10-P.1        适用范围

根据钢结构规范对钢结构进行验算 AISC 15钢结构施工手册^th 版在 CivilFEM 中， 对由轧制型钢或组合型钢组成、承受三维轴力、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	承受组合应力及 扭矩的构件。

 

10-P.2        所涵盖的验算类型

CivilFEM 可进行以下类型的分析和验算：

·         以下受力截面的验算：

       - 受拉                                                                    D

       - 受弯                                                                      F

       - 剪力                                                       G

       - 压弯                                                     H1

·         屈曲验算：

       - 受压和受弯构件               E3, E7

       - 受弯和受扭构件                      E4, E7

 

 

10-P.3        支持的单元类型

CivilFEM 支持的单元类型为以下 ANSYS 二维和三维杆 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-P.4        支持的截面类型

CivilFEM中考虑的结构钢横截面可分为：

• 程序型材库中包含的所有轧制型材（双T形、槽形等）（参见型材库和命令~SSECLIB).
• 由钢板组焊成的双T形、槽形或U形、单T形、箱形、等边和不等边角钢以及管形型材（命令~SSECDMS).
• 由钢板定义的组焊型材（命令~SSECPLT).这些截面归类为通用形状（通用截面).
• 来自实体截面的型材，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 15TH EDITION标准中考虑的横截面取决于验算类型：

 

 

 

10-P.5        CivilFEM处理的数据和结果

CivilFEM 处理以下数据组和结果组，以便按照 ASIC-AISC 15TH EDITION 规范进行校核：

·         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 15TH 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属性。

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、铆钉孔及其他减轻孔得到。用户在计算参数 AHOLES 时，必须考虑 AISC 15TH B4-3 节中的规定。（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相关的数据，根据规范 B4 节的规定在校核过程中获得。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 15TH EDITION 模块以用户单位制下的毛截面数据以及 CivilFEM 坐标轴或截面坐标轴（视情况而定）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 坐标轴或截面坐标轴存储在 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.

以下表格汇总了 AISC 15TH 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，对于每个构件及其端部，均需计算一个有效截面。

 

 

V.- 截面中各板件的相关数据

属性 构件层面

按照 AISC 15TH EDITION 进行验算时，采用下表所述的构件层面属性集，所有这些属性均以用户单位并按照 CivilFEM 轴存储在数据库中。（命令的参数 L、KY、KZ、KTOR、CB、LB ~MEMBPRO).

 

表 5‑1 构件层面属性

材料属性

按照 AISC 15TH EDITION 进行验算时，采用以下材料属性：

表 5‑2 材料属性

*th = 板厚

 

10-P.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 极限	Fy (th)
极限 应力	Fu (th)
横向变形 模量	G
对应板件的 厚度	th

b)    获取与单元对应的 截面数据。

c)    初始化截面板件的 折减系数以及用于确定等级的其他板件参数。

d)    根据作用类型对截面进行 专项验算。

e)    获取 结果。CivilFEM在结果文件.RCV中将单元每个端部的验算结果归入一个方案中， 用户可通过命令指定方案编号来访问这些结果。 ~CFSET.

各类验算对应章节中的表格 描述了每种作用类型所对应的可用数据。

截面的一般处理。 等级和折减系数的计算。

钢截面可分为紧凑、非紧凑或 slender，以及受压时的 slender 和非 slender。要将截面归类为紧凑截面，其翼缘必须连续连接到腹板，且其受压构件的宽厚比不得超过以下限值：l_p （见AISC 15TH EDITION的表B4.1）。如果对于一个或多个受压构件，该比值超过 l_p 但不 l_r, 截面为非 紧凑截面。最后，如果该比值在任一构件中超过 l_r,（参见 AISC 15TH EDITION 的表 B4.1），则该截面将被归类为 slender 截面。

因此，规范根据构件所受荷载为压缩、弯曲或压弯，分别规定了不同的 lambda 值。

截面的分类取其所有板件中的最不利者。因此，除无法分解且具有专用公式的管截面外，应分别计算每个板件的等级。分类时应考虑以下参数：

a) 构件长度：

除非另有规定，板件的长度（b 或 h）取板件长度（其两端点之间的距离）。

b) 翼缘与腹板的区分：

在需要区分翼缘和腹板的情况下，应考虑以下判定准则：

根据弯曲轴，对截面的板件进行检查。板件的 Pty 和 Ptz 字段指示其为翼缘、腹板或未定义，并针对各轴取相应值。如果未定义，则按以下准则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。对于绕 Z 轴弯曲，判定相反。

 

·    焊接或轧制截面:

