AISC 360-16 Ch。 RFEM 6 中的 C 直接分析法

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AISC 360-16 钢标准要求对结构及其每个构件的稳定性进行考虑。 计算方法有直接计算法、有效长度法和直接分析法。 本文将重点介绍 Ch. C [1]和直接分析方法将被纳入到 RFEM 6 中的应用程序中。

稳定性要求

在宗派中。 C1 [1]中列出了钢结构稳定性设计中的5个要求。 直接在 AISC 360-16 中使用,包括:

  • 杆件的弯曲、剪切和轴向变形,以及所有其他导致结构位移的构件和连接变形。
  • 二阶效应(包括 P-Δ 和 P-δ 效应)
  • 几何缺陷
  • 由于无弹性而导致的刚度折减,包括可能由于剩余应力的存在而加剧的截面部分屈服的影响
  • 体系、杆件以及连接的强度和刚度的不确定性

采用直接分析法可以满足上述要求。 本文将主要讨论 b 项。通过 d.以及在 RFEM 6 中的应用

二阶效应

结构分析应考虑 P-Δ 和 P-δ 的二阶效应。 当结构构件(例如柱子)除了受到侧向荷载外,还受到轴向荷载时,该构件将发生挠度。 挠度距离 Δ 乘以轴向荷载 P 得到一个次要弯矩 P-Δ,必须予以考虑。 此外,在分析中还应考虑沿杆件弯曲曲率的轴向荷载的失稳作用。 图。 C-C2.1 [1]提供了一个关于杆件上次效应的图形示例。

AISC 在 C2.1(b) [1]中列出了 P-δ 效应可以忽略的情况。 否则,如果杆件同时受压和受弯,则在分析中应考虑这些局部变形。

在 RFEM 6 中,二阶分析作为一系列线性问题进行迭代求解,其中轴力根据上一次迭代进行更新,并在迭代步骤中视为常数。 这种数值方法是称为 Picard 方法的不动点迭代法。 当 RFEM 6 求解器中的基本微分方程设置为这种方法时,P-Δ 和 P-δ 二次效应都会被自动捕获。

RFEM 6 中的设计状况和荷载组合默认设置为二阶和 Picard 法。 用户可以针对 LRFD 或 ASD 设计情况修改这些默认设置,例如在组合向导 – 静力分析设置 – 非线性分析中的迭代法。

各个荷载组合将遵循在相应设计状况下定义的分析设置。 但是,用户可以根据需要单独修改荷载组合设置。

为了遵守Sect。 C2.1(b) [1] ,强度设计时用户可以保留默认二阶分析工况1 – LRFD。 此外,可以为设计状况 2 - ASD 设置所需的分析类型,该类型可以与创建的任何其他设计状况一起用于适用性检查。 有关这些对话框中提供的选项的更多信息,请访问RFEM 6 在线手册。

几何缺陷

宗派C2.2 [1]要求通过直接对缺陷建模或使用假想荷载来考虑结构缺陷。 Sect.ISC 进一步明确了建筑结构中缺陷的主要问题是柱子的垂直度。 本节中不要求 r 段不直度,因为该影响已在 Ch 中考虑。 E [1]为抗压设计。

缺陷的直接建模应考虑荷载引起的初始位移和预期的屈曲振型,以便产生最大的失稳效应。 根据结构的大小,这可能非常耗时且复杂。 另一种方法是使用名义荷载。

根据 C2.2b(a) [1] ,在所有荷载组合中的所有水平上都应施加名义荷载作为附加侧向荷载。 除 C2.2b(d) [1]中给出的例外情况,当结构的二阶漂移与一阶漂移之比小于或等于 1.7 时,名义荷载可以应用于仅受重力作用的荷载组合上,从与其他施加的侧向荷载的组合。

每一层的名义荷载大小可以使用公式 C2-1 [1]计算。

公式 1

Ni=0.002αΥi

值:

α = 1.0(LRFD); α = 1.60(ASD)
Ni = 在水平i处施加的名义荷载,kips (N)

Yi = LRFD 荷载组合或 ASD 荷载组合中在水平i施加的重力荷载,kips (N)

应在引起最大不稳定影响的方向上施加假想荷载。 这意味着对于只有重力的荷载组合,应在两个正交方向上施加名义荷载。 对于施加了侧向荷载的荷载组合,名义上的荷载应该与其合力方向相同(例如,X 方向上的风荷载应该包括 X 方向上的名义荷载)。

RFEM 6 允许用户在正交方向上定义缺陷情况,例如 ±X 或 ±Y 方向。 考虑到最大的失稳影响,可以进一步将荷载工况分配给每个缺陷荷载工况。 RFEM 将自动将缺陷工况分配给生成的荷载组合,如在该对话框中直接显示的。

