翘曲常数 \(I_w\) 不为零的构件,若所受荷载不是两端施加相同扭矩的情况,在受到扭转时会发生翘曲。
IDEA StatiCa Connection 中的构件包含其加工操作,之后默认附加 1.25*h 的壳单元 + 4*h 的凝聚单元;详见构件自动长度文章。因此,构件长度实际上不可忽略,约达到典型钢结构构件跨度的三分之一。
当施加扭转时——无论是直接输入 Mx,还是对非对称截面构件(如槽钢或角钢)施加剪力——均会产生翘曲应力。
扭转引起:
- 圣维南扭转,\(T_t\)
- 翘曲扭转,\(T_w\)
- 双力矩,\(B\)
这些进而引起以下应力:
- 圣维南扭转引起的剪应力,\(\tau_{t}\)
- 翘曲扭转引起的剪应力,\(\tau_w\)
- 双力矩引起的正应力,\(\sigma_w\)
各力可通过求解微分方程确定:
\[EI_w\varphi^{IV}-GI_t\varphi^{II}=m\]
其中:
- \(E\) – 拉压弹性模量
- \(G\) – 剪切弹性模量
- \(I_w\) – 翘曲常数
- \(I_t\) – 扭转常数
- \(\varphi\) – 转角
- \(m\) – 扭矩
理想边界条件(如固定端或自由端)下的解析解已知。
IDEA StatiCa Connection 构件中双力矩引起正应力的上限,对应于固定端与施加荷载(扭转)的自由端边界条件。
对于该边界条件:
\[T_t=M \left ( 1-\frac{{\cosh} K_t (1-x/L)}{{\cosh}K_t} \right )\]
\[T_w = M \frac{{\cosh} K_t (1-x/L)}{{\cosh} K_t}\]
\[B=-\frac{ML}{K_t}\frac{{\sinh} K_t (1-x/L)}{{\cosh} K_t}\]
其中:
- \(M\) – 施加于构件端部的扭矩(IDEA StatiCa Connection 中设定的 Mx,或剪力 V 乘以剪切中心与重心之间的距离)
- \(K_t = L \sqrt{\frac{GI_t}{EI_w}}\)
- \(L\) – 构件(悬臂)长度
以下是一个刚度极大的节点示例:

柱承受扭矩 \(M_x = 30\,\textrm{kNm}\)。尽管底板非常厚,但由于柱的翘曲,底板仍会发生轻微变形,从而在锚栓中产生拉力,并在混凝土中产生压应力。这意味着翘曲约束仍不完全。然而,在实际工程中不应期望出现此类理想情况。

利用疲劳分析,可以绘制对接焊缝附近(距焊缝喉部厚度 0.5 倍处)的正应力和剪应力分布:

将应力与解析解进行对比。利用上述公式,各力为:

柱翼缘处的相应应力可按以下公式计算:
\[\tau_t=T_t \frac{t_f}{I_t}\]
\[\tau_w= T_w \frac{S_{\omega,max}}{I_w t_f} \]
\[\sigma_w=B \frac{\omega}{I_w}\]

底板位置处(图中构件纵轴 = 0)翘曲引起的峰值正应力达到 314 MPa,略高于 IDEA StatiCa 的计算结果。这一差异由翘曲约束不完全所致。构件节点处(本例为柱脚)的剪应力可忽略不计。
扭转和翘曲引起的截面应力分布可在通用截面编辑器中查看:

实际工程案例可能更为复杂。将底板厚度改为 30 mm,并仅使用四根 M36 8.8 级锚栓:

此时底板发生显著变形,混凝土中的应力不可忽略,锚栓中的力实际上非常大,接近 140 kN(与按 EN 1992-4 确定的 \(N_{Rd,s} = 370.4\, \textrm{kN}\) 相比)。由于底板变形,翘曲引起的正应力不再像解析解那样呈线性分布。令人略感意外的是,峰值应力 314 MPa 实际上与解析解相吻合。

结论
结构工程师往往忽视扭转效应,尤其是翘曲,或通过采用闭口截面等方式加以规避。需要注意的是,采用一维单元的软件通常具有六个自由度(3 个平动、3 个转动),而要捕捉翘曲效应,则需要第七个自由度。具有七个自由度的一维单元可在 LTBeam 或 Consteel 等软件中使用。即便如此,确定翘曲如何通过节点在构件之间传递仍然困难。尽管如此,翘曲是真实存在的现象,开口截面对其效应极为敏感。
对开口截面构件施加扭转时须格外谨慎。当此类构件在 IDEA StatiCa Connection 中出现承载力不足时,应引起结构工程师的高度重视。包含翘曲的扭转效应应在构件设计中加以评估,例如使用具有实际构件长度并在正确位置施加荷载的 IDEA StatiCa Member。
