D11.A.5.2物理构件设计

在分析构件设计中，所有设计输入由用户输入控制，这对于整个分析构件是一次性的。特别是不同的无支撑长度（UNT、UNB、LZ、LY）和无支撑长度因子（Kz、Ky）在整个分析构件长度上被视为常数。但在物理构件的情况下，这些值往往不是常数。NZS3404:1997中物理构件设计的真正本质是考虑同一物理构件不同位置的无支撑长度和无支撑长度因子的不同值，以模拟实际条件。这是通过从用户提供的物理支撑自动计算这些值来实现的。

在NZS3404:1997的物理构件设计中，程序不会将物理构件划分为等长的分析构件段。相反，每个组成分析构件被分为13个截面。因此，物理构件被视为一个整体，具有“13n”个截面用于设计检查，其中n = 所考虑物理构件中组成分析构件的数量。显然，在大多数情况下，两个截面之间的距离在整个构件长度上不是常数。为了防止在相邻组成分析构件末端的设计截面重叠，从公共节点到这些位置的设计截面使用一个小的间隙，即构件长度的0.001倍。这样做允许程序捕捉物理构件内这些节点处内力的变化，特别是剪力。

此外，PMEMBER自动执行：
  • 基于截面类型的钢等级，和
  • 抗拉应力fu和屈服应力fy，基于板厚度的值

因此，建议使用PMEMBER设计，即使物理构件仅包含一个组成分析构件。

D11.A.5.2.1使用物理构件建模

您可以使用用户界面中的物理建模工具，在分析建模和钢结构设计工作流中形成物理构件。

您还可以使用DEFINE PMEMBER命令定义物理构件。详情请参考TR.16.2 PMember [物理构件] 命令。

D11.A.5.2.2截面轮廓

当在NZS3404-1997中对物理构件进行规范检验（CODE CHECK）时，单个物理构件内的所有组成分析构件必须分配相同的截面。如果不是，将不会进行规范检验，并在输出中显示错误。

当在NZS3404-1997中选择物理构件轮廓（SELECT）时，单个物理构件内的所有组成分析构件必须从同一截面表分配。例如，如果一个分析构件分配了澳大利亚UB150X18.0，则其他分析构件必须从澳大利亚UB表中分配任何轮廓。

D11.A.5.2.3压缩屈曲计算

对于构件绕主轴压缩屈曲承载力的计算，PMEMBER设计使用针对压缩的无支撑段概念（Lz、Ly）。针对压缩屈曲的无支撑段使用用户定义的压缩支撑（PBCRES）分别对ZZ和YY轴进行评估。可以使用PBCRES在PMEMBER的任何位置提供的约束类型包括：U（无支撑）、T（平移）、R（转动）和TR（平移-转动）。压缩屈曲约束自动执行以下设计计算，针对每个段对两个主轴的屈曲：
  • 压缩屈曲段的无支撑长度——两个连续T/R/TR类型约束之间的距离。程序仅在未分配LZ或LY时计算它。
  • 有效长度因子ke——根据NZS3404:1997规范图4.8.3.2，使用段/子段末端的约束类型（T/R/TR）。程序仅在未分配KZ和KY时计算它。

如果您未对物理构件分配任何压缩屈曲约束，程序将假定构件末端为T类型约束。但如果构件是悬臂，程序将保持构件自由端无约束。任何用户提供的针对构件末端约束的输入将覆盖程序假定的值。

任何赋予KZ和KY参数的值（除1.0外）将替换整个PMEMBER的自动计算有效长度因子。

任何赋予LZ或LY参数的值（除0.0默认值外）将替换整个PMEMBER的压缩屈曲自动计算无支撑长度。

D11.A.5.2.4弯曲/翼缘屈曲计算

对于构件绕主轴x轴弯曲承载力的计算，PMEMBER设计使用针对翼缘屈曲的无支撑段概念（UNT、UNB）。针对翼缘屈曲的无支撑段使用用户定义的压缩支撑（PBRACE）分别对顶部和底部翼缘进行评估。用户定义的翼缘约束使用PBRACE设计参数分配，并检查它们是否有效（即，根据NZS3404 5.5，它们是否放置在临界翼缘上）。未应用于临界翼缘的翼缘约束无效，因此被完全忽略。

PMEMBER的段布局可能因设计考虑的不同荷载工况而改变。某些约束可能对某一特定荷载工况有效，因为它们被发现在临界翼缘上，但对于另一荷载工况，可能发现它们不在临界翼缘上，因此无效。换句话说，临界翼缘可能因每个考虑的荷载工况而变化。

通常，临界翼缘是压缩翼缘，除非段在一端有“U”约束，在这种情况下，它将是受拉翼缘（如悬臂情况）。

设计无支撑翼缘段由“F”、“P”、“L”、“FR”、“PR”或“U”有效截面约束评估。L约束仅在 deemed 为“有效”时考虑。L约束仅当位于“临界”翼缘上，且在F、P、FR或FP约束之间时被视为有效。如果L约束位于非临界翼缘上，则被忽略。此外，如果L约束位于U和F、P、FR或FP约束之间，则被忽略（无论其在临界或非临界翼缘上）。

PMEMBER设计使用以下步骤确定每个考虑的荷载工况的有效截面约束：
  1. 首先检查所有用户定义的约束是否应用于压缩翼缘，未应用的被忽略
  2. 接下来检查是否在PMEMBER的任一端发现“U”类型约束。如果是这种情况，则任何相邻的“L”约束，直到下一个“F”、“FR”、“P”或“PR”约束也被忽略，无论它们是否放置在临界或非临界翼缘上。参考NZS3404 5.4.2.3。

