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技术支持中心验证示例四螺栓排列端板节点
SteelConnection designVerificationsEN (Eurocode)CBFEM

四螺栓排列端板节点

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《基于组件的有限元钢结构节点设计》一书的相关章节,重点介绍四螺栓排列端板节点的验证。

描述

本研究重点对四螺栓排列端板节点承载力的CBFEM(基于组件的有限元模型)进行验证,对比对象包括解析模型(AM)以及经试验验证的研究型有限元模型(ROFEM)。

解析模型

螺栓的受剪和受拉承载力,以及板件的承压和冲切承载力,依据 EN 1993-1-8:2006 第 3.6.1 条表 3.4 进行设计。等效受拉 T 形件依据第 6.2.4 条,由 Jaspart 等人(2010)进行了修正,见图 5.7.1 和表 5.7.1。

Fig. 5.7.1 Failure modes of T-stub with four bolts in a row: mode 1 (left), mode 2 (middle), mode 3 (right)\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.1 Failure modes of T-stub with four bolts in a row: mode 1 (left), mode 2 (middle), mode 3 (right)}}}Fig. 5.7.1 Failure modes of T-stub with four bolts in a row: mode 1 (left), mode 2 (middle), mode 3 (right)

表 5.7.1 四螺栓排列 T 形件的破坏模式(Jaspart 等,2010)

表 5.7.1 中,𝐹t,Rd 为螺栓受拉承载力,𝑒w=𝑑w/4,𝑑w 为垫圈直径或螺栓头、螺母对角宽度(取相关值),𝑚、𝑛=𝑒1+𝑒2;⁡𝑛≤1.25𝑚,𝑛1=𝑒1,𝑛2=𝑒2;⁡𝑛2≤1,25𝑚+𝑛1,见图 5.8.2,𝑀pl,1,Rd=0.25𝑙eff,1𝑡f2𝑓y/𝛾M0,𝑀pl,2,Rd=0.25𝑙eff,2𝑡f2𝑓y/𝛾M0,𝑙eff 为有效长度,𝑡f 为翼缘厚度,𝑓y 为屈服强度,见图 5.7.2。

Fig. 5.7.2 T-stub geometry with four bolts in a row\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.2 T-stub geometry with four bolts in a row}}}Fig. 5.7.2 T-stub geometry with four bolts in a row

承载力的验证与校核

CBFEM(基于组件的有限元模型)计算所得设计值与解析模型(Zakouřil,2019)及研究型有限元模型(ROFEM)的试验结果(Samaan 等,2017)进行了对比,见图 5.7.3,汇总结果见图 5.7.4。采用 8.8 级螺栓和 S450 钢材,屈服强度和抗拉强度与试验值吻合良好,例如螺栓屈服强度为 600 MPa,抗拉强度为 800 MPa。

Extended unstiffened end plate labeled ENS\textsf{\textit{\footnotesize{Extended unstiffened end plate labeled ENS}}}Extended unstiffened end plate labeled ENS

Flushed end plate labeled F\textsf{\textit{\footnotesize{Flushed end plate labeled F}}}Flushed end plate labeled F

Extended stiffened end plate labeled EX\textsf{\textit{\footnotesize{Extended stiffened end plate labeled EX}}}Extended stiffened end plate labeled EX

Fig. 5.7.3 Tested specimens\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.3 Tested specimens}}}Fig. 5.7.3 Tested specimens

CBFEM(基于组件的有限元模型)确定的抗弯承载力通常介于组件法与试验结果之间。表 5.7.2 列出了端板厚度为 20 mm 和 32 mm 试件的组件法(CM)、CBFEM(基于组件的有限元模型)、ROFEM 及试验承载力对比结果。组件法和 CBFEM(基于组件的有限元模型)均低估了齐平端板试件的承载力。 

表 5.7.2 CM、ROFEM、CBFEM(基于组件的有限元模型)与试验结果对比

表 5.7.3 和图 5.7.4 展示了不同端板厚度、螺栓直径和梁高的 ENS 模型中 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 的验证结果。

表 5.7.3 ENS 模型 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 验证

Fig. 5.7.4 Verification of CBFEM to CM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.4 Verification of CBFEM to CM}}}Fig. 5.7.4 Verification of CBFEM to CM

敏感性分析结果汇总于图 5.7.5、图 5.7.6 和图 5.7.7 

Fig. 5.7.5 Sensitivity study for plate thickness\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.5 Sensitivity study for plate thickness}}}Fig. 5.7.5 Sensitivity study for plate thickness

Fig. 5.7.6 Sensitivity study for bolt diameter\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.6 Sensitivity study for bolt diameter}}}Fig. 5.7.6 Sensitivity study for bolt diameter

Fig. 5.7.7 Sensitivity study for beam height\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.7 Sensitivity study for beam height}}}Fig. 5.7.7 Sensitivity study for beam height

表 5.7.4 和图 5.7.8 展示了不同端板厚度和螺栓直径的 F 模型中 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 的验证结果。 

表 5.7.4 F 模型 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 验证

Fig. 5.7.8 Verification of CBFEM to CM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.8 Verification of CBFEM to CM}}}Fig. 5.7.8 Verification of CBFEM to CM

敏感性分析结果汇总于图 5.7.9 和图 5.7.10。

Fig. 5.7.9 Sensitivity study for plate thickness\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.9 Sensitivity study for plate thickness}}}Fig. 5.7.9 Sensitivity study for plate thickness

Fig. 5.7.10 Sensitivity study for bolt diameter\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.10 Sensitivity study for bolt diameter}}}Fig. 5.7.10 Sensitivity study for bolt diameter

表 5.7.5 和图 5.7.11 展示了不同端板厚度和螺栓直径的 F 模型中 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 的验证结果。 

表 5.7.5 EX 模型 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 验证

Fig. 5.7.11 Verification of CBFEM to CM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.11 Verification of CBFEM to CM}}}Fig. 5.7.11 Verification of CBFEM to CM

敏感性分析结果汇总于图 5.7.12 和图 5.7.13。 

Fig. 5.7.12 Sensitivity study for plate thickness\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.12 Sensitivity study for plate thickness}}}Fig. 5.7.12 Sensitivity study for plate thickness

Fig. 5.7.13 Sensitivity study for bolt diameter\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.13 Sensitivity study for bolt diameter}}}Fig. 5.7.13 Sensitivity study for bolt diameter

基准算例

输入参数

  • 钢材 S450

柱

  • 热轧 I 形截面
  • h = 390mm
  • b = 350mm
  • tf = 20mm
  • tw = 12mm
  • r = 27mm

柱加劲板

  • ts = 16mm

梁

  • 热轧 I 形截面
  • hb = 340mm
  • bb = 350mm
  • tf = 20mm
  • tw = 12mm
  • r = 27mm

端板

  • tp = 20mm
  • bp = 350mm
  • hp= 540mm

螺栓

  • 4 排 × 4 × M16 8.8 级
  • 间距 e1 = 50 mm,p1 = 120 mm,p2 = 100mm,e2= 50mm,w1 = 75mm,w2 = 100mm

焊缝

  • aw = 7mm

输出结果

  • 设计值 FRd = 247 kN
  • 控制组件为受端板撬力影响的螺栓

Fig. 5.7.14 Benchmark example\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.7.14 Benchmark example}}}Fig. 5.7.14 Benchmark example

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