一旦定义了缺陷情况,用户必须在每个缺陷情况下定义杆件缺陷。 “ANSI/AISC 360-16 |在下拉列表中选择当前”将从分配的荷载组合中考虑杆件的轴力,使用公式C2-1 [1] ,然后在杆件始端和末端应用计算的名义荷载大小。 ANSI/AISC 360-16 | 点击“重力荷载”,用户可以参考当前荷载组合以外的其他荷载组合来计算杆件的轴力。 基于全局坐标轴或杆件局部坐标轴指定缺陷方向。 应仔细考虑缺陷方向,因为缺陷方向是对结构整体影响最大的方向。 一旦定义了该信息,就可以将缺陷分配给多个杆件,例如结构中的所有柱子。

设置缺陷后,可以在 RFEM 中以图形方式显示在结构上的缺陷。

缺陷只应用于强度荷载组合,正常使用验算不需要。 因此,在图 1 所示的“编辑组合向导”对话框中,应打开“考虑缺陷情况”并将其应用于设计情况 1 - 假设强度设计按照 LRFD 方法进行。 或者,使用左下角的“创建新的组合向导”按钮可以在关闭“考虑缺陷情况”的情况下生成一个新的项目定义。 与强度设计类似,静力分析设置为二阶 (P-Δ)。 现在,假设将使用未分解系数的荷载组合进行适用性设计,那么可以将该新组合向导分配给设计状况 2 – ASD。

一旦将这些设置应用于设计状况,“荷载组合”选项卡下列出的各个荷载组合也将自动反映这些设置。

调整刚度

杆件残余应力会导致截面的部分屈服,从而导致结构的整体软化。 这反过来又会导致不稳定。 此外,还应考虑塑性在杆件截面和杆件长度上的扩展。

为了近似这些对杆件强度折减的影响,AISC 要求所有对结构稳定性有贡献的刚度系数系数为 0.8。 该标准在 C2.3(a) [1]中继续指出,应该对所有杆件进行刚度折减,以避免结构人为变形。 因此,该系数 0.8 可以应用于所有杆件的轴向刚度和抗弯刚度。

此外,系数 τb由公式 2 计算。下面显示的 C2.2a 和 C2.2b [1]应仅适用于杆件的抗弯刚度。 必须考虑细长单元截面与非细长单元截面的抗压强度。

(1) 当α Pr/Pns ≤ 0.5

公式 2

τb=1

(2) 当α Pr/Pns > 0.5

公式 3

τb=4(αPr/Pns)[1-(αPr/Pns)]

值:

α = 1.0(LRFD); α = 1.60(ASD)
Pr = 使用 LRFD 荷载组合或 ASD 荷载组合时所需的轴压强度,kips (N)

Pns = 截面抗压强度;对于非细长单元截面, Pns = Fy Ag ,对于细长单元截面, Pns = Fy Ae ,其中Ae的定义参见截面 E7 kips (N)

根据Sect。 C2.3(c) [1]中,所有杆件的抗弯刚度可取 τb = 1.0,但按本节规定对结构施加额外的名义荷载。 此外,刚度折减仅适用于强度和稳定性极限状态。 不适用于正常使用极限状态或漂移、挠度、振动和周期确定等其他分析。

RFEM 6 使用户能够对所选杆件应用 AISC 刚度折减要求。 系数 0.8 应用于杆件的轴向和抗弯刚度,系数 τb可以根据公式 3 自动计算。 C2.2a 和 C2.2b [1]并应用于杆件抗弯刚度。 再次访问设计状况 1 的组合向导 – LRFD,应激活“考虑结构修改”并定义新的结构修改设置。 同时激活“成员”选项后,会出现一个新的成员选项卡。 在该选项卡中可以选择“新建杆件刚度修改”。 最后是选择 AISC 360-16 C2.3 | 钢结构”。 注意“迭代公式”。选择 C2-2a 和 C2-2b”根据细长单元或非细长单元的法向力自动计算抗弯刚度 τb系数。 系数默认为 0.8,并应用于弯曲和轴向刚度。 定义好所有选项后,可以通过图形方式选择要进行刚度折减的钢杆件,或者可以在“结构修改”对话框中直接输入杆件编号。

请注意,之前已经为设计状况 2 – ASD 定义的单独的组合向导,用于停用上述适用性设计的缺陷选项,“考虑修改结构”也应该取消选中。 这将对所有未考虑系数的荷载组合使用完整的杆件刚度。

结束语

在 AISC 360-16 Ch 中给出的要求。 直接分析方法 C 的计算方法,包括二阶效应、杆件缺陷和刚度折减,可以按照上述工作流程在 RFEM 6 中进行分析和设计。 有关在 RFEM 中应用直接分析法的更多信息和示例,请参阅之前录制的网络课堂 RFEM 6 中的 AISC 360-16 钢结构设计,并在下载的模型 下下载相关模型。

作者

Amy Heilig, PE

Amy Heilig, PE

CEO - 美国办公室
销售和技术支持工程师

Amy Heilig 是位于宾夕法尼亚州费城的美国分公司的 CEO。 此外,她还提供销售和技术支持,并继续帮助开发针对北美市场的 Dlubal 软件程序。

关键词

稳定性设计

参考文献

[1]   ANSI/AISC 360-16, Specification for Structural Steel Buildings

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  • 更新 2022年04月20日

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