《钢结构设计标准》解说专题(四)-抗震性能化设计

《钢结构设计标准》解说专题（4）

抗震性能化设计

谈谈《钢结构设计标准》（GB50017-2017）（简称“钢标”）

的抗震设计，也称之为“钢结构抗震性能化设计”，这是钢标相对

±《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（简称“钢规”）变化

最大的一部分内容。

钢标的抗震性能化设计具体怎么做，包括设计软件中如何操作，

已经有一些文章进行了详细阐述。本文并不准备去重复那些内容，而

只是打算就抗震设计的原理性问题以及几个关键要点进行澄清，帮助

你从概念层面的深入理解，以免给程序玩死（换句话说，看本文之前，

应该好好看过钢标）。

另外还是得说明（虽然本该是结构工程师的常识），程序是程序，

规范是规范，程序仅仅代表了编程人员对规范的理解，可能对，也可

能错。倒是，规范理解不到位，做设计容易给程序玩残。经常有人问

我，某某软件计算结果红了，怎么调？我一般回答，程序的操作问题，

去问软件客服。红了绿了的事，用规范语言来描述，我才能跟你讨论

（似乎开篇说了一些废话，抱歉抱歉……）

一、抗震性能化设计vs传统抗震设计，原理上的差异是啥？

在前儿篇解读文章中已经谈到，钢标的抗震性能化设计描述为：

“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，则弹性承载力要求高，本规范简称为“高延

性-低承载力”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

作用的设计方法，本规范称为‘性能化设计方法'……”

即，抗震并不是非得延性，高延性和低延性，都能实现抗震设防目

标，可以进行选择，怎么合理怎么做。从地震工程学的理论看，实际

上就是下图表达的等能量原理，结构可以可以按照图中不同的路径抗

震，不同曲线和横坐标围住的面积相同（即地震能量）即可。不同路

传统的抗震设计是什么思路呢？抗规抗震设计的思路是，结构在

设防地震作用下会进入弹塑性。因此，基于基于延性耗能的原则，

设防烈度高需要耗能多点，延性要求就高。所以抗规的抗震构造就

根据建筑高度和设防烈度决定的抗震等级来确定（等级高延性要求

就高，当然也不尽然）。

所以，钢标的抗震性能化设计，实际上是在常规抗震设计方法（考

虑一定的延性，大致属于中到高延性）的基础上还给了另一个低延性

的抗震设计途径，从而能适用于更多的情况。

二、抗震性能化设计VS传统抗震设计，具体设计流程上的区别在

哪儿？

常规的抗震设计方法，按照小震地震作用计算+抗震构造要求进行

设计。

抗震性能化设计则是小震设计后，再进行中震设计。中震设计时，

是在承载力和延性之间的平衡和选择，实际上可能处于一个迭代循环

过程，即假定塑性耗能区承载性能等级（与塑性耗能区的延性等级直

接挂钩，设防类别高的提高一档），得到地震作用效应，再进行构件

承载力抗震验算（钢标17.2.117.2.3条），以及机构控制验算

（17.2.4~17.2・12条），如有问题则进行调整，循环计算。

塑性耗能区承载性能等级则与延性措施对应，选择了什么等级则

要求在设计时采用对应的抗震措施（17.3节）。需要注意的是，抗震

措施不再是一刀切，而是对应不同的等级采用对应的措施，这是与常

规抗震设计方法最大的区别，也是体现其没计合理性的地方。

抗震性能化设计中，有几个关键点，如塑性耗能区、性能系数，塑

性耗能区在前文中解读过，这儿说说性能系数。

性能系数是啥？性能系数是构件的计算参数，按钢标(17.2.2-1)

计算。注意要区分塑性耗能区构件和非塑性耗能区构件。

17.2.2钢结构构件的性能系数应符合下列规定：

1钢结构构件的性能系数应按下式计算；

(17.2.2-1)

看一下17.3.2条就明白，性能系数是计算地震作用效应时候水平

地震作用效应的系数。另外需要注意，用来计算的地震作用是设防地

震下的，即“中震”，换句话说，性能系数其实就是地震作用的折减

系数(参见前面的强度-延性示意图)。

17.2.3钢结构构件的承载力应按下列公式验算：

+QSEHIZ+0.45卜：起(17.2.3~1)

