10-L.1       适用范围

按照钢结构规范 Steel Construction Manual of AISC 13进行钢结构验算^th Edition (diciembre 2005)在 CivilFEM中用于验算由轧制型钢或组合截面构成、在三维空间中承受轴力、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-L.2       所涵盖的验算类型

CivilFEM可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 + 扭转                        H3.3

·         屈曲验算：

       - 受压和受弯构件               E3, E7

       - 受弯和受扭构件                      E4, E7

 

 

10-L.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：

            2D 杆                                                                  LINK1

            3D 杆                                                                  LINK8

            3D 杆                                                                  LINK10

            2D 梁                                                                    BEAM3

            3D 梁                                                                    BEAM4

            3D 梁                                                                    BEAM44

            2D 变截面梁                                           BEAM54

            2D 塑性梁                                                     BEAM23

            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提取的实体截面，其横截面被归类为“structural steel”类型。

 

10-L.4       支持的 截面类型

CivilFEM 中考虑的结构钢截面可分类为：

• 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材组成的型钢（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).
• 源自实体截面的型钢，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校核类型：

 

 

10-L.5       CivilFEM处理的数据和结果

CivilFEM 处理以下数据组和结果，以便按照 ASIC-AISC 13TH EDITION 进行校核：

·         截面相关数据：毛截面、净截面和有效截面的性质及尺寸，以及组成截面的板件的特性和尺寸。

·         构件层面的性质。

·         材料性质。

·         作用于截面上的内力。

·         验算结果。

10-L.5.1           截面数据

ASIC-AISC 13TH EDITION 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

·         与截面类别及其组成板件类别相关的数据。

毛截面数据对应于横截面的名义性质。

净截面仅考虑面积，该面积由毛截面面积扣除螺栓孔、铆钉孔及其他减薄孔洞后得到。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参数 AHOLES输入~SECMDF).

有效截面数据以及与截面和板件类别相关的数据，按照标准B5节的规定，在验算过程中获取。该节根据宽厚比及规定的限值，将钢截面分为三类：紧凑、非紧凑和细长。

AISC 13TH EDITION模块以用户单位制下的毛截面数据以及CivilFEM轴或截面轴（视具体情况而定）作为输入数据。程序计算有效截面数据及类别相关数据，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列出并绘制：~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	毛截面面积 Aholes
输出数据： 1.- 截面面积	净截面面积

 

IV.- 有效截面数据

有效截面取决于截面的 几何形状，因此，需要针对每个构件和端部计算一个 有效截面。

 

 

V.- 构成截面的板件相关数据

10-L.5.2           属性 构件级

按照 AISC 13TH EDITION 进行验算时，采用下表所述的构件级属性集合；这些属性均以用户单位存储在数据库中，并采用 CivilFEM 坐标轴。（命令中的参数 L、KY、KZ、KTOR、CB、LB、CHCKAXIS，~MEMBPRO).

 

表 10-L.5‑1 构件级属性

10-L.5.3           材料特性

根据 AISC 13TH EDITION 进行校核时，使用以下材料特性：

表 10-L.5‑2 材料特性

*th = 板厚

 

10-L.6       校核过程

校核过程的步骤如下： 

a)    获取 CivilFEM 数据库中存储的与构件对应的材料特性，并计算校核所需的其余特性：
从 CivilFEM 数据库获取的特性：（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)    获取与该构件相对应的 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板件其他参数。

d)    根据荷载作用类型对截面进行 专项验算。

e)    获取 结果。CivilFEM 给出构件每个端部的验算结果，并将其汇总到结果文件 .RCV 中的一个工况中， 用户可以通过命令指定工况编号来访问这些结果~CFSET.