上述步骤i)中的压缩翼缘基于所考虑约束位置的弯矩计算。

约束类型 定义 刚度 描述
FR 完全和转动约束 最刚
F 完全约束 ↓
PR 部分和转动约束 ↓
P 部分约束 ↓
L 侧向约束 ↓ 不能在设计构件末端指定。
U 无约束 ↓ 只能应用于设计构件末端，并且必须应用于两个翼缘才有效。顶部和底部翼缘不能在相同位置无约束（因为这不稳定）。
无 最柔
C 连续约束至下一个约束位置 假定该翼缘在直到下一个约束位置处连续支撑。对于连续支撑翼缘，无支撑长度假定为零。

段长度不会自动检查以确定它们是否根据NZS3404 5.3.2.4提供完全侧向约束。

对于悬臂设计，自由端应应用用户定义的“U”约束到顶部和底部翼缘。

如果任何荷载工况的有效翼缘约束仅由“U”或“L”约束组成，将报告错误。

因此，翼缘约束自动执行以下设计计算，针对每个无支撑翼缘段对两个主轴的弯曲：
  • 顶部翼缘在弯曲压缩中的无支撑长度——仅当未分配值给UNT时
  • 底部翼缘在弯曲压缩中的无支撑长度——仅当未分配值给UNB时
  • 弯矩修正因子αm，根据NZS3404 5.6.1.1——仅当未分配值给ALM时
  • 荷载高度因子kl，见表5.6.3(2)——仅当未分配值给SKL时
  • 侧向转动约束因子kr，见表5.6.3(3)——仅当未分配值给SKR时
  • 扭转约束因子kt，见表5.6.3(1)——仅当未分配值给SKT时
注意：
  1. 如果未提供PMEMBER列表，所有PMEMBER由相同配置约束
  2. 不必按顺序提供约束位置，因为程序自动排序
  3. 除非指定，PMEMBER末端假定为完全约束（F）
  4. 在设计构件的任何截面时，沿临界翼缘在截面两侧搜索有效约束
  5. 每个位置应用于顶部和底部翼缘的约束类型决定了有效截面约束。这些在下表中概述：
    案例 翼缘 临界翼缘上的约束 非临界翼缘上的约束 有效截面约束
    I U U U
    II 1 L 无 L
    2 无 L 无
    III 1 P或F 无或U F
    2 无或U P或F P
    IV 1 PR或FR 无或U FR
    2 无或U PR或FR PR
    V 1 L、P或F L、P、F、FR或PR F
    2 FR或PR L、P、F、FR或PR FR

D11.A.5.2.5自动PMEMBER设计计算

NZS3404 PMEMBER设计自动执行许多设计计算，包括段/子段设计所需的计算。

自动设计计算 PMEMBER设计参数 注释
αb受压构件截面常数，根据NZS3404 6.3.3。 不适用 从表6.3.3计算。
αm弯矩修正因子，根据NZS3404 5.6.1.1或表5.6.2，取决于段是否在一端/两端约束。 ALM 基于单个段和子段的弯矩分布计算。
fu抗拉强度，根据NZS3404 2.1.2和AS4100表2.1。 FU 基于使用SGR设计参数指定的标称钢等级和单元厚度。
fy屈服应力，根据NZS3404 2.1.1和AS4100表2.1。 FYLD 基于使用SGR设计参数指定的标称钢等级和单元厚度。
NZS3404表5.2和6.2.4的残余应力类别。 IST 基于截面类型。
翼缘无支撑长度的段和子段布局。 PBRACE 参考弯曲/翼缘屈曲的段或子段以获取详情。
顶部和底部翼缘的翼缘屈曲无支撑长度。 UNT、UNB
压缩屈曲无支撑长度的段布局。 PBCRES 参考压缩屈曲的段以获取详情。
压缩屈曲的有效长度因子（ke） KZ、KY
压缩屈曲的无支撑长度 LZ、LY
kt扭转约束因子，根据NZS3404表5.6.3(1)。 SKT 基于每个段/子段的有效末端约束。
kl荷载高度因子，根据NZS3404表5.6.3(2)。 SKL、LHT 基于每个段/子段的有效末端约束和LHT设计参数。
kr侧向转动约束因子，根据NZS3404表5.6.3(3)。 SKR 基于每个段/子段的有效末端约束。这是区分“F”和“FR”以及“P”和“PR”的地方。

D11.A.5.2.6荷载高度位置

当LHT设置为1.0以指定顶部翼缘荷载高度位置时，STAAD.Pro将顶部视为构件的正局部y轴。

为了使用NZS3404表5.6.3(2)自动计算kl，还需要考虑荷载的纵向位置，即作为“段内”或“段端”。

为了确定哪种情况适用，考虑每个设计段/子段末端的剪力。如果发现剪力在两端具有相同的方向和大小，则假定荷载作用于段端。

另一方面，如果发现每端的剪力具有不同的方向或大小，则假定荷载作用于段内。

末端剪力的净和也用于确定荷载是否作用于正或负局部构件y轴方向。如果LHT设置为1.0用于顶部翼缘加载，净和用于确定顶部翼缘加载是稳定还是 destabilize 构件的侧向扭转屈曲。负局部y轴净荷载 destabilize 段/子段，而正局部y轴净荷载稳定段/子段。