10-E.1      适用范围

CivilFEM 按照 1999 年 AISC-LRFD 钢结构规范进行钢结构验算，包括对由轧制型钢或组合截面组成、承受 3D 轴力、剪力和弯矩作用的结构进行验算。

CivilFEM 执行的计算符合 AISC-LRFD（Load Factor Resistance Design）的规定，具体如下：

 

D	受拉构件。
E	柱及其他受压构件。
F	梁及其他受弯构件。
G	细长腹板构件。
H	承受复合应力及 扭矩的构件。

 

 

10-E.2      所涉及的校核类型

CivilFEM 可进行以下类型的 分析和校核：

·         承受以下作用的截面校核：

       - 受拉                                                                    LRFD D-1 节

       - 受弯                                                                      LRFD F-1 节

       - 剪力                                                       LRFD F-2 节

       - 压弯                                                     LRFD H-1 节

       - 压弯和剪力 + 扭矩                        LRFD H-2 节

·         屈曲校核：

       - 受压和受弯构件               LRFD E-2 节

       - 受弯和受扭构件                      LRFD E-3 节

       - 细长腹板构件                                               LRFD 第G节

 

10-E.3      支持的单元类型

CivilFEM 支持的单元类型为以下 ANSYS 二维和三维杆及梁：

            二维杆                                                                  LINK1

            三维杆                                                                  LINK8

            三维杆                                                                  LINK10

            二维梁                                                                    BEAM3

            三维梁                                                                    BEAM4

            三维梁                                                                    BEAM44

            二维变截面梁                                           BEAM54

            二维塑性梁                                                     BEAM23

            三维薄壁梁                                        BEAM24

            三维弹性管                                                    PIPE16

            三维塑性管                                                    PIPE20

三维线性有限变形梁                   BEAM188

三维二次有限变形梁          BEAM189

 

此外，对于某些校核，还可以对从 2D 或 3D 模型中捕获的实体截面进行校核，其横截面被分类为“structural steel”类型。

 

 

10-E.4      支持的截面类型

CivilFEM 中包含的结构钢类型横截面可分类为：

• 程序库中包含的所有轧制型钢（双 T 形、槽钢等） （参见型钢库和命令 ~SSECLIB).
• 焊接组合型钢，包括双 T 形、槽钢或 U 形、单 T 形、 箱形、等边角钢和不等边角钢以及管形截面（命令 ~SSECDMS).
• 由钢板定义的组合型钢（命令 ~SSECPLT).这些截面归类为通用形状（通用截面).
• 来自实体截面的型钢，其横截面被分类为“structural steel”（命令 ~SLDSEC). 这些截面归类为通用形状（通用截面).

 

LRFD 标准中考虑的横截面取决于校核类型：

 

 

 

10-E.5      CivilFEM 处理的数据和结果

CivilFEM 使用以下数据和结果组，按照 ASIC-LRFD 规范进行验算：

·         与截面相关的数据：毛截面、净截面和有效截面的属性与尺寸，以及组成截面的板件的特性与尺寸。

·         构件级属性。

·         材料属性。

·         作用于截面上的内力。

·         校核结果。

10-E.5.1           截面数据

ASIC-LRFD 规范针对截面考虑以下数据集：

·         毛截面数据

·         净截面数据

·         有效截面数据

·         与截面类别及组成截面的板件类别相关的数据。

毛截面数据对应于横截面的名义属性。

净截面仅考虑其面积，该面积通过从毛截面面积中扣除螺栓孔、铆钉孔及其他减重孔得到。此外，用户应注意，LRFD 规定用于计算参数 AHOLES 的直径大于实际直径。 （计算得到的总面积通过命令的 AHOLES 参数输入~SECMDF).

有效截面数据以及与截面和板件类别相关的数据，根据标准 B5 节的规定，在校核过程中获得。该节根据宽厚比及规定的限值，将钢截面分为三组：紧凑、非紧凑和纤细截面。

LRFD模块以用户单位制下的毛截面数据以及CivilFEM轴或截面轴（视情况而定）作为输入数据。程序计算有效截面数据以及与截面类别相关的数据，并将其以用户单位制以及CivilFEM轴或截面轴存储在CivilFEM结果文件中。所有这些数据均可使用命令进行列表输出和绘图~PLLSSTL, ~PLCSEC3 y ~PRSTL.

