介绍

IDEA StatiCa Connection 是一款基于CBFEM(基于组件的有限元模型)的设计软件,专为熟悉钢结构节点设计的专业结构工程师而设计。该软件依赖用户对工程原理的理解,以正确模拟各个节点并在有限单元法分析后对结果行为进行解读。因此,该软件并非旨在取代用户的工程知识,而是通过利用底层CBFEM(基于组件的有限元模型)引擎来增强其设计能力。

本指南总结了软件的一些关键要素,建议所有 IDEA StatiCa 用户阅读。通过阅读本指南,用户可以避免可能导致错误结果的常见错误。此外,支持中心中的在线资源会不断更新有关软件使用和原理的新信息。最后,我们强烈建议您同时阅读理论背景 及其国家附录。

IDEA StatiCa 专为钢结构节点的建模与设计而开发。在此方面,节点必须具有一个可识别的单一汇交点,所有构件均汇聚于此,无论该节点多么复杂。请注意,部分构件相对于节点的微小偏心已由有限单元法模型加以考虑,不会对虚拟节点概念产生任何影响。

另一方面,若模型中可识别出多个节点,则该情况可能应归类为结构体系,IDEA StatiCa 所采用的方法可能不适用,并可能导致错误结果。

工程师须运用其工程判断,确定某节点应视为单一节点还是多个节点,并采用相应的分析方法。

一般原则是,IDEA StatiCa 中的节点仅应包含整体分析软件中所包含的构件,因为分析所得的内力仅涵盖这些构件的内力。当然,这需依据工程判断,并可能因情况而异。

荷载效应默认定义在虚拟节点处。但用户可以逐个构件地修改荷载定义的位置。这在某些情况下是必要的,无论是规范要求(例如 AISC 或 SCI 翅板设计),还是设计规格的要求。

在使用此功能之前,用户必须了解不同的荷载位置会产生不同的计算结果。

咨询顾问通常的做法是以包络结果的荷载表形式分配节点设计荷载,这意味着各应力分量并非同时存在。

这些荷载会产生不真实的应力场。在我们的解决方案中,这种不真实的应力状态会反映在模型中,并可能导致破坏。

请注意,这并非 IDEA StatiCa 的特殊问题,因为如果同时施加这些最大应力分量,在原始整体设计模型中也会产生破坏。连接构件数量越多,这一问题就越突出。

为避免这种情况,强烈建议在设计中使用来自原始整体设计模型的多个荷载组合。已知每个组合的结果在节点处均处于平衡状态。

使用我们的 BIM 链接,可以简便且无误地实现从整体模型到节点设计的过渡。

此外,IDEA StatiCa 提供了一种非常简便的方法,通过启用荷载平衡按钮来识别模型中的不平衡力。这些力将由定义为支承的构件的反力来平衡。

弯矩的符号不遵循经典静力学约定。弯矩遵循构件局部轴的右手定则。

要显示构件的局部坐标轴,应在标签功能区面板中激活 LCS 按钮

要定义绕某轴的正弯矩,用户需将右手拇指指向该轴的正方向,则四指弯曲方向即代表绕该轴的正弯矩旋转方向。

请注意,BIM 链接在从分析软件传递荷载时会自动处理所需的坐标转换。

IDEA StatiCa 允许在构件中定义不同的模型类型选项,每种选项会影响构件端部所施加的约束类型(N-Vy-Vz-Mx-My-Mz 表示自由/无约束端)。本质上,该设置用于确保所施加的荷载与整体模型的受力行为相对应。

例如,若某支撑构件预期承受轴力和剪力但不承受弯矩,则使用无约束模型将不适用,因为该支撑构件沿其长度方向会产生弯矩。可通过使用 N-Vy-Vz 模型来避免这一情况,其中约束本身将抵抗弯矩(该弯矩将在"校核 -> 分析"选项卡下显示为不符合项)。这些约束还可用于通过移除某些自由度来确保给定模型的稳定性。一个典型示例是单螺栓支撑节点,其中支撑可绕螺栓轴自由转动。在这种情况下,使用合适的模型类型可防止机构的形成。

一般而言,若所抵抗的力/弯矩值显著超过所施加的荷载(由设计人员判断),则可能表明所选模型类型不适用于该节点,并可能导致非保守设计。在这种情况下,最好选择与预期荷载/支承条件相对应的其他模型类型,或使用无约束的 N-Vy-Vz-Mx-My-Mz 模型。

模型类型的选择通常取决于设计人员的判断,因为所需的约束在大多数情况下取决于项目规格和模型中必须模拟的荷载条件。

单螺栓支撑节点示例,其中模型类型需设置为 N-Vy-Vz,以防止机构的形成


尽管对于紧凑型节点,屈曲分析可能并不关键,但它被视为CBFEM(基于组件的有限元模型)方法不可或缺的组成部分。因此,强烈建议在完成标准应力/应变分析后进行屈曲分析,以确保满足其限值(参见我们的理论背景),并验证应力-应变分析所预测的承载力能够得到充分发挥。

此外,节点组件的屈曲可能影响整体结构的稳定性。在这种情况下,可以认为屈曲模态类型为整体屈曲。否则,该屈曲模态称为局部屈曲。

需要特别指出的是,不同类型的屈曲模态适用不同的临界系数下限(αcr, limit)。当屈曲系数大于15(塑性设计情况)或大于10(板件应力处于弹性阶段情况)时,可忽略构件(包括节点)的整体屈曲

