10-G.1     适用范围

根据金属结构规范对钢结构进行验算 AISC 第13版钢结构设计手册^th 版 （2005年12月） 在 CivilFEM 中，验算由轧制型钢或组合截面构成、承受三维轴力、剪力和 弯矩作用的结构。

CivilFEM 执行的计算符合以下各节中的规定：

 

D	受拉构件。
E	柱及其他受压构件。
F	梁及其他受弯构件。
G	受剪构件
H	承受多种内力组合及 扭矩作用的构件。

 

10-G.2     所涵盖的验算类型

利用 CivilFEM 可以进行以下类型的 分析和验算：

·         承受以下作用的截面验算：

       - 受拉                                                                    D

       - 受弯                                                                      F

       - 剪力                                                       G

       - 压弯                                                     H1

       - 组合弯曲和剪切 + 扭矩                        H3.3

·         屈曲验算：

       - 受压及受弯构件               E3, E7

       - 受弯及受扭构件                      E4, E7

 

 

10-G.3     支持的单元类型

CivilFEM 支持的单元类型包括以下 ANSYS 2D 和 3D 杆单元及梁单元：

            2D 杆                                                                  LINK1

            3D 杆                                                                  LINK8

            3D 杆                                                                  LINK10

            2D 梁                                                                    BEAM3

            3D 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，对于某些验算，还可以验算从二维或三维模型中提取的实体截面，前提是其横截面被归类为“structural steel”类型。

 

 

10-G.4     支持的截面类型

CivilFEM 中考虑的结构钢类型横截面可分类如下：

• 程序型钢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).
• 由钢板组焊而成的双T形、槽形或U形、单T形、箱形、等边和不等边角钢以及管形截面（命令 ~SSECDMS).
• 由钢板定义的组焊型钢（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，其横截面被归类为“structural steel”（命令 ~SLDSEC). 这些截面归类为通用形状（通用截面).

 

AISC 13TH EDITION 标准中考虑的横截面取决于验算类型：

 

 

 

10-G.5     CivilFEM 管理的数据和结果

CivilFEM处理以下数据组和结果组， 用于按照ASIC-AISC 13TH EDITION规范进行验算：

·         截面相关数据：毛截面、净截面和有效截面的特性及尺寸，以及组成截面的钢板的特性和尺寸。

·         构件级属性。

·         材料属性。

·         作用于截面上的内力。

·         校核结果。

10-G.5.1          截面数据

ASIC-AISC 13TH EDITION规范 对截面采用以下数据集：

·         毛截面数据

·         净截面数据

·         有效截面数据

·         与截面类别及其组成钢板类别相关的数据。

毛截面数据对应于横截面的名义特性。

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，AISC 13TH EDITION 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钢板类别相关的数据，根据标准 B4 条的规定在校核过程中获得。该条款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。

AISC 13TH EDITION 模块根据需要，以用户单位制下、采用 CivilFEM 轴系或截面轴系的毛截面数据作为初始数据。程序计算有效截面数据及与截面类别相关的数据，并将其以用户单位制以及 CivilFEM 轴系或截面轴系存储在 CivilFEM 结果文件中。所有这些数据均可使用以下命令进行列表和绘图：~PLLSSTL y ~PRSTL.

下表汇总了 AISC 13TH EDITION 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

说明	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，因此需要针对每个构件及其端部计算有效截面。

 

 

V.- 组成截面的板件相关数据

10-G.5.2          属性构件级

采用 AISC 13TH EDITION 进行校核时，考虑下表所述的构件级属性集合；所有属性均以用户单位存储在数据库中，并采用 CivilFEM 坐标轴。（命令的参数 L、KY、KZ、KTOR、CB、LB、CHCKAXIS，~MEMBPRO).

 

表 10-G.5‑1 构件级属性

10-G.5.3          材料属性

根据 AISC 13TH EDITION 进行验算时，使用以下材料属性：

表 10-G.5‑2 材料属性

*th = 板厚度

 

10-G.6     验算过程

验算过程的步骤如下：

a)    获取 CivilFEM 数据库中存储的与构件对应的材料属性，并计算验算所需的其余属性：
从 CivilFEM 数据库获取的属性：（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
相应板件的 厚度	th

b)    获取与该构件对应的 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 将构件每个端部的验算结果汇总到结果文件 .RCV 中的一个工况中， 用户可通过指定工况编号，使用命令访问这些结果。~CFSET.

