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2026-09-29

截面特性

截面面积

截面面积分为几何截面面积和有效截面面积。几何截面面积对应于截面的实际面积,与材料特性无关。有效截面面积则考虑了不同的材料刚度,例如在复合截面中。

有效截面面积以弹性模量为 Eref 的参考材料为基准:

几何截面面积由下式计算:

弹性重心位置

坐标 ey 和 ez 描述弹性重心相对于整体坐标系原点在 Y 和 Z 方向的位置。 弹性重心是在考虑材料刚度的情况下确定的。其坐标由以弹性模量加权的面积积分得出:

惯性矩

惯性矩 Iy 和 Iz 参考局部坐标系 y、z。局部坐标系的原点位于弹性重心处,其轴与整体轴 Y 和 Z 平行。

惯性矩 Iu 和 Iv 参考主轴 u 和 v。这两个轴通过弹性重心,并且相对于局部坐标系 y、z 旋转了主轴角度 α。

对于由多个未连接的子截面组成的截面,惯性矩在求和时不考虑平行移轴项(Steiner 项)。

离心矩

离心矩 Iyz 参考局部坐标系 y、z。局部坐标系的原点位于弹性重心处,其轴与整体轴 Y 和 Z 平行。

有效截面的离心矩由下式计算:

极惯性矩

极惯性矩 Ip 参考重心,由两个主惯性矩之和得出:

极惯性矩 Ip,SC 参考剪力中心。

主轴倾角

角度 α 描述主轴系统 u、v 相对于局部坐标系 y、z 的旋转。

惯性半径

惯性半径描述截面面积相对于参考轴的分布。它由相应的惯性矩与截面面积之商的平方根得出。

弹性截面模量

弹性截面模量 Wy,min、Wy,max、Wz,min、Wz,max、Wy 和 Wz 参考局部坐标系 y、z。局部坐标系的原点位于弹性重心处,其轴与整体轴 Y 和 Z 平行。

弹性截面模量 Wu,min、Wu,max、Wv,min、Wv,max、Wu 和 Wv 参考主轴 u 和 v。

剪切面积

剪切面积由圣维南扭转问题的有限元解确定。根据翘曲函数的三个计算的单位状态,建立剪切和扭转刚度矩阵 D。该矩阵将截面的扭转以及平均剪切应变与主扭矩和剪力联系起来:

局部坐标系 y、z 中的剪切面积

由刚度矩阵 D 的对角项 D22 和 D33 得出局部坐标系中的剪切面积:

主轴系统 u、v 中的剪切面积

刚度矩阵的横向剪切分量通过以下关系转换到主轴 u、v 中:

旋转矩阵 S 由主轴倾角 α 定义:

最后,由转换后的矩阵 As 的对角元素 As,11 和 As,22 计算主轴系统中的剪切面积:

剪力中心位置

剪力中心是截面平面内的一个点,剪力的作用线必须通过该点,才不会产生杆件的附加转动。反过来,作用于剪力中心的纯扭矩只会导致扭转,而不会产生附加的剪力弯曲。相对于剪力中心,由剪力引起的剪应力所产生的力矩为零。 如果将上一节推导的剪切-扭转刚度矩阵 D 参考剪力中心,由于这种力学解耦,剪力与扭转之间的相应耦合项将消失:

D12=D21=0 和 D13=D31=0

局部坐标系 y、z 中的剪力中心坐标

剪力中心的坐标 ySC 和 zSC 的确定方式是满足上述条件。所计算的坐标参考截面的弹性重心。

主轴系统 u、v 中的剪力中心坐标

所确定的坐标从局部 y,z 系统到主轴系统 u、v 的转换通过主轴倾角 α 按以下转换方程以几何方式进行:

所计算的坐标参考截面的弹性重心。

扭转惯性矩

扭转惯性矩 It 描述截面抵抗纯扭转(扭转作用)的几何阻力。扭转惯性矩由圣维南扭转问题的有限元解确定。扭转惯性矩的计算考虑截面翘曲(Wölbung),通过以下积分关系进行:

扭转截面模量

扭转截面模量由主单位扭矩 Mxp=1 与自由扭转引起的最大合成扭转剪应力之商计算:

计算时采用有限元节点处未平滑的应力值中的最大值。在图形结果显示中,应力默认通过在公共节点处对相邻单元的值取平均来进行平滑处理。这样可以减少局部应力峰值。

因此,图形结果中的最大应力可能与计算 Wt 时起决定作用的应力不同。基于所显示的应力最大值进行反算不一定得出输出的 Wt 值。

相对于剪力中心的翘曲截面常数

翘曲截面常数描述截面抵抗翘曲变形的能力。 该截面特征值通过对以材料加权的翘曲函数 ω 的平方相对于剪力中心的以下积分计算:

相对于剪力中心的翘曲惯性半径

翘曲惯性半径由翘曲截面常数和极惯性矩计算得出。它相对于剪力中心。

相对于剪力中心的翘曲截面模量

翘曲截面模量由相对于剪力中心的翘曲截面常数与相应扇性坐标的最大值之商计算。

截面不对称参数

截面不对称参数考虑单对称或不对称截面几何形状对弹性临界弯扭屈曲力矩的影响,从而对弯扭屈曲行为产生影响。

相对于弹性重心的截面不对称参数

相对于剪力中心的截面不对称参数

相对于剪力中心的翘曲扭转辅助值

翘曲扭转辅助值是描述截面相对于剪力中心的翘曲分布的辅助量。

塑性截面模量

在确定塑性截面模量时,将参考塑性中性轴的受拉区和受压区静力矩的绝对值相加。

塑性形状系数

塑性形状系数描述相对于弹性极限承载力的塑性截面储备。

塑性中性轴位置

塑性中性轴的位置由轴向力平衡确定。在理论上的全塑性状态下,合成拉力和压力的大小必须相等。它们由相应的屈服强度在相应截面面积上的积分得出。

局部坐标系 y、z 中塑性中性轴的位置

坐标 ypl 和 zpl 描述塑性中性轴在局部坐标系 y、z 中相对于截面弹性重心的位置。 坐标 ypl 表示平行于局部 z 轴的塑性中性轴的位置。坐标 zpl 表示平行于局部 y 轴的塑性中性轴的位置。

主轴系统 u、v 中塑性中性轴的位置

坐标 upl 和 vpl 描述塑性中性轴在主轴系统 u、v 中相对于截面弹性重心的位置。平行于主轴 v 的塑性中性轴通过坐标 upl。平行于主轴 u 的塑性中性轴通过坐标 vpl。

重量

重量描述截面单位长度的重量。它由单位重量在截面面积上的积分得出:

质心位置

质心的坐标相对于截面的弹性重心给出。它们由以相应材料密度加权的静力矩除以单位长度的总质量得出:

单位长度表面积

单位长度表面积描述暴露于外部直接热作用的截面外部周长。

实体

实体描述截面相对于单位长度的体积。对于单位长度,它等于几何截面面积 Ageom 的面积。

截面系数

截面系数描述暴露于火中的构件表面积与单位长度构件体积之比。计算通过单位长度表面积与实体之商进行:Am / V。

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