节点按刚度分类为刚性、半刚性和铰接。结构工程师应确保节点刚度与CAE软件中设定的刚度一致。刚度分析的目标是获得构件和节点中正确的荷载分布,以及构件和整体结构的正确挠度。
CBFEM(基于组件的有限元模型)方法分析各节点构件节点的刚度。为进行正确的刚度分析,必须为每个被分析构件单独建立分析模型。这样,刚度分析不受节点其他构件刚度的影响,仅取决于节点本身及被分析构件的节点构造。在强度分析中,承载构件受到支撑(下图中的构件SL),而在刚度分析中,除被分析构件外的所有构件均受到支撑(见下方两图,分别为构件B1和B3的刚度分析)。例外情况为柱脚,其支撑由混凝土基础提供,仅被分析构件承受荷载,其他构件仅根据其模型类型施加约束。

强度分析中构件上的支撑

| 构件B1刚度分析中构件上的支撑 | 构件B3刚度分析中构件上的支撑 |
荷载只能施加于被分析构件。若定义弯矩 My,则分析绕y轴的转动刚度;若定义弯矩 Mz,则分析绕z轴的转动刚度;若定义轴力 N,则分析节点的轴向刚度。
弯矩-转角(或荷载-变形)曲线由以下两种模型计算得出:
- 完整节点模型——包含构件、板件、螺栓、焊缝等(材料非线性分析)
- 构件模型——仅包含在节点处刚性连接的构件(线弹性分析)
所示图表通过从完整节点模型中减去构件模型得到。这样可以排除构件的弹性变形,因为该变形已包含在整体结构模型中。

程序自动生成完整图表,直接显示在图形界面中,并可添加至输出报告。可针对特定设计荷载研究转动或轴向刚度。IDEA StatiCa Connection 还可处理其他内力的相互作用。
图表显示:
- 设计荷载水平 MEd
- 5%等效应变对应的节点承载力限值 Mj,Rd;塑性应变限值可在规范设置中修改
- 被连接构件的承载力限值(对抗震设计亦有参考价值)Mc,Rd
- 用于计算初始刚度的承载力限值的2/3
- 初始刚度值 Sj,ini
- 割线刚度值 Sjs
- 节点分类的界限——刚性和铰接
- 转动变形 Φ
- 转动能力 Φc

刚性焊接节点

半刚性螺栓节点

当柱腹板剪切区应变达到5%后,塑性区迅速扩展
节点根据其刚度按相关规范分类为刚性、半刚性或铰接。可为被分析构件设定理论计算长度:

荷载如何施加?
刚度分析中仅对一个构件施加荷载并进行分析。被分析构件可承受以下荷载:
- 轴力 N
- 剪力 Vy 和 Vz
- 弯矩 My 和 Mz
- 扭矩 Mx
所有荷载效应同时施加。若施加的荷载过小,则所有荷载均乘以一个系数,使节点达到其承载力(施加的力必须大于1)。在生成弯矩-转角或荷载-变形图表时,所有荷载效应按比例逐步增加。
例如,被分析构件承受以下荷载:
- 轴力 N = 50 kN
- 剪力 Vz = -80 kN
- 弯矩 My = 30 kNm
构件承载力为:
- 轴向承载力 NR = 2 111 kN
- 剪切承载力 Vz,R = 763 kN
- 弯矩承载力 My,R = 226 kNm
荷载乘以系数:
注意,若剪力不作用于节点处,即存在力臂,则弯矩将受到影响。节点处的弯矩(如线框模型所示)用作设定荷载。

在本例中,系数为 。设定荷载经放大后逐步施加,结果绘制于刚度图表中。施加荷载分为12个步骤,当节点接近其承载力时,步骤进一步细化。前三个步骤的示例见下表:
| 设定荷载 | 施加荷载 | 第一步 | 第二步 | 第三步 | |
| 100% | 8.33% | 16.67% | 25.00% | ||
| N | 50 | 377 | 31 | 63 | 94 |
| Vy | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Vz | -80 | -603 | -50 | -100 | -151 |
| Mx | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| My | 30 | 226 | 19 | 38 | 57 |
| Mz | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
变形能力
变形能力/延性 δCd 与承载力和刚度共同构成描述节点性能的三个基本参数。在抗弯节点中,延性通过足够的转动能力 φCd。变形/转动能力对节点中每个节点分别计算。
软件将变形能力估算为满足以下任一条件时的对应点:
- 螺栓或锚栓在受拉、受剪或拉剪复合作用下达到承载力
- 焊缝达到承载力
- 板件塑性应变达到15%
转动能力的估算对于承受地震作用的节点尤为重要,参见Gioncu和Mazzolani(2002)及Grecea(2004);对于极端荷载情况,参见Sherbourne和Bahaari(1994和1996)。组件的变形能力研究自上世纪末开始(Foley和Vinnakota,1995)。Faella等(2000)对T形件进行了试验,并推导出变形能力的解析表达式。Kuhlmann和Kuhnemund(2000)对柱腹板在不同柱轴压力水平下承受横向压力的情况进行了试验。Da Silva等(2002)预测了被连接梁在不同轴力水平下的变形能力。Beg等(2004)基于试验结果结合有限元分析,通过解析模型建立了基本组件的变形能力。该研究中,各组件以非线性弹簧表示,并进行适当组合,以确定端板节点(包括外伸端板、齐平端板及焊接节点)的转动能力。对于这些节点,对转动能力有显著贡献的最重要组件被识别为:受压腹板、受拉柱腹板、受剪柱腹板、受弯柱翼缘和受弯端板。与柱腹板相关的组件仅在柱中无抵抗压力、拉力或剪力的加劲板时才起作用。加劲板的存在消除了相应组件的影响,因此其对节点转动能力的贡献可忽略不计。端板和柱翼缘仅对端板节点有意义,在这些节点中,组件作为T形件发挥作用,同时也包含螺栓受拉的变形能力。高强钢节点变形能力的问题与限值由Girao等(2004)进行了研究。
