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教授。然而，节点至关重要，在节点设计学习中所获得的经验——包括荷载路径的识别以及破坏模式的判断与评估——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（如变形形状、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，本系列引导性练习将 IDEA StatiCa 作为虚拟实验室，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，同时也适合在职工程师使用。学习模块由田纳西大学（University of Tennessee, Knoxville）副教授 Mark D. Denavit 开发。
学习目标
完成本练习后，学习者应能够将 IDEA StatiCa 的计算结果与基于 AISC Specification 的传统方法进行比较。
背景
在工程实践中，使用他人开发的软件工具是现实需要。然而，当工程师在图纸上签字时，即承担了设计的个人责任。即使在理想情况下，工程师将软件用于辅助判断而非替代判断，也必须信任这些软件工具能够提供有参考价值的结果。对于计算模拟而言，验证（Verification）与确认（Validation）是建立和量化这种信任的主要方法（Oberkampf et al. 2002）。
验证（Verification）是指确定模型实现是否准确反映了开发者对模型的概念描述及模型求解结果的过程。确认（Validation）是指从模型预期用途的角度，确定模型在多大程度上准确反映真实世界的过程。
真实情况、概念模型与计算机模型之间的关系（SCS Technical Committee on Model Credibility 1979）
对于 IDEA StatiCa 而言，CBFEM（基于组件的有限元模型）的预期用途是作为数值设计计算工具，用于判断节点是否符合规范要求并满足安全性，而不一定要尽可能接近节点的实际受力行为。模型中已引入安全系数，并允许一定的保守性。鉴于构成 IDEA StatiCa 概念模型的设计假定基于 AISC Specification（AISC 2022）等设计规范，IDEA StatiCa 的验证工作包括与 AISC Specification 的对比。验证还包括其他对比，以确保有限元模型正确体现节点的假定力学行为。IDEA StatiCa 的确认工作则包括与物理试验结果的对比。
鉴于 IDEA StatiCa 与 AISC Specification 具有相同的设计目标，可通过比较各方法所允许施加于特定节点的最大荷载，进行同等条件下的对比。在此对比中，最大施加荷载的确定应采用工程师在实际工程中所使用的计算程序和设置。将 IDEA StatiCa 与试验结果进行确认对比则较为复杂，通常需要去除安全系数，并在 IDEA StatiCa 中使用实测材料和几何特性。
作为一家软件公司，IDEA StatiCa 对其软件进行了大量的验证与确认工作，相关内容记录于其官方网站及专著中（Wald et al. 2020，Denavit et al. 2024）。然而，用户也可以自行开展验证与确认工作。这样做有助于建立对软件的信任、加深对 CBFEM 的理解，并能深化对节点承载力和受力行为的认识。
验证过程类似于科学方法的执行：以模型能产生正确结果为假设，并通过（虚拟）试验对该假设进行检验。与任何试验一样，研究设计对于使试验尽可能具有决定性至关重要。应评估具有挑战性的工况，但通常最好从较简单的工况开始。
本练习引导学习者针对螺栓与焊缝组合连接的节点，对照 AISC Specification 对 IDEA StatiCa 进行验证。螺栓与焊缝组合连接的要求见 AISC Specification 第 J1.8 节。该节包含一项一般性要求："除非在公共接触面上的剪力节点设计中考虑了螺栓与焊缝之间的应变协调，否则不应将螺栓视为与焊缝共同承担荷载。"该节还包括一种针对特定类别节点考虑应变协调的允许方法，以及如下说明："在螺栓与纵向焊缝组合的节点中，节点承载力无需取低于单独螺栓承载力或单独焊缝承载力中的较小值。"
正如 AISC Specification 条文说明所述，螺栓与焊缝组合的复杂性在于两者并非在相同变形水平下达到各自的极限承载力。
典型荷载-变形特性曲线（Kulak and Grondin 2003）
对螺栓施加预拉力可提高节点刚度，从而使螺栓与焊缝之间能够更有效地共同承担荷载。这也是 AISC Specification 第 J1.8 节所述允许方法仅适用于预拉力螺栓节点的原因。
在 IDEA StatiCa 中，螺栓和焊缝的承载力校核相互独立，对螺栓与焊缝共同承担荷载的情况不作特殊处理。由于对螺栓、焊缝、构件及连接件的刚度进行了显式建模，IDEA StatiCa 中始终考虑应变协调。当螺栓与焊缝共同承担荷载时，各自的需求承载力基于其相对刚度确定，可用承载力则按常规方法计算。该方法的有效性可通过对比验证来确认。
节点
本练习所研究的节点为两块板式受拉构件的拼接节点。在所有接触面上同时采用预拉力螺栓和焊缝组合连接。本练习考察了不同焊缝长度的情况。为简化起见，焊缝长度仅在拼接节点右侧进行调整。该节点的设计使得螺栓和焊缝的承载力控制设计，而非构件和连接件的承载力。
操作步骤
本练习的操作步骤假定学习者已具备使用 IDEA StatiCa 的基本知识（例如：如何操作软件界面、定义和编辑操作、执行分析以及查询结果）。如需获取相关学习指导，请访问 IDEA StatiCa 支持中心。
在开始练习之前，建议先阅读 AISC Specification 第 J1.8 节及相关条文说明，以及本目录条目中关于 IDEA StatiCa 如何处理螺栓与焊缝组合连接的说明。
获取本练习所附示例节点的 IDEA StatiCa 文件，在 IDEA StatiCa Connection 中打开该文件。按照以下说明完成各项任务并回答相关问题。
分析仅含螺栓的节点。
分析仅含焊缝的节点（L = 6 in.）。
分析螺栓与焊缝组合的节点（L = 6 in.）。
验证应在一定参数范围内进行。螺栓与焊缝的相对承载力是 AISC Specification 中螺栓与焊缝承载力组合方法的重要参数。可通过调整焊缝长度来改变相对承载力。请对不同焊缝长度的节点进行分析。
除对比分析外，验证还包括对数据进行分析，以得出结论并确定进一步研究的方向。
参考文献
AISC. (2022). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
AWS. (2020). Structural Welding Code—Steel. American Welding Society. Doral, Florida.
Denavit, M. D., Nassiri, A., Mahamid, M., Vild, M., Wald, F., and Sezen, H. (2024). Steel Connection Design by Inelastic Analysis. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
Kulak, G. L., and Grondin, G. Y. (2003). "Strength of Joints that Combine Bolts and Welds." AISC Engineering Journal, 40(2), 89–98.
Oberkampf, W. L., Trucano, T. G., and Hirsch, C. (2002). "Verification, Validation and Predictive Capability in Computational Engineering and Physics." Proceedings of the Foundations for Verification and Validation on the 21st Century Workshop, Laurel, Maryland, 1–74.
SCS Technical Committee on Model Credibility. (1979). "Terminology for model credibility." Simulation, SAGE Publications Ltd STM, 32(3), 103–104.
Wald, F., Šabatka, L., Bajer, M., Jehlička, P., Kabeláč, J., Kožich, M., Kuříková, M., and Vild, M. (2020). Component–Based Finite Element Design of Steel Connections. Czech Technical University in Prague.