一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系及其设计方法与流程

本发明涉及结构工程技术领域，特别是涉及一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系及设计方法。

背景技术：

传统的钢结构建筑施工时进行了大量的焊接作业，严重影响了施工进度，造成了环境污染，且现场焊接质量不易得到保证，影响结构安全。装配式钢结构体系因其工业化程度高，施工速度快、环境污染小和施工质量易控制而被广泛采用。

目前的装配钢结构建筑大部分采用螺栓连接或焊缝连接，现场螺栓连接或焊缝连接仍耗费大量施工时间，而且连接节点均为刚性连接，地震作用下节点容易发生破坏。随着装配式钢结构建筑层数逐渐增大，钢框架结构的抗震性能和经济性变差，钢框架-支撑结构的抗震性能和经济性优势较为凸出。本发明提出的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系采用高强拉索支撑提供较大的抗侧刚度，使得结构体系较为经济。利用上下层间柱之间通过自身摩擦进行耗能来减少结构损伤，具有一定的应用前景。

技术实现要素：

本发明提供一种层与层之间通过高强拉索和柱与柱之间的相互摩擦力进行连接，施工便捷高效，受力性能好的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系及设计方法。

解决的技术问题是：现有装配式钢结构框架均为刚性连接，施工节点多，效率低，框架结构本身抗震性差。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，由相同的层框架结构上下叠合而成，每个层框架结构包括钢柱、钢梁和楼板，每个层框架结构中的钢柱沿横向和纵向间隔布置，钢梁沿横向和纵向布置且两端分别与相邻的两个钢柱顶端侧壁固定连接，其特征在于：上下相邻的层框架结构之间的钢柱在与下层楼板的连接处断开，通过自身摩擦连接，同时相邻的层框架结构之间连接有高强拉索；钢柱顶端设置有上法兰板，与钢梁固定连接，钢柱底端设置有下法兰板，下法兰板与下层相邻层框架结构的楼板上表面接触设置，楼板的上表面上设置有摩擦涂料层和限位装置，所述限位装置为沿楼板边沿设置的钢板条带。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，进一步的，所述下法兰板的边沿不超出相邻楼板的边沿设置，下法兰板的边长比钢柱截面边长大至少100mm，下法兰板的外边沿与相邻楼板的边沿之间的最小距离不小于60mm。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，进一步的，所述摩擦涂料层表面的摩擦系数为0.1-2.0，且自钢柱中轴线向四周逐渐增大。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，进一步的，所述高强拉索设置在层框架结构的侧立面内，每个竖直面内的高强拉索呈x形排布，每根高强拉索的上端通过上连接板与上层的层框架结构连接，下端通过下连接板与下层的层框架结构连接，上连接板为直角三角形钢板，上连接板的两直角边沿分别与钢柱侧壁和钢梁下表面焊接固定，下连接板与下层的层框架结构的钢梁上表面焊接固定。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，进一步的，所述每个层框架结构中的钢柱顶端与楼板之间还设置有双向摩擦阻尼器。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据设计需求，确定基本结构参数；

基本结构参数包括层框架结构的尺寸，钢柱的规格，钢梁的规格，楼板的规格，高强拉索的预应力p，钢柱底部与下方相邻楼板之间的摩擦连接参数；

摩擦连接参数包括钢柱与下层相邻楼板之间的起滑力fsi、钢柱与下层相邻楼板之间发生相对滑动的最大限位行程l和钢柱的最大承受轴力nfmax；

步骤二、按照初步确定的结构尺寸对结构体系进行建模：在模型中，相邻两个层框架结构中的钢柱上下断开，叠合接触设置，并通过高强拉索连接，考虑钢柱与相邻楼板之间的摩擦连接作用，将钢柱底部与下方相邻楼板之间摩擦的连接参数赋予上下柱之间的连接单元；

步骤三、对模型施加多遇地震作用，对结构体系进行模拟分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，当分析目标值不满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；

步骤四、对模型施加设防地震作用，对结构体系进行模拟分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，当分析目标值经过调整仍无法满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；

