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技术支持中心验证示例端板弱轴节点
端板弱轴节点
SteelConnection designVerificationsEN (Eurocode)CBFEM

端板弱轴节点

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,该章节重点介绍端板的验证。

描述

梁柱节点的CBFEM(基于组件的有限元模型)模型通过组件法(CM)进行验证。带三排螺栓的扩展端板与柱腹板相连,并承受弯矩荷载;见图 5.3.1。

Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm}}}Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm

分析模型

控制节点行为的三个组件为:受弯端板、受拉和受压梁翼缘,以及受弯柱腹板。端板及受拉和受压梁翼缘按 EN 1993-1-8:2005 进行设计。柱腹板受弯行为依据(Steenhuis 等,1998)进行预测。梁柱弱轴节点试验结果(如 Lima 等,2009)表明,该类型节点在连接梁平面内受荷时具有良好的预测精度。

Fig. 5.3.2 Definition of the tension zone\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.2 Definition of the tension zone}}}Fig. 5.3.2 Definition of the tension zone

Flocal.Rd=min⁡(Fpunch.Rd;Fcomb.Rd)F_\mathrm{{local.Rd }}=\min \left(F_\mathrm{{punch.Rd }} ; F_\mathrm{{comb.Rd }}\right)Flocal.Rd​=min(Fpunch.Rd​;Fcomb.Rd​)

Fpunch.Rd =n⋅π⋅dm ⋅twc⋅fy/(3⋅γM0)bolted end plate F_\mathrm{ {punch.Rd }}  = n \cdot \pi\cdot d_\mathrm{m}  \cdot t_\mathrm{w c} \cdot f_\mathrm{y} /\left(\sqrt{3} \cdot \gamma_\mathrm{M 0}\right) \quad \text{bolted end plate }Fpunch.Rd​ =n⋅π⋅dm​ ⋅twc​⋅fy​/(3​⋅γM0​)bolted end plate  

b=b0+0.9⋅dmb = b_0 + 0.9 \cdot d_\mathrm{m}b=b0​+0.9⋅dm​

c=c0+0.9⋅dmc = c_0 + 0.9 \cdot d_\mathrm{m}c=c0​+0.9⋅dm​

a=L−ba = L - ba=L−b

k=1 if (b+c)/L>0.5k= 1 \quad \text{ if }\quad(b+c) / L>0.5k=1 if (b+c)/L>0.5

k=0.7+0.6(b+c)/L if (b+c)/L≤0.5k=0.7+0.6(b+c) / L \quad \text{ if }\quad(b+c) / L \leq 0.5k=0.7+0.6(b+c)/L if (b+c)/L≤0.5

bm=L[1−0.82twc2c2(1+1+2.8c2twcL)2], but bm≥0b_\mathrm{m}=L\left[1-0.82 \frac{t_\mathrm{w c}^2}{c^2}\left(1+\sqrt{1+2.8 \frac{c^2}{t_\mathrm{w c} L}}\right)^2\right], \quad \text{ but } \quad b_\mathrm{m} \geq 0bm​=L​1−0.82c2twc2​​​1+1+2.8twc​Lc2​​​2​, but bm​≥0

x0=L⋅[(twcL)23+0.23cL(twcL)13]⋅(b−bmL−bm)x_0=L\cdot\left[\left(\frac{t_\mathrm{w c}}{L}\right)^{\frac{2}{3}}+0.23 \frac{c}{L}\left(\frac{t_\mathrm{w c}}{L}\right)^{\frac{1}{3}}\right] \cdot\left(\frac{b-b_\mathrm{m}}{L-b_\mathrm{m}}\right)x0​=L⋅[(Ltwc​​)32​+0.23Lc​(Ltwc​​)31​]⋅(L−bm​b−bm​​)

x=0b≤bmx = 0 \quad b \leq b_\mathrm{m}x=0b≤bm​

x=−a+a2−1.5ac+32twc[πL(a+x0)+4c] if b>bmx=-a+\sqrt{a^2-1.5 a c+\frac{\sqrt{3}}{2} t_\mathrm{w c}\left[\pi \sqrt{L\left(a+x_0\right)}+4 c\right]} \quad \text{ if }\quad b>b_\mathrm{m}x=−a+a2−1.5ac+23​​twc​[πL(a+x0​)​+4c]​ if b>bm​

Fcomb.Rd=k⋅twc2⋅fy[πL(a+x)+2ca+x+1.5cx+x23twc(a+x)]/γM0F_\mathrm{c o m b . R d}=k\cdot t_\mathrm{w c}^2 \cdot f_\mathrm{y}\left[\frac{\pi \sqrt{L(a+x)}+2 c}{a+x}+\frac{1.5 c x+x^2}{\sqrt{3} t_\mathrm{w c}(a+x)}\right] / \gamma_\mathrm{M 0}Fcomb.Rd​=k⋅twc2​⋅fy​[a+xπL(a+x)​+2c​+3​twc​(a+x)1.5cx+x2​]/γM0​

