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侧扭屈曲约束构件
结构设计中的侧扭屈曲约束
剪切中心处的荷载——构件翘曲
钢结构高级分析类型
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节点分析为0%或无法达到100%
什么是奇异性警告?
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扭矩与翘曲
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剪切中心处的荷载——构件翘曲
SteelConnection designMember designKnowledge baseConnection

剪切中心处的荷载——构件翘曲

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

随着 IDEA StatiCa 分析模型的改进以及凝聚单元的引入,构件的翘曲现象变得更加明显。应如何处理?何时需要考虑翘曲?

分析模型描述

在分析模型中引入凝聚单元后,构件长度大幅增加。在 IDEA StatiCa Connection 20.1 及更低版本中,构件默认长度对于开口截面为 1.5×h,对于闭口截面为 2×h。由壳单元组成的构件端部通过连接件进行加劲,荷载也通过这些连接件施加。这些连接件使构件端部在翘曲方向上具有较大刚度。

在 IDEA StatiCa Connection 21.0 及更高版本中,凝聚单元被添加在由壳单元组成的构件段之后。凝聚单元具有与弹性材料属性壳单元组合相同的特性。对于应力-应变分析类型,凝聚单元的长度为 4×h。荷载施加于凝聚单元的端部,因此节点受加劲效应的影响大幅减小。该模型更为高效,并允许将由壳单元组成的构件默认长度减小至 1.25×h,适用于开口截面和闭口截面。 

有关该主题的更多内容,请参阅 Condensed superelements - invisible but essential 文章。

这意味着采用默认设置时,构件长度对于开口截面从 1.5×h 增加至 5.25×h,对于闭口截面从 2×h 增加至 5.25×h。根据 Vlasov 理论,翘曲沿构件长度发展,翘曲弯矩并非线性增长,而是呈指数增长。 

因此,在早期版本(20.1 及以下)中,翘曲弯矩影响较小,但现在可能非常显著;若节点处翘曲受到约束,翘曲弯矩约为原来的 6.5 倍。当然,板件、螺栓和焊缝的承载比也随之提高。

需要注意的是,翘曲弯矩取决于构件长度、荷载施加位置、两端边界条件以及中间支撑或加劲板的情况。因此,用户应意识到翘曲弯矩仍存在一定误差。只是现在构件更长,若扭转可以合理解释,则其量值更接近实际情况。

构件是否真的发生翘曲?

关键问题在于构件的扭转和翘曲是否真实存在。通常,构件的上翼缘由楼板约束,能有效限制构件的扭转。在这种情况下,扭转和翘曲可以忽略不计,无需针对这些力对构件及其节点进行设计。 

若这些檩条的上翼缘确实受到侧向位移约束,则该破坏模式不适用,内力应作相应修正。

如何消除不必要的扭矩?

在 Connection 软件中,有两种方法可以忽略扭矩。

  1. 计算等效弯矩
  2. 使用侧扭约束操作

下面分别介绍每种方法。

等效扭矩计算

所有构件均通过其重心施加荷载。对于双轴对称截面(如 I 形、H 形、RHS、CHS 截面),重心与剪切中心位于同一位置。若荷载通过剪切中心,则剪力不会产生附加扭矩。 

然而,对于仅有单轴对称或无对称轴的其他构件,剪切中心位置偏离重心。剪力通过重心施加,从而产生扭矩。该扭矩等于剪力乘以重心与剪切中心之间的距离。 

若工程师假定构件不能转动,则该扭矩应由施加荷载效应中的反向扭矩来平衡。请注意,使用荷载平衡选项时,该平衡扭矩将显示在不平衡力中。

下面通过一个实际算例加以说明。

我们有一个带 U 形梁的节点。截面形状、截面特性及荷载见下图。

例如,该梁发生扭转,呈现出不合实际的应力和变形趋势,规范校核结果也受到影响。实际上,该梁沿全长均受到扭转约束,因此不应出现此类效应。

为修正模型,需计算等效反向扭矩 M'x 并将其附加到该构件的荷载效应中。在本例中,对于荷载工况 LE1,需额外附加弯矩 M'x = Vz * y0 = 1502 * 0,113 = 170 kNm。

请注意,是否平衡扭矩由工程师决定。相关规范条文或 出版物 可提供参考依据。

侧扭约束操作

稳定构件的另一种方法是使用侧扭约束操作。

如需了解更多关于该功能的信息,请阅读以下文章:

  • 构件的侧扭约束
  • 结构设计中的侧扭约束

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