10-M.1    适用范围

按照钢结构标准进行钢结构验算AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010 y 2012 在 CivilFEM 中，是对由轧制型材或组合型材组成、在三维条件下承受轴力、剪力和弯矩作用的结构进行 验算。

CivilFEM 执行的计算符合以下各节规定的 要求：

 

6.8.2	受拉构件。
6.9.4	柱及其他受压构件。
6.12.2.2, A.6	梁及其他受弯构件。
6.10.9	受剪构件
6.9.2.2,6.8.2.3	承受弯曲与轴力组合的构件。

 

10-M.2    所涉及的验算类型

利用 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：

       - 拉力                                                                    6.8.2

       - 弯曲                                                                      6.12.2.2, A6

       - 剪力                                                       6.10.9

       - 弯曲 + 轴力                                                             6.9.2.2, 6.8.2.3

·         屈曲验算：

       - 受压和受弯构件               6.9.4.1.2

       - 受弯和受扭构件                      6.9.4.1.3

 

 

10-M.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 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

 

 

 

10-M.4    支持的截面类型

CivilFEM 中考虑的结构钢截面可分类如下：

• 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).
• 焊接组合双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截面（命令 ~SSECDMS).

 

AASTHO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS（2010 和 2012）标准中考虑的截面取决于校核类型：

 

 

 

10-M.5    CivilFEM 处理的数据和结果

CivilFEM 根据该标准进行校核时处理以下数据和结果组： AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010 y 2012:

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

·         构件级属性。

·         材料属性。

·         作用于截面上的内力。

·         校核结果。

10-M.5.1          截面数据

该标准 AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010 y 2012 考虑以下截面数据集：

·         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有关的数据。

毛截面数据对应于横截面的名义特性。

对于净截面，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 及其他减重孔洞得到。此外，用户还需注意，AASHTO 指出，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有关的数据，在校核过程中根据规范各处规定的限值 获得。对于受压分类，根据第 6.9.4.2 节分为宽厚比较大和宽厚比较不大的截面。对于受弯分类，截面根据 宽厚比及规定的限值分为三组：紧凑截面、非紧凑截面和宽厚比较大的截面。

模块 AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010 y 2012 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）作为初始数据。程序计算有效截面数据及与 截面类别有关的数据，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 列出并绘图：~PLLSSTL y ~PRSTL.

下表汇总了在以下内容中使用的截面数据：AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010 y 2012.

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	毛截面面积 孔洞面积
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几何形状，因此需针对每个构件及端部计算有效截面。

 

 

V.- 组成截面的板件相关数据

10-M.5.2          属性 构件级

使用以下命令进行验算：AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010 y 2012 将采用下表所述的构件级属性集合；所有属性均以用户单位、CivilFEM轴系存储在数据库中。（命令的参数 L、KY、KZ、 KTOR、CB、LB、RP、U、LV，~MEMBPRO).

 

 

 

 

 

 

 

表 10-M.5‑1 构件层面的属性

10-M.5.3          材料属性

根据 AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010  进行验算时采用以下材料属性：

表 10-M.5‑2 材料属性

*th = 板件厚度

 

10-M.6    验算过程

验算过程的步骤如下：

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

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

b)    获取与该单元对应的 截面数据。

c)    初始化截面板件的 折减系数及用于确定类别的板件其他参数。

d)    根据作用类型对截面进行 专项验算。

e)    结果获取。 CivilFEM 将构件每个端部的校核结果归入结果文件 .RCV 中的一个工况，以便用户通过指定工况编号使用命令访问这些结果。~CFSET.

在各类校核对应章节所包含的表格中，说明了每种作用类型对应的可用数据。

10-M.6.1          截面的一般处理。计算截面类别和折减系数。

钢截面按受弯性能分为塑性、非紧凑和 slender 三类。要将截面分类为塑性截面，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。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，则截面为非紧凑截面。最后，如果任一板件的该比值超过l_r，则截面分类为 slender 截面。受压分类与此类似，但只有一个限值，用于区分 slender 截面和非 slender 截面

因此，根据构件所受作用为受压、受弯或压弯，规范规定了不同的 lambda 值。

截面的分类取其所有板件中的最不利类别。因此，除无法分解并采用专门公式的管截面外，类别均按每个板件计算。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，应采用以下标准：

根据受弯轴对截面板件进行检查。板件的 Pty 和 Ptz 字段分别针对各轴指示其为翼缘、腹板或未定义。如果为未定义，则按以下标准将其分类为翼缘或腹板：如果 |Dy|<|Dz|（端点坐标增量）且绕 Y 轴受弯，则视为腹板，否则视为翼缘。绕 Z 轴受弯时反之。

 

·    组合截面或轧制截面:

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-M.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 下一个构件相连，还是处于自由状态。

- 相连构件，即两端均为“fixed”的板件

管形截面

箱形截面

- 一端或两端不相连的构件，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形截面的腹板

10-M.6.1.2       受弯构件

进行受弯验算时，应针对每种截面类型给出宽厚比：

·         双T形截面：

翼缘：

      

对于轧制截面

对于焊接组合截面     ,      

F_yr = 0.7F 的最小值_yc , R_hF_ywS_xt/S_xc  y  F_yw  ，但不得小于0.5F_yc. 