局部屈曲适用于单个板件(加劲板、柱腹板),相应的屈曲系数限值根据设计规范和研究试验确定。当屈曲系数满足以下条件时,局部屈曲的影响可忽略不计:

  • ≥ 2 - 四边支承板件
  • ≥ 3 - 三边支承板件
  • ≥ 4 - 两边(相邻边)支承板件
  • ≥ 15 - 两边(对边)支承板件

遗憾的是,屈曲形态的类型需依赖工程判断,软件无法自动判定。用户有责任通过观察变形后的屈曲形态,自行判断其模型适用哪种屈曲类型。

当我们向模型中添加构件时,软件会根据截面高度自动计算其长度。该计算算法是CBFEM(基于组件的有限元模型)方法的组成部分,并经过数值和试验结果的校准。

计算所得的构件长度可确保按照CBFEM(基于组件的有限元模型)方法进行适当的应力扩散。

如果在该构件上添加了某个单元或修改(螺栓孔、缺口、开孔等),软件将相应调整总长度,以保持与不连续处的距离。

但是,软件允许通过"规范设置"中的设置更改构件长度计算的默认系数,从而影响总长度。强烈建议用户保留默认值,因为此类更改可能对结果产生显著影响。我们所有的验证均在默认设置下进行。

在极少数情况下,该设置的默认值可能导致原本不会发生的破坏。罕见情形的示例包括:1. 过深的梁(例如深度超过1.5米),导致与最近不连续处的距离过大;或者2. 在短截面上施加较大的局部剪力(例如支承吊车梁的短牛腿),IDEA StatiCa默认情况下会将其建模为比实际更长。两种情况均会导致加载端产生较大弯矩。

正是出于这一原因,该设置才得以提供,以便有经验的用户在处理这些可能需要缩短长度的罕见情况时具有一定的灵活性。

在此类情况下,若能明确确认问题仅由构件长度引起,用户需要开展专项研究,以检验构件深度/长度比的任何缩减对模型行为(应力/应变场及各组件内力)的影响。若输出结果吻合,则可以考虑缩减该参数,但在某些模型中可能需要结合网格设置同步进行。

换言之,若用户决定修改此设置,必须能够通过引用相关研究的输出结果来充分证明该缩减未对节点组件的输出产生影响。

为此,我们建议在修改任何关键参数之前,先与我们的技术支持团队取得联系。

示例研究展示了在不显著影响应力场和组件荷载的情况下缩减构件长度/深度比的情形。

需要注意的是,不同规范对焊缝定义采用不同的规定。例如,美国规范使用焊脚尺寸,而欧洲规范使用焊喉厚度进行计算。这一规定贯穿整个项目,包括报告输出和图纸。

因此,当需要与使用不同规定的第三方(如制造商)进行沟通时,用户有责任相应调整焊缝尺寸。

IDEA StatiCa Connection 是一款主要用于评估热轧构件节点的工具,这类节点受屈曲影响不显著。软件采用几何线性、材料非线性分析,以实现快速稳定的计算。然而,这种分析类型不考虑每个计算步骤中的稳定性丧失,因为屈曲分析是线性的,而稳定性丧失需要进行几何非线性分析。

如果您坚持使用 IDEA StatiCa Connection 对薄壁(冷弯)构件节点进行校核,请确保您是该软件的有经验用户,并准备好对以下几点至少审慎运用工程判断:

  • 执行线性屈曲分析并仔细评估每种屈曲形态。请注意,计算得到的前 5 阶屈曲形态可能并不足够。
  • 不要依赖薄壁构件的塑性,而应将 von Mises 应力限制在屈服强度以内,必要时甚至更低。
  • 请注意,局部屈曲的发展在每个计算步骤中未被考虑,可能以不同方式重新分配各组件中的内力。
  • 请注意,由于不同的破坏模式或其组合,各组件的刚度可能存在差异。
  • 请注意,所呈现的组件(如螺栓、焊缝)规范校核和构造要求遵循适用于热轧构件的规范条款。若薄壁构件的相关规范条款有所不同,则所提供的校核结果不适用于薄壁构件。

在 IDEA StatiCa Connection 中,用户可以自由建模以前无法设计的节点拓扑形式。所提供的各种工具和不同类型的分析(屈曲、刚度等)使用户能够比以往更深入地了解所设计节点的受力行为。

用户有责任学习、理解并将这些工具应用于自己的设计,尤其是在决定偏离已建立和经过验证的节点拓扑形式时。

必须明确的是,IDEA StatiCa 无法"纠正"概念设计错误。尽管通过正确使用所提供的工具集,它可以帮助预防此类错误。

一个缺少顶排螺栓的概念错误节点表面上通过了所有规范校核,但通过使用变形图工具,可以发现过大的变形和塑性应变集中现象。这可能会导致正常使用极限状态问题,但不会造成灾难性破坏(如断裂)。

板件的计算方法基于非线性材料属性,因此独立于规范条款而有效。

由于软件在默认状态下使用标准AISC文本值,用户有责任验证规范设置与所需地区性国家附录条款是否一致。