步骤五、对模型施加罕遇地震作用，对结构体系进行模拟分析；当分析目标值经过调整仍无法满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，直至完成结构分析设计。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，进一步的，步骤一中的摩擦连接参数的具体确定方法如下：

fsi＝μni公式①

其中，fsi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底端与下方相邻楼板上表面之间发生相对滑动时钢柱的起滑力；

μ为钢柱底端与下方相邻楼板上表面之间的摩擦系数；

ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力；模型建立的初始值取为结构自重作用下钢柱的内力和高强拉索作用下钢柱的内力之和，随着后面多个参数在模拟过程中的提取判断，进行逐步修正；

l根据柱截面尺寸初步确定，取值范围在30～60mm，在这个范围内对l值进行选择和调整；

钢柱的最大承受轴力nfmax的确定方法具体如下：

nfmax＝fc(b1×b2)公式②

其中，nfmax为钢柱的最大承受轴力；

fc为楼板混凝土的抗压强度；

b1为法兰板的长度；

b2为法兰板的宽度。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，进一步的，步骤三具体包括以下步骤：

步骤3a、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力ni，验证其是否满足公式③；

ni＞0公式③

其中：ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力；

若轴力ni满足公式③，则依照以下步骤继续进行，若不满足公式③，则返回步骤一中，调整高强拉索的预应力p大小，对结构模型进行调整，重新进行模拟分析；

步骤3b-1、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱底部与相邻楼板连接处的剪力vi，判断其是否满足公式④；

vi＜fsi公式④

其中：vi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底端与下方相邻楼板连接处的剪力；

fsi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底端与下方相邻楼板上表面之间的起滑力；

若剪力vi满足公式④，可确保在多遇地震情况下，上下相邻的两个层框架结构之间不会发生滑移，则依照以下步骤继续进行；若剪力vi不满足公式④，则返回步骤一中，调整摩擦系数μ和高强拉索的预应力p大小的大小，再次对结构模型进行调整，重新模拟分析；

步骤3c、在施加多遇地震作用的模型中，判断层间位移角θi是否满足公式⑤-1；

其中：θi为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的层间位移角；

δu2i为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的水平位移差；

h为自下而上第i层的层框架结构的钢柱的高度；

若层间位移角θi满足公式⑤-1，则依照以下步骤继续进行；若层间位移角θi不满足公式⑤-1，说明设计结构在多遇地震作用下的变形不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，重新模拟分析；

步骤3d、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构的应力fe，验证其是否满足公式⑥-1；

其中：fe为每个层框架结构的应力；

f为层框架结构使用的钢结构材料的强度设计值；

若应力fe不满足公式⑥-1，说明设计结构的强度不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，重新模拟分析；若应力fe满足公式⑥-1，则依照以下步骤继续进行。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，进一步的，步骤四具体包括以下步骤：

步骤4a、在施加设防地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力ni，验证其是否满足公式④；

ni＞0公式④

其中：ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力；

若轴力ni满足公式④，则依照以下步骤继续进行，若不满足公式④，则返回步骤一中，调整高强拉索的预应力p大小，对结构模型进行调整，重新进行设防地震作用下的模拟分析；

步骤4b-2、在施加设防地震作用的模型中提取上下相邻两个层框架结构两端的位移差δu1i，验证其是否满足公式⑦；

δu1i＜l公式⑦

其中：δu1i为相邻两个层框架结构两端的位移差，即为上方层框架结构的钢柱柱底与下方层框架结构对应的钢柱柱顶之间的最大位移行程；

l为钢柱与下层相邻楼板之间发生相对滑动的最大限位行程；

若位移差δu1i满足公式⑦，则继续按照以下步骤进行分析；若位移差δu1i不满足公式⑦，则调整钢柱底部与下层相邻楼板之间的摩擦系数μ和高强拉索的预应力p大小的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足公式⑦，返回步骤一，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析；

步骤4c、在施加设防地震作用的模型中，判断层间位移角θi是否满足公式⑤-2；

其中：θi为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的层间位移角；

δu2i为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的水平位移差；

h为自下而上第i层的层框架结构的钢柱的高度；

若层间位移角θi满足公式⑤-2，则依照以下步骤继续进行；若层间位移角θi不满足公式⑤-2，说明设计结构在设防地震作用下的变形不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析；