不同验算类型对应章节中的表格说明了各类作用对应的 可用数据。

10-G.6.1          截面常规处理。计算类别和折减系数。

钢截面分为紧凑截面、非紧凑截面和纤细截面。要将截面归类为紧凑截面，其翼缘必须连续连接于腹板，且受压板件的宽厚比不得超过l_p（参见 AISC 13TH EDITION 的表 B4.1）。如果一个或多个受压板件的该比值超过l_p，但不超过l_r，则该截面为非紧凑截面。最后，如果任一板件的该比值超过l_r（参见 AISC 13TH EDITION 的表 B4.1），则该截面将归类为纤细截面。

因此，规范根据板件所受作用为压缩、弯曲或压弯，规定了不同的 λ 值。

截面的类别取其所有板件中最不利的类别。因此，除无法分解且具有专用计算公式的管截面外，需分别计算每个板件的类别。该分类将考虑以下参数：

a) 板件长度：

除非另有说明，构件的长度（b 或 h）取板件的长度（即其两个端点之间的距离）。

b）翼缘与腹板的区分：

在需要区分翼缘和腹板的情况下，应考虑以下标准：

根据弯曲轴对截面板件进行验算。板件的 Pty 和 Ptz 字段表示其为翼缘、腹板或未定义，并针对每个轴采用相应字段。当其为未定义时，按以下标准将其分类为翼缘或腹板：如果 |Dy|<|Dz|（端点坐标的增量）且弯曲绕 Y 轴，则认为是腹板，否则为翼缘。绕 Z 轴弯曲时则相反。

 

·    焊接或轧制截面:

双 T 形和 C 形截面：

板件 h 的长度取截面尺寸中的 d 值。

箱形截面：

长度取箱形截面的宽度减去三倍厚度。

10-G.6.1.1        受压构件

进行受压验算前，首先需要确定具体构件是否加劲，即其是否与相邻构件连接，还是处于自由状态。

- 有连接的构件，即两端均为“fixed”的板件

                     

 

管形截面

    

箱形截面

 

- 一端或两端无连接的构件，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 形截面的支脚

10-G.6.1.2        受弯构件

由于受弯验算仅适用于非常特定的截面，因此应针对每种截面类型分别给出其长细比：

·         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中的最小值_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 受压轴力（取正值）。如果为受拉，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导轴区分翼缘和腹板。

Si:   

Si:             

始终：   

·         T形截面：

   

Pie:

翼缘：

10-G.6.2          受拉构件验算（D章）

轴力必须为正值（如果为负值，则不处理该构件）

抗拉承载力：f_t P_n，以及允许值 P_n/ Ω_t

取以下两者中的较小值

a)    毛截面屈服 ：

   

 

b)    净截面断裂：

           

   = 2.00 (ASD)

 

其中：

	净面积。
	毛面积。
	屈服强度。
	断裂强度.

 

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

 

10-G.6.3          受压构件验算（E 章）

在受压构件验算中，AISC 13TH EDITION 在计算轴向承载力时：f_c·P_n  以及允许值 P_n/ Ω_c ，包括以下验算：

f_c  = 0.90 (LRFD)     Ω_c = 1.67 (ASD)

 

10-G.6.3.1        弯曲屈曲受压        

此类验算既适用于紧凑截面，也适用于非紧凑截面或纤细截面。  对于这三种情况，验算均按以下方法进行：

       (E3-1)

 (a) 对于 

              

(b) 对于  

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。

对于紧凑截面和非紧凑截面，Q 系数为 1。但是，对于 slender 截面，Q 值有特定的计算步骤。该步骤详述如下：

细长截面的 Q 计算:

对于 无加劲板（两端均无约束），计算 Qs；对于加劲板（两端均有约束），计算 Qa。如果不属于上述任何一种情况（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：

如果存在多个无约束板件，则取其中最大的 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 为构件的细长比，

 

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)    该F值_cr 取该值用于计算f（f = fc F_cr)

4)    对于带有支承板件的构件，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

 

如果不在这些限值内，则b_e = b

根据b的值_e对于每个板件，从面积中减去不参与受力的部分 [t·(b‑b_e)]（其中t为板件厚度）。由此可以计算有效面积。

 

最后，根据Qs和Qa计算Q，并得到F_cr.

输出结果也可作为替代方案写入CivilFEM结果文件（.RCV）。

10-G.6.3.2        弯扭屈曲压缩

此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，验算均采用以下方法：

抗轴力： P_n

       (E4-1)

 (a) 对于

           

(b)  对于

          

 

其中：

对于紧凑和非紧凑截面，系数 Q 为 1。 然而，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。

扭转或弯扭临界屈曲弹性应力F_e 计算为下列 三次方程的最小解，其中已交换坐标轴，以使其与 CivilFEM 的 标准坐标轴相适应：

   (E4-6)

其中：

Kx	扭转屈曲 有效长度系数.
G	剪切模量 (MPa).
Cw	翘曲常数 (mm6).
J	扭转常数 (mm4).
Iy, Iz	相对于 主轴的惯性矩 (mm4).
x0,y0	C相对于形心的剪切中心 坐标 (mm).