下表汇总了LRFD中使用的截面数据。

I.- 毛截面、净截面和有效截面的通用数据

II.- 毛截面数据

III.- 净截面数据

描述	数据
输入数据： 1.- 毛截面面积 2.- 孔洞面积	Abruta Aholes
输出数据： 1.- 截面面积	Aneta

 

IV.- 有效截面数据

有效截面取决于截面几何形状，因此需针对每个构件及其端部计算有效截面。

 

 

V.- 构成截面的板件相关数据

10-E.5.2           属性 构件级

采用 LRFD 进行验算时，考虑下表所述的构件级属性，这些属性均以用户单位和 CivilFEM 轴系存储在数据库中。 （命令的参数 L、KY、KZ、KTOR、CB、LB、CHCKAXIS，~MEMBPRO).

 

表 10-E.5‑1 构件级属性

10-E.5.3           材料特性

按照LRFD进行验算时，采用以下材料特性：

表10-E.5‑2 材料特性

*th = 板厚度

 

10-E.6      验算过程

验算过程的步骤如下： 

a)    获取存储在 CivilFEM 数据库中与单元对应的材料属性，并计算验算所需的其余属性：
从 CivilFEM 数据库中获取的属性：（命令 ~CFMP)

弹性 模量	E
模量 Poisson	n
屈服 极限	Fy (th)
极限 应力	Fu (th)
横向变形 模量	G
对应板件的 厚度	th

b)    获取与单元对应的 截面数据。

c)    初始化截面板件的折减系数以及用于确定类别的其他板件参数。

d)    根据作用类型对截面进行 专项验算。

e)    获取 结果。CivilFEM 在结果文件 .RCV 中将单元每个端部的验算结果归入一个工况，以便用户通过命令指定工况编号来访问这些结果 ~CFSET.

包含在各类验算相应章节中的表格说明了每种作用类型对应的可用数据。

10-E.6.1           截面的一般处理。计算类别和折减系数。

钢截面分为密实、非密实或纤细截面。要将截面归类为密实截面，其翼缘必须连续连接到腹板，且受压构件的宽厚比不得超过 l_p（参见 LRFD 的表 B5.1）。如果对于一个或多个受压构件，该比值超过 l_p，但不超过 l_r, 则截面为非紧凑截面。 最后，如果该比值在任一构件中超过l_r,（参见 LRFD 的表 B5.1），则该截面将被归类为细长截面。

因此，根据构件承受压缩、弯曲或压弯作用，规范规定了不同的 λ 值。

截面的分类取其所有板件中最不利的等级。因此，除无法分解且具有专用计算公式的管状截面外，应对每个板件分别计算其等级。该分类将考虑以下参数：

a）构件长度：

除非另有说明，构件的长度（b 或 h）取板件长度（其两端点之间的距离）。

b）翼缘与腹板的区分：

在需要区分翼缘和腹板的情况下，应考虑以下判据：

根据弯曲轴，对截面板件进行检查。板件的 Pty 和 Ptz 字段表示其为翼缘、腹板或未定义，具体取决于相应的轴。若未定义，则按以下判据将其分类为翼缘或腹板：如果 |Dy|<|Dz|（端点坐标增量）且弯曲发生在 Y 轴，则视为腹板，否则视为翼缘。对于 Z 轴弯曲则相反。

 

·    组合截面或轧制截面:

双 T 截面和 C 截面：

板件长度 h 取截面尺寸中的 d 值。

箱形截面：

长度取箱形截面宽度减去三倍厚度。

10-E.6.1.1       受压构件

要进行受压验算，首先需要确定该构件是否加劲，即它是与相邻构件连接，还是处于自由状态。

- 连接构件，即两端均为“fixed”的板件

管状截面

箱形截面

- 一端或两端未连接的构件，即两端均为自由端，或一端为自由端、另一端为固定端的板件。

        

