节点设计因其内容的细节性以及大多数节点本质上的三维受力行为而难以讲授。然而，节点至关重要，在节点设计研究中所学到的知识——包括荷载路径以及破坏模式的识别与评估——具有普遍性，可广泛应用于结构设计。IDEA StatiCa 采用严格的非线性分析模型，并配备易于使用的界面，可三维显示分析结果（如变形形态、应力、塑性应变），因此非常适合用于探究结构钢节点的受力行为。基于上述优势，开发了一套以 IDEA StatiCa 作为虚拟实验室的引导式练习，帮助学生学习结构钢节点受力行为与设计的相关概念。这些学习模块主要面向高年级本科生和研究生，同时也适合执业工程师使用。学习模块由田纳西大学诺克斯维尔分校（University of Tennessee, Knoxville）副教授 Mark D. Denavit 开发。
学习目标
完成本练习后，学习者应能描述简单剪力节点的荷载路径，并识别相关破坏模式。
背景知识
荷载路径
施加于结构的荷载通过构件和节点传递，最终由地基承受。追踪荷载从施加点到地基的传递路径，是一种有益的定性分析方法，可确保路径连续，且路径上每个组件均具有足够的刚度和强度。追踪荷载路径中经过节点的部分，同样具有上述意义。
以下图所示的宽翼缘钢梁与宽翼缘钢柱之间的单板剪力节点为例，梁中剪力传递至柱中轴力的过程如下：
- 梁中剪力主要由腹板承受。
- 梁腹板对螺栓产生承压。
- 螺栓通过剪力将荷载从梁腹板所在平面传递至连接板所在平面。
- 螺栓对连接板产生承压。
- 连接板通过剪力将荷载从螺栓列传递至焊缝线。
- 焊缝通过剪力将荷载从连接板传递至柱翼缘。
- 荷载在柱截面内扩散。
在传统节点设计中，此类荷载路径有助于结构工程师建立极限状态核查清单，确保路径上每个环节均具有足够的刚度和强度。在基于非弹性分析的设计中，荷载路径有助于结构工程师建立节点受力行为的概念模型，以便与数值分析结果进行对比验证。
通过单板剪力节点传递梁中剪力的荷载路径较为直接，路径上每个环节均可高效地实现足够的刚度和强度。然而，传递梁中弯矩的情况则并非如此。梁中弯矩主要由翼缘承受。由于梁翼缘未与柱连接，弯曲应力必须汇集至腹板，而腹板承受弯矩的能力有限。螺栓群可以承受弯矩，但其效率远低于承受同心剪力。尝试寻找弯矩的荷载路径，可以清晰地说明为何该节点被视为简单剪力节点。
简单剪力节点
梁端节点的主要分类之一是基于转动刚度。完全约束节点具有足够的刚度，可假定构件之间无相对转动。简单剪力节点具有足够的柔性，可假定节点不传递弯矩。
虽然假定简单节点不传递弯矩，但剪力是传递的，且节点沿一定长度分布，因此节点内会产生弯矩。梁长度上只有一个点的弯矩为零。
实际上，零弯矩点的位置取决于梁、支座和节点的相对刚度，并随梁的加载而变化。在设计中，简单剪力节点中零弯矩点的位置由设计者选定。根据极限分析下限定理（例如 Tamboli, 2017 第 2.1.1 节所述），只要在整个设计中一致应用所选位置并确保延性行为，任何合理的位置均可选取。零弯矩点的常见选取位置包括焊缝线和螺栓列。这两种情况的弯矩图如下图所示。
零弯矩点位于螺栓列时简单剪力节点的弯矩图。
零弯矩点位于焊缝线时简单剪力节点的弯矩图。
零弯矩点位于工作点时简单剪力节点的弯矩图。
在 AISC 发布的文件中，零弯矩点通常位于支承构件的表面。对于单板剪力节点，该位置即为焊缝线，因此螺栓群通常需同时验算弯矩和剪力。
节点
本练习所研究的节点基于 AISC 设计算例 V16.0，算例 II.A-17A
单板剪力节点操作步骤
本练习步骤假定学习者已具备使用 IDEA StatiCa 的基本操作知识（例如：软件界面导航、定义和编辑操作、执行分析及查看结果）。相关知识的学习指导可在 IDEA StatiCa 支持中心获取。
本详细步骤以零弯矩点位于螺栓列的节点为重点。在美国工程实践中，零弯矩点通常假定位于支承构件的表面。本算例中将零弯矩点设于螺栓列，以便更简便地评估螺栓的强度和受力行为。
本节点的荷载路径已在本文背景知识部分进行描述。执行练习时，请按照说明完成各项任务并回答相关问题。
获取本练习所附的第一个节点的 IDEA StatiCa 文件，在 IDEA StatiCa 中打开该文件。对于梁构件，确保"Forces in"设置为"Bolts"。注意，该节点基于 AISC 设计算例 V16.0，算例 II.A-17A，由 LRFD 荷载组合计算得到的所需强度为 Ru = 49.6 kips。注意，设计算例及 AISC 极限状态与设计要求目录可在回答问题时提供参考。
