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技术支持中心验证示例柱腹板加劲板
SteelVerificationsEN (Eurocode)CBFEMBuckling

柱腹板加劲板

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

本文选自 Wald 教授等人所著《基于组件的钢结构节点有限元设计》一书的相关章节,该章节重点介绍柱加劲板屈曲的验证。

描述

本研究的目的是验证梁柱节点中4类柱腹板加劲板的CBFEM(基于组件的有限元模型),并与在 Dlubal RFEM 软件中建立的研究有限元模型(RFEM)及组件法(CM)进行对比。

研究有限元模型

研究有限元模型(RFEM)用于验证 CBFEM 模型。数值模型中采用角点处设置节点的四节点四边形壳单元。分析方法采用含初始缺陷的几何和材料双重非线性分析(GMNIA)。等效几何缺陷由第一阶屈曲模态导出,幅值按 EN 1993-1-5:2006 附录 C 确定。数值模型如图 6.3.1 所示。

Fig. 6.3.1 Research FEA model of a beam-to-column joint with slender column web stiffener\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.1 Research FEA model of a beam-to-column joint with slender column web stiffener}}}Fig. 6.3.1 Research FEA model of a beam-to-column joint with slender column web stiffener

CBFEM

薄板的设计流程详见第 3.10 节。软件中已实现线性屈曲分析。设计承载力的计算按设计流程进行。用户通过插值调整 FCBFEM,直至 ρ ∙ αult,k/γM1 等于 1。研究对象为带细长柱腹板加劲板的梁柱节点。梁和柱采用相同截面,柱腹板加劲板厚度变化。各算例的几何参数见表 6.3.1。节点承受弯矩荷载。

表 6.3.1 算例概览

算例柱/梁翼缘 柱/梁腹板 加劲板材料
 bftfhwtwts 
 [mm][mm][mm][mm][mm] 
t340020600123S235
t440020600124S235
t540020600125S235
t640020600126S235

整体行为与验证

图 6.3.2 给出了 CBFEM 模型中加劲板厚度为 3 mm 的细长柱腹板加劲板梁柱节点的弯矩-转角曲线,重点关注设计承载力和临界荷载两项主要特征值。曲线中标注了屈服起始点及 5% 塑性应变对应的承载力点。

Fig. 6.3.2 Moment-rotation curve of example t3\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.2 Moment-rotation curve of example t3}}}Fig. 6.3.2 Moment-rotation curve of example t3

承载力验证

将 CBFEM Idea StatiCa 软件计算所得设计承载力与 RFEM 结果进行对比,重点比较设计承载力和临界荷载。结果汇总于表 6.3.2。图 6.3.3 c) 给出了柱腹板加劲板厚度对各算例承载力和临界荷载的影响。

表 6.3.2 RFEM 与 CBFEM 的设计承载力及临界荷载

结果表明,临界荷载和设计承载力吻合良好。腹板加劲板厚度为 3 mm 的节点 CBFEM 模型如图 6.3.3a 所示,节点第一阶屈曲模态如图 6.3.3b 所示。

a)\textsf{\textit{\footnotesize{a)}}}a)

b)\textsf{\textit{\footnotesize{b)}}}b)

c)\textsf{\textit{\footnotesize{c)}}}c)

Fig. 6.3.3 a) Geometrical model b) First buckling mode c) Influence of stiffener’s thickness on resistances and critical loads\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.3 a) Geometrical model b) First buckling mode c) Influence of stiffener's thickness on resistances and critical loads}}}Fig. 6.3.3 a) Geometrical model b) First buckling mode c) Influence of stiffener’s thickness on resistances and critical loads

验证研究证实了 CBFEM 模型在预测柱腹板加劲板行为方面的准确性。CBFEM 结果与 RFEM 结果进行了对比,所有方法均预测出相似的节点整体行为,设计承载力的差异在所有算例中均低于 10%。

基准算例

输入参数

梁

  • 钢材 S235
  • 翼缘厚度 tf = 20 mm
  • 翼缘宽度 bf = 400 mm
  • 腹板厚度 tw = 12 mm
  • 腹板高度 hw = 600 mm

柱

  • 钢材 S235
  • 翼缘厚度 tf = 20 mm
  • 翼缘宽度 bf = 400 mm
  • 腹板厚度 tw = 12 mm
  • 腹板高度 hw = 560 mm
  • 截面高度 h = 600 mm

上部柱腹板加劲板

  • 钢材 S235
  • 加劲板厚度 tw = 20 mm
  • 加劲板宽度 hw = 400 mm

下部柱腹板加劲板

  • 钢材 S235
  • 加劲板厚度 tw = 3 mm
  • 加劲板宽度 hw = 400 mm

规范设置 – 模型与网格

  • 最大构件腹板或翼缘上的单元数量 24

输出结果

  • 塑性承载力 CBFEM = 589 kNm
  • 设计屈曲承载力 CBFEM(kNm)= 309 kNm
  • 临界屈曲系数(对应设计屈曲承载力 = 309 kNm)αcr = 0,97
  • 5% 塑性应变对应的荷载系数 αult,k = 塑性承载力 CBFEM / 设计屈曲承载力 CBFEM = 589/309 = 1,91
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