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钢结构外露式柱脚采用抗震性能化设计实例
作者：张庐（浙江汇丰建设工程检测有限公司）
关于钢结构外露式柱脚抗震性能化设计，我们先来看2023年一级注册结构工程师专业考试的一道真题：
解答过程如下：根据《钢标》表17.2.2-1，规则结构塑性耗能区承载性能系数为1.1时，承载性能等级可为性能1。根据《钢标》表17.1.4-2，性能1时结构构件最低延性等级可为Ⅴ级。根据《钢标》17.1.4.3-3，当构件承载力满足延性等级为Ⅴ级时，可忽略机构控制验算。根据《钢标》17.1.4条文说明，钢标第17.2.4条~第17.2.12条为机构控制验算的具体规定（其中第17.2.9.4条为柱脚极限承载力的规定，即本题说法Ⅱ）。综上，本题答案为（C）。
接下来我们看看，关于外露式柱脚抗震性能化设计，三个设计同行所关心的问题：
问题1：外露式柱脚抗震性能化设计，何种情况下适用?
根据《钢标》条文说明181页~184页，个人理解，在低烈度地区，单层工业厂房或多层钢框架结构等采用低延性-高承载力设计思路，柱脚采用外露式，同时有减少锚栓直径及数量预期的项目（外露式柱脚考虑抗震极限承载力时，锚栓数量及直径会加大较多），可考虑外露式柱脚抗震性能化设计。
问题2：外露式柱脚抗震性能化设计，如何进行实际操作?
《钢标》17.1.4给出了抗震性能化设计的基本步骤和方法，此处不详述。《钢标》17.2.3给出了构件性能化设计公式：
下面以YJK为例，给出具体的锚栓性能化设计步骤，背景条件为：7度区0.1g，单层工业厂房，轻型屋面，柱脚拟采用外露式柱脚并进行性能化设计，主体及锚栓材质均为Q235B。
步骤1：按常规设计方法，确定截面尺寸及外露式柱脚形状，锚栓当不考虑极限承载力验算时，M24即可满足。
锚栓常规抗拉承载力校核：
控制内力: N=83.09 kN，Mx=110.21 kN*m，My=0.00 kN*m
单个锚栓所受最大拉力 Nt：44.66 kN
单个锚栓（M24，Q235B）抗拉承载力设计值 Ntb：49.35 kN
Nt=44.66 <= Ntb=49.35，锚栓抗拉承载力验算满足。
步骤2：原常规模型改为按设防中震整体性能设计，性能等级假定为4，延性等级假定为Ⅳ，框架梁柱均指定为耗能构件。上述假定及指定的目的，是为了找出各构件塑性耗能区实际性能系数的最小值
。
查各构件计算结果，最低性能系数构件为上柱，其性能系数Ω=2.07。则按《钢标》17.2.2-1、17.2.2-10及表17.2.2-3，柱脚性能系数Ω应不小于2.62：
步骤3：原设防中震整体性能设计模型，修改耗能构件系数及非耗能构件内力调整系数βe，使二者之积为步骤2算得的柱脚性能系数2.62，框架柱再指定为非耗能构件。上述修改及指定的目的，是为了求得柱脚设防中震内力性能组合值SE2。
步骤4：将步骤3求得的柱脚设防中震内力性能组合值SE2，用钢结构计算工具箱求得锚栓为M30（锚栓承载力标准值按钢材屈服强度fy=225N/mm2）。
锚栓中震抗拉承载力校核：
控制内力: N=62.00 kN，Mx=245.00 kN*m，My=4.50 kN*m
单个锚栓所受最大拉力 Nt：117.72 kN
单个锚栓（M30，Q235B，561mm2）抗拉承载力标准值 Ntb：126.2 kN
Nt=117.72 < Ntb=126.2，锚栓抗拉承载力验算满足。
问题3：外露式柱脚采用抗震性能化设计，是否比考虑极限承载力验算经济?
答案是不一定，拿本例来说，用钢结构计算工具箱求得，当考虑柱脚极限承载力时，锚栓取M27即可满足。
柱脚（M27锚栓）极限承载力验算结果：
连接系数ηj = 1.1
柱脚最大轴力和轴向屈服承载力的比值:N/Ny = 0.00
柱脚绕x轴极限受弯承载力Mu: 317.87 kN*m
柱脚绕x轴考虑轴力影响的塑性受弯承载力Mpc: 286.07 kN*m
柱脚绕x轴极限受弯承载力验算满足 Mu>=ηj*Mpc
柱脚绕y轴极限受弯承载力Mu: 73.66 kN*m
柱脚绕y轴考虑轴力影响的塑性受弯承载力Mpc: 46.52 kN*m
柱脚绕y轴极限受弯承载力验算满足 Mu>=ηj*Mpc