L形截面

 

T形截面下部

 

 

10-E.6.1.2       受弯构件

由于受弯验算仅适用于非常特定的截面，因此各类截面的长细比分别规定如下：

·         双T形和C形截面：

; 

Fr =	轧制截面为69 MPa (10 ksi)
	焊接组合截面为114 MPa (16.5 ksi)

F_L = (F 的最小值_yf – F_r) y (F_yw) 其中 F_yf y F_yw  翼缘和腹板中的 F_y。

轧制截面的翼缘：

           

焊接组合截面的翼缘：

          

腹板：

Si  : 

Si  :   

始终： 

P_u 是压缩轴力（取正值）。如果为拉力，则取零。

 

·         管形截面：

·         箱形截面：

箱形截面的翼缘：

腹板：程序根据用户指定的主轴区分翼缘和腹板。

Si:  :   

Si:   

始终：

·         T截面：

    

Pie:

翼缘：

10-E.6.2           受拉构件验算（第D章，la LRFD)

轴力必须为正（若为 负值，则不处理该构件）

抗拉承载力： f_t P_n

取以下各项中的较小值：

a)    毛截面 屈服：

b)    净截面 断裂：

其中：

Ae	净面积。
Ag	毛面积。
Fy	屈服强度。
Fu	抗拉强度.

 

净面积定义为 A_g – AHOLES，用户应正确计算 AHOLES（规范规定其直径比实际直径大 2 mm）。

 

表 10-E.6‑1 第D章 受拉构件验算

 

10-E.6.3           受压构件验算（第E章和附录B中的la LRFD)

在受压构件验算中，LRFD包括以下验算：

10-E.6.3.1       弯曲屈曲受压

此类验算既可用于紧凑截面，也可用于非紧凑或细长截面。 对于这三种情况，验算均采用以下表达式：

轴向承载力： (E2)

 = 0.85

  (E2-1)

 (a) 对于 

     (E2-2) (A-B5-15)

 (b) 对于 

         (E2-3) (A-B5-16)

其中：

Ag	毛截面面积.
r	屈曲轴的回转半径。
K	屈曲系数。
l	L构件的实际长度。

紧凑截面和非紧凑截面的 Q 系数为 1。但是，对于 slender 截面，Q 值有特定的计算过程。该过程详述如下：

细长截面的 Q 计算:

对于 未加劲板（两端均无约束）， 计算 Qs；对于加劲板（两端均有约束），计算 Qa。如果上述情况均不适用（例如箱形截面或角钢），则取值为 1。

对于圆形截面，有用于计算 Q 的专用公式。该公式详述如下：

·                    对于圆形截面，Q 为：

            

 

Qs 的 计算：

当存在多块自由板时，取其中最大的 Qs。程序按以下顺序检查受压细长截面：

·                    角钢

Si
Si

·                    T 形截面的翼缘

Si
Si

·                    轧制 型钢

Si
Si

·                    其余 截面

Si
Si

 

其中 l 是构件的长细比，而

 

Qa 的 计算：

Qa 的计算采用迭代法。其计算过程如下：

1)    取 Q 的初始值为 Qs，

2)    利用该值计算 F_cr.

3)    F 的此值_cr 将其用于计算

4)    对于带有支撑板的构件，计算有效宽度 b_e.

5)    利用 be 计算有效面积

6)    利用有效面积值计算 Qa，然后重新开始。

·                    对于箱形截面

Si

·                    对于其余截面

Si

 

如果不在这些范围内，则 b_e = b

利用 b 的值_e对于每块板，从面积中扣除不参与作用的部分 （其中 t 为板厚）。这样即可计算有效面积。

 

最后，利用 Qs 和 Qa 计算 Q，并得到 F_cr.