 

腹板：

 

·        

·         C形截面

翼缘：

 

     

对于轧制截面

对于组合截面 ,    

F_yr = 0.7F 的最小值_yc , R_hF_ywS_xt/S_xc  y  F_yw  ，但不得小于 0.5F_yc. 

腹板：

 

 

·         管状截面：

·         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。

 

·         T形截面：

Ala:                

 

腹板：T形截面的腹部不设置边界，因此截面类别仅取翼缘类别。

10-M.6.2          受拉构件验算

轴力必须为正（如果为负，则不处理该构件）

抗拉承载力： P_r  取以下各项中的较小值：

a)    毛截面 屈服：

  

 

 

b)    净截面 断裂：

 

其中：

An	净面积。
Ag	毛面积。
Fy	屈服强度。
Fu	断裂应力.

R 的数值_p y U 必须由用户根据第 6.8.2.1 条，通过命令输入~MEMBPRO.

净面积的定义取为 A_g – AHOLES，用户应负责正确计算 AHOLES（规范规定其直径比实际直径大 2 mm）。

 

10-M.6.3          受压构件验算

根据该规范对受压构件进行验算AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS 2010 y 2012 del 轴向承载力：f_c P_n , 包括以下验算：

 

10-M.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：

 (a) 对于  

     

             

(b) 对于

 

 

其中：

 

 

式中：

Ag	毛截面面积
Q	长细比折减系数。
rs	屈曲轴回转半径
K	屈曲系数。
l	L构件实际长度。

对于紧凑截面和非紧凑截面，Q 因子 为 1。但是，对于细长截面（超过 10-G.6.1.1 中给出的细长比 限值），其值 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（两端均无连接）， 计算 Qs；对于加劲板（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 的特定公式。该公式详述如下：

·                    对于圆形截面，Q 为：

                  

 

Qs 的 计算：

当存在多块自由板件时，取其中最小的 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 腹板根部

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：

其计算过程如下：

1)    取前面得到的 Qs 值。如果所有两端无连接的构件均被归类为非细长构件，则 Qs=1

2)    利用该值计算 f = Q_sF_y.

3)    该 f 值 用于计算有效宽度 b_e 对于带加劲板的构件。

4)    Con b_e 计算有效面积

5)    根据有效面积的值计算 Qa。

·                    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 对每块板，从面积中扣除不参与受力的部分 [t·(b‑b_e)]（其中 t 为板厚）。这样 即可计算有效面积。

 

最后，根据 Qs 和 Qa 计算 Q。

输出结果还可作为一种替代方案写入 CivilFEM 的 结果文件 (.RCV)。

10-M.6.3.2       弯扭屈曲压缩

此类验算既可针对紧凑截面，也可针对非紧凑截面或细长截面进行。对于这三种情况， 验算均采用以下方法：

抗力轴力：  P_n

(a) 对于  

       

 (b) 对于

 

其中：

紧凑截面和非紧凑截面的 Q 系数为 1。 但是，对于细长截面，Q 值有特定的 计算步骤。该步骤与前面详述的步骤相同。

临界扭转或弯扭屈曲弹性承载力 P_e 计算为以下三次方程的最小解，其中已对轴进行了置换，使其适用于 CivilFEM 的常规轴：

 (6.9.4.1.3-7)

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剪切中心相对于形心的坐标 (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，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。

输出结果也可选择写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。验算结果（包括验算准则和变量）如下表所述：

 

10-M.6.4          受弯构件验算

下表显示了 CivilFEM 根据截面类型进行的验算。其中列出了所依据的 AASHTO LRFD 2010 和 2012 条款：

 

TIPO DE SECCION	YIELDING	LTB	FLB	WLB	条件
BOX	X (6.12.2.2.2)		X (6.12.2.2.2)	X (6.12.2.2.2)	腹板不细长
PIPE	X (6.12.2.2.3)		X（局部屈曲） (6.12.2.2.3)		紧凑、非紧凑以及不超过弯曲验算限值的 细长构件
T SECCION	X (6.12.2.2.4)	X (6.12.2.2.4)	X (6.12.2.2.4)	X (6.12.2.2.4)	细长翼缘不进行验算 因为超过受弯验算限值
DOBLE T (EJE DE MAYOR INERCIA)	X	X (A.6.3.3)	X (A.6.3.2)		非细长腹板且 Fy<70 ksi （附录 6）
DOBLE T (EJE DE MENOR INERCIA)	X		X (6.12.2.2.1)		非细长翼缘
C 类截面 (EJE DE MAYOR INERCIA)	X (6.12.2.2.5)	X (6.12.2.2.5)			紧凑腹板和翼缘
C 类截面 (EJE DE MENOR INERCIA)	X		X (6.12.2.2.5)		非细长翼缘

