胡玉海

摘要：本文分析了《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）中結構性能化設計的方法與思路，對比了考慮性能化系數(shù)的設防地震影響系數(shù)與多遇地震影響系數(shù)的相對大小，并建立模型分析了大懸臂構件的地震內力組合。結果表明：當構件承載力滿足多遇地震承載力設計時，結構就能滿足設防性能6 與性能7 的設防地震承載力設計要求;對于大懸臂結構，豎向地震力控制的荷載組合大于水平地震控制的荷載組合，建議《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）性能化設計中補充豎向地震力控制的設防承載力驗算公式。

關鍵詞：性能化設計;設防地震;地震影響系數(shù);豎向地震力控制的荷載組合

0.??? 前言

隨著建筑形式的多樣化，復雜化，概念性抗震設計已不能滿足結構設計的要求，因此性能化設計方法便應用而生。它使得抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的目標過渡，設計者在綜合考慮建筑抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等因素確定結構抗震性能目標，采取相應的措施滿足抗震性能目標。

1.??? 鋼結構性能化設計

鋼結構性能化設計分為兩個部分，第一部分為延性設計，通過控制鋼構件截面的性能等級，使得鋼構件在遭遇預期地震時變形在容許范圍之內，以此實現(xiàn)預期的抗震目標。第二部分為承載力設計，根據(jù)構件延性等級，確定構件的延性系數(shù)，然后將計算所得的預期地震力與恒載、活載等荷載進行組合，驗算構件的延性系數(shù)是否滿足構件最小延性系數(shù)的要求。

《鋼標》從設計層面實現(xiàn)了鋼材延性與強度的統(tǒng)一，充分利用了鋼材的承載力與塑形耗能能力，為實現(xiàn)合理化設計結構構件提供了理論依據(jù)與設計方法。

2.??? 承載力性能化設計

從《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011—2010）可知，建筑所承受側地震力是與結構質量相關的函數(shù)[1]，可以用下式表達：

式中：FEki為第i階振形所對應的地震力;αi為第i階振形所對應的地震影響系數(shù);Gep為結構等效總重力荷載。

從上式可以看出，當建筑物確定時，影響其計算地震力大小的主要參數(shù)是地震影響系數(shù)αi。

結構進行多遇地震計算時，僅計算水平地震力的地震作用效應與其他荷載效應的組合表達如式（2）[1]，僅計算水平地震力的設防地震的地震作用效應與其他荷載效應的組合表達如式（3）[4]：

式中：S為結構構件內力組合的設計值;SE2為構件設防地震內力性能組合值;SGe為重力荷載代表值得效應;SEhk為水平地震作用標準值的效應;SEhk2為分別按彈性或等效彈性計算的構件水作用標準值效應。

《鋼標》通過對比構件實際的性能系數(shù)與既定的最小性能系數(shù)來判定構件承載力是否滿足性能化設計要求，既式（4）。

式中：Ωi為i層構件性能系數(shù);Ωa為i層構件塑形耗能區(qū)實際性能系數(shù)最小值，詳表1（《鋼標》表17.2.2-1）;βe為水平地震作用非塑形區(qū)內力調整系數(shù)，塑性耗能區(qū)構件應取1.0，其余構件不應小于1.1ηy，支撐系統(tǒng)應按《鋼標》17.2.2-9計算確定;ηy為鋼材超強系數(shù)，詳《鋼標》表17.2.2-3[4]。

假定在設計中構件性能系數(shù)恰好滿足構件最小性能化系數(shù)，則式（4）為：

根據(jù)《鋼標》17.2.2條，構件（不包括支撐）塑性耗能區(qū)調整系數(shù)βe=1，構件（不包括支撐）非塑性耗能區(qū)調整系數(shù)βe=1.21。將βe代入式（3）得：

塑性區(qū)荷載效應組合：

非塑性區(qū)荷載效應組合：

至此多遇地震及7 個性能水準時構件（不包括支撐）承載力設計時組合中地震力大小的對比可以轉變?yōu)榈卣鹩绊懴禂?shù)與荷載組合系數(shù)之積的對比。

為對比考慮荷載組合系數(shù)的地震影響系數(shù)，以一座建于8 度區(qū)，地震分組為第二類，場地類別為Ⅲ類上的大于50m鋼框架做為研究對象，結構構件采用Q355鋼材。根據(jù)《鋼標》17.2.1條，結構彈性分析阻尼比為3%，彈塑性分析時最大阻尼比可取為5%。所以計算設防地震計算結構地震影響系數(shù)時，按性能目標1 設計時結構阻尼比取為3%，按性能目標7 設計時結構阻尼比取為5%，性能2～性能6 時阻尼比采用線性插值。