SEZ(17.2.3-2)

式中：S口——构件设防地震内力性能组合值(N)；

——构件重：力荷毂代表值产生的效应，按现行国家

标准《建筑抗震设计规范》GB50011或《构筑

物抗震设计规范》GB50191的规定采用(N)；

S四八SE*2——分别为按弹性或等效弹性计算的构件水平设防

地震作用标准值效应、8度且高度大于50m时

按弹性或等效弹性计算的构件竖向设防地震作

用标准值效应；

Rk按屈服强度计算的构件实际截面承载力标准值

2

(N/mm)o

还有一个实际性能系数，按下式计算，这是用来检查你设定的性

能系数是否合理的。需要注意，公式(17.2.2-2)中有印刷错误，水

平地震和竖向地震在公式中搞反了。实际性能系数的物理意义，以框

架为例，是结构的屈服承载力扣除重力荷载代表值以及竖向地震作用

效应后，与设防地震(中震)产生弯矩的比值，即达到中震的多少分

之一时屈服，L0表示在中震时刚好屈服。显然，实际性能系数不能

小于设定的性能系数。

框架结构：

俱=(WE/y-MGE-0.)/MEvk2(17.2.2-2)

支撑结构：

Ca_(NbrNGE4NEvk2)/1799Q\

窗―一不加而酝—(17.2.2-3)

那么，对于支撑结构，实际性能系数的物理意义，你看明白了吗？

三、抗震性能化设计vs传统抗震设计，能带来什么好处？

抗震性能化设计相对于传统抗震设计，带来的最大的好处，就在

于设计的灵活化，而不是固定不变的强制性抗震措施。相信各位在以

往的设计中，因为各种抗震措施(尤其是构造措施)的要求导致你自

己都觉得设计很不合理的情况比比皆是。而这些，都将是抗震性能化

设计的用武之地。也就是说，抗震措施的区别化对待(包括各种抗震

措施免除条件)，是抗震性能化设计的优势所在。

举个栗子：

钢标的17.1.4条3款：

"3)其他构件承载力标准值应进行计入性能系数的内力组合效应

验算，当结构构件延性等级为V级时，无须进行机构控制验算；”

条文说明解释如下：

“当按本规范进行性能化设计，采用低延性-高承载力设计思路时,

无须进行机构控制验算，本规范第17.2.4条至17.2.12条为机构控

制验算的具体规定，但当性能系数小于1时，支撑系统构件尚应考虑

压杆屈曲和卸载的影响。”

好好去看看钢标的17.2.4〜17.2.12,有哪些内容，就明白了。强柱

弱梁？强节点弱构件？柱脚极限承载力？这都不是事。

是不是觉得•，原本要给玩死的设计，用抗震性能化设计似乎有戏

了？恭喜你，你似乎找到门道了。如果这篇文章就这么一丁点对你有

用，我都觉得值了。我就不再去多说啥宽厚比、长细比、节点域、支

撑结构等等这些带来的不同了。希望你能在钢标中有新的发现。如有

疑问或者新发现，欢迎来一起分享和讨论。

四、抗震性能化设计vs传统抗震设计，如何选择？

前文已经谈过规范的选择问题，主要是抗规体系和钢标抗震性能

化设计的选择，不再多说规范选择的逻辑问题，只是谈怎么选择设计

更合适更合理的问题。

钢标条文说明对抗震性能化设计有如下说明：

“另外，对于很多结构，地震作用并不是结构设计的主要控制因

素，其构件实际具有的抗震承载力很高，因此抗震构造可适当降低,

从而降低能耗，节省造价。”

因此，用句大白话说，只要是按照常规抗震设计方法设计给抗震

措施（包括构造）整得不舒坦的，你就得考虑用用抗震性能化设计了。

当然，用规矩的语言说，就是地震作用不是那么大，风荷载或者变

形控制等等都导致结构承载力较高的情况，都将是抗震性能化设计低

延性路径的适用场合。

其实经常做工业厂房尤其是普钢厂房的应该早就知道了，在抗规

的9.2节就已经采