双 T 形和 C 形截面：

板件长度 h 取截面尺寸中的 d 值。

轧制箱形截面：

长度取箱形截面宽度减去三倍设计厚度 (=0.93*公称厚度)。

按尺寸定义的箱形截面：

长度取箱形截面宽度减去两倍厚度。

轧制管截面：

长度取外径。厚度取设计厚度 (=0.93*公称厚度)。

按尺寸定义的轧制管截面：

长度取外径。厚度取截面厚度。

 

受压构件

为了进行受压验算，首先需要确定特定构件是否加劲，也就是说，是否与下一个构件相连，或者相反处于自由状态。

- 相连构件，即两端均为“fixed”的板件

                      

管状截面

    

箱形截面

 

 

- 两端中的一端或两端均未连接的构件，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形截面的腹板

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：

·         工字形和C形截面：

 

轧制截面的翼缘：

           

焊接组合截面的翼缘：

          

F_L = 0.7*Fyf.

 

 

 

腹板：

         

·         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轴区分翼缘和腹板。

              

 

·         T形截面：

   

Pie:

           

 

翼缘：

           

 

受拉构件验算（D章）

轴力必须为正（如果为负，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

取以下各项中的较小值

a)    毛截面 yielding:

   

 

b)    净截面 断裂:

           

   = 2.00 (ASD)

 

其中：

	有效净面积。
	毛面积。
	屈服极限。
	断裂应力.

 

有效净面积的定义取自净截面的 属性（默认值 A_g – AHOLES)，用户需要正确计算 AHOLES。应注意，未输入 U 值 (shear leg factor)，因此用户有责任修改有效面积 Aeff = (A_g – AHOLES)*U，使用 命令 ~SECMDF

受压构件验算 （E章）

在受压构件验算中，AISC 15TH 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)

 

根据临界应力计算抗压承载力

       (E3-1)

 

(a) 对于 

              

(b) 对于  

 

Fcr 值取弯曲屈曲（按两个轴）和弯扭屈曲对应的 Fcr 中的较小值。

弯曲屈曲受压   

分别计算各轴的弹性屈曲应力，并取两者中的较小值：

其中：

r	屈曲轴的回转半径。
K	屈曲系数。
L	L构件的实际长度。

弯扭屈曲压缩

扭转或弯扭临界屈曲弹性应力 F_e 计算如下：

对于工字形截面：

对于T形截面：

           

对于C形截面：

           

 

 

对于其余截面：

作为下列三次方程的最小解， 其中已对轴进行了置换，使其与 CivilFEM的常规轴相匹配：

   (E4-4)

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).
y0,z0	C相对于形心的剪力中心 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 取自 CivilFEM 的 Y 轴和 Z 轴。如果不是这种情况（例如角钢），则取主轴 U 和 V， 其中 U 为惯性矩较大的轴。

扭转惯性矩（CivilFEM 中的 Ixx，以及 AISC 15TH EDITION 公式中的 J）可针对 CivilFEM 截面计算，但无法针对导入截面计算，因此用户必须在力学属性中输入此参数。

输出结果也可写入 CivilFEM 结果文件（.RCV）。校核结果（准则和变量）见下表：

 

受弯构件校核 （F 章）

F 章仅适用于以下所述截面

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，是以下四项校核中的最小值：

 (LRFD)   (ASD)

a)    钢材屈服

b)    侧向扭转屈曲

c)    翼缘局部屈曲

d)    腹板局部屈曲

名义弯矩值应考虑以下因素进行计算：

截面：I、C 沿较大惯性轴受荷，且腹板为紧凑型。

极限状态：

·         屈服：

 

·         LTB (Lp<Lb<=Lr):

·         LTB (Lb>Lr):

 

 = 用户在构件属性中输入的值

 = 临界应力 

 = 截面弹性模量

  = 翼缘形心之间的距离

 

·         FLB（非紧凑翼缘）：

 

·         FLB（纤细翼缘）：

     

截面：I 绕强轴受荷，腹板非紧凑。

极限状态：

·         屈服：

 = 相对于受压翼缘的截面弹性模量

= 腹板塑性系数（根据 F4-2c 条款）

·         LTB (Lp<Lb<=Lr):

·         LTB (Lb>Lr):

 

 = 用户在构件属性中输入的值

 = 临界应力 

= 腹板塑性系数（根据 F4-2c 条款）

 

·         FLB（非紧凑翼缘）：

 

·         FLB（纤细翼缘）：

     

截面：I 绕强轴受荷，腹板纤细。

极限状态：

·         屈服：

 = 相对于受压翼缘的截面弹性模量

= 弯曲折减系数（根据公式 F5-6）

·         LTB (Lp<Lb<=Lr):

·         LTB (Lb>Lr):

 

 = 用户在构件属性中输入的值

 = 临界应力 

= 弯曲折减系数（根据公式 F5-6）

 

·         FLB（非紧凑翼缘）：

 

·         FLB（纤细翼缘）：

     

截面：I,C 绕弱轴受荷。

·         屈服：

 

·         FLB（非紧凑翼缘）：

 

·         FLB（纤细翼缘）：

截面：Box.  