ρ=1 if z/(L−b)≤1\rho = 1 \quad \text{ if }\quad z / (L-b) \leq 1ρ=1 if z/(L−b)≤1
ρ=z/(L−b) if 1<z/(L−b)≤10\rho = z / (L-b) \quad \text{ if }\quad 1<z / (L-b) \leq 10ρ=z/(L−b) if 1<z/(L−b)≤10

Fglobal.Rd=Fcomb.Rd2+twc2fy4(2bz+π+2ρ)/γM0F_\mathrm{g l o b a l . R d}=\frac{F_\mathrm{c o m b . R d}}{2}+\frac{t_\mathrm{w c}^2 f_\mathrm{y}}{4}\left(\frac{2 b}{z}+\pi+2 \rho\right) / \gamma_\mathrm{M 0}Fglobal.Rd​=2Fcomb.Rd​​+4twc2​fy​​(z2b​+π+2ρ)/γM0​

FRd=min⁡(Flocal.Rd;Fglobal.Rd)F_\mathrm{Rd} = \min \left(F_\mathrm{{local.Rd }} ; F_\mathrm{g l o b a l . R d}\right)FRd​=min(Flocal.Rd​;Fglobal.Rd​)

MRd=z⋅FRdM_\mathrm{Rd} = z \cdot F_\mathrm{Rd}MRd​=z⋅FRd​

其中:

  • twct_\mathrm{w c} \quadtwc​ 为柱腹板厚度
  • fyf_\mathrm{y} \quadfy​ 为柱腹板屈服强度
  • γM0\gamma_{\mathrm{M} 0}γM0​ 为钢材分项安全系数
  • γM0\gamma_{\mathrm{M} 0}γM0​ 为钢材分项安全系数
  • nnn 受拉区螺栓排数
  • dmd_\mathrm{m}dm​ 螺栓头对角线直径
  • b0b_0b0​ 螺栓水平间距
  • c0c_0c0​ 螺栓竖向间距
  • zzz 节点力臂
  • Fpunch.RdF_\mathrm{ {punch.Rd }} \quadFpunch.Rd​ 为抗冲切剪力承载力
  • Fcomb.RdF_\mathrm{ {comb.Rd }} \quadFcomb.Rd​ 为冲切、剪力与弯矩组合作用承载力

数值模型

评估基于 EN 1993-1-5:2006 规定的最大应变限值 5%。有关CBFEM(基于组件的有限元模型)模型的详细信息见第 3 章。

承载力验证

针对不同柱截面开展了节点承载力敏感性研究。节点几何尺寸见图 5.3.1。表 5.3.1 和图 5.3.3 汇总了端板 P18 相对于柱截面尺寸逐步扩大时的计算结果。

表 5.3.1 不同椽条下端板弱轴节点承载力预测结果

Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM}}}Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM

整体行为

整体行为通过力-变形曲线表示。IPE 240 梁通过六颗 M16 8.8 螺栓与 HEB 300 柱相连。端板几何尺寸见图 5.3.1 和表 5.3.1。两种方法的结果对比见图 5.3.4 和表 5.3.2。两种方法预测的设计承载力相近。与组件法相比,CBFEM(基于组件的有限元模型)通常给出较低的初始刚度。

Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM}}}Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM

表 5.3.2 整体行为主要特征参数



CMCBFEMCM/CBFEM
初始刚度[kNm/rad]1613022327.23
设计承载力[kNm]31301,03

研究结果汇总于对比 CBFEM(基于组件的有限元模型)与组件法承载力的图表中;见图 5.3.5。结果表明,两种方法之间的差异最大为 14%。CBFEM(基于组件的有限元模型)在所有情况下预测的承载力均低于组件法,这是基于(Steenhuis 等,1998)中简化假设的结果。类似结论亦可见于(Wang 和 Wang,2012)的研究成果。

Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection}}}Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection

基准算例

基准算例依据图 5.3.1 针对端板弱轴节点进行设置,修改后的几何参数汇总如下。

输入参数

  • 钢材 S235
  • 柱 HEB 300
  • 梁 IPE 240
  • 螺栓 6×M16 8.8
  • 焊缝厚度 5 mm
  • 端板厚度 tp = 18 mm

输出结果

  • 抗弯设计承载力 MRd = 30 kNm
  • 控制组件——受弯柱腹板
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参考文献

EN 1993-1-5, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-5: Plated Structural Elements, CEN, Brussels, 2005.

Steenhuis M., Jaspart J. P., Gomes F., Leino T. Application of the component method to steel joints, in Control of the Semi-rigid Behaviour of Civil Engineering Structural Connections Conference, COST C1, Liege, Belgium, 1998, 125-143.

Wang Z., Wang T. Experiment and finite element analysis for the end plate minor axis connection of semi-rigid steel frames, Tumu Gongcheng Xuebao/China Civil Engineering Journal, 45 (8), 2012, 83-89.