10-0.1         适用范围

按照金属结构规范对钢结构进行验算 AISC第14版钢结构施工手册^th 版在 CivilFEM 中， 对由轧制型材或组焊构件组成、承受三维轴力、剪力和弯矩作用的结构进行验算。

CivilFEM 所进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	承受复合应力及 扭转作用的构件。

 

10-0.2         所涵盖的验算类型

通过 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

       - 压弯组合与剪切 + 扭矩                        H3.3

·         屈曲验算：

       - 受压和受弯构件               E3, E7

       - 受弯和受扭构件                      E4, E7

 

 

10-0.3         支持的单元类型

CivilFEM 支持的单元类型包括以下 ANSYS 二维和三维杆及梁单元：

            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，对于某些验算，还可以验算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。

 

 

10-0.4         支持的截面类型

CivilFEM中包含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).
• 由钢板组装成的双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).
• 由钢板定义的组装截面（命令 ~SSECPLT). 这些截面归类为 通用形状（通用形状).
• 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（通用形状).

 

AISC 14TH EDITION标准中考虑的横截面取决于验算类型：

 

 

 

10-0.5         CivilFEM 管理的数据和结果

CivilFEM 按照 ASIC-AISC 14TH EDITION 标准进行验算时，处理以下数据和结果组：

·         截面相关数据：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。

截面数据

ASIC-AISC 14TH EDITION 标准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。

净截面仅考虑面积，其面积是在毛截面面积中扣除螺栓孔、铆钉孔及其他减轻孔后得到的。此外，用户应注意，AISC 14TH 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，根据标准 B4 节的规定在校核过程中获得。该节根据宽度与厚度之比及规定的限值，将钢截面分为三组：紧凑截面、非紧凑截面和细长截面。

AISC 14TH 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）作为初始数据。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进行列表输出和绘图~PLLSSTL y ~PRSTL.

以下表格汇总了 AISC 14TH 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

描述	数据
输入数据： 1.- 毛截面面积 2.- 孔洞面积	总面积 孔洞面积
输出数据： 1.- 截面面积	净面积

 

IV.- 有效截面数据

有效截面取决于截面的几何形状，因此，对于每个构件和端部，均需计算一个有效截面。

 

 

V.- 组成截面的板件相关数据

属性 构件级

按照 AISC 14TH EDITION 进行校核时，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制并按照 CivilFEM 坐标轴存储在数据库中。（命令的参数 L、KY、KZ、KTOR、CB、LB、CHCKAXIS，~MEMBPRO).

 

表 5‑1 构件级属性

材料属性

按照 AISC 14TH EDITION 进行验算时，使用以下 材料属性：

表 5‑2 材料属性

*th = 板厚

 

10-0.6         验算过程

验算步骤如下：

a)    获取 CivilFEM 数据库中存储的与构件相对应的 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 应力	Fu (th)
横向变形 模量	G
相应板件 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板件类别的其他参数。

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归入结果文件 .RCV 中的一个方案， 用户可通过命令输入方案编号来访问这些结果：~CFSET.

在不同验算类型对应的 章节所列的表格中，描述了每种作用类型对应的可用数据。

截面的一般处理。 类别和折减系数的计算。

钢截面分为紧凑截面、非紧凑截面或 slender 截面，以及受压时的 slender 和非 slender 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，且其受压构件的宽厚比不得超过以下限值：l_p（见 AISC 14TH EDITION 的表 B4.1）。如果一个或多个受压构件的该比值超过l_p，但不超过l_r，则该截面为非紧凑截面。最后，如果任一构件的该比值超过l_r（见 AISC 14TH EDITION 的表 B4.1），则该截面归类为 slender 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 lambda 值。

截面的类别取其所有板件中的最不利类别。因此，除无法分解且采用专门公式的管截面外，类别应针对每个板件进行计算。分类时应考虑以下参数：

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，并针对每个轴采用正确的字段。若未定义，则采用以下准则将其分类为翼缘或腹板：如果 |Dy|<|Dz|（端点坐标的增量）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。

 

·    焊接截面或轧制截面:

双 T 形和 C 形截面：

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。

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，即该构件是否与下一个构件连接，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，或一端自由而另一端固定的板件。

L 形截面

         

T 形截面的翼缘

受弯构件

由于受弯验算仅适用于非常特定的截面，因此各类截面的宽厚比分别如下：

·         双 T 形和 C 形截面：

 

Fr =	轧制截面为 69 MPa（10 ksi）
	焊接截面为 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  F _y 在翼缘和腹板中。

轧制截面的翼缘：

           

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：

受拉构件验算 （D章）

轴力必须为正（若为负，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

取以下各值中的较小者

a)    毛截面 塑化：

   

 

b)    净截面 断裂：

           

   = 2.00 (ASD)

 

其中：

	净面积。
	毛面积。
	屈服强度。
	断裂应力.

 

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

 

受压构件验算 （E 章）

在受压构件验算中，AISC 14TH EDITION 对以下量的计算轴向承载力：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)

 

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	毛面积.
r	屈曲轴的回转半径。
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 系数为 1。但是，对于纤细截面，Q 值有特定的计算方法。该方法详述如下：

纤细截面的 Q 计算:

对于未加劲板件（两端均无约束）， 计算 Qs；对于加劲板件（两端均有约束）， 计算 Qa。如果不属于上述任一种情况（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：

当存在多个自由板件时，取其中最大的 Qs。程序按以下顺序检查受压的纤细截面：

·                    角钢

Si
Si

·                    T 形截面的翼缘

Si
Si

·                    轧制型材

Si
Si

·                    其余截面

Si
Si

 

其中，l 是构件的长细比，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)    据此计算 F_cr.

