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钢结构设计全流程详细解析(三)

2021-08-10 16:42:21 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读
2.使用软件实现新钢标性能设计的完整流程

按照新钢标的要求,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规范的要求,则有必要进行性能设计。如果按照对应钢标的某性能目标设计,满足了中震下承载力要求,可以按照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,按照图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,按照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。

▲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,可以按照钢标表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》GB50017-2017”如图9所示,同时按照确定的延性等级,直接填入如图10所示的性能设计参数中。

▲图9 选择按照新钢标进行设计


▲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的确定


根据确定的性能等级,程序会自动按照新钢标要求,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控制的,按照新钢标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%,按照新钢标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。

▲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铰机构控制,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-中心支撑结构,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,基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,轻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 按照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


按照新钢标,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,应按照如图13所示的公式即新钢标17.2.2-1进行计算。公式中的Ωmin的值按照对应的性能等级确定。βe的取值按照图 7.3-8新钢标要求执行。

▲图 13 新钢标17.2.2-1公式


▲图14 新钢标对于非塑性耗能构件βe的确定


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按照1.1ηy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1.1ηy。对框架结构,进行受剪计算时,剪力应按照钢标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”。如果要按照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,当然在此处也可以按照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。


▲图15 按楼层定义各类

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,按照钢标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


对于按照性能设计的结构,SATWE程序在“多模型控制信息”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。

▲图16 多模型控制信息表

▲图17 包络输出主模型下的强度、稳定应力比结果

▲图18 主模型下包络的宽厚比、高厚比及限值

▲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


对于按照性能设计的结构,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,同时按照钢标进行相关的构件验算及对应的构造控制。


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,按照图20所示即新钢标17.2.3条公式进行验算。其中Ωi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βe,Ωi=βe*Ωmin。

▲图20 中震下构件承载力验算公式


对于梁、柱及支撑构件均按照新钢标的要求进行中震下承载力验算,同时按照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措施的控制,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。

▲图21 不同板件宽厚比等级及限值控制


2.8 按照满足性能设计的要求进行构造控制


包络之后,如果中震下承载力也满足要求,可以按照性能设计的要求放宽对于构件宽厚比、高厚比及长细比的控制要求。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控制放松的结果。


如图22所示为某柱构件按照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。


▲图22 主模型下柱包络的强度、稳定应力比及构造限值结果

▲图23 小震模型下该柱强度、稳定应力比及构造限值结果

▲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程序已经完全按照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;对于构造措施也进行了包络控制,在主模型的构件详细信息下面已经按照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,程序已经按照对应的指定的宽厚比等级控制构件的宽厚比限值,对于构件的长细比限值按照指定的延性等级及轴压比进行限值的控制。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、长细比等构造措施,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《建筑抗震设计规范》GB50011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%。

按照上述新钢标的要求,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下图25所示抗规的限值要求。

▲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,按照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,在选定满足规范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铰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。

▲图28 该钢框架大震弹塑性分析全楼及分层梁损伤情况

▲图 29该钢框架大震弹塑性分析全楼及分层柱损伤情况