步骤4d、在施加设防地震作用的模型中提取每个层框架结构的应力fe，验证其是否满足公式⑥-2；

fe≤fy公式⑥-2

其中：fe为每个层框架结构的应力；

fy为层框架结构使用的钢结构材料的屈服强度设计值；

若应力fe满足公式⑥-2，则按照以下步骤继续进行分析；若应力fe不满足公式⑥-2，说明结构构件此时进入屈服，则调整钢柱底部与下层相邻楼板之间的摩擦系数μ和高强拉索的预应力p大小的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足公式⑥-2，返回步骤一，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，进一步的，步骤五具体包括以下步骤：

步骤5a、在施加罕遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力ni，验证其是否满足公式③；

ni＞0公式③

其中：ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱底部与相邻楼板连接处的轴力；

若轴力ni满足公式③，则依照以下步骤继续进行，若不满足公式③，调整高强拉索的预应力p大小，对结构模型进行调整，重新进行罕遇地震作用下的模拟分析；

步骤5b-2、在施加罕遇地震作用的模型中提取上下相邻两个层框架结构两端的位移差δu1i，验证其是否满足公式⑦；

δu1i＜l公式⑦

其中：δu1i为相邻两个层框架结构两端的位移差，即为上方层框架结构的钢柱柱底与下方层框架结构对应的钢柱柱顶之间的最大位移行程；

l为钢柱与下层相邻楼板之间发生相对滑动的最大限位行程；

若位移差δu1i满足公式⑦，则按照以下步骤继续进行分析；若位移差δu1i不满足公式⑦，则调整钢柱底部与下层相邻楼板之间的摩擦系数μ和高强拉索的预应力p的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a中重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足公式⑦，返回步骤一，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析；

步骤5c、在施加罕遇地震作用的模型中，判断层间位移角θi是否满足公式⑤-3；

其中：θi为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的层间位移角；

δu2i为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱两端的水平位移差；

h为自下而上第i层的层框架结构的钢柱的高度；

若层间位移角θi满足公式⑤-3，则依照以下步骤继续进行；若层间位移角θi不满足公式⑤-3，说明设计结构在罕遇地震作用下的变形不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析；

步骤5d、在施加罕遇地震作用的模型中提取整个结构体系的基底总剪力vs和基底倾覆弯矩ms，验证其是否满足公式⑧和公式⑨；

vs＜vr公式⑧

其中：vs为整个结构体系的基底总剪力；

vr为结构基础的抗剪承载力；

ms＜mr公式⑨

其中：ms为整个结构体系的基底倾覆弯矩；

mr为结构基础的抗倾覆弯矩承载力；

若基底总剪力vs和基底倾覆弯矩ms满足上述公式的要求，按照以下步骤继续进行模拟分析；若基底总剪力vs和基底倾覆弯矩ms不满足上述公式的要求，返回步骤一，调整钢梁、钢柱的截面尺寸和高强拉索的预应力p的大小，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析；

步骤5e、在施加罕遇地震作用的模型中提取出塑性铰出现情况，评估该结构在罕遇地震下的抗震性能，对同层内钢梁和钢柱形成塑性铰的比例q进行统计，判断是否满足q＜20％，若不满足要求，调整钢柱底部与下层相邻楼板之间的摩擦系数μ和高强拉索的预应力p的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a中重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足要求，返回步骤一，调整钢梁和钢柱的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析，直至满足所有条件，完成结构设计。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系，所有构件均在工厂进行预制生产，层与层之间采用高强拉索进行连接，提高了施工效率，避免了现场大量人力物力，减少了施工周期，无任何环境污染。

(2)本发明中的高强拉索能够提供抗侧刚度，上下柱之间的摩擦力能够提供抗剪承载力，上下层的变形协调性增强，结构的受力性能较好。

(3)本发明中的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系节点构造简单，震后容易修复。

(4)本发明提出了一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系设计方法，完善了结构体系设计方法，保证了钢框架-拉索支撑摩擦减震装配结构体系受力性能，促进该体系的推广应用。

下面结合附图对本发明的一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系及设计方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的结构示意图；

