10-K.1 适用范围
CivilFEM 中依据 ASME Boiler and Pressure Vessel Code III Subsection NF 金属结构规范进行的钢结构校核，适用于 由轧制型钢或组合型钢构成、在三维空间中承受拉伸、压弯和弯扭作用的结构校核。
CivilFEM 执行的计算符合 ASME BPVC III Subsection NF 的规定，具体如下：
|
1 |
许用应力。 |
|
2 |
Estabilidad, esbeltez y relaciones ancho-espesor. |
10-K.2 所涉及的校核类型
通过 CivilFEM 可进行以下类型的分析和校核：
· 截面 校核 （ASME NF-3322.1) 承受：
- 拉伸
- 剪切
- 压缩
- 弯曲
- 压弯
- 拉弯
· 稳定性 校核 （ASME NF-3322.2):
- 最大长细比
- 厚度比
10-K.3 支持的单元类型
CivilFEM 支持的单元类型包括以下 ANSYS 二维和三维杆单元 及梁单元：
二维杆 LINK1
三维杆 LINK8
三维杆 LINK10
二维梁 BEAM3
三维梁 BEAM4
3D 梁 BEAM44
2D 变截面梁 BEAM54
3D 薄壁梁 BEAM24
3D 弹性管 PIPE16
3D 塑性管 PIPE20
3D 线性有限变形梁 BEAM188
3D 二次有限变形梁 BEAM189
此外，对于某些校核，还可以校核从二维或三维模型中捕获的实体截面，其横截面被分类为“structural steel”类型。
10-K.4 支持的 截面类型
CivilFEM 中按照 ASME BPVC III NF 分篇规范进行校核的结构钢类型横截面如下：
- 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).
- 组合双T形、槽形或U形、单T形、箱形、等边角钢和不等边角钢以及管形型钢（命令 ~SSECDMS).
- 由钢板定义的组合型钢（命令 ~SSECPLT).
- 来自实体截面的型钢，其横截面被分类为“structural steel”（命令 ~SLDSEC).
10-K.5 计算依据
10-K.5.1 截面数据
构件的截面数据必须包含在 CivilFEM 数据库中。定义横截面或捕获实体截面时，所有几何和力学数据都会自动获得。下表列出了按照所述规范进行校核所需的数据：
表 10-I.5‑1 截面数据
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Dato |
说明 |
|
A |
横截面面积。 |
|
Iy |
绕 Y 轴的惯性矩。 |
|
Iz |
绕 Z 轴的惯性矩。 |
|
Iyz |
惯性积（Y、Z 轴）。 |
|
Y |
所考虑各纤维的 Y 坐标。 |
|
Z |
所考虑各纤维的 Z 坐标。 |
|
iy |
绕 Y 轴的回转半径。 |
|
iz |
绕 Z 轴的回转半径。 |
|
Yws |
Y 方向剪切面积。 |
|
Zws |
Z 方向的剪切面积。 |
净截面仅考虑面积，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，用户还需注意，规范规定用于计算参数 AHOLES 的直径 大于实际直径。（计算得到的总面积通过命令 " 参数 AHOLES 输入。~SECMDF).
为确定有效截面面积 Ae 受拉构件的面积，需要定义系数 Ct（命令 " 的参数 CT~SECMDF). Por defecto, Ct=0.75.
10-K.5.2 属性 构件 级
按照 ASME BPVC III NF 分篇进行验算时，采用下表所述的构件级属性 集合。所有这些属性均以用户单位并按照 CivilFEM 轴系存储在数据库中。（命令 " 的参数 L、KY、KZ、CBY、CBZ、 CMY、CMZ、PIN、COLUMN、BRACED~MEMBPRO).
