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Cisca Tjoa, PE

2021-01-20

在 RFEM 中按照 AISC Design Guide 15 对既有柱进行配筋

有时需要对结构进行配筋：在很多情况下，可能不是很容易更换结构构件，而是要进行配筋以满足新的荷载要求。

本文将以 AISC 15 中所介绍的 LRFD 示例为基础，介绍如何使用 RFEM 中“参数化薄壁”截面：大修和加固 {%！附加模块 RF-STEEL AISC 用于按照 AISC 第 E 章对未配筋和配筋柱进行设计验算。

下面显示的是欧洲规范 AISC 设计规范 15 中的示例 6.2[2]，其中 16 米长的柱子使用的截面形状为 W10X66 (F_y = 33 ksi)。

1 W10X66用户自定义柱

下文概述了如何创建用户自定义截面和材料。

创建用户自定义 W10X66 截面

在截面库中选择“对称工字钢”。然后输入表 5-2.1 (设计提示 15 第 50 页中的值) {%！下一步是使用[从材料库导入材料]按钮为 F_y = 33 ksi steel 创建一个用户自定义材料。

2 用户自定义截面W10X66
在“材料库”中筛选出“钢 A36”，然后选择“新建材料”。在下一个窗口中，填写"材料描述"并将 F_y修改为33 ksi。

3 以钢A36创建新材料
绘制16米长的杆件。在柱子的底部提供固定支座（Z 轴转角固定）。对于上部支座，X 和 Y 方向只有平移是固定的。施加轴向荷载 = 550 kips（恒荷载 + 活荷载）。
使用附加模块 RF-STEEL AISC 对模型进行求解。

4 RF-STEEL AISC中无钢筋柱的结果

如上图所示，所需强度超过可用强度的 26%，因此需要对柱子的翼缘焊接钢板 (F_y = 36 ksi) 补强。假设在柱子的整个长度上都设置了加劲肋。

请注意： RFEM 模型和 AISC 手计算例计算的抗压强度之间的微小差异 [2] 是由于截面面积的差异（RFEM 十字交叉模拟中不包含角半径-section).

焊接加固板会增大柱子的面积，同时增大惯性矩。这将导致增加抗压强度，如 AISC 规范 E3 节中确定的 [1]。

钢筋设计是一个迭代的过程，最好使用电子表格完成。该解决方案只是最终的解决方案，如下图所示，将两块 3/8 英寸厚 x 8 英寸宽的盖板焊接到柱子的翼缘上。

5 钢筋截面

在截面库中选择【工字钢】。然后输入 W10x66 柱和 3/8 x 8 英寸钢筋的几何属性。拾取先前创建的相同的用户自定义材料“钢 Fy=33”（按照 AISC 设计准则 15 {%！_y = 33 ksi ，加固板的屈服强度为 F_y = 36 ksi。在计算柱子抗压强度时，保守考虑整个柱子截面的屈服强度为33 ksi。

6 用户自定义截面钢筋T10X66
重复与之前相同的步骤，绘制柱子和施加荷载。使用 RF-STEEL AISC 对模型进行求解。如下图所示，配筋柱满足设计规范验算。

7 最终设计结果提交到RF-STEEL AISC

根据AISC规范E6.1{%于#参见[1]]]中的规定，加强板端部的连接设计为板内全部压力荷载。然后根据板件屈服强度设计连接节点。

加强板两侧角焊缝焊缝直径为 10 厘米。翼缘厚度为 t_f = 0.748 英寸，补强板厚为 3/8 英寸，因此焊缝尺寸满足 AISC 规范表 J2.4 中的最小尺寸要求。所需的焊缝长度为：

l_{weld} = \frac{P_{u}}{(2 welds) \cdot ({ϕR}_{n})}

l_{weld} = \frac{108.0 kips}{(2 welds) \cdot (5.57 kips / in)}

l_{weld} = 9.70 in \to use 10.0 in

纵向焊缝

该焊缝长度满足 AISC 第 E6.2(b) 节中的规定。

在板的两端采用 1/4" 的焊缝 x 10 英寸长的纵向焊缝。

根据 AISC 第 E6.1(b) 节{%（见图 1），参见 [1]]]，当 a/ri > 40 时，组合柱需要修正的长细比，其中 a 是焊缝间距。为了避免使用修正的长细比，断续角焊缝之间的最大距离应限于：

r_{i} = \sqrt{\frac{I_{xi}}{A_{i}}} = \sqrt{\frac{0.0352 {in}^{4}}{3.0 {in}^{2}}} = 0.108 in

a_{\max} = 40 r_{i} = 40 \cdot 0.108 in = 4.33 in \to use 4.0 in

连接焊缝的距离为 1.5 英寸，间距为 4 英寸（截面 J2.2b 规定的最小焊缝长度）。 1.5 英寸长的焊缝满足 4* 焊缝尺寸和最小 1.5 英寸。

摘自 AISC 第 E6.2(_a ) 节{%！组合构件规定的长细比不超过 3/4 倍。

\frac{a}{r_{i}} = \frac{4.0 in}{0.108 in} = 37.0

\frac{3}{4} (\frac{L_{c}}{r_{o}}) o = \frac{3}{4} (\frac{192 in}{2.529 in}) = 57.1 > 37.0 o . k .