
有限单元分析,尤其是非线性有限单元分析,作为一种可行的研究方法已被业界认可多年。它有助于推导工程师所使用的规范公式和条款。此外,非线性有限单元分析在美国及全球的工程实践中被广泛应用,用于解决从简单到复杂的各类工程问题。
美国规范和标准,包括 ACI、AISC、TMS、NDS 等,均包含允许对规范未涵盖的(通常较为复杂的)结构构件和节点使用非线性有限单元分析的条款。若规范允许将该方法用于复杂问题,则其同样可以解决具有简化假设的简单问题。研究表明,构件和节点设计的极限状态可通过有限单元分析加以捕捉。以下是 AISC 手册各章节中列举的部分参考文献。
AISC 360 注释在多处指出了使用有限单元分析和非线性有限单元分析的可能性,例如:
- "本规定还允许使用计算分析(例如,有限单元法)来替代用于评估第 D 章至第 H 章、第 J 章和第 K 章所涵盖极限状态的规范公式",见 AISC 手册第 16 版注释部分:附录 1,Comm 1.1,第 573 页。
- "任何基于非弹性分析且满足给定一般要求的设计方法均被允许使用。这些方法可包括使用非线性有限单元分析(Crisfield, 1991;Bathe, 1995),基于连续体单元对单个结构构件(如节点)进行设计,或使用二阶非弹性框架分析(Clarke et al., 1992;McGuire et al., 2000)对由梁、柱和节点组成的结构体系进行设计。"见 AISC 手册第 16 版 Comm 1.3,16.1-582。
- "当所需模拟的节点不在数据库范围之内时,可通过试验、简单构件建模或有限单元研究(FEMA, 1995)来确定其响应特性。"见 AISC 手册第 16 版 B3 注释,第 16.1-322 页。
- "当设计工程师遇到不含对称轴的梁或第 F 章其他章节无相应规定的任何截面形式时,应力应限制在屈服应力或弹性屈曲应力范围内。应力分布和/或弹性屈曲应力必须根据结构力学原理、教材或手册(如 SSRC 指南(Ziemian, 2010))、期刊论文或有限单元分析确定。此外,设计者也可通过从第 F 章前述章节所列的众多截面形式中进行选择来规避此问题。"见 AISC 手册第 16 版 Comm. F12,16.1-393。
- "当焊缝长度超过焊缝尺寸的 100 倍时,有效长度应取小于实际长度。第 J2.2b 节中给出的折减系数等同于 CEN(2005)中的规定,该系数是对多年来欧洲通过有限单元研究和试验所建立的指数公式的简化近似。"见 AISC 手册第 16 版 Comm J2,第 16.1-484 页。
AISC 设计指南 1《钢结构柱脚节点设计》第三版新增了两个附录(附录 C 和附录 D),分别提供了框架分析中柱脚节点的表示方法,以及通过有限单元分析进行模拟的设计指导。
- 附录 D——有限单元分析在底板分析与设计中的应用指南,重点针对外露式柱脚节点详图
AISC 设计指南 24《空心结构截面节点》第三版引用如下:
- "AISC 规范第 K 章注释将非弹性有限单元(FE)分析列为有经验工程师在适用范围限制之外进行设计的工具,AISC 规范附录 1 允许使用该方法。焊接节点和螺栓节点均可采用有限单元方法进行设计,弹性分析对于疲劳设计已足够,但非弹性分析通常是捕捉极限承载能力极限状态所必需的。应始终核查所选软件的局限性,以确保软件具备正确分析和捕捉所研究极限状态的能力。这可能涉及对非线性分析、破坏准则、允许的节点和单元数量、单元库中的单元类型等方面的确认。"见第 2.13 章,第 41 页。
- "在此情况下,有限单元建模技术及所选网格和材料参数应与研究文献或已收集的基准案例(经过验证)中的有限单元分析结果进行对比验证,例如 Wald et al.(2017)的研究。"见第 2.13 章,第 41 页。
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