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为什么应力/应变分析与刚度分析的承载力不同?

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在 IDEA StatiCa Connection 中,结构工程师经常会发现,根据所使用的分析类型(应力/应变分析与刚度分析),"承载力"结果有所不同。本文解释了这些数值差异的原因,以及如何正确解读它们。

在计算机辅助设计中,边界条件至关重要。在 IDEA StatiCa Connection 的基本分析中,EPS(应力/应变分析)理想情况下仅有一端受支撑,且荷载处于平衡状态。但在刚度分析中,情况又是如何呢?

应力-应变分析(EPS)

  • 支撑:当启用"荷载平衡"设置(推荐)时,设置一个固定支撑(约束所有自由度)。若关闭"荷载平衡",则端部构件设置一个固定支撑,连续构件在两端各设置一个支撑。除承载构件的固定支撑外,其他构件可根据模型类型添加附加支撑。
  • 荷载:荷载施加于除承载构件以外的所有构件。 
  • 构件长度:构件由可见的壳单元和对用户隐藏的凝聚单元组成。默认情况下,壳单元的长度为截面高度的 1.25 倍。凝聚单元延伸至截面宽度的 4 倍。
  • "承载力"定义:发生破坏前的最大安全荷载。

刚度分析(ST)

  • 支撑:除被分析的构件外,所有构件均固定。
  • 荷载:荷载仅施加于所选的被分析构件。
  • 构件长度:ST 中的构件长度短于 EPS。凝聚单元部分仅为截面高度或宽度(取较大值)的 2 倍。
  • "承载力"定义: 刚度降至特定限值的点,而非破坏点。

基于以上认识,考虑以下简单的焊接梁柱节点。 

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采用荷载平衡的 EPS 计算结果显示,柱腹板发生剪切破坏,同时由于梁翼缘传来的横向荷载(柱腹板横向受压和受拉分量),柱腹板处应力集中明显。抗弯承载力为 146 kNm。

观察刚度分析的结果,尽管梁上施加的荷载更大(150 kNm),柱腹板剪切应力等各处应力却明显偏低。由于计算为非线性,应比较极限抗弯承载力,两者相差近 20%。为何会出现这种情况?分析模型的内部机制是什么?

应力/应变分析与刚度分析的差异

EPS 分析允许荷载在整个节点范围内保持平衡,而 ST 分析则固定除被分析构件以外的所有构件。边界条件的这一差异会导致节点内部力显著不同。例如,在 ST 分析中,作用于柱腹板的部分剪力被附近的顶部支撑所吸收。当柱较短时,该效应更为显著,因为支撑距节点更近。

下面来看 SCIA Engineer 中 EPS 和 ST 计算的模型。可以看到支撑、荷载、构件长度和内力的差异。每组共有四个模型,从左至右依次为:

  • 刚度模型
  • 应力-应变模型
  • 仅用上下翼缘表示梁的刚度模型
  • 仅用上下翼缘表示梁的应力-应变模型

(梁腹板忽略不计,以评估其对柱腹板剪力的影响。)

内力的差异可能令人惊讶。IDEA StatiCa Connection 模型向用户显示节点处的内力(除非另有选择)。在 SCIA Engineer 中,内力施加于构件端部,即剪力在构件全长保持恒定为 50 kN,弯矩从节点处的 150 kNm 逐渐减小至构件端部的 49 kNm。

以下为显示梁截面尺寸的着色模型:

以下为显示支撑的线框模型:

此处可观察到变形图。注意 ST 与 EPS 之间的明显差异:ST 中柱顶固定,不允许发生位移或转动。

以下为内力图,首先是弯矩图。

其次,考察剪力。注意右侧两个模型:ST 和 EPS 中的剪力分别为 317.39 kN 和 416.67 kN,差值为 416.67/317.39=131%。与抗弯承载力之差相比:172.9/145.95=118.5%。虽然两个百分比并不完全相同,但剪力的差异是两种分析结果不同的主要原因。

在使用 IDEA StatiCa Connection 时,必须认真考虑支撑的定义方式。错误的边界条件是导致重大设计错误的主要原因之一,必须仔细审查以确保结果准确。

总结

在 IDEA StatiCa 中,应力/应变分析与刚度分析的承载力数值不同,原因在于两者衡量的是不同的内容。应力/应变分析反映节点的真实强度——即在发生破坏前所能承受的荷载。而刚度分析关注的是节点的柔性或刚性程度,而非破坏时刻。

因此,若发现承载力数值不同,这并非错误——只是从两个不同角度审视节点行为的结果。应同时使用两种分析方法,以全面了解节点的强度和刚度。



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