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技术支持中心验证示例单平面T形节点(RHS腹杆与H/I弦杆)
SteelConnection designVerificationsEN (Eurocode)CBFEM

单平面T形节点(RHS腹杆与H/I弦杆)

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,该章节重点介绍板件与圆形空心截面节点的验证。

描述

本文研究了桁架中矩形空心截面腹杆与开口截面弦杆组成的单平面T形节点。RHS腹杆直接焊接在H形或I形弦杆(开口截面)上,不使用加强板。采用CBFEM(基于组件的有限元模型)的预测结果与EN 1993-1-8:2005中实施的破坏模式法(FM)进行验证。


解析模型


矩形空心截面与开口截面焊接T形节点存在三种破坏模式:腹杆局部屈服(称为腹杆破坏)、弦杆腹板破坏和弦杆剪切破坏。本研究对所有这些破坏模式进行了分析,见图7.4.1。根据EN 1993-1-8:2005,焊缝设计不应成为节点中最薄弱的组件。桁架构件承受轴力和弯矩。T形节点内力作用点描述如下:


轴向受力H/I弦杆

T形节点左右两侧弦杆中的轴力沿弦杆纵轴方向作用。

弯曲受力H/I弦杆


弦杆中T形节点左右两侧的平面内弯矩作用于弦杆,这些弯矩绕弦杆截面平面内的某一轴旋转,实现T形节点平面内的转动。

轴向受力RHS腹杆


T形节点腹杆中的轴力沿腹杆纵轴方向作用。

Fig. 7.4.1 Major failure modes a) chord web failure, b) chord shear (in case of gap), c) brace failure\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.1 Major failure modes a) chord web failure, b) chord shear (in case of gap), c) brace failure}}}Fig. 7.4.1 Major failure modes a) chord web failure, b) chord shear (in case of gap), c) brace failure

弦杆腹板的承载力采用EN 1993-1-8:2005第7.6节所给出的方法确定,该方法在(Wardenier等,2010)中有详细描述。腹杆的应力通过弦杆翼缘传递至弦杆腹板的有效面积。该面积位于腹杆壁与弦杆腹板交叉处的弦杆腹板上。节点的设计轴向承载力取以下设计承载力的最小值:

弦杆腹板破坏

Ni,Rd=fy0⋅tw⋅bwsin⁡(θi)⋅γM5N_{\mathrm{i,Rd}} = \frac{f_{\mathrm{y0}} \cdot t_{\mathrm{w}} \cdot b_{\mathrm{w}}}{\sin(\theta_{\mathrm{i}}) \cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}Ni,Rd​=sin(θi​)⋅γM5​fy0​⋅tw​⋅bw​​

弦杆剪切破坏

Ni,Rd=fy0 Av3 sin⁡θi⋅γM5N_{i,\mathrm{Rd}}=\frac{f_\mathrm{y0}\,A_\mathrm{v}}{\sqrt{3}\,\sin\theta_\mathrm{i}\cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}Ni,Rd​=3​sinθi​⋅γM5​fy0​Av​​

腹杆破坏

Ni,Rd=2 fy1 t1 peff/γM5N_{i,\mathrm{Rd}}=2\,f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,p_{\mathrm{eff}}/\gamma_{\mathrm{M5}}Ni,Rd​=2fy1​t1​peff​/γM5​

其中

peff=tw+2r+7 tf fy0fy1p_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}peff​=tw​+2r+7tf​fy1​fy0​​

且 AvA_\mathrm{v}Av​ 为有效剪切面积。

节点的设计抗弯承载力取以下设计承载力的最小值:

弦杆腹板破坏

Mip,Rd=0.5 fy0 tw bw h1γM5M_{\mathrm{ip,Rd}} = \frac{0.5 \, f_{\mathrm{y0}} \, t_{\mathrm{w}} \, b_{\mathrm{w}} \, h_1}{\gamma_{\mathrm{M5}}}Mip,Rd​=γM5​0.5fy0​tw​bw​h1​​

腹杆破坏

Mip,Rd=fy1 t1 beff (h1−t1)/γM5M_{\mathrm{ip,Rd}}=f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,b_{\mathrm{eff}}\,(h_\mathrm{1}-t_\mathrm{1})/\gamma_{\mathrm{M5}}Mip,Rd​=fy1​t1​beff​(h1​−t1​)/γM5​

其中

bw=h1sin⁡θi+5⋅tf,0+r  ≤  2 ti+10⋅(tf,0+r)b_{\mathrm{w}} = \frac{h_1}{\sin \theta_{\mathrm{i}}} + 5 \cdot t_{\mathrm{f,0}} + r \;\leq\; 2 \, t_{\mathrm{i}} + 10 \cdot (t_{\mathrm{f,0}} + r)bw​=sinθi​h1​​+5⋅tf,0​+r≤2ti​+10⋅(tf,0​+r)

beff=tw+2r+7 tf fy0fy1b_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}beff​=tw​+2r+7tf​fy1​fy0​​

轴力加载算例概述见表7.4.1,弯矩加载算例概述见表7.4.2。节点几何尺寸见图7.4.2。

Fig. 7.4.2 Joint geometry with dimensions\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.2 Joint geometry with dimensions}}}Fig. 7.4.2 Joint geometry with dimensions

表7.4.1 轴力加载节点算例 

表7.4.2 平面内弯矩加载节点算例

承载力验证

本研究重点比较了破坏模式及设计承载力的预测结果,结果见表7.4.3和表7.4.4。

表7.4.3 腹杆轴力工况下CBFEM(基于组件的有限元模型)与FM的对比

表7.4.4 腹杆平面内弯矩工况下CBFEM(基于组件的有限元模型)与FM的对比

敏感性分析表明,所有荷载工况均吻合良好。在CBFEM(基于组件的有限元模型)方法中,开口截面壁的圆角被简化处理,这对连接斜杆的应力给出了偏保守的估计,承载力假设偏差在15%以内。为说明CBFEM(基于组件的有限元模型)模型的精度,参数化研究结果汇总于对比图中,比较了CBFEM(基于组件的有限元模型)与FM的设计承载力,见图7.4.3。

 Fig. 7.4.3 Verification of CBFEM to FM for axial force and bending moment in the brace\textsf{\textit{\footnotesize{ Fig. 7.4.3 Verification of CBFEM to FM for axial force and bending moment in the brace}}} Fig. 7.4.3 Verification of CBFEM to FM for axial force and bending moment in the brace

适用范围


CBFEM(基于组件的有限元模型)针对矩形空心截面与开口截面T形节点的验证适用范围,由EN 1993-1-8:2005表7.20定义,见表7.4.5。当CBFEM(基于组件的有限元模型)模型应用于FM适用范围之外时,应通过试验验证或与经验证的研究模型进行对比,以确认预测质量。

表7.4.5 T形节点适用范围

基准算例

输入参数


弦杆
• 钢材 S235
• IPN280


腹杆
• 钢材 S235
• RHS 140×80×10


网格尺寸
• 矩形空心构件最大腹板上划分16个单元

输出结果


• 受压/受拉设计承载力 Fc,Rd = 457 kN(需注意,该承载力采用"极限应变停止"功能计算得出,因此实际CBFEM(基于组件的有限元模型)承载力可能略高。)


• 破坏模式为弦杆塑性化

Fig. 7.4.4 Benchmark example for chord IPE270 and brace RHS 140×80×10\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.4.4 Benchmark example for chord IPE270 and brace RHS 140×80×10}}}Fig. 7.4.4 Benchmark example for chord IPE270 and brace RHS 140×80×10

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