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节点刚度及其在整体分析中的应用

本文也提供以下语言版本
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
AI从英语翻译

IDEA StatiCa Connection 提供刚度分析类型。该功能可生成荷载-变形曲线图,其中最重要的是弯矩-转角曲线图,它影响结构中内力的分布。本文介绍如何使用该曲线图。

弯矩-转角曲线图是 IDEA StatiCa Connection 软件的输出结果之一。它能较为准确地反映特定节点在特定静力荷载作用下的行为。但如果存在不同类型的荷载会怎样?如果荷载超限并产生显著的塑性变形会怎样?如果存在较大的制造公差又会怎样?

分类

最重要的影响体现在:

  1. 结构中构件和节点的内力(承载能力极限状态)
  2. 变形(正常使用极限状态)

欧洲规范 EN 1993-1-8:2005 第 5 章对此问题进行了阐述。梁柱节点按初始刚度分类如下:

  • 铰接 - 节点不传递任何弯矩
  • 半刚性 - 节点传递部分弯矩,其行为需在整体分析中加以考虑
  • 刚性 - 节点对分析无影响,构件之间刚性连接

您可能已注意到,规范未提及悬臂节点。这是因为对悬臂节点而言,分类并不重要。悬臂节点必须始终传递全部弯矩。

整体分析中的节点

没有节点是理想铰接或刚性的,但第 5.2.2.5 条中的分类界限是为了将误差限制在:

  • 内力误差 5% 
  • 变形误差 20%

下图以两端与柱相连的梁为例,展示了这一可能的误差。蓝色曲线表示节点处的弯矩,红色曲线表示梁跨中弯矩。在铰接和刚性区域,内力几乎不变,但在半刚性区域变化迅速。还请注意弯曲刚度采用对数坐标。这意味着刚度可能变化达 100 倍,但只要节点保持在刚性或铰接区域,其影响就非常小。

这一切意味着,我们可以在整体分析中使用刚性或铰接节点,而无需关注其实际刚度。

但对于半刚性节点应如何处理?

IDEA StatiCa 显示的节点行为,是假定节点全新且仅在特定荷载工况下加载一次的情况。但实际存在诸多不确定性。节点可能已经历过塑性变形,可能已锈蚀,工人可能采用了不当方法进行安装以消除制造公差。对于半刚性节点,仅当结构整个使用寿命内 Mj,Ed 始终不超过 2/3 Mj,Rd 时,才可在整体分析中使用初始刚度。这种情况很少发生,但可作为确定 Mj,Ed 的第一步。若任一荷载工况下设计弯矩超过 2/3 Mj,Rd,则整体分析中应使用按表 5.2 中系数 η\etaη 折减后的初始刚度:

总结

通常,整体分析中应使用 IDEA StatiCa Connection 输出的初始刚度(而非割线刚度)。在 2/3 Mj,Rd 处假定的初始刚度用于节点分类。

  • 刚性节点 - 保持构件在节点处刚性连接
  • 铰接节点 - 添加理想铰
  • 半刚性节点:
    • Mj,Ed < 2/3 Mj,Rd - 使用 Sj,ini
    • Mj,Ed > 2/3 Mj,Rd - 使用 Sj,ini / η\etaη

下载附件

  • 0035_Joint stiffness and its influence on design of steel structural elements EN 3.pdf (PDF, 489 KB)

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