 

10-M.6.4.1       受弯验算

最大抗弯承载力矩  f_f M_n  为以下最多四项验算结果中的最小值：

f_f  = 1.00

a)    钢材塑性化 ：Y（屈服）

b)    侧向扭转屈曲：LTB (Lateral Torsional Buckling)

c)    翼缘局部屈曲 ：FLB（翼缘局部屈曲）

d)    腹板局部屈曲 ：WLB（腹板局部屈曲）

根据截面类型需要进行的验算 如下所示：

·         Box   （非细长腹板）

1.    屈服

 =

 

2.    FLB

Si  

 

               

                        Si  

                                                  

3.    WLB

Si

            

·         管形截面   （紧凑、非紧凑以及不超过 限值的细长构件

 

1.   

2.    屈服

3.    局部屈曲

                        Si  

          

 

Si

 

T 形截面

1.    屈服

如果翼缘处于受拉状态  M_n 限制为 1.6M_y

如果翼缘处于受压状态 M_n 限制为 M_y

 

2.    LTB

                             

 

                                             

 （翼缘受拉时取正号， 受压时取负号）

3.    FLB

                        Si  

                    

                        S_xc：相对于受压翼缘的弹性截面模量

                         不进行验算，因为不会出现该情况， 翼缘宽厚比必须小于 12

 

4.    T形截面翼缘屈曲

                                         

·         绕强轴受荷的工字形截面  （腹板 不细长）

1.    屈服

=

 

2.    LTB

 

其中：

r_t  = 侧向屈曲的有效回转半径

Si L_b≤L_p

Si L_p<L_b≤L_r

 

                

Si L_b>L_r

=

 

 

3.    FLB

Si

Si

                          

                       

R_pc 是腹板塑性系数，其计算取决于腹板的细长比限值：

如果  为紧凑腹板                                 

                                                   

 

如果腹板为非紧凑型， 

R_h 是混合截面系数，对于 CivilFEM 计算的截面，该值为 1。                                                        

·         绕弱轴受荷的工字形截面 （紧凑或非紧凑翼缘）

 

1.    屈服：

FLB

Si

                        Si  

                               =

 

·         绕强轴受荷的 C 形截面  （腹板和紧凑翼缘）

1.    屈服

2.    LTB

                                                          

Si  <<

                   

                        Si  >

=

                                                                                                                     

                        其中：

                        = 相对于弱轴的回转半径(in)

                        J = Constante torsional de St. Venant (in⁴)

                        = 相对于 x 轴的截面弹性模量(in³)

                       

h_o= 翼缘形心之间的距离 (in)

= 翘曲常数 (in⁶)

= 相对于弯矩的弯曲系数。用户必须通过 命令输入~MEMBPRO.

 

 

·         绕弱轴受荷的C形截面  （紧凑或非紧凑翼缘）

1.    屈服

 = min (, 1.6)

 

2.    FLB

Si

                        Si  

                                                          

 

输出结果也可写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。

10-M.6.4.2       抗剪验算

抗剪承载力取为：

                                                     

 V_n 为名义抗剪强度，折减系数

腹板名义抗剪承载力的计算按照 6.10.9.2 条的规定进行，但 box-shaped (6.12.1.2.3b) 和 circular tubes (6.12.1.2.3c) 情况除外。

=

V_p=0.58*F_yw *D*t_w, 其中 D 为腹板总高度

C 是抗剪屈曲强度与弹性抗剪强度之比，计算如下：

a.    对于 ,                                 C_v = 1.0       (AASHTO 6.10.9.3.2-4)

b.    对于

       
                                           (AASHTO 6.10.9.3.2-5)

c.    对于

 

F_cr 为抗剪屈曲强度，其值取以下各项中的较大值：

 

输出结果也可写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。

10-M.6.5          组合受力构件验算

 

10-M.6.5.1       弯曲和拉力 / 压缩构件验算

进行此项验算时，首先需要确定 Mn 的值，因为该值包含在验算公式中。Mn 的计算方法与受弯构件部分相同，即承载弯矩最大承载弯矩 (M_n) 取以下四项验算结果中的最小值：

1.    钢材 塑化

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，弯矩作用与轴力作用的相互作用均受以下方程限制：

(a)  对于

   

 (6.8.2.3-2, 6.9.2.2-2)

(b)  对于

 

 (6.8.2.3-1, 6.9.2.2-1)

其中：

Pu	设计轴力。
Pr	名义承载力。
Mu	设计弯矩。
Mr	名义抗弯承载力。
y	主弯曲轴。
z	次弯曲轴。

因此进行以下三项验算：

• 弯曲屈曲轴力
• 按 z 方向的弯矩作用
• 按 y 方向的弯矩作用

如果其中任何一项验算不符合 规范要求，则不能进行弯曲与拉力 / 压缩验算。

输出结果可作为替代方案写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV)。