表 10-I.5‑2 构件级属性
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说明 |
数据 |
章节 |
|
1.- 构件无支撑长度 2.- Y 轴屈曲系数 3.- Z 轴屈曲系数 4.- 取决于 Y 轴弯矩梯度的 弯曲系数 5.- 取决于 Z 轴弯矩梯度的 弯曲系数 6.- 适用于相互作用方程中弯曲项的系数，该系数取决于 由按 Z 轴施加的弯矩产生的柱曲率。 7.- 适用于相互作用方程中弯曲项的系数，该系数取决于 由按 Y 轴施加的弯矩产生的柱曲率。 8.- 铰接构件： 0：否（默认值） 1：是 9.- 构件类型： 0：梁（默认值） 1：柱 9.- 受压区侧向有支撑： 0：否（默认值） 1：是 |
L KY KZ CBY
CBZ
CMY
CMZ
PIN
COLUMN
BRACED |
3322 3322 3322 3322
3322
3322
3322
3322
3322
3322
|
10-K.5.3 材料属性
按照 ASME BPVC NF 分篇进行验算时，使用以下材料属性：
表 10-I.5‑2 材料属性
|
描述 |
属性 |
|
钢材屈服极限 |
Sy(th) |
|
极限应力 |
Su(th) |
|
弹性模量 |
E |
此外，尽管奥氏体钢属性是材料固有的，但可以通过将材料更改为“用户 定义”.
10-K.5.4 力和力矩
端部的力和力矩从 CivilFEM 结果文件（.RCV 文件）中获取，适用于所选的 载荷步 y 子步。
表 10-I.5‑6 力和力矩
|
力 和力矩 |
描述 |
|
|
轴向力。 |
|
|
Y 向剪力。 |
|
|
Z 向剪力。 |
|
|
扭矩。 |
|
|
绕 Y 轴弯矩。 |
|
|
绕 Z 轴弯矩。 |
10-K.6 校核过程
校核过程的步骤如下：
a) 获取与该构件对应的截面 数据。
b) 根据受力类型对截面进行 专项校核。
c) 获取 结果。CivilFEM 为构件的每个端部提供校核结果，并将其作为一个工况汇总在结果文件 .RCV 中， 用户可以通过命令指定 工况编号来访问这些结果~CFSET.
各类校核对应章节中的表格说明了每种受力类型所对应的 可用数据。
10-K.6.1 受拉校核
根据 ASME BPVC III NF 分篇，对所选构件的每个端部以及横截面为结构钢的实体截面进行受拉校核。校核时，CivilFEM 按照以下步骤进行：
10-K.6.1.1 许用应力计算
受拉许用应力应按以下 方程确定：
除铰接构件外，Ft 应为：
(*) Su 在有效净面积上
对于铰接构件，采用净面积：
10-K.6.1.2 应力准则计算
等效应力 ft 将所得值除以钢材的 设计强度，得到一个数值，并将其作为 CRT_STR 保存于相应的校核选项中。如果根据 ASME BPVC III NF 小节该构件有效，则此值应介于 0.0 和 1.0 之间；也就是说，等效应力应小于钢材的 强度
10-K.6.1.3 长细比
受拉构件的最大长细比 l/r 经计算后保存为 SLD_RT。该长细比除以 240 （不得超过该值），所得商保存为 CRT_SLD。因此，如果构件符合规范要求， 该值将在 0.0 和 1.0 之间变化。
10-K.6.1.4 总准则计算
总准则取应力准则和长细比准则中的最大值，并作为 CRT_TOT 保存于相应选项中。如果构件符合 ASME BPVC III NF 小节的规定，则此值应介于 0.0 和 1.0 之间。
10-K.6.2 剪切校核
根据 ASME BPVC III NF 小节的规定，对所选构件的每个端部以及横截面为结构钢的实体截面进行剪切校核。校核时，CivilFEM 遵循以下步骤：
10-K.6.2.1 许用应力计算
剪切许用应力根据以下 方程确定，作用于有效抗剪横截面上：
10-K.6.2.2 总准则计算
等效应力 fv 将所得值除以钢材的 设计强度 Fv，得到一个数值，并将其作为 CRT_TOT 保存于相应的校核选项中。如果根据 ASME BPVC III NF 小节的规定构件有效，则此值应介于 0.0 和 1.0 之间；也就是说，等效应力应小于钢材的 强度
