螺栓连接门式刚架檐口弯矩节点

描述

本研究的目的是对螺栓连接门式刚架檐口节点进行验证，如图 9.2.1 所示。斜梁通过端板螺栓连接至柱翼缘。柱在梁翼缘标高处设有两道水平加劲板。受压板件，如柱的水平加劲板、剪切或受压腹板区以及受压梁翼缘，均按截面三类设计。水平梁长 6 m，沿全长承受均布荷载。

图 9.2.1 螺栓连接门式刚架檐口节点

分析模型

共考察八个组件：角焊缝、剪切腹板区、柱腹板横向受压、柱腹板横向受拉、梁翼缘受压与受拉、柱翼缘受弯、端板受弯及螺栓。所有组件均按 EN 1993-1-8:2005 设计。各组件的设计荷载取决于其位置。剪切腹板区由柱竖向轴线上的设计荷载控制。其他组件由连接水平梁的柱翼缘处折减后的设计荷载控制。

角焊缝

焊缝沿梁截面全周封闭布置。翼缘处焊缝厚度可与腹板处焊缝厚度不同。竖向剪力仅由腹板处焊缝传递，采用塑性应力分布。弯矩由整个焊缝形状传递，采用弹性应力分布。考虑取决于柱水平刚度的有效焊缝宽度（因未加劲柱翼缘的弯曲效应）。焊缝设计按 EN 1993-1-8:2005 第 4.5.3.2(6) 条执行。验算在两个关键点进行：翼缘上缘或下缘处（最大弯曲应力）以及翼缘与腹板交叉处（剪力与弯矩应力的组合）。

剪切腹板区

柱腹板厚度设计不超过三类截面；见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.1(1) 条。考虑两种承载力贡献：柱腹板受剪承载力以及柱翼缘与水平加劲板框架效应的贡献；见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.1 条（公式 6.7 和 6.8）。

柱腹板横向受压或受拉

考虑剪力相互作用效应；见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.2 条及表 6.3。考虑柱腹板纵向应力的影响；见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.2(2) 条。水平加劲板可防止屈曲，并以有效面积计入该组件的承载力。

梁翼缘受压

水平梁设计不超过三类截面。

柱翼缘或端板受弯

按 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6 条考虑圆形和非圆形破坏的有效长度。按 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.4.1 条考虑三种破坏模式。

螺栓

螺栓按 EN 1993-1-8:2005 第 3.6.1 条设计。设计承载力考虑冲切剪切承载力和螺栓断裂。

数值设计模型

T 形件采用 4 节点壳单元建模，如第 3 章所述并在下文汇总。每个节点具有 6 个自由度。单元变形由薄膜贡献和弯曲贡献组成。在每个积分点的各层中考察非线性弹塑性材料状态。验算基于按 EN 1993-1-5:2006 规定的最大应变值 5%。螺栓分为三个子组件：第一个为螺栓杆，采用非线性弹簧建模，仅承受拉力；第二个子组件将拉力传递至翼缘；第三个子组件处理剪力传递。

整体行为

对上述两种设计方法的节点整体行为（以弯矩-转角图表示）进行了比较。重点关注弯矩-转角图的主要特征：初始刚度、设计承载力和变形能力。IPE 330 梁通过带 5 排 M24 8.8 螺栓的外伸端板连接至 HEB 300 柱。两种设计方法的结果如图 9.2.2 的图表及表 9.2.1 所示。与 CBFEM（基于组件的有限元模型）相比，CM 通常给出更高的初始刚度。如第 9.2.5 章所示，在所有情况下 CBFEM（基于组件的有限元模型）给出的设计承载力略高于 CM，差异在 10% 以内。变形能力也进行了比较。由于 EC3 对端板节点变形能力的背景规定有限，变形能力按（Beg 等，2004）计算。

图 9.2.2 弯矩-转角图

表 9.2.1 整体行为概览

承载力验证

下一步将 CBFEM（基于组件的有限元模型）计算的设计承载力与组件法结果进行比较。比较重点在于承载力及关键组件。参数研究针对柱截面参数展开。IPE 330 梁通过带 5 排螺栓的外伸端板连接至柱，采用 M24 8.8 螺栓。端板 P15 的尺寸（螺栓端距和间距均以毫米计）为：高度 450（50-103-75-75-75-73），宽度 200（50-100-50）。上翼缘外边缘距端板边缘 91 mm。梁翼缘与端板的焊缝焊喉厚度为 8 mm，梁腹板与端板的焊缝焊喉厚度为 5 mm。柱在梁翼缘对应位置设有水平加劲板，加劲板厚 15 mm，宽度与柱宽一致。端板加劲板厚 10 mm，宽 90 mm。结果见表 9.2.2 和图 9.2.3。

表 9.2.2 参数（柱截面）对应的设计承载力

图 9.2.3 设计承载力与柱截面的关系

为说明 CBFEM（基于组件的有限元模型）模型的精度，参数研究结果汇总于对比图中，比较 CBFEM（基于组件的有限元模型）与 CM 预测的承载力；见图 9.2.4。结果表明，在几乎所有情况下，CBFEM（基于组件的有限元模型）给出的设计承载力略高于 CM，两种方法之间的差异在 10% 以内。

图 9.2.4 CBFEM（基于组件的有限元模型）与 CM 的验证

基准算例

输入参数

• 钢材 S235
• 梁 IPE 330
• 柱 HEB 300
• 端板高度 h_p = 450（50-103-75-75-75-73）mm
• 端板宽度 b_p = 200 (50-100-50) mm
• 端板 P15
• 柱加劲板厚 15 mm，宽 300 mm
• 端板加劲板厚 10 mm，宽 90 mm，高 90 mm，倒角 20 mm 
• 翼缘焊缝焊喉厚度 a_f = 8 mm
• 腹板及端板加劲板焊缝焊喉厚度 a_w = 5 mm
• 螺栓 M24 8.8

输出结果

• 受弯设计承载力 M_Rd = 206 kNm
• 对应竖向剪力 V_Ed= –206 kN
• 破坏模式：上翼缘梁加劲板屈服
• 螺栓承载比 90,2 %
• 焊缝承载比 99,0 %