图2为本发明结构体系的上下层拼装结构示意图；

图3为本发明结构体系的主视图；

图4为本发明结构体系的主视方向的拼装结构示意图；

图5为图3中x部位的细节结构示意图；

图6为本发明结构体系的设计流程图；

图7为本发明的多遇地震作用下的设计流程图；

图8为本发明的设防地震作用下的设计流程图；

图9为本发明的罕遇地震作用下的设计流程图。

附图标记：

1-钢柱；2-钢梁；3-楼板；4-上法兰板；5-下法兰板；6-上连接板；7-下连接板；8-限位装置；9-高强拉索。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系由层框架结构上下叠合而成，相邻层框架结构之间通过高强拉索9连接；上下相邻的层框架结构之间的钢柱1在与下层楼板3的连接处断开，通过自身摩擦连接。

每个层框架结构包括钢柱1、钢梁2和楼板3，每个层框架结构中的钢柱1呈矩形布置，相邻钢柱1之间的距离为6-10m，钢梁2沿横向和纵向布置且两端分别与相邻的两个钢柱1顶端固定连接。钢柱1顶端设置有上法兰板4，与钢梁2固定连接，具体可采用焊接、栓接或栓焊混合连接的方式，设置上法兰板4，可增加钢柱1与钢梁2的接触面积，增强钢结构框架的稳定性；钢柱1底端四周设置有下法兰板5，下法兰板5与下层相邻层框架结构的楼板3上表面接触设置，不做其他刚性连接，利用钢柱1底端与相邻楼板3之间的摩擦进行连接和耗能；下法兰板5的边沿不超出相邻楼板3的边沿设置，下法兰板5的边长比钢柱1截面边长大至少100mm，下法兰板5的外边沿与相邻楼板3的边沿之间的最小距离不小于60mm；楼板3的上表面设置有限位装置8，限位装置8为沿楼板3边沿设置的钢板条带，钢板条带的高度不小于30mm，长度比下法兰板5的外边长大至少100mm。

楼板3上表面上设置有摩擦涂料层，摩擦涂料层表面的摩擦系数自钢柱1中轴线向四周逐渐增大，摩擦系数为0.1-2.0，涂布的摩擦涂料为酚醛树脂材料、高性能碳纤维摩擦材料或黄铜材料。

每个层框架结构中的钢柱1顶端与楼板3之间还可设置双向摩擦阻尼器，通过双向摩擦阻尼器完成钢柱1与下层相邻楼板3之间的摩擦连接。

如图5所示，高强拉索9设置在层框架结构的侧立面内，每个竖直面内的高强拉索9呈x形排布，每根高强拉索9的上端通过上连接板6与上层的层框架结构连接，下端通过下连接板7与下层的层框架结构连接，上连接板6为厚度不小于6mm的直角三角形钢板，上连接板6的两直角边沿分别与钢柱1侧壁和钢梁2下表面焊接固定，下连接板7与下层的层框架结构的钢梁2上表面焊接固定。

可替换的，层框架结构的每个侧立面内的高强拉索9还可以呈k形或人字形排布，也可以根据施工设计需求跨层布置。上连接板6还可以为矩形钢板、圆形倒角钢板等能够满足高强拉索9与上层的层框架结构的连接需求的其他形状的连接板。

本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的装配方式多样，钢梁2、钢柱1为工厂预制构件，楼板3可以选用预制楼板3、叠合楼板3或现浇混凝土楼板3，运送至施工现场后，可以在地面进行组装形成单层的层框架结构，然后整体吊放至施工位置，在设置高强拉索9，将上下相邻的层框架结构连接。

也可以根据吊装能力，采取各预制构件单独吊装然后拼接的方式，将钢柱1两端焊接法兰板后吊装至施工位置后固定，吊放钢梁2至钢柱1顶端，校正位置后与钢柱1固定连接，然后逐个连接钢梁2，形成框架体系；进行楼板3施工；然后按照相同的方式，将上方的层框架结构的立柱吊放至设计位置，依靠钢柱1与楼板3之间的自身摩擦力实现连接，完成上方的层框架结构的设置；然后设置高强拉索9，将上下相邻的层框架结构连接。

