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技术支持中心验证示例与未加劲翼缘的节点
与未加劲翼缘的节点
SteelVerificationsEN (Eurocode)WeldsConnection

与未加劲翼缘的节点

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,该章节重点介绍焊缝的验证。

描述

本章对将钢板连接至未加劲柱的角焊缝,采用基于组件的有限元法(CBFEM)与组件法(CM)进行验证。钢板与开口截面柱及箱形截面柱相连,并承受拉力荷载。

分析模型

本研究中仅考察角焊缝这一组件。焊缝按 EN 1993-1-8:2005 第 4 章进行设计,使其成为节点中最薄弱的组件。角焊缝的设计承载力见第 4.1 节。垂直作用于柔性板的力受到限制,该柔性板焊接于未加劲截面上。应力集中于有效宽度范围内,而未加劲部分周围的焊缝承载力忽略不计,如图 4.5.1 所示。对于未加劲的 I 形或 H 形截面,有效宽度按下式计算:

beff=tw+2s+7ktf(4.5.1)b_\mathrm{eff} = t_\mathrm{w} + 2s + 7kt_\mathrm{f} \qquad (4.5.1)beff​=tw​+2s+7ktf​(4.5.1)                                                                    

k=tf⋅fy,ftp⋅fy,p(4.5.2)k = \frac{t_\mathrm{f} \cdot f_\mathrm{y,f} }{ t_\mathrm{p} \cdot f_\mathrm{y,p}} \qquad (4.5.2)k=tp​⋅fy,p​tf​⋅fy,f​​(4.5.2)                                                         

尺寸 s 对于轧制截面取 s=rs =rs=r,对于焊接截面取 s=2⋅as = \sqrt{2} \cdot as=2​⋅a。对于箱形截面或槽形截面,有效宽度应按下式计算:

beff=2tw+5tfbutbeff≤2tw+5ktf(4.5.1)b_\mathrm{eff} = 2t_\mathrm{w} + 5 t_\mathrm{f} \quad \textrm{but}\quad b_\mathrm{eff} \leq 2t_\mathrm{w} + 5 kt_\mathrm{f}\qquad (4.5.1)beff​=2tw​+5tf​butbeff​≤2tw​+5ktf​(4.5.1) 

 σ⊥2 +3⋅(τ⊥2 +τ∥2)≤fuβw⋅γM2\sqrt{  \sigma_{\perp}^2  + 3 \cdot \left( \tau_{\perp}^2  + \tau_{\parallel}^2\right)} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}} σ⊥2​ +3⋅(τ⊥2​ +τ∥2​)​≤βw​⋅γM2​fu​​

σ⊥=τ⊥=σN2=Nbeff⋅a⋅12\sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = \frac{\sigma_{N}}{\sqrt{2}} = \frac{N}{b_\mathrm{eff} \cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}}σ⊥​=τ⊥​=2​σN​​=beff​⋅aN​⋅2​1​

τ∥=0\tau_{\parallel} = 0τ∥​=0

(σN2)2+3⋅(σN2)2≤fuβw⋅γM2\sqrt{ \left( \frac{\sigma_{N}}{\sqrt{2}} \right)^2 + 3 \cdot \left( \frac{\sigma_{N}}{\sqrt{2}} \right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}(2​σN​​)2+3⋅(2​σN​​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

(Nbeff⋅a⋅12)2+3⋅(Nbeff⋅a⋅12)2≤fuβw⋅γM2\sqrt{ \left( \frac{N}{b_\mathrm{eff} \cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 + 3 \cdot \left( \frac{N}{b_\mathrm{eff}\cdot a}\cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}(beff​⋅aN​⋅2​1​)2+3⋅(beff​⋅aN​⋅2​1​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

N≤fu ⋅ beff ⋅ aβw ⋅ γM2 ⋅ 2N \leq \frac{f_{u}  \cdot  b_\mathrm{eff}  \cdot  a }{\beta_{\mathrm{w}}  \cdot  \gamma_{\mathrm{M2}}  \cdot  \sqrt{2}}N≤βw​ ⋅ γM2​ ⋅ 2​fu​ ⋅ beff​ ⋅ a​