 

其中：

A	构件横截面面积。
l	约束之间的长度。
Ky, Kz	z 和 y 方向的有效长度系数。
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 角度，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，在 AISC 13TH EDITION 公式中为 J） 针对 CivilFEM 截面计算，但不对导入的 截面计算，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）。验算结果（判据和变量） 如下表所述：

 

10-G.6.4          受弯构件验算（F 章）

F 章仅适用于承受弯矩和剪力的紧凑及非 紧凑截面。

10-G.6.4.1        受弯验算

最大抗弯矩，f_b M_n  和允许值，M_n/Ω_b，是 四项验算中的最小值：

 (LRFD)   (ASD)

a)    钢材塑性屈服

b)    侧向扭转屈曲

c)    翼缘局部屈曲

d)    腹板局部屈曲

名义弯矩值的计算应考虑以下因素：

• 对于紧凑截面，当 Lb < Lp 时，仅验算钢材塑性屈服。
• 对于 T 形截面及其他紧凑截面，仅验算钢材塑性屈服和扭转屈曲。
• 侧向扭转屈曲情况不适用于 受力方向为弱轴的截面，也不适用于 圆形或方形箱形截面。
• 侧向扭转屈曲部分仅考虑 双对称截面、C形截面和T形截面。因此，其余 截面无法进行弯曲验算，但可以进行扭转及 荷载组合验算。

对于非紧凑截面，规范规定了以下几种情况，现概述如下：

 

 

 

 

 

 

其中：

            

 （当翼缘受拉时取正号，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）。

10-G.6.4.2        剪切验算

剪切验算仅适用于作用在腹板平面内且腹板不细长的I形和C形截面。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）。

10-G.6.4.3        细长腹板I形截面验算

这类截面在规范附录 G 中单独处理。在该附录中 仅验算在腹板平面内受荷载且腹板为薄腹板的工字形截面。也就是说，腹板高度与厚度之比应为：

 并且  

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

第一项由下式确定：

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。

第二种情况下，计算公式如下：

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：

Para
Para
Para

长细比应针对以下极限状态计算：

• 侧向扭转屈曲

 

 （国际单位制单位）

程序默认采用 C 的保守值_b = 1，但用户可以更精确地计算该 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：

              y               

程序将从所有这些长细比因素中选取使临界应力值最小的因素。

还需进行抗剪验算，将 V 的取值_n 取为下式的结果：C_v de.

其中，剪切系数 C 的值_v,按以下方式 计算：

• 对于         

• 对于  

其中，K 的值_v 当a/h超过3.0或[260 / (h/tw)]时取5.0²

此外，还给出了弯曲和 剪切的相互作用准则，该准则按以下公式计算：

总准则值为三个准则值中的最大值。

输出结果将作为一种备选方案写入 CivilFEM 结果 文件（.RCV）中。

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

 

10-G.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 一节中的方法计算，即，抗弯承载弯矩 (M_n) 为四项验算结果中的最小值：

1.    钢材 屈服

2.    侧向扭转屈曲

3.    翼缘 局部屈曲

4.    腹板 局部屈曲

在这两种情况下，无论是弯曲加拉力还是弯曲加压力，弯曲应力与轴力 之间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：

Pr	拉力作用效应（N）。
Pc	抗拉名义承载力（N）。 ФtPn (LRFD) Pn/ Ωt (ASD)
Mr	弯曲作用效应（N·mm）。
Mc	抗弯名义承载力（N·mm）。 ФbMn (LRFD) Mn/ Ωb (ASD)
y	主弯曲轴。
z	次弯曲轴。
ft	抗拉强度系数。
fb	弯曲抗力系数 = 0.90
Ωt	抗拉折减系数
Ωb	抗弯折减系数 = 1.67

当轴向力为压力时：

Pr	抗拉作用效应（N）。
Pc	名义抗拉承载力（N）： ФcPn (LRFD) Pn/ Ωc (ASD)
Mr	抗弯作用效应（N·mm）。
Mc	名义抗弯承载力（N·mm）： ФbMn (LRFD) Mn/ Ωb (ASD)
y	主弯曲轴。
z	次弯曲轴。
fc	压缩抗力系数 = 0.85
fb	弯曲抗力系数 = 0.90
Ωc	抗压折减系数 =1.67
Ωb	抗弯折减系数 = 1.67

因此进行以下三项验算：

• 弯曲屈曲轴向力
• 按 z 轴的弯矩作用效应
• 按 y 轴的弯矩作用效应

如果其中任何一项验算不满足 规范要求，则无法进行弯曲与拉力 /压力组合验算。

输出结果也可另行写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。

10-G.6.5.2        受扭、受弯、受剪和/或受轴力构件验算

最大抗扭承载力验算，f_TT_{n ,}以及允许抗扭承载力验算，T_n/Ω_T 基于正应力、切应力和屈曲应力验算，并采用以下公式：

 

  = 0.90 (LRFD)    = 1.67 (ASD)

 

·         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：

其中，Fcr应取按受弯屈曲或弯扭屈曲受压构件计算所得的值。

输出结果也可另行写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。