本实施例中，具体的施工建筑的结构层高为3.3米，柱距8.4米，钢柱1的截面尺寸为400×400×16mm，钢柱1上下两端分别设置上法兰板4和下法兰板5，法兰板的宽度为600mm，厚度为15mm，钢梁2的截面尺寸为h200×500×10×12mm，楼板3为现浇钢筋混凝土楼板3，厚度为150mm。

如图6所示，本发明一种预应力支撑摩擦减震装配式钢结构体系的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据设计需求，确定基本结构参数；

基本结构参数包括层框架结构的尺寸，钢柱1的规格，钢梁2的规格，楼板3的规格，高强拉索9的预应力p，钢柱1底部与下方相邻楼板3之间的摩擦连接参数；

摩擦连接参数包括钢柱1与下层相邻楼板3之间的起滑力fsi、钢柱1与下层相邻楼板3之间发生相对滑动的最大限位行程l和钢柱1的最大承受轴力nfmax，具体的确定方法如下：

fsi＝μni公式①

其中，fsi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1底端与下方相邻楼板3上表面之间发生相对滑动时钢柱1的起滑力；

μ为钢柱1底端与下方相邻楼板3上表面之间的摩擦系数；具体可根据钢柱1与楼板3的摩擦材料确定；

ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1底部与相邻楼板3连接处的轴力；模型建立的初始值取为结构自重作用下钢柱1的内力和高强拉索9作用下钢柱1的内力之和，随着后面多个参数在模拟过程中的提取判断，进行逐步修正；

在本实施例的项目中，设计钢柱1与下层相邻楼板3之间的起滑力fsi为280kn；

l可根据柱截面尺寸人为初步确定，取值范围在30～60mm，在这个范围内对l值进行选择和调整；本实施例中选择l为60mm；

nfmax＝fc(b1×b2)公式②

其中，nfmax为钢柱1的最大承受轴力；

fc为楼板3混凝土的抗压强度；

b1为法兰板的长度；

b2为法兰板的宽度。

步骤二、按照初步确定的结构尺寸对结构体系进行建模：在模型中，相邻两个层框架结构中的钢柱1上下断开，叠合接触设置，并通过高强拉索9连接，考虑钢柱1与相邻楼板3之间的摩擦连接作用，将钢柱1底部与下方相邻楼板3之间摩擦的连接参数赋予上下柱之间的连接单元。

步骤三、对模型施加多遇地震作用，运用有限元分析软件对结构体系进行反应谱分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，当分析目标值不满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；如图7所示，具体包括以下步骤：

步骤3a、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱1底部与相邻楼板3连接处的轴力ni，验证其是否满足公式③；

ni＞0公式③

其中：ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1底部与相邻楼板3连接处的轴力；

若轴力ni满足公式③，则依照以下步骤继续进行，若不满足公式③，则返回步骤一中，调整高强拉索9的预应力p大小，对结构模型进行调整，重新进行模拟分析。

本实施例中，提取出的多遇地震作用下每层钢柱1的连接节点处的轴力值，最小轴力为100kn，满足上述要求，可继续进行后续的分析。

步骤3b-1、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱1底部与相邻楼板3连接处的剪力vi，判断其是否满足公式④；

vi＜fsi公式④

其中：vi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1底端与下方相邻楼板3连接处的剪力；

fsi为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1底端与下方相邻楼板3上表面之间的起滑力；

若剪力vi满足公式④，可确保在多遇地震情况下，上下相邻的两个层框架结构之间不会发生滑移，则依照以下步骤继续进行；若剪力vi不满足公式④，则返回步骤一中，调整摩擦系数μ和高强拉索9的预应力p大小的大小，再次对结构模型进行调整，重新模拟分析。

步骤3c、在施加多遇地震作用的模型中，判断层间位移角θi是否满足公式⑤-1；

其中：θi为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱1两端的层间位移角；

δu2i为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱1两端的水平位移差；

h为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1的高度；

若层间位移角θi满足公式⑤-1，则依照以下步骤继续进行；若层间位移角θi不满足公式⑤-1，说明设计结构在多遇地震作用下的变形不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，重新模拟分析；

