钢结构性能化设计与抗震设计：概念、计算步骤及应用解析

钢结构性能化设计是结构工程中的一种重要设计理念，抗震设计也是结构工程中的一种重要设计理念。它们既有区别，又紧密关联。尤其在应对地震等复杂荷载时，需要将两者结合使用。

一、概念及计算步骤

1、抗震设计

中国抗震设计有“三水准、两阶段”的思路。通过抗规的第 3 章、第 5 章以及第 8 章，来进行抗震计算、抗震措施以及抗震构造措施，以此实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准要求。其中，抗震计算在第 5 章进行，实现小震弹性设计；抗震措施（包含抗震构造措施）实现中震可修；通过弹塑性分析以及位移控制来实现大震不倒。

2、性能化设计

17.1.4规定了具体的计算步骤：

抗震设计方面，要依据抗规来进行小震阶段的抗震计算，并且初选截面。如果部分抗震构造不能满足要求，那么就可以根据具体的需求去分析这样是否可行。

（2）选定塑性耗能区性能等级并确定延性等级

采用 17.2.3 来对塑性耗能区构件进行中震计算，然后依据延性等级来选定塑性耗能区构件的截面。

（4）通过βe调整非塑性耗能区构件，初步引导构件的强弱关系

采用 17.2.3 来对非塑性耗能区构件进行中震计算，然后依据延性要求（需注意这不是塑性耗能区构件的延性等级）来选定非塑性耗能区构件的截面。到这里，全部结构构件的初选工作就完成了。

采用 17.2.4 至 17.2.12 进行调整，其中包含强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强柱脚弱柱等设计概念，同时对部分构件截面进行调整。

进行大震情况下的位移验算。如果不满足要求，那么还需要对截面进行调整，并且加强侧移刚度。（1/50）

通过上述设计步骤，实现了“小震不坏、中震可修、大震不倒”这三水准要求。

维度

性能化设计

抗震设计

设计目标

以结构在不同荷载或灾害作用下的性能表现，像功能的维持以及损伤的程度等为核心目标，着重于“目标导向”。

以抵御地震作用作为核心目标，要保证结构在设防地震的情况下不会倒塌，同时要满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”这三个水准的要求。

适用范围

适用于地震这一灾害，也适用于风这一灾害，还适用于火灾这一灾害以及爆炸等灾害。同时适用于使用舒适度这一功能需求，也适用于维修经济性这一功能需求。

专为地震作用设计，重点关注地震动对结构的影响。

分析方法

强调进行非线性分析，比如弹塑性时程分析；强调进行损伤评估；强调进行概率性分析，并且允许突破传统规范的限制。

通常是依据规范规定的线性静力法，例如底部剪力法，或者动力法，例如反应谱法。并且会遵循明确的构造措施，同时进行强度验算。

灵活性

设计者可以根据项目需求来自定义性能目标，例如在不同地震水准下的变形限值等，并且这些自定义的性能目标需要经过论证和审查。

规范规定的设计参数是明确的，像抗震等级、构造措施等。这些设计参数的灵活性较低。

三、典型应用场景对比

场景

性能化设计的作用

抗震设计的作用

超高层钢结构

通过非线性分析来验证在风振和地震耦合作用下的舒适度情况，同时验证损伤控制情况，并且优化阻尼器的布置。

按规范确定抗震等级，验算构件强度及节点构造（如强柱弱梁）。

大跨空间结构（如体育场）

分析罕遇地震情况下关键节点的塑性发展情况，要保证局部发生失效时不会引发连续倒塌。

按反应谱法计算地震作用，验算支座抗拔及水平承载力。

既有建筑加固

评估现有结构的抗震性能，找出其中存在的缺陷。然后制定分级加固的目标，例如“中震弹性”。

依据现行规范补强薄弱部位（如增设支撑、增大截面）。

重要设施（核电站、医院）

设定了极为严苛的性能目标，例如“在极罕遇地震的情况下设备能够正常运行”，并且采用了隔震技术以及消能减震技术。

确保隔震层设计符合抗震规范要求（如隔震支座位移限值）。

四、举例说明

假如某个结构采用了轻型屋面，然而构件的高度比较高，其抗震等级是一级。有某根框架柱，它的长细比超过了 60εk 的限制要求，但是控制内力应力比较低。那么该如何处理这些问题呢？

1、按抗震设计

需要调整截面，并且要加大截面，还要加厚构件，以此来实现长细比的降低，最终达到 6060εk 的限制要求。

2、按性能化设计

通过性能化计算，进行了中震计算和大震控制，并且经过机构控制验算。结果发现强度和稳定都满足要求。在这种情况下，可以按照 17.3 节来控制该框架柱的长细比，其长细比被限制为 12060εk。

3、对比分析

上述分析表明，在抗震设计中长细比不满足规范要求的该框架柱，在性能化设计下能否满足计算及构造要求呢？若能满足，就可认为该框架柱设计合理，能满足规范要求，无需增大截面，实现了构件的节省，进而降低了造价。

采用高承载力低延性性能化设计思路，从而解决了抗震设计无法解决的棘手问题。