示。
图33 性能设计相关参数
3.3 查看本栏目在中震下的计算输出结果。
中震作用下柱体输出的构件详细信息中，显示了性能设计相关参数，如图 34所示。柱体的强度、稳定应力计算及相应的结构控制输出如图 35所示。
图34 输出中震作用下柱构件详细性能设计参数
图35 中震作用下柱杆输出强度、稳定应力比结果及结构极限
3.4-柱结构测量长细比、宽厚比、高厚比的松弛
从上述中震下的输出结果可以看出，由于设置的性能等级为4级，属于6度区，地震影响很小，中震下的烈应力比结果比中震下的要差。小地震下的应力比结果。 小，因为小震时柱构件受持续主动风控制，中震时柱构件受地震控制，不包括风情况。 此时很容易满足中震下的承载力要求。 因此，柱构件的结构措施有所放松。 根据新钢标准表17.3.5，延性等级为IV级、轴压比小于0.15时，柱长细比限值为150。 软件还输出控制限值150。此时不需要调整元件。 截面按性能设计，满足承载能力要求，长细比限制放宽至150。按照阻力调节控制，原来不满足要求，现在满足要求。
宽厚比限值按小震模型下抗震四级控制。 电阻计的极限值为：13*sqrt (235/345) = 10.73。 根据钢材标准S4的宽厚比极限值为15Ɛk=15*sqrt(235/345)=12.38，软件严格控制小地震设计。 严格来说，应该区分地震组合和非地震组合。 抗震组合应执行抗震控制宽厚比限值，非抗震组合应执行新钢材标准。 控制纵横比限制。 但在中度地震下，满足承载力要求。 对于宽厚比等级为S4的H型材，宽厚比限值为15Ɛk=15*sqrt(235/345)=12.38，直接根据性能设计中对应的宽厚比计算。 只需通过比例等级控制宽厚比限值，人工验证结果与软件计算输出结果一致。 满足中震条件下的承载力要求，方案按照性能设计要求放宽了宽厚比限制。
腹板高厚比限值按小震模型抗震四级控制。 电阻计的极限值为：52*sqrt (235/345) = 42.9。 同时，小地震设计程序必须基于新的钢材标准。 S4级的宽厚比限制是双重控制的。 新钢材标准对应的宽厚比等级S4与应力有关，必须根据应力梯度进行计算。 软件输出的37.14极限值显然是小地震下高厚比极限和新钢标准四级抗震等级双重控制的结果，按照S4级控制新的钢铁标准，并输出最不利的结果。 中震下的方案直接根据新钢材标准性能设计中规定的宽厚比等级S4来控制高厚比极限值。 此时的极限值还与应力梯度有关。 因此，即使在中震情况下，其宽厚比仍为S4级水平。 ，但对高厚比的限制控制不同，软件输出的高厚比限制值为37.81。
满足中震条件下的承载能力要求，方案按照性能设计的要求控制了高厚比的限值。 注：由于高厚比的限值与相应部件的应力状态有关，因此采用性能设计不一定能保证高厚比的限值得到放宽。 有可能反而降低高厚比的限值，使要求更加严格。 严格的。
3.5 SATWE程序自动包络性能设计下的中小地震模型
性能设计计算完成后，SATWE程序同时计算小地震模型和中地震模型。 最终计算结果显示在主模型下的封装图形文件中。 如果想查看详细的成分信息，可以看下图36所示的柱包络的详细结果。 柱应力比显示了小震和中震包络线后的结果。 结构措施也根据信封后的结果显示。 显示长细比、宽厚比、高厚比后，根据相应的震中结果输出结构措施。
图36 查看主模型下列组件的详细信息
4.
考虑框架支撑系统支撑产生的不平衡力对梁设计的影响
根据新钢标准的性能设计要求，对于框架支撑结构，如果存在交叉支撑或人字支撑，将导致梁和板均产生较大的轴向力，根据新钢标准这类框架支撑结构一般要求支撑斜杆在支撑与梁、柱之间的连接节点失效以及支撑系统梁、柱屈服或屈曲之前就应屈服。 这就要求框支系统中与支撑相连的梁应具有足够的刚度和承载能力，因此规范对框支结构中梁的压弯计算有特殊要求，弯矩效应也需要计算在计算人字形和 V 形支撑系统中框架梁的压缩弯曲时考虑。 竖向不平衡力引起的附加弯矩效应。 验算梁的弯曲时，按规范17.2.4的相关要求计算梁的轴力和竖向不平衡力，如下图37、图38所示。
图 37 框架支撑系统中与支撑相连的梁轴力计算
图38 人字形、V形支撑竖向不平衡力计算
该支撑产生的轴力分解到水平方向，将对梁的轴力产生显着影响。 如果直接按照新钢标公式计算轴力值，结果会非常大，使得梁的设计基本无法进行。 根据抗震规范第8.2.6条规定：“人字形支撑的腹杆在大地震作用下受压屈曲时，其承载力会下降，导致支撑处的梁上产生向下的不平衡集中力，造成梁的倒塌和沉降，梁两端出现塑性铰；这种不平衡的集中力是拉力支撑的竖向分力减去屈服压力竖向分力的30%。情况类似pkpm建筑钢结构工程设计实例，只是当V形支撑斜杆不稳定时，楼板不下沉而是向上上升，不平衡力与之前的情况相反。考虑到不平衡力后，截面太大，因此，SATWE软件设置了这种情况下的对齐轴力，并在程序中提供了减少参数，如图39所示。选择“新钢标准”，打开此按钮，程序默认“按压力弯曲校核支撑系统中框架梁的轴线”，“力折减系数”系数值为0.3，可以修改由设计师设计。
图39 支撑系统框架梁按压缩和弯曲计算时的轴力折减系数
对于性能设计的框支结构，SATWE程序根据新钢标准对人字形支撑连接的梁取轴力和弯矩值，并降低相应的内力。 同时，根据压力弯曲分量计算梁。 进行了强度和稳定性检查。 需要注意的是，如果此时有楼板，则需要对梁进行压缩和弯曲设计。 需要将楼板定义为弹性模态或弹性板6。一般建议定义为弹性模态。
5.
综上所述
新钢标准中加入的性能设计是全新的抗震设计理念。 在实际项目的设计中，由于设计过程的复杂性，确定了很多设计参数，并且由于性能目标的不确定性以及各种新概念的出现，导致设计者在设计过程中产生很多疑虑。 。 本文结合新钢标准的性能设计要求、PKPM软件和实际工程案例，展示如何利用该软件利用性能设计来设计钢结构项目。 同时，对于框架支撑系统中遇到的与支撑相连的梁的压弯设计导致梁截面较大时，软件采用折减系数来实现梁的压弯验证。 小地震模型和新钢标准中震模型是程序根据性能设计相关参数自动生成的。 对于满足中震承载力要求的构件，项目按照围护结构主模型下性能设计相关要求进行了抗震结构。 控制措施。
参考
[1] GB50017-2017钢结构设计标准[S]． 北京：中国建筑工业出版社，2017。
[2] GB50017-2003钢结构设计规范[S]． 北京：中国建筑工业出版社，2003。
[3] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]． 北京：中国建筑工业出版社，2010。
BIM装配式设计系列：结合工程实例介绍如何通过BIM平台实现全专业协同设计，进而完成装配式建筑的方案设计和深度设计。
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