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技术支持中心知识库文章钢结构节点中的内力
定义荷载效应的不同方式
平衡与支撑构件
节点加载原则:平衡、承压构件等
关于约束、构件长度以及GMNA与MNA分析的关键见解
计算荷载极值
剪力位置输入与可视化
当剪力节点传递弯矩时
默认情况下荷载处于平衡状态
如何从 Excel 表格导入荷载效应
百分比加载
三维有限单元法模型中的节点平衡
钢结构节点中的内力
正确的 LCS(局部坐标系)方向
钢结构节点中的内力
SteelConnection designKnowledge baseConnectionAISC (USA)

钢结构节点中的内力

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框架分析模型中构件的端部力被传递到构件段的端部。传递过程中,考虑了由节点设计引起的构件偏心。

CBFEM(基于组件的有限元模型)方法建立的分析模型与实际节点高度吻合,而内力分析则在高度理想化的三维有限单元法杆件模型上进行,其中各梁以中心线建模,节点以无实体节点建模。

竖向柱与水平梁的节点

内力采用三维模型中的一维构件进行分析。下图为内力示例。

水平梁中的内力;M 和 V 为节点处的端部力

构件对节点(节点)的作用效应对节点设计至关重要。以下图示说明了这些效应:

构件对节点的作用效应;CBFEM(基于组件的有限元模型)模型以深蓝色绘制

弯矩 M 和剪力 V 作用于理论节点处。理论节点在 CBFEM(基于组件的有限元模型)模型中并不存在,因此荷载无法施加于此处。模型必须由作用 M 和 V 加载,并将其转移至距离 r 处的段端部

Mc = M – V ∙ r

Vc = V

在 CBFEM(基于组件的有限元模型)模型中,段的端截面由弯矩 Mc 和力 Vc 加载。

在设计节点时,必须确定并考虑其相对于理论节点的实际位置。实际节点位置处的内力通常与理论节点处的内力不同。借助精确的 CBFEM(基于组件的有限元模型)模型,设计基于折减后的力进行——见下图中的弯矩 Mr:

CBFEM(基于组件的有限元模型)模型上的弯矩:箭头指向节点的实际位置

在对节点施加荷载时,必须考虑实际节点的求解结果应与用于计算内力的理论模型相对应。对于刚性节点,这一条件可以满足,但对于铰接节点,情况可能完全不同。

铰接节点在理论三维有限单元法模型与实际结构中的位置

由上图可知,铰接节点在理论一维构件模型中的位置与其在结构中的实际位置不同,理论模型与实际情况不符。在施加计算所得内力时,偏移后的节点会承受较大的弯矩,导致所设计的节点过大或无法完成设计。解决方法很简单——两个模型必须相互对应。要么在一维构件模型中将铰接节点定义在正确位置,要么对剪力进行偏移,使铰接节点位置处的弯矩为零。

梁上弯矩的偏移分布:零弯矩位于铰接节点位置处

剪力的偏移可在内力定义表格中进行设置。

荷载效应的位置对节点的正确设计影响重大。为避免一切误解,我们允许用户从以下三个选项中进行选择——Node / Bolts / Position。

请注意,选择 Node 选项时,力施加于所选构件的端部,通常位于理论节点处,除非在几何设置中对所选构件设置了偏移。

从有限元分析程序导入荷载

IDEA StatiCa 支持从第三方有限元分析程序导入内力。有限元分析程序使用各组合内力的包络值。IDEA StatiCa Connection 是一款以非线性方式(弹性/塑性材料模型)求解钢结构节点的程序。因此,不能使用包络组合。IDEA StatiCa 在所有组合中搜索连接到节点的所有构件端部的内力极值(N, Vy, Vz, Mx, My, Mz)。对于每个极值,同时使用该组合中所有其他构件的其余内力。IDEA StatiCa 确定节点中每个组件(板件、焊缝、螺栓等)的最不利组合。

用户可以修改此荷载工况列表。可在向导(或 BIM)中处理组合,也可直接在 IDEA StatiCa Connection 中删除某些工况。

警告!

导入时必须考虑不平衡内力的问题。以下情况可能导致此问题:

  • 节点力施加于所研究节点的位置。软件无法判断哪个构件应传递该节点力,因此在分析模型中不予考虑。解决方法:在整体分析中不使用节点力。如有必要,须手动将该力作为轴力或剪力添加到所选构件上。
  • 受荷的非钢(通常为木材或混凝土)构件连接到所研究节点。此类构件不纳入分析,其内力在分析中被忽略。解决方法:将混凝土构件替换为混凝土块体和锚固。
  • 节点是楼板或墙体(通常为混凝土)的一部分。楼板或墙体不包含在模型中,其内力被忽略。解决方法:将混凝土楼板或墙体替换为混凝土块体和锚固。
  • 部分构件通过刚性连接与所研究节点相连。此类构件不包含在模型中,其内力被忽略。解决方法:手动将这些构件添加到连接构件列表中。
  • 软件中分析了地震荷载工况。大多数有限元分析软件采用振型分析来求解地震作用。地震荷载工况的内力结果通常仅提供截面内力包络值。由于采用平方和开方(SRSS)的评估方法,内力均为正值,无法找到与所选极值相匹配的力,因此无法实现内力平衡。解决方法:手动更改部分内力的正负号。

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