输出结果也可作为一种选择写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。校核结果（判据和变量）见下表：

 

表 10-E.6‑2 E 章 受压构件校核

 

10-E.6.3.2       弯扭屈曲受压

这类验算既可用于紧凑截面，也可用于非紧凑截面或细长截面。对于这三种情况，验算均按以下方法进行：

轴力承载力： (E3)

       (E3-1)

 (a) 对于  

             (A-E3-2)

(b) 对于  

            (A-E3-3)

其中：

对于紧凑截面和非紧凑截面，系数 Q 为 1。 但是，对于细长截面，Q 值有特定的计算方法。该方法与前面已详细说明的方法相同。

临界扭转或弯扭屈曲弹性应力 F_e 按下列三次方程的最小解计算，其中已对坐标轴进行置换，以使其与 CivilFEM 的 常规坐标轴相适应：

(A-E3-7)

其中：

	扭转屈曲的有效长度 系数.
G	剪切模量 (MPa).
	翘曲常数 (mm6).
J	扭转常数 (mm4).
	相对于主轴的 惯性矩 (mm4).
	C相对于形心的剪切中心 坐标 (mm).

 

其中：

A	构件的横截面面积。
l	约束之间的长度。
Ky, Kz	z 和 y 方向上的有效长度系数。
ry, rz	沿主轴的回转半径。
	相对于剪切中心的极回转半径 。

本公式采用 CivilFEM 的主轴。 如果 CivilFEM 的坐标轴为主轴 ±5º 六十进制度，则 Ky 和 Kz 分别取相对于 CivilFEM 的 Y 轴和 Z 轴的值。如果不是 这样（例如，对于角钢），则取相对于主轴 U 和 V 的值，其中 U 为惯性矩较大的轴。

扭转惯性矩（CivilFEM 中的 Ixx，LRFD 公式中的 J）针对 CivilFEM 截面进行计算，但不针对 导入的截面进行计算，因此用户必须在力学属性中输入此参数。

输出结果可选择写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。校核结果：判据和变量，见下表：

 

表 10-E.6‑3 E 章 弯扭屈曲受压构件验算

 

10-E.6.4           受弯构件验算（第F章，la LRFD)

第F章仅适用于承受弯矩和剪力的紧凑及非紧凑截面。

10-E.6.4.1       受弯验算

最大抗弯矩（M_n）取以下四项验算结果中的最小值：

a)    钢材塑性化

b)    侧扭屈曲

c)    翼缘局部屈曲

d)    腹板局部屈曲

腹板纤细的I形截面（板梁），应按照附录G中的规定进行验算。

名义弯矩值应根据以下考虑进行计算：

• 对于紧凑截面，当 Lb < Lp 时，仅需验算钢材塑性化。
• 对于T形截面及其他紧凑截面，仅验算钢材塑性化和扭转屈曲。
• 侧扭屈曲情况不适用于绕弱轴受力的截面，也不适用于圆形截面或方箱形截面。
• 侧扭屈曲部分仅适用于双轴对称截面、C 形截面和 T 形截面。对于其余截面，规范要求参照附录 F1。因此，其余截面无法进行受弯验算，但可以进行受扭及荷载组合验算。

对于非紧凑截面，规范要求参照附录 F1。该附录包含以下情况（规范表 A-F1.1），现概述如下：

 

 

 

 

 

 

其中：

            

 （翼缘受拉时取正号，受压时取负号）

对于T形截面  翼缘 受拉； 翼缘 受压。

输出结果也可写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV)。验算结果：判据和变量，见下表：

 

表 10-E.6‑4 F章 受弯构件验算

 

10-E.6.4.2       抗剪验算

抗剪验算仅适用于在腹板平面内受荷载且腹板不细长的 I 形和 C 形截面（如果腹板细长，请参见第 10-E.6.4.3 节）。计算步骤如下：

                       

           

           

其中 A_w 为腹板面积。

输出结果也可写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。验算结果（准则和变量）如下表所述：

 

表 10-E.6‑5 F 章 受剪构件验算

 

10-E.6.4.3       纤细腹板工字形截面验算

规范在附录 G 中对这类截面进行了单独处理。在该附录中仅验算在腹板平面内受荷且腹板纤细的工字形截面。也就是说，腹板高度与厚度之比应为：

 且 此外

抗弯承载力矩 M_n  为以下验算结果中的最小值：

• 翼缘受拉屈服
• 翼缘受压屈曲

第一项由以下公式确定：

  (A-G2-1)