3.??? 豎向設防地震承載力計算

在《高鋼規(guī)》3.8.3條中，對于第2 性能水準的構件，在設防烈度地震或預估的罕遇地震作用下，關鍵構件及普通豎向構件的承載力應滿足彈性承載力設計要求，耗能構件的承載力需滿足式（8）;對于第3 性能水準的結構，在設防烈度地震或預估的罕遇地震作用下，關鍵構件及普通構件的抗震承載力滿足式（8），水平長懸臂結構和大跨度結構中的關鍵構件的承載力尚應符合式（9）[3]。

對比式（8）、（9）、（10）、（11），《高鋼規(guī)》中對于長懸臂構件及大跨度構件需按水平地震控制與豎向地震控制兩種荷載組合進行構件截面驗算，而《鋼標》中豎向地震力的組合系數(shù)是不變的，水平地震力的組合系數(shù)為構件性能系數(shù)。假定在設計中截面性能系數(shù)的取值等于截面性能系數(shù)最小值，則式（10）、（11）變形為式（12）。在式（12）中，相對于式（10）中的水平地震荷載組合系數(shù)，只有性能目標為性能1 時，水平荷載組合系數(shù)大于1，其他性能目標設計時，水平荷載組合系數(shù)均小于1。對于由豎向地震控制的構件，若統(tǒng)一采用0.4的組合系數(shù)，其荷載組合值可能會偏小。因此本文建議補充豎向地震控制的計算公式（13），對于長懸臂構件或大跨度構件，承載力驗算取按式（10）與式（13）計算所得的較大值。

式中：S*EhkS為水平地震作用標準值得構件內力，不需要考慮與抗震等級有關的放大系數(shù);S*EvkS為豎向地震作用標準值得構件內力，不需要考慮與抗震等級有關的放大系數(shù)。

為驗證上述觀點，本文建立了一個四層鋼結構框架模型，軸網間距為8.1m，雙向各有四跨，層高3.6m，首層有4m懸臂梁。在進行地震組合值計算時，式（13）中Ωi取值同式（12）。假定該建筑建于8 度區(qū)，地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，采用反應譜法計算結構豎向地震力。分別計算多遇地震及設防地震作用下結構內力標準值，提取懸臂梁根部及與懸臂梁相鄰第一跨梁端部（近懸臂梁端）單工況彎矩標準值進行組合，其荷載組合結果見下圖。

懸臂梁根部彎矩組合值和框架梁端（近懸臂梁端）塑性區(qū)彎矩組合值對比荷載組合結果可以發(fā)現(xiàn)，對于該結構中的懸臂梁，設防目標為性能1～性能6 時，豎向地震控制的荷載組合均大于水平地震控制的荷載組合，設防目標為性能1 時大6%。對于框架梁，設防目標為性能6 荷性能7 時，豎向地震控制的荷載組合均大于水平地震控制的荷載組合，對比荷載組合系數(shù)，當設防目標為性能6 和性能7 時，水平地震力的組合值系數(shù)分別為0.35、0.28，均小于0.4，由于水平地震力組合值系數(shù)較小，所以產生上述結果。同時，分析發(fā)現(xiàn)，當設防目標定位性能4～性能7 時，多遇地震荷載內力組合值均大于設防地震內力組合值，即結構構件滿足多遇地震承載力驗算時，就能達到性能4～性能7 的設防目標。

結束語：

鋼結構建筑是當前建筑領域當中十分常用的建筑形式之一，具有很多方面的優(yōu)勢。本文對《鋼標》性能化設計進行了探討，通過對比考慮塑性系數(shù)的設防地震影響系數(shù)與多遇地震影響系數(shù)、豎向地震控制與水平地震控制的構件內力組合值，建議《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）性能化設計中補充豎向地震力控制的設防承載力驗算公式。

參考文獻：

[1] 建筑抗震設計規(guī)范：GB50011—2010[S].2015年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2] 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程：JGJ3—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] 鋼結構設計標準：GB50017—2017[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.