其中:

aaa - 焊缝计算厚度

NNN - 作用于梁的法向力

beffb_\mathrm{eff}beff​ - 焊缝有效总长度 

βw\beta_{\mathrm{w}}βw​ - 相关系数,取自 EN 1993-1-8 表 4.1

fuf_ufu​ - 被连接较弱部分的名义极限抗拉强度

γM2\gamma_{\mathrm{M2}}γM2​ - 焊缝分项安全系数

       Fig. 4.5.1 Effective width of an unstiffened joint (Fig. 4.8 in EN 1993-1-8:2005)\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.1 Effective width of an unstiffened joint (Fig. 4.8 in EN 1993-1-8:2005)}}}Fig. 4.5.1 Effective width of an unstiffened joint (Fig. 4.8 in EN 1993-1-8:2005)

数值模型

CBFEM(基于组件的有限元模型)中的焊缝组件详见通用理论背景和欧洲规范理论背景。焊缝部分区域进入塑性阶段,应力峰值沿焊缝长度重新分布。

承载力验证

将 CBFEM(基于组件的有限元模型)计算所得设计承载力与 CM 结果进行比较,仅比较焊缝设计承载力。所考虑算例及材料的概况见表 4.5.1,节点几何形状及尺寸见图 4.5.2。

Tab. 4.5.1 Examples overview\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.5.1 Examples overview}}}Tab. 4.5.1 Examples overview

a) Flexible plate to open section             b) Flexible plate to box section\textsf{\textit{\footnotesize{a) Flexible plate to open section             b) Flexible plate to box section}}}a) Flexible plate to open section             b) Flexible plate to box section

Fig. 4.5.2 Joint geometry and dimentions\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.2 Joint geometry and dimentions}}}Fig. 4.5.2 Joint geometry and dimentions

计算结果列于表 4.5.2。本研究针对两个参数展开:HEB 截面的翼缘宽度和箱形截面的腹板厚度。柔性板承受拉力荷载。HEB 截面翼缘宽度对节点设计承载力的影响见图 4.5.3,箱形截面腹板厚度与节点设计承载力的关系见图 4.5.4。

Tab. 4.5.2 Comparison of CBFEM and CM\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.5.2 Comparison of CBFEM and CM}}}Tab. 4.5.2 Comparison of CBFEM and CM

在敏感性分析中对 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 的结果进行比较。HEB 截面翼缘宽度对节点设计承载力的影响见图 4.5.3,箱形截面腹板厚度对节点设计承载力的影响见图 4.5.4。参数化研究表明,所有焊缝配置的计算结果吻合良好。

Fig. 4.5.3 Flange width of the HEB section      Fig. 4.5.4 Web thickness of the box section\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.3 Flange width of the HEB section      Fig. 4.5.4 Web thickness of the box section}}}Fig. 4.5.3 Flange width of the HEB section      Fig. 4.5.4 Web thickness of the box section

敏感性分析结果汇总于对比 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 设计承载力的图表中,见图 4.5.5,该图展示了 CBFEM(基于组件的有限元模型)模型的精度。

Fig. 4.5.5 Verification of CBFEM to CM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.5 Verification of CBFEM to CM}}}Fig. 4.5.5 Verification of CBFEM to CM

板厚对焊缝设计承载力的影响见图 4.5.6。柱截面为 HEB 180,翼缘厚度为 14 mm。当连接板厚度大于柱翼缘厚度时,CM 与 CBFEM(基于组件的有限元模型)所得焊缝承载力相同。反之,当连接板厚度等于或小于柱翼缘厚度时,数值模型所得设计承载力比 CM 小约 20%。这一差异源于采用壳单元的数值模型未考虑板厚的影响。

Fig. 4.5.6 Influence of plate thickness on the resistance of joint with unstiffened column HEB180\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.6 Influence of plate thickness on the resistance of joint with unstiffened column HEB180}}}Fig. 4.5.6 Influence of plate thickness on the resistance of joint with unstiffened column HEB180

基准算例

输入参数

柱

• 钢材 S235

• RHS 200/200/5

柔性板

• 钢材 S235

• 厚度 tp = 17 mm

• 宽度 bp = 190 mm

焊缝,双面角焊缝见图 4.5.7

• 计算厚度 aw = 5 mm

输出结果

• 抗拉设计承载力 NRd = 68 kN

Fig. 4.5.7 Benchmark example for the welded connection of plate to unstiffened column\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.5.7 Benchmark example for the welded connection of plate to unstiffened column}}}Fig. 4.5.7 Benchmark example for the welded connection of plate to unstiffened column

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