其中：

Sxt	受拉纤维的弹性模量。
Re	1.0
Fyt	受拉翼缘的屈服应力。

在第二种情况下，公式如下：

 (A-G2-2)

其中：

临界应力取决于多个长细比参数，包括 l, l_p, l_r y C_pg，如下所示：

Para
Para
Para

应针对以下极限状态计算长细比：

• 弯扭屈曲

 （国际单位制单位）

程序默认采用 C 的保守值_b = 1，但用户可根据 F1.2 节更精确地计算此 值，并将其输入杆件属性中

r_T = 受压翼缘的回转半径加上腹板受压部分的三分之一（mm）。

• 翼缘局部屈曲

   （公制单位）

其中：

              and          

程序将从所有这些长细比系数中选取使临界应力值最小的一个。

还将进行剪切验算，并将 V 的取值_n 取以下公式的结果：C_v de (A-G3-5 y 6).

其中，剪切系数 C 的值_v，按以下方式计算：

• 对于  

• 参数  

其中，K 的值_v 如果 a/h 超过 3.0，则取 5.0，或取 [260 / (h/tw)]²

同时还给出了弯曲与剪切的相互作用准则，该准则按下式计算：

总准则为三个准则中的最大值。

输出结果也可作为一种替代方式写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV)。校核结果（准则和变量）如下表所述：

 

表 10-E.6‑6 附录 G 细长腹板 I 形构件校核

 

10-E.6.5           组合应力和扭转载荷作用下构件验算（H 章）

 

10-E.6.5.1       受弯及受拉 / 受压构件验算

进行此项验算时，首先需要知道 Mn 的值，因为该值包含在验算公式中。Mn 的值将按照受弯构件部分中的方法计算，即最大抗弯承载力 (M_n) 是四项验算中的最小值：

1.    钢材 塑性屈服

2.    弯扭屈曲

3.    翼缘 局部屈曲

4.    腹板 局部屈曲

在两种情况下，无论是弯曲与拉力组合还是 弯曲与压力组合，弯矩作用与轴力作用的相互作用 均受以下方程限制：

(a)  对于

    (H1-1a)

(b)  对于

    (H1-1b)

如果轴力为拉力：

Pu	拉力作用效应（N）。
Pn	名义抗拉承载力（N）。
Mu	弯曲作用效应（N·mm）。
Mn	名义抗弯承载力（N·mm）。
y	主弯曲轴。
z	次弯曲轴。
f	抗拉强度系数。
fb	抗弯强度折减系数 = 0.90

如果轴力为压力：

Pu	拉力作用效应（N）。
Pn	名义抗拉承载力（N）。
Mu	弯曲作用效应（N·mm）。
Mn	名义抗弯承载力（N·mm）。
y	主弯曲轴。
z	次弯曲轴。
f	抗压强度折减系数 = 0.85
fb	抗弯强度折减系数 = 0.90

因此进行以下三项验算：

• 弯曲屈曲轴力
• 按 z 方向的弯矩
• 按 y 方向的弯矩

如果其中任何一项验算不满足规范要求，则不能进行弯曲加受拉 / 受压验算。

输出结果也可写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV)。验算结果：验算准则和变量如下表所述：

 

 

10-E.6.5.2       受扭、受弯、受剪和 / 或轴力构件验算

规范规定的验算基于对正应力、剪应力和屈曲的验算， 采用以下公式：

·         对于正应力作用下的极限状态：

·         - 对于剪应力作用下的极限状态：

·         - 对于屈曲极限状态：

o  

其中，Fcr应取受压构件在弯曲屈曲情况下计算得到的值，对于 f_un, y 如 在 f 情况下按发生弯扭屈曲的受压构件计算的值_uv.

输出结果也可选择写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。验算结果：准则和变量，见下表：

 

表 10-E.6‑7 H 章 受扭、受弯、受剪和 / 或轴力构件验算