本实施例中，提取出的多遇地震作用下每个柱两端的水平位移差值，最大值为9.4mm，计算层间位移角为1/350，小于规定的1/250，计算结果满足变形要求。

步骤3d、在施加多遇地震作用的模型中提取每个层框架结构的应力fe，验证其是否满足公式⑥-1；

其中：fe为每个层框架结构的应力；

f为层框架结构使用的钢结构材料的强度设计值；

若应力fe不满足公式⑥-1，说明设计结构的强度不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，重新模拟分析；若应力fe满足公式⑥-1，则依照以下步骤继续进行。

本实施例中，提取出多遇地震作用下构件的应力，最大应力为150n/mm²,小于构件抗震承载力设计值，计算结果满足强度要求。

步骤四、对模型施加设防地震作用，运用有限元分析软件对结构体系进行模拟分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，当分析目标值经过调整仍无法满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；如图8所示，具体包括以下步骤：

步骤4a、在施加设防地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱1底部与相邻楼板3连接处的轴力ni，验证其是否满足公式④；

ni＞0公式④

其中：ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1底部与相邻楼板3连接处的轴力；

若轴力ni满足公式④，则依照以下步骤继续进行，若不满足公式④，则返回步骤一中，调整高强拉索9的预应力p大小，对结构模型进行调整，重新进行设防地震作用下的模拟分析。

本实施例中，提取出设防地震作用下每层单根钢柱1连接节点处的轴力值，最小轴力值为120kn，满足上述要求，可继续进行后续分析。

步骤4b-2、在施加设防地震作用的模型中提取上下相邻两个层框架结构两端的位移差δu1i，验证其是否满足公式⑦；

δu1i＜l公式⑦

其中：δu1i为相邻两个层框架结构两端的位移差，即为上方层框架结构的钢柱柱底与下方层框架结构对应的钢柱柱顶之间的最大位移行程；

l为钢柱1与下层相邻楼板3之间发生相对滑动的最大限位行程；

若位移差δu1i满足公式⑦，则继续按照以下步骤进行分析；若位移差δu1i不满足公式⑦，则调整钢柱1底部与下层相邻楼板3之间的摩擦系数μ和高强拉索9的预应力p大小的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足公式⑦，返回步骤一，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析。

本实施例中，提取出设防地震作用下相邻两个层框架结构两端的位移差值，最大为10mm，小于最大限位行程60mm，满足要求，可继续进行后续分析。

步骤4c、在施加设防地震作用的模型中，判断层间位移角θi是否满足公式⑤-2；

其中：θi为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱1两端的层间位移角；

δu2i为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱1两端的水平位移差；

h为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1的高度；

若层间位移角θi满足公式⑤-2，则依照以下步骤继续进行；若层间位移角θi不满足公式⑤-2，说明设计结构在设防地震作用下的变形不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析。

在本实施例中，提取出设防地震作用下每个柱两端的水平位移差值，最大位移15mm，层间位移角为1/220，小于规定的1/100，计算结构满足变形的要求，可继续进行后续分析。

步骤4d、在施加设防地震作用的模型中提取每个层框架结构的应力fe，验证其是否满足公式⑥-2；

fe≤fy公式⑥-2

其中：fe为每个层框架结构的应力；

fy为层框架结构使用的钢结构材料的屈服强度设计值；

若应力fe满足公式⑥-2，则按照以下步骤继续进行分析；若应力fe不满足公式⑥-2，说明结构构件此时进入屈服，则调整钢柱1底部与下层相邻楼板3之间的摩擦系数μ和高强拉索9的预应力p大小的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足公式⑥-2，返回步骤一，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析。

在本实施例中，提取出设防地震作用下构件的应力，最大应力为280n/mm²，小于规定的限值，结构主要构件处于不屈服的状态，满足中震不屈服的性能化设计要求，可继续进行后续分析。

步骤五、对模型施加罕遇地震作用，运用有限元分析软件对结构体系进行模拟分析；当分析目标值满足验证条件，继续进入下一步设计，当分析目标值经过调整仍无法满足验证条件时，返回步骤一，对基本结构参数进行调整，修正设计结构，重新进行分析；如图9所示，具体包括以下步骤：