等效应力 fv 是两个方向所得结果中的最大值：
10-K.6.3 受压校核
根据 ASME BPVC III NF 小节的规定，对所选受压构件的每个端部以及横截面为结构钢的实体截面进行校核。校核时，CivilFEM 遵循以下步骤：
10-K.6.3.1 许用应力计算
受压许用应力应按以下 方程确定：
1- 柱的毛截面， 不包括采用奥氏体不锈钢制造的柱
其中
2- 采用奥氏体不锈钢制造的柱的毛截面
if kI/r 
if kI/r 
120
3- 除柱以外的 其他构件
10-K.6.3.2 长细比
受拉构件的最大长细比 l/r 经计算后保存为 SLD_RT。该长细比除以 200 （不得超过该值），所得商保存为 CRT_SLD。因此，如果构件符合规范要求， 该值将在 0.0 和 1.0 之间变化。
10-K.6.3.3 抗力折减系数
对于承受轴向压力且宽厚比超过下述规定限值的构件，ASME BPVC III NF 分 部通过折减系数降低截面的效率：
非加劲受压构件
非加劲受压板件是指具有一个平行于压应力方向的自由边的板件。 当宽厚比超过所示限值时，这些板件中的应力应采用折减系数 Qs。 翼缘宽度取自由边至腹板之间的距离。
1- 对于单角钢，
当 
当 
当 
2- 对于T形截面的腹板，
当 
当 
当 
3- 对于其他受压构件，
当 
当
当
其中 Sy 为屈服极限，单位为 ksi。
此外，对于截面为槽形 (U)或T形且其宽厚比超过上述限值的非加劲构件，应按以下限值进行验算：
|
截面 形状 |
翼缘宽度 / 截面高度比 |
翼缘厚度与腹板 厚度之比 |
|
焊接槽钢 |
|
|
|
轧制槽钢 |
|
|
|
焊接T形钢 |
|
|
|
轧制T形钢 |
|
|
Tabla NF-3322.2(e)(2)-1
这些宽厚比的验算结果将写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV) 中，记为 CTR_W；当满足限值时，其值为 0.0，否则为 2100。
加劲受压构件
加劲受压板件是指两端均有平行于压应力方向的侧向支承的板件。 当这些板件的宽厚比超过规定的适用限值时，应采用有效折减宽度 be:
1- 对于等厚方形和矩形截面的翼缘，
当 
2- 对于其他均匀受压构件，
当 
其中，f 为构件基于有效面积的轴向压应力，单位为 ksi。
如果横截面包含非加劲构件，则 f 应满足非加劲构件中的最大压应力不超过 FaQs。因此，加劲构件有效宽度的计算采用迭代过程：
a) 求得轴向压应力 f。
b) 计算有效宽度 b 的初始值e.
c) 求得有效截面的新轴向压应力 f’。
d) 如果 f’ 超过 FaQs，则通过增大上一次轴向压应力 f’ 求得新的轴向压应力 f’’。
重复此迭代过程，直至轴向压应力不超过 
，或有效面积等于总面积。
根据有效宽度 be 求得系数 Qa，其为有效面积与总面积之比：
10-K.6.3.4 应力准则计算
承受轴向压缩的构件，其许用应力不得超过：
验证上述方程后，等效应力 fa 除以抗力 Fa以获得一个新值，并将其作为 CRT_STR 保存于相应工况中。如果构件满足 ASME BPVC III NF 分篇的规范要求，则该值介于 0.0 和 1.0 之间，即等效应力将小于 设计抗力。
10-K.6.3.5 总判定准则计算
总判定准则取应力准则和长细比准则中的较大值，并将其作为 CRT_TOT 保存于 相应工况中。如果构件满足 ASME BPVC III NF 分篇的规范要求，则该值介于 0.0 和 1.0 之间。
10-K.6.4 弯曲验算
根据 ASME BPVC III NF 分篇，对所选构件的每个端部以及横截面为结构钢的实腹截面构件进行弯曲验算。CivilFEM 按以下步骤进行 验算：
10-K.6.4.1 许用应力计算
首先对截面进行验算，以便将其分类为 紧凑截面, 翼缘宽厚比较大的构件, o 杂项构件.