极限状态：

·         屈服：

 

 

·         LTB (Lp<Lb<=Lr):

·         LTB (Lb>Lr):

 

·         FLB（非紧凑翼缘）：

 

·         FLB（细长翼缘）：

 = 以受压翼缘有效宽度 be（F7-4 或 F7-5）为宽度计算的截面有效模量

 

·         WLB（非紧凑腹板）：

 

·         WLB（细长腹板）：在为受压翼缘塑性化（F7-7）和受压翼缘局部屈曲（F7-8）定义的 Mn 值中取最小值

 = 相对于受压翼缘的截面弹性模量

= 弯曲折减系数（根据公式 F5-6）

 

 

截面：管状截面

极限状态：

·         屈服：

 

 

·         FLB（非紧凑翼缘）：

·         FLB（细长翼缘）：

截面：T形截面，在腹板平面内受荷

极限状态：

·         屈服（T形截面受拉翼缘）：

·         屈服（T形截面受压翼缘）：

 

·         LTB（Lp<Lb<=Lr）（T 形截面受拉翼缘）：

·         LTB（Lb>Lr）（T形截面受拉翼缘）：

 

 = 

 （翼缘受拉时为正号，受压时为负号）

输出结果将写入 CivilFEM 结果文件

作为一种替代方案（.RCV）。

受剪构件验算 （G章）

G章仅适用于下述截面

抗剪验算

最大抗剪承载力，f_v V_n  以及 允许值V_n/Ω_v，按以下数值计算：

 (LRFD)   (ASD)

对于满足以下关系的轧制I形截面腹板平面内受剪情况除外 其数值取为：

 (LRFD)   (ASD)

 

名义抗剪承载力应根据以下考虑计算：

 

 

截面：I、C形截面 腹板平面内受剪。

对于满足以下关系的轧制I形截面 ->

其余情况：

            Si        ->

            Si        ->

假定其值 为

截面：管形截面

由于事先未知Lv的值（从最大剪力处到剪力为零处的距离），Fcr的值仅按以下公式计算：

 

截面：其余 截面

y根据 G3、G4 和 G6 节的规定 进行计算

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

受组合应力和扭转载荷构件的验算 （H 章）

 

弯曲和拉力/压力作用构件的验算

进行此项验算时，首先需要确定 Mn 的值，因为该值已包含在验算公式中。 Mn 的值将按照受弯应力构件一节中的方法计算，即，抗弯承载力矩 (M_n) 为四项验算结果中的最小值：

1.    钢材屈服

2.    弯扭屈曲

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，弯曲应力与轴向应力的相互作用均受以下方程限制：

(a)  对于 

    (H1-1a)

(b)  对于 

        (H1-1b)

如果轴向应力为拉应力：

Pr	拉力作用效应（N）。
Pc	名义抗拉承载力（N）。 ФtPn (LRFD) Pn/ Ωt (ASD)
Mr	弯矩作用效应（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。
ft	抗拉强度系数。
fb	弯曲抗力系数 = 0.90
Ωt	受拉折减系数
Ωb	受弯折减系数 = 1.67

如果轴向力为压力：

Pr	受拉作用效应（N）。
Pc	受拉名义承载力（N）： ФcPn (LRFD) Pn/ Ωc (ASD)
Mr	受弯作用效应（N·mm）。
Mc	受弯名义承载力（N·mm）： ФbMn (LRFD) Mn/ Ωb (ASD)
y	主弯曲轴。
z	次弯曲轴。
fc	压力抗力系数 = 0.85
fb	弯曲抗力系数 = 0.90
Ωc	受压折减系数 =1.67
Ωb	受弯折减系数 = 1.67

因此进行以下三项验算：

• 弯曲屈曲轴向力
• 按 z 方向的弯矩
• 按 y 方向的弯矩

如果其中任何一项验算不满足规范要求，则不能进行弯曲与拉力 /压力的组合验算。

输出结果也可另行写入 CivilFEM 结果文件 (.RCV)。