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技术支持中心验证示例CBFEM(基于组件的有限元模型)验证:块剪破坏行为
CBFEM(基于组件的有限元模型)验证:块剪破坏行为
SteelConnection designVerificationsAISC (USA)CBFEM

CBFEM(基于组件的有限元模型)验证:块剪破坏行为

本文也提供以下语言版本
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
AI从英语翻译

螺栓节点的块剪破坏通过有限单元法分析确定,并以5%塑性应变限值进行校核。CBFEM(基于组件的有限元模型)中的块剪承载力仅取决于板件屈服强度和板件材料抗力系数。

各规范对块剪承载力的计算方法略有不同。本算例将CBFEM(基于组件的有限元模型)的块剪承载力与加拿大阿尔伯塔大学编制的详细报告中所述的试验结果进行对比。

材料与几何参数

板件材料:350W(fy=350 MPa, fu=450 MPaf_y = 350\,\textrm{MPa},\,f_u = 450\,\textrm{MPa}fy​=350MPa,fu​=450MPa)

钢材抗力系数:ϕ=0.9\phi=0.9ϕ=0.9

实测材料性能出乎意料地低于标称值(表格取自报告)。在CBFEM(基于组件的有限元模型)中,采用带抗力系数的标称值进行计算。

板件厚度:6.4 mm

螺栓:直径1/2英寸,A325级,螺栓孔直径等于螺栓直径

试验装置由加强节点(上部)和试验节点(下部)组成。在CBFEM(基于组件的有限元模型)中,仅对试验节点进行建模。下图取自报告。

几何参数共有两种方案:

  • 螺栓间距较小(间距51 mm;试件T1A、T1B和T1C)
  • 螺栓间距较大,为152 mm(试件T2B和T2C)

结果

CBFEM(基于组件的有限元模型)的变形值在开发者模式下从与试验相近的位置读取,该模式可对位移进行可视化显示。数值从刻度尺上读取,因此变形量并非精确值。

荷载-变形曲线与报告中的试验曲线吻合较好。差异主要来源于CBFEM(基于组件的有限元模型)中采用的标称值和抗力系数。模型还仅使用了应变硬化不显著的双线性材料本构关系。此外,CBFEM(基于组件的有限元模型)的变形形态与试验结果吻合良好,塑性应变集中于螺栓之间的上部区域,表明拉断破坏将先于两侧剪切破坏发生。 

需要特别指出的是,5%塑性应变限值(下图中的橙色点)在极小变形时即已达到,远早于任何断裂的发生。对于几何方案T1和T2B/C,拉断破坏分别发生在45%和42%塑性应变处。剪切面的延性更好,但此时承载力已显著降低。

结论

在CBFEM(基于组件的有限元模型)中,螺栓群的块剪承载力通过有限单元法分析确定,并以5%塑性应变限值进行校核。与研究报告试验结果的对比表明,即使在CBFEM(基于组件的有限元模型)中采用相对粗糙的网格和简化材料模型,荷载-变形曲线仍能较好地吻合。另一重要发现是,5%塑性应变限值在极小变形时即已达到,远早于任何断裂的发生。 

CBFEM(基于组件的有限元模型)旨在确定设计承载力,而非精确模拟节点的真实行为。尽管在这两种块剪承载力工况中5%塑性应变限值已具有较高安全裕度,用户仍不应提高该限值。

参考文献:

Huns, Bino Baljit Singh, Grondin, Gilbert Y., Driver, Robert G. Block shear behaviour of bolted gusset plates, Structural engineering report SER 248 | SER-ID SER248, University of Alberta, 2002. Available at: https://era.library.ualberta.ca/items/cf9bf338-36ca-4557-9bb2-ee198954bd00

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