步骤5a、在施加罕遇地震作用的模型中提取每个层框架结构中单根钢柱1底部与相邻楼板3连接处的轴力ni，验证其是否满足公式③；

ni＞0公式③

其中：ni为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1底部与相邻楼板3连接处的轴力；

若轴力ni满足公式③，则依照以下步骤继续进行，若不满足公式③，调整高强拉索9的预应力p大小，对结构模型进行调整，重新进行罕遇地震作用下的模拟分析。

在本实施例中，提取出罕遇地震作用下每层单根柱连接节点处的轴力值，最小轴力为90kn，满足要求，可继续进行后续分析。

步骤5b-2、在施加罕遇地震作用的模型中提取上下相邻两个层框架结构两端的位移差δu1i，验证其是否满足公式⑦；

δu1i＜l公式⑦

其中：δu1i为相邻两个层框架结构两端的位移差，即为上方层框架结构的钢柱柱底与下方层框架结构对应的钢柱柱顶之间的最大位移行程；

l为钢柱1与下层相邻楼板3之间发生相对滑动的最大限位行程；

若位移差δu1i满足公式⑦，则按照以下步骤继续进行分析；若位移差δu1i不满足公式⑦，则调整钢柱1底部与下层相邻楼板3之间的摩擦系数μ和高强拉索9的预应力p的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a中重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足公式⑦，返回步骤一，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析。

在本实施例中，提取出罕遇地震作用下每个连接单元两端的位移差值，最大为50mm，最大限位行程60mm，可继续进行后续分析。

步骤5c、在施加罕遇地震作用的模型中，判断层间位移角θi是否满足公式⑤-3；

其中：θi为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱1两端的层间位移角；

δu2i为施加地震作用下，自下而上第i层的层框架结构的钢柱1两端的水平位移差；

h为自下而上第i层的层框架结构的钢柱1的高度；

若层间位移角θi满足公式⑤-3，则依照以下步骤继续进行；若层间位移角θi不满足公式⑤-3，说明设计结构在罕遇地震作用下的变形不满足要求，则返回步骤一中，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，再次对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析。

在本实施例中，提取出罕遇地震作用下每个柱两端的水平位移差值，最大位移50mm，层间位移角为1/66，小于规定的1/50，计算结构满足变形的要求，可继续进行后续分析。

步骤5d、在施加罕遇地震作用的模型中提取整个结构体系的基底总剪力vs和基底倾覆弯矩ms，验证其是否满足公式⑧和公式⑨；

vs＜vr公式⑧

其中：vs为整个结构体系的基底总剪力；

vr为结构基础的抗剪承载力；

ms＜mr公式⑨

其中：ms为整个结构体系的基底倾覆弯矩；

mr为结构基础的抗倾覆弯矩承载力；

若基底总剪力vs和基底倾覆弯矩ms满足上述公式的要求，按照以下步骤继续进行模拟分析；若基底总剪力vs和基底倾覆弯矩ms不满足上述公式的要求，返回步骤一，调整钢梁2、钢柱1的截面尺寸和高强拉索9的预应力p的大小，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析。

步骤5e、在施加罕遇地震作用的模型中提取出塑性铰出现情况，评估该结构在罕遇地震下的抗震性能，对同层内钢梁2和钢柱1形成塑性铰的比例q进行统计，判断是否满足q＜20％，若不满足要求，调整钢柱1底部与下层相邻楼板3之间的摩擦系数μ和高强拉索9的预应力p的大小，对结构模型进行调整，返回步骤4a中重新进行设防地震作用下的模拟分析；若仍无法满足要求，返回步骤一，调整钢梁2和钢柱1的截面尺寸，对结构模型进行调整，从多遇地震作用开始重新进行模拟分析，直至满足所有条件，完成结构设计。

在本实施例中，基底总剪力和总倾覆弯矩满足相应的指标，对塑性铰出现情况进行评估，对同层内梁和柱形成塑性铰的比例q进行统计,最大占比为15％，能够满足大震不倒的性能化设计要求。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。