3)    该 F 值_cr 取此值用于计算 f（f = fc F_cr)

4)    对于带有支撑板件的构件，计算有效宽度 b_e.

5)    根据 be 计算有效面积

6)    根据有效面积计算 Qa，然后重新开始。

·                    对于 box

Si

·                    对于其余截面

Si

 

如果不在这些限值范围内，则 b_e = b

对于 b 的值_e对于每块板，从面积中减去不参与受力的部分 [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，并得到 F_cr.

输出结果也可作为一种备选方案写入 CivilFEM 结果文件 （.RCV）。

弯扭屈曲压缩

此类验算既可针对密实截面，也可针对非密实截面或纤细截面进行。对于这三种情况， 验算均采用以下方法：

抗压轴力： P_n

       (E4-1)

 (a) 对于

           

(b)  对于

          

 

其中：

密实截面和非密实截面的 Q 系数为 1。 但是，对于纤细截面，Q 值有专门的计算方法。该方法与前面详细说明的方法相同。

临界扭转或弯扭屈曲弹性应力 F_e按以下三次方程的最小解计算，其中已对坐标轴进行了置换，使其适用于 CivilFEM 的标准坐标轴：

   (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。

在此公式中采用 CivilFEM 的主轴。 如果 CivilFEM 的坐标轴为主轴 ±5º 六十进制度，Ky 和 Kz 相对于 CivilFEM 的 Y 轴和 Z 轴取值。如果不是 这样（例如角钢），则相对于主轴 U 和 V 取值，其中 U 为惯性矩较大的轴。

扭转惯性矩（CivilFEM 中的 Ixx，AISC 14TH EDITION 公式中的 J） 对 CivilFEM 截面进行计算，但不对导入截面进行计算，因此用户必须在机械 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（包括准则和变量）如下表所述：

 

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。

受弯校核

最大抗弯承载力矩，f_b M_n  以及 允许值 M_n/Ω_b，为以下四项校核中的最小值：

 (LRFD)   (ASD)

a)    钢材屈服

b)    侧扭屈曲

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，仅考虑钢材屈服。
• 对于 T 形截面及其他紧凑截面，仅校核钢材屈服和扭转屈曲。
• 侧扭屈曲情况不适用于绕弱轴受力的截面，也不适用于 圆形截面或方形箱形截面。
• 侧扭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。

输出结果也可作为替代方案写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。

剪切验算

剪切验算仅适用于在腹板平面内受荷载且腹板不纤细的 I 形和 C 形截面。计算过程如下：

          

 

其中 A_w 为腹板面积。

输出结果也可作为替代方案写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。

腹板纤细的 I 形截面验算

规范在附录 G 中对这类截面单独进行处理。在该附录中仅验算在腹板平面内受荷载且腹板纤细的 I 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

第一项由以下公式确定：

其中：

Sxt	受拉纤维的弹性模量。
Re	1.0
Fyt	翼缘受拉屈服应力。

第二种情况下，公式如下：

其中：

临界应力取决于多个纤细度参数，包括l, l_p, l_r y C_pg，具体如下：

Para
Para
Para

应针对以下极限状态计算纤细度值：

• 侧向扭转屈曲

 

 （国际单位制单位）

默认情况下，程序采用 C 的 保守值_b = 1，但用户可以更精确地计算此 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：

              y               

程序将从所有这些长细比系数中选择使临界应力值最小的一个。

还需进行剪切验算，并将 V 的值取为_n 以下公式的结果：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 如果 a/h 超过 3.0，则取 5.0，或取 [260 / (h/tw)]²

此外，还给出了弯曲与剪切的相互作用准则，其按以下公式计算：

总准则值为三个准则值中的最大值。

输出结果也可作为一种备选方案写入 CivilFEM 结果文件 （.RCV）中。

承受组合应力和扭矩构件的验算 （H 章）

 

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.    侧扭屈曲

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，弯曲应力与轴向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)

如果轴向力为拉力：

Pr	拉力作用效应（N）。
Pc	抗拉名义承载力（N）。 ФtPn (LRFD) Pn/ Ωt (ASD)
Mr	弯矩作用效应（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

如果轴向力为压力：

Pr	拉力作用效应（N）。
Pc	抗拉名义承载力（N）： ФcPn (LRFD) Pn/ Ωc (ASD)
Mr	弯矩作用效应（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。
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 方向的弯曲力矩
• 按 y 方向的弯曲力矩

如果其中任何一项验算不满足标准要求，则无法进行弯曲与受拉 / 受压组合验算。

输出结果也可另行写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。

受扭、受弯、受剪和 / 或轴力作用构件的验算

最大抗扭承载力验算，f_TT_{n ,}以及允许应力，T_n/Ω_T 其依据是按照以下公式对正应力、切应力和屈曲应力进行验算：

 

  = 0.90 (LRFD)    = 1.67 (ASD)

 

·         对于正应力作用下的承载能力极限状态：

·         - 对于剪应力作用下的承载能力极限状态：

·         - 对于屈曲极限状态：

其中，Fcr 取按弯曲屈曲或弯扭屈曲受压构件计算所得的值。

输出结果也可写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV)。