各类验算对应章节中的表格 说明了每种荷载作用类型所对应的可用数据。

10-L.6.1           截面的一般处理。计算类别和折减系数。

钢截面分为紧凑截面、非紧凑截面或细长截面。要将截面归类为紧凑截面，其翼缘必须与腹板连续连接，且受压板件的宽厚比不得超过l_p（见 AISC 13TH EDITION 的表 B4.1）。如果该比值对于一个或多个受压板件超过l_p，但不超过l_r，则截面为非紧凑截面。最后，如果该比值在任一板件中超过l_r，（见 AISC 13TH EDITION 的表 B4.1），则截面将归类为细长截面。

因此，根据板件所承受的是压力、弯矩还是弯压作用，规范分别规定了不同的 λ 值。

截面的类别取其所有板件中的最不利类别。 因此，除无法分解且具有自身计算公式的管截面外，类别需针对每个板件进行计算。分类时应考虑以下参数：

a) 板件 长度：

除非另有说明，板件的长度（b 或 h）取板件长度（其两个端点之间的距离）。

b) 翼缘或腹板的区分：

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，对截面的板件进行检查。板件的 Pty 和 Ptz 字段表示其为翼缘、腹板或未定义，针对每个轴取相应的正确值。如果为未定义，则采用以下标准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。

 

·    组焊或轧制截面:

双 T 形和 C 形截面：

取截面尺寸中的 d 值作为板件长度 h。

箱形截面：

取箱形截面宽度减去三倍厚度作为长度。

10-L.6.1.1         受压构件

进行受压验算前，首先需要确定特定构件是否加劲，即是否与下一个构件连接，或者相反处于自由状态。

- 连接构件，即两端均为“fixed”的板件

        

管形截面

箱形截面

            

- 一端或两端未连接的构件，即两端均为自由端，或一端自由、另一端固定的板件。

                    

L 形截面

T 形截面的翼缘

10-L.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给出其细长比：

·         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 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形截面：

Pie:

翼缘：

10-L.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

取以下各项中的较小值：

a)    毛截面屈服：

  = 0.90 (LRFD)     = 1.67 (ASD)

 

b)    净截面断裂：

  = 0.75 (LRFD)     = 2.00 (ASD)

 

其中：

Ae	净面积。
Ag	毛面积。
Fy	屈服极限。
Fu	断裂应力.

 

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）。

 

10-L.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：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-L.6.3.1         弯曲屈曲受压        

此类验算既可用于紧凑截面，也可用于非紧凑截面或纤细截面。  对于这三种情况，验算均采用以下方法：

(NE3-1)

 (a) 对于 

 

 (b) 对于  

其中：

Ag	毛面积.
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，对于细长截面，Q 值有特定的计算方法。该方法详述如下：

细长截面的 Q 计算:

对于 未加劲板件（两端均无连接），计算 Qs；对于加劲板件（两端均有连接），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：

如果存在多个自由板件，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 是构件的细长比，且

 

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)    对于带有加劲板的构件，计算有效宽度 b_e.

5)    利用 be 计算有效面积

6)    根据有效面积的值计算 Qa，然后重新开始迭代。

·                    对于箱形截面

Si

·                    对于其余截面

Si

 

如果不在这些限值范围内，则 b_e = b

 

根据 b 的值_e对于每块板，从面积中减去不参与受力的部分 （其中 t 为板厚）。通过这种方式可以计算有效面积。

 

最后，根据 Qs 和 Qa 计算 Q，并得到 F_cr.

输出结果也可作为一种备选方式写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。

10-L.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 slender 截面。对于这三种情况，验算均采用以下方法：

轴向承载力： P_n

 (a) 对于  

   

(b) 对于  

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 值有特定的计算流程。该流程与前面已详细说明的流程相同。

临界扭转或弯扭屈曲弹性应力 F_e 计算为下列三次方程的最小解，其中已对轴进行了置换，使其适用于 CivilFEM 的 标准轴：

   (A-E3-7)

其中：

Kx	扭转屈曲的有效长度系数.
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 的轴为主轴 ±5º 六十进制度，则 Ky 和 Kz 分别取自 CivilFEM 的 Y 轴和 Z 轴。否则（例如角钢）， 将其取自主轴 U 和 V，其中 U 为惯性矩较大的轴。

扭转惯性矩（CivilFEM 中的 Ixx，AISC 13TH EDITION 公式中的 J）针对 CivilFEM 截面进行计算，但不针对 导入截面进行计算，因此用户必须在力学属性中输入此参数。