梁
施加于梁的剪力荷载主要由梁腹板承受。AISC《规范》第 G 章关于剪力屈服的构件强度验算可确保腹板具有足够的强度，无需额外的节点极限状态验算。若梁设有切口，则可能需要验算剪力断裂或块剪断裂。
在 IDEA StatiCa 中，梁腹板的强度依据 5% 塑性应变限值进行验算（构件强度验算还应在 IDEA StatiCa 之外单独进行）。在给定荷载下，梁未出现任何塑性应变。
腹板在螺栓周围的等效应力约为 20 ksi，在下图中以绿色表示。
注意，梁端翼缘处的应力非常低，表明梁端弯矩也非常小。
螺栓群
由于零弯矩点假定位于螺栓列，螺栓承受同心荷载。
对于每种极限状态，请在 IDEA StatiCa 中找到验算结果的显示位置，并将 IDEA StatiCa 的计算结果与自行计算的结果进行比较。
连接板
连接板通过剪力将荷载从螺栓列传递至焊缝线。连接板在焊缝线处还承受弯矩，其值等于所需剪力（49.6 kips）乘以螺栓列与焊缝线之间的偏心距（3 in.）。
连接板的平均剪应力为 τ = Ru/(l×t) = (49.6 kips)/(11.5 in. × 0.25 in.) = 17.3 ksi。乘以 换算为等效应力得 30 ksi。IDEA StatiCa 给出的等效应力更大（见下图），这可能是由所需弯矩强度与连接板扭转共同作用所致。
焊缝
焊缝通过剪力将荷载从连接板传递至柱翼缘。
在传统计算中，偏心受载焊缝群的强度通常采用瞬时转动中心（IC）法及 AISC《手册》第 8 部分中的表格进行验算。IDEA StatiCa 中焊缝强度的验算方法与 IC 法类似：将焊缝群划分为若干短段，每段假定承受同心荷载。连接板弯曲和扭转引起的应力在焊缝端部最大，连接板剪切引起的应力在焊缝中部最大。
柱
焊缝位置处的柱翼缘无特定适用的极限状态。在传统计算中，通常需确保节点板厚度满足 AISC《手册》公式 9-6 的建议要求。
焊缝产生的应力在柱截面内扩散，并与上部荷载产生的其他应力叠加（IDEA StatiCa 模型中未包含上部荷载）。构件强度验算适用于柱。
通用步骤
如需进行更开放式的探究，或针对单板剪力节点以外的其他节点，请完成以下任务：
- 从下述节点中选择一个。
- 查阅该节点所基于的设计算例。
- 获取本练习所附该节点的 IDEA StatiCa 文件，并在 IDEA StatiCa 中打开。
- 描述该节点的荷载路径。
- 针对荷载路径中的每个环节，回答以下问题：
- 所需强度是多少？
- 需要考虑哪些破坏模式？
- 在传统计算中如何考虑这些破坏模式？
- 在 IDEA StatiCa 中如何考虑这些破坏模式？
如需进一步探究，可对以下变化情况重复全部或部分练习：
- 节点为抗滑移临界节点。
- 零弯矩点的位置不同。
Connection 2 基于 AISC 设计算例 V16.0，算例 II.A-1A
Connection 3 基于 AISC 设计算例 V16.0，算例 II.A-5
Connection 4 基于 AISC 设计算例 V16.0，算例 II.A-11A
Connection 5 基于 AISC 设计算例 V16.0，算例 II.A-13
Connection 6 基于 AISC 设计算例 V16.0，算例 II.A-31
参考文献
AISC. (2022). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
AISC. (2023a). Steel Construction Manual, 16th Edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
AISC. (2023b). Companion to the AISC Steel Construction Manual, Volume 1: Design Examples, v16.0. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
Tamboli, A. (Ed.). (2017). Handbook of Structural Steel Connection Design and Details, Third Edition. McGraw Hill, New York, NY.