预认证钢结构节点（AISC）- 摘要、结论与建议

该系列验证算例由俄亥俄州立大学与 IDEA StatiCa 联合项目共同编制。作者名单如下：

• Baris Kasapoglu，博士研究生
• Ali Nassiri，博士
• Halil Sezen，博士

梁截面削弱（RBS）抗弯节点

从一项试验研究（Uang 等，2000）中选取了一个经过测试的 RBS 抗弯节点，并在此基础上创建了五个附加变体。按照 AISC 程序及使用 IDEA StatiCa，对六个试件的抗弯承载力及破坏模式进行了估算。计算承载力之间的差异（1 - IDEA StatiCa 计算弯矩承载力/AISC 程序计算弯矩承载力）在 -3% 至 +7% 之间，平均差异约为 4%（表 6.1）。此外，将 IDEA StatiCa 通过刚度分析计算得到的弯矩-转角关系与试验报告中提供的结果进行了对比（图 6.1）。结果表明，IDEA StatiCa 能够识别破坏模式、计算抗弯承载力以及 RBS 抗弯节点的弯矩-转角曲线。

表 6.1：IDEA StatiCa 与 AISC 程序计算的 RBS 抗弯节点抗弯承载力（相对于柱面）

图 6.1：RBS 抗弯节点（基准模型）弯矩（相对于柱中心线）塑性转角对比

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端板抗弯（EPM）节点

按照 AISC 设计程序及使用 IDEA StatiCa，对六个经过测试的 EPM 节点进行了评估，计算了其抗弯承载力和破坏模式，并与试验观测结果（Sumner 等，2000）进行了对比。计算结果之间的差异在 -7% 至 +11% 之间，平均差异约为 2%（表 6.2）。需要指出的是，变体 3 的控制极限状态为端板屈服，计算差异为 11%，而 IDEA StatiCa 分析所识别的破坏模式为端板与梁腹板之间焊缝强度不足。当焊缝达到其强度极限时，端板中计算得到的塑性应变为 1.9%，低于板件 5% 的塑性应变限值。由此可以判断，AISC 358 中针对端板屈服极限状态所规定的程序比 IDEA StatiCa 给出更为保守的结果。对于基准模型，将 IDEA StatiCa 计算得到的弯矩-转角曲线与试验实测曲线进行了对比。IDEA StatiCa 展示了其估算螺栓断裂承载力的能力，包括撬力对螺栓承载力的影响以及端板加劲板对 EPM 试件抗弯强度的贡献。屈服后斜率的差异以及峰值弯矩之间的差距，分别可归因于试件经历的刚度退化以及 IDEA StatiCa 所采用的双线性材料模型。

图 6.2：EPM 节点（基准模型）弯矩（相对于柱中心线）塑性转角对比

表 6.2：IDEA StatiCa 与 AISC 程序计算的 EPM 节点抗弯承载力（相对于柱面）

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焊接非加强翼缘-焊接腹板（WUF-W）抗弯节点 

使用 IDEA StatiCa 并按照 AISC 设计程序，计算了六个经过测试的 WUF-W 试件的抗弯承载力和破坏模式，并将观测结果与 Ricles 等（2000）的试验结果进行了对比。三种来源得到的破坏模式在所有节点中均相似，而 IDEA StatiCa 计算的抗弯承载力比 AISC 设计程序所得结果大约高 8%，基准模型除外（表 6.3）。IDEA StatiCa 对变体计算出比 AISC 程序更大抗弯承载力的原因，可能与塑性铰位置的假设有关。AISC 358 建议对 WUF-W 抗弯节点取柱面处，这导致与塑性铰发生在距柱面一定距离处相比，塑性铰位置处剪力引起的附加弯矩较小。对于基准模型，IDEA StatiCa 分析表明，当柱面与剪切翅板之间的焊缝失效时，试件达到其承载力。同样，按照 AISC 设计程序进行的手算也表明，该焊缝不满足所需强度限值。然而，AISC 并未规定计算此类由柱与梁或剪切翅板之间焊缝控制的节点抗弯承载力的程序。需要指出的是，按 AISC 程序计算的抗弯承载力是基于梁的塑性弯矩强度，尽管由于焊缝强度要求不满足，AISC 不允许对该节点进行设计。总体而言，IDEA StatiCa 与 AISC 程序计算的抗弯承载力之间的平均差异约为 5%。此外，使用 IDEA StatiCa 和 ABAQUS 对基准模型进行了弯矩-转角分析，并对结果进行了对比。将 IDEA StatiCa 计算的弯矩塑性转角曲线与试验研究人员提供的实测曲线进行了对比（图 6.3）。曲线斜率之间的差异可归因于试件在循环荷载作用下经历的刚度退化。另一点值得指出的是，由于 IDEA StatiCa 采用双线性材料模型，应变硬化行为未能被完全捕捉。