(a) 紧凑截面: 要将截面归类为紧凑截面，翼缘必须连续连接到腹板，且受压板件的宽厚比不得 超过所示限值：
1- 受压翼缘的宽厚比不得超过：
a. 对于
非加劲构件 
b. 对于
加劲构件 
2- 腹板高度 厚度比
si 
3- 此外，受压翼缘应在不大于以下间隔处设置侧向支撑 
ni 
。该
属性定义为构件属性（命令 ~MEMBPRO）。
如果截面不包含受压翼缘，则视为有支撑。
(b) 翼缘宽厚比较大的构件： 这些构件应满足上述条件，但无支撑翼缘现在必须满足：
(c) 杂项构件：不属于上述分类的构件。
因此，允许弯曲应力定义如下：
1- 工字形截面：
a. 绕其弱惯性轴弯曲的紧凑截面，其应力不得超过：
b. 绕其弱轴弯曲的翼缘宽厚比较大的构件，其应力不得超过：
c. 绕其强惯性轴弯曲的紧凑截面，其应力不得超过：
d. 绕其强轴弯曲的翼缘宽厚比较大的构件，其应力不得超过：
e. 绕其强惯性轴弯曲的杂项构件，其应力不得超过：
当 
当 
其中 rc是包含受压翼缘和腹板受压部分三分之一的截面的回转半径。
当翼缘受压面积不小于翼缘受拉面积时，
f. 对于上述未包括的构件，在受压区域设置侧向支撑时，其弯曲应力不应超过：
如果这些构件在受压区域未设置侧向支撑，则不对该截面进行验算。
2- 方形管箱形截面：
a. 绕其弱轴弯曲的紧凑截面，即使不一定设置侧向支撑，其应力也不应超过：
b. 上述未包括的构件，其应力不应超过：
但该承载力可通过折减系数予以降低。
3- 圆形管截面：
a. 如果直径厚度比不超过 3300/Sy，弯曲应力不得超过：
如果截面超过上述直径厚度比，则不对该构件进行校核。
4- 槽形（U形）截面：
a. 如果绕强轴发生弯曲，则弯曲应力不应超过下列数值中的最大值：
当 
当
其中 rc 是包含受压翼缘和腹板受压部分三分之一的截面的回转半径。
当翼缘受压面积不小于翼缘受拉面积时，
b. 对于上述分类中未包括的构件，在受压区域设置侧向支撑时，其弯曲应力不应超过：
如果这些构件在受压区域未设置侧向支撑，则不对其进行验算。
5- T形截面：
a. 沿腹板方向受荷、且该方向与弱轴重合的紧凑截面，其应力不应超过：
b. 沿腹板方向受荷且该方向与弱轴重合的翼缘宽厚比较大的构件，其应力不得超过：
c. 沿腹板方向受荷、且该方向与弱轴重合的其他构件，其应力不应超过：
当 
当 
其中 rc 是包含受压翼缘和腹板受压部分三分之一的截面的回转半径。
当翼缘受压面积不小于翼缘受拉面积时，
d. 对于上述未包括的构件，在受压区域设置侧向支撑时，其弯曲应力不应超过：
如果这些构件在受压区域未设置侧向支撑，则不对该截面进行验算。
6- 其余截面：
a. 在受压区域设置侧向支撑的构件，其弯曲应力不应超过：
如果这些构件在受压区域未设置侧向支撑，则不对该截面进行验算。
10-K.6.4.2 抗力折减系数
对于受弯构件中承受压力且宽厚比超过下述规定限值的板件，ASME BPVC III NF 分部通过折减系数降低截面的效率：
非加劲受压构件
非加劲受压板件是指具有一个平行于压应力方向的自由边的板件。 当宽厚比超过所示限值时，这些板件中的应力应采用折减系数 Qs。 翼缘宽度取自由边至腹板之间的距离。
1- 对于单角钢，
当 
当 
当 
2- 对于T形截面的腹板，
当 
当 
当 
3- 对于其他受压构件，
当 
当 
当
其中 Sy 为屈服强度，单位为 ksi。