输出结果也可作为一种替代方案写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV)。校核结果：判据和变量，见下表：

 

10-L.6.4           受弯构件校核（F 章）

F 章仅适用于承受弯矩和剪力的紧凑截面和非紧凑截面。

10-L.6.4.1         受弯校核

最大抗弯承载力矩，f_b M_n  以及允许弯矩 M_n/Ω_b，取以下四项校核结果中的最小值：

f_b  = 0.90 (LRFD)     Ω_b = 1.67 (ASD)

a)    钢材塑性化

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。
• 侧向扭转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校核，但可以进行扭转及荷载组合校核。

对于非紧凑截面，规范考虑以下情况，现概述如下：

 

 

 

 

 

 

其中：

 

 （正号表示翼缘受拉，负号表示翼缘受压）

对于T形截面 翼缘 受拉； 翼缘 受压。

输出结果也可作为一种替代方式写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）中。

10-L.6.4.2         抗剪验算

抗剪验算仅适用于在腹板平面内受荷且腹板不纤细的工字形和槽形截面。计算步骤如下：

     

      

     

其中 A_w 为腹板面积。

输出结果也可作为一种替代方式写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）中。

10-L.6.4.3         纤细腹板工字形截面验算

此类截面在规范附录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：

 并且

抗弯承载力矩 M_n  为以下验算结果中的最小值：

• 翼缘受拉塑性屈服
• 翼受压屈曲

前一种情况由下式确定：

其中：

Sxt	受拉纤维的弹性模量。
Re	1.0
Fyt	翼受拉屈服应力。

对于后一种情况，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，如下所示：

Para l £ lp
Para lp £ l £ lr
Para l > lr

应针对以下极限状态计算长细比：

• 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)。

• 翼局部屈曲

 （公制单位）

其中：

C_b = 1

        y               

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。

同时进行抗剪验算，V取_n 下式的结果：C_v de.

 

其中抗剪系数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

同时还给出了弯曲与剪切的相互作用准则，该准则通过以下公式计算：

总准则取三个准则中的最大值。

输出结果也可作为一种选择写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）中。

10-L.6.5           承受组合应力和扭转构件的验算（H章）

 

10-L.6.5.1         受弯和受拉 / 受压构件的校核

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的值按承受弯曲应力构件一节中的方法计算，即，抗弯矩最大抗弯矩 （M_n）取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

在两种情况下，无论是弯曲加拉力还是弯曲加压力，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

    (NH1-1a)

(b)  对于

        (NH1-1b)

如果轴力为拉力：

Pr	受拉作用力（N）。
Pc	受拉名义承载力（N）。 ФtPn (LRFD) Pn/ Ωt (ASD)
Mr	弯曲作用承载力（N·mm）。
Mc	弯曲名义承载力（N·mm）。 ФbMn (LRFD) Mn/ Ωb (ASD)
y	主弯曲轴。
z	次弯曲轴。
ft	抗拉承载力系数。
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

当轴力为压力时：

Pr	拉伸作用承载力（N）。
Pc	拉伸名义承载力（N）： ФcPn (LRFD) Pn/ Ωc (ASD)
Mr	弯曲作用承载力（N·mm）。
Mc	弯曲名义承载力（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	受压折减系数 =1.67
Ωb	抗弯折减系数 = 1.67

因此进行以下三项验算：

• 弯曲屈曲轴力
• 沿 z 方向的弯矩
• 沿 y 方向的弯矩

如果其中任何一项校核不符合规范要求，则不能进行弯曲加受拉 / 受压校核。

输出结果也可作为一种替代方案写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）中。

10-L.6.5.2         受扭、受弯、受剪和 / 或受轴力构件的校核

最大抗扭承载力验算，f_TT_{n ,}以及允许值验算，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：

 

f_T  = 0.90 (LRFD)     Ω_T = 1.67 (ASD)

 

·         对于正应力作用下的承载能力极限状态：

·         - 对于剪切应力作用下的最终极限状态：

·         - 对于屈曲极限状态：

其中，Fcr 取受压构件发生弯曲屈曲或弯扭屈曲时的计算值。

输出结果也可作为备选方案写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。