表 6.3：IDEA StatiCa 与 AISC 程序计算的 WUF-W 抗弯节点抗弯承载力（相对于柱面）

图 6.3：WUF-W 抗弯节点（基准模型）弯矩（相对于柱中心线）塑性转角对比

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焊接非加强翼缘-螺栓连接腹板（WUF-B）抗弯节点

采用两种不同螺栓类型（1）摩擦型；2）承压型）共建立八个模型，对五个经过测试的 WUF-B 试件（Lee 等，1999）的抗弯性能进行了研究。使用 IDEA StatiCa 并按照 AISC 设计程序计算了试件的抗弯承载力，并进行了对比（表 6.4）。根据 AISC 341（2016），若接触面滑移系数大于或等于 0.30，摩擦型螺栓可按预拉力承压型螺栓设计，因此在 IDEA StatiCa 与 AISC 程序的抗弯承载力对比中，含摩擦型螺栓的试件（如 Baseline.SC、Var-2.SC、Var-3.SC）可忽略不计。对于其余节点，IDEA StatiCa 与 AISC 计算的抗弯承载力之间的差异在 -18% 至 -6% 之间，平均差异约为 13%。IDEA StatiCa 计算出比 AISC 程序更为保守的抗弯强度，原因可能与梁腹板和柱翼缘之间的弱连接有关。可进一步通过将剪切翅板替换为沿梁腹板的对接焊缝进行研究，并在 IDEA StatiCa 中按相同程序操作，以获得抗弯承载力的显著提升。

对于基准模型，从 IDEA StatiCa 分析中获取了弯矩塑性转角，并与试验实测结果进行了对比（图 6.4）。需要指出的是，弯矩-转角分析采用摩擦型（摩擦临界）螺栓，而抗弯承载力分析采用承压型螺栓。曲线之间的差异可归因于数据提取过程。由于实测弯矩-转角曲线是从试验报告中的图形提取的，小误差不可避免。屈服后行为的差异可用软件所采用的双线性材料模型来解释。

图 6.4：WUF-B 抗弯节点（基准模型）弯矩（相对于柱中心线）塑性转角对比

表 6.4：IDEA StatiCa 与 AISC 程序计算的 WUF-B 抗弯节点抗弯承载力（相对于柱面）

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双 T 形抗弯节点

按照 AISC 设计程序及使用 IDEA StatiCa，对六个经过测试的双 T 形节点进行了研究，计算了其抗弯承载力并对结果进行了对比。

计算结果之间的差异在 -9% 至 +7% 之间，平均差异约为 3%（表 6.5）。破坏模式的估算也较为合理。由于 IDEA StatiCa 中不提供张拉控制螺栓类型，通过 IDEA StatiCa 和 ABAQUS 采用两种不同螺栓类型（承压型、摩擦型）进行了弯矩-转角分析。将曲线与 Leon（1999）对基准模型进行的试验实测曲线进行了对比（图 6.5）。观察结果表明，试件的弯矩塑性转角曲线如预期般介于 IDEA StatiCa 摩擦型和承压型螺栓分析结果之间。此外，还对试件按照 AISC 358 规定的预认证检查进行了验算。对于基准模型，在 IDEA StatiCa 中进行了能力设计分析，并与按 AISC 程序所得结果进行了对比。可以得出结论，IDEA StatiCa 在计算双 T 形抗弯节点的抗弯承载力和确定破坏模式方面具有很强的能力。此外，能力分析（如 CD）能够判断当两根梁均出现塑性铰时（如 AISC 358 对抗震节点的要求），节点是否具有足够的承载能力。

表 6.5：IDEA StatiCa 与 AISC 程序计算的双 T 形抗弯节点抗弯承载力（相对于柱面）

图 6.5：双 T 形抗弯节点（基准模型）弯矩（相对于柱中心线）塑性转角对比

总体而言，试验、IDEA StatiCa 分析及 AISC 设计程序所得的抗弯承载力和破坏模式之间吻合良好。以下列出了进一步改进软件的建议：

• 可在承压型和摩擦型螺栓类型之外，开发并向用户提供张拉控制/预拉力螺栓类型。
• 可由 IDEA StatiCa 根据用户偏好，针对不同构件长度和边界条件计算"荷载处于平衡状态"选项下所需施加的力。这样，无需借助其他软件或额外手算，即可对所需工况进行分析。在当前 IDEA StatiCa 版本（即 v22）中，为计算试件的抗弯承载力，需先在 SAP2000 中模拟试验装置条件（如构件长度、边界条件）计算节点处的内力，再将计算所得内力通过"荷载处于平衡状态"选项施加于 IDEA StatiCa 中。
• IDEA StatiCa 可自动、系统地施加递增荷载，无需手动调整荷载并重新运行即可给出抗弯承载力。
• IDEA StatiCa 可执行预认证检查。
• 可为软件配备更优化的网格划分工具。
• 可通过为用户提供调整图表字体、颜色和大小的工具，改进/丰富弯矩-转角曲线的表达方式。
• 部分符号需针对美国用户进行修正/调整（例如，按 AISC 规定，转角应使用 θ 而非 ϕ）。

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