此外，对于截面为槽形 (U)或T形且其比例超过上述限值的非加劲构件，应按以下限值进行校核：
|
截面 形式 |
翼缘宽度 / 截面高度比 |
翼缘厚度与腹板 厚度之比 |
|
组合槽钢 |
|
|
|
轧制槽钢 |
|
|
|
组合T形钢 |
|
|
|
轧制T形钢 |
|
|
Tabla NF-3322.2(e)(2)-1
这些比例的校核结果将写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV) 中，记为 CTR_W；当满足限值时其值为 0.0，若不满足则为 2100。
加劲受压构件
加劲受压板件是指两端均有平行于压应力方向的侧向支承的板件。 当这些板件的宽厚比超过规定的适用限值时，应采用有效折减宽度 be:
1- 对于等厚度的方形和矩形截面翼缘，
当 
2- 对于其他均匀受压构件，
当 
其中 f 为基于有效面积计算的构件轴向压应力，单位为 ksi。
如果横截面包含非加劲元件，则 f 应使非加劲元件中的最大压应力不超过 
. 因此，有效宽度的计算 de 加劲元件采用迭代过程：
a) 求得轴向压应力 f。
b) 计算有效宽度 b 的初始值e.
c) 求得有效截面的新轴向压应力 f’。
d)
如果 f’ 超过 ，则求得新的有效宽度 be’，通过增加上一个有效宽度 be.
重复此迭代，直到轴向压应力不超过 FaQs 或有效面积等于总面积。
根据有效宽度 be 求得系数 Qa，其为有效面积与总面积之比：
10-K.6.4.3 总判据计算
当需要采用折减系数时，最大允许应力不得超过 0.6 SyQs，也不得超过 F 的值b （如前所定义）。
弯曲应力 fb 由有效截面得到，将其除以钢材强度 Fb，所得数值作为 CRT_TOT 保存于相应方案中。如果元件符合 ASME BPVC III NF 子章的要求，即等效应力小于钢材强度，则该值介于 0.0 和 1.0 之间。
10-K.6.5 轴向受压与弯曲校核
根据 ASME BPVC III NF 子章，对受压和受弯元件进行校核；对于所选元件的每个端部以及横截面为结构钢的实心截面，均应进行校核。
10-K.6.5.1 总判据计算
同时承受轴向压力和弯曲的构件应满足以下应力判据，以符合规范要求：
评估一次应力和二次应力时
仅评估一次应力时
仅校核一次应力或同时校核一次应力和二次应力，可通过命令的参数进行选择 ~CHKSTL.
总判据取上述方程中的最大值，并作为参数 CRT_TOT 保存于相应方案中。如果元件符合 ASME BPVC III NF 子章的要求，即等效应力小于钢材强度，则该值应介于 0.0 和 1.0 之间。
10-K.6.6 轴向受拉与弯曲校核
根据 ASME BPVC III NF 子章节，对受拉和受弯构件的验算应针对所选构件的每个端部进行；实心截面的横截面材料应为结构钢。
10-K.6.6.1 总准则计算
同时承受轴向压力和弯曲作用的构件应满足以下应力准则，以符合规范要求：
其中，fb为计算得到的弯曲拉应力。此外，单独考虑时，弯曲压应力不得超过允许压应力 Fa.
因此，总准则为：
其中，fbc 为弯曲压应力。
总准则将作为参数 CRT_TOT 保存在相应的方案中。如果构件符合 ASME BPVC III NF 子章节的要求，则该值应介于 0.0 和 1.0 之间；也就是说，等效应力必须小于钢材的强度。