焊接门式刚架檐口弯矩节点

描述

本章对焊接门式刚架檐口弯矩节点的CBFEM（基于组件的有限元模型）与组件法（CM）进行验证对比。开口截面梁焊接于开口截面柱上。柱设有两道水平加劲板，分别位于梁翼缘对应位置。受压板件（如柱水平加劲板、受剪柱腹板区、受压梁翼缘）限制在第3类截面以避免屈曲。斜梁承受剪力和弯矩作用。

分析模型

本研究考察五个组件，分别为：受剪腹板区、柱腹板横向受压、柱腹板横向受拉、柱翼缘受弯以及梁翼缘受压。所有组件均按 EN 1993-1-8:2005 进行设计。角焊缝设计确保其不成为节点中的最薄弱组件。加劲梁柱节点中角焊缝的验证研究见第4.4章。

受剪腹板区

柱腹板厚度受宽厚比限制以避免稳定性问题；见 EN 1993‑1‑8:2005，第6.2.6.1(1)条。第4类柱腹板受剪区的研究见第6.2章。承载力考虑两部分贡献：柱腹板区受剪承载力以及柱翼缘与水平加劲板框架机制的贡献；见 EN 1993‑1‑8:2005，第6.2.6.1条（公式6.7和6.8）。

柱腹板横向受压

考虑剪力相互作用效应；见 EN 1993-1-8:2005，第6.2.6.2条，表6.3。考虑柱腹板区纵向应力的影响；见 EN 1993-1-8:2005，第6.2.6.2(2)条。水平加劲板计入该组件的承载力。

柱腹板横向受拉

考虑剪力相互作用效应；见 EN 1993-1-8:2005，第6.2.6.2条，表6.3。水平加劲板计入该组件的承载力。

柱翼缘受弯

水平加劲板对柱翼缘提供支撑，该组件不予考虑。

梁翼缘受压

水平梁设计为第3类截面或更优截面以避免屈曲。

所考虑算例概况及材料参数见表9.1.1。节点几何尺寸见图9.1.1。研究中考虑的参数为梁截面、柱截面及柱腹板区厚度。

表9.1.1 算例概况

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}$$

数值模型

对积分点各层的非线性弹塑性材料状态进行分析。评估基于最大应变，按 EN 1993-1-5:2006 规定取值为5%。

整体行为

本节对门式刚架弯矩节点的整体行为进行比较，以弯矩-转角曲线加以描述。弯矩-转角曲线的主要特征参数为初始刚度、弹性承载力和设计承载力。算例中，开口截面梁 IPE 330 焊接于柱 HEB 260。按组件法，带水平加劲板的门式刚架弯矩节点被视为刚性节点，S_j,ini = ∞。因此，本文分析不带水平加劲板的节点。弯矩-转角曲线见图9.1.2，结果汇总于表9.1.2。结果表明，初始刚度及节点整体行为吻合良好。

表9.1.2 CBFEM（基于组件的有限元模型）与CM中门式刚架弯矩节点的转动刚度

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}$$

承载力验证

将CBFEM（基于组件的有限元模型）计算结果与CM进行比较。比较重点为设计承载力和控制组件。参数研究针对三个不同参数：梁截面、柱截面及柱腹板厚度。

以梁截面为参数的算例中，采用开口截面柱 HEB 260。柱设有两道厚度为10 mm的水平加劲板，位于梁翼缘对应位置。加劲板宽度与梁翼缘宽度对应。梁选用 IPE 140 至 IPE 500 的 IPE 系列截面。结果见表9.1.3。梁截面对焊接门式刚架弯矩节点设计承载力的影响见图 9.1.4。CBFEM（基于组件的有限元模型）中的控制组件为梁翼缘、柱翼缘和柱腹板。图9.1.3示出其中一个算例的模型及翼缘说明。

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}$$

表9.1.3 CBFEM（基于组件的有限元模型）与CM中的设计承载力及控制组件

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}$$

以柱截面为参数的算例中，采用开口截面梁 IPE330。柱设有两道厚度为10 mm的水平加劲板，位于梁翼缘对应位置。加劲板宽度与梁翼缘宽度对应，加劲板组合宽度为160 mm。柱选用 HEB 160 至 HEB 500 的 HEB 系列截面。结果见表9.1.4。柱截面对焊接门式刚架弯矩节点设计承载力的影响见图 9.1.5。

表9.1.4 CBFEM（基于组件的有限元模型）与CM中弯矩节点的设计承载力及控制组件

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}$$

第三个算例为由开口截面梁 IPE 330 和柱 HEA 320 组成的门式刚架弯矩节点。参数为柱腹板厚度。柱设有两道厚度为10 mm、宽度为160 mm的水平加劲板。柱腹板厚度取值范围为4至16 mm。结果汇总于表9.1.5。柱腹板厚度对焊接门式刚架弯矩节点设计承载力的影响见图 9.1.6。

表9.1.5 CBFEM（基于组件的有限元模型）与CM中弯矩节点的设计承载力及控制组件

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}$$

为说明CBFEM（基于组件的有限元模型）模型的精度，将参数研究结果汇总于对比图中，比较CBFEM（基于组件的有限元模型）与组件法的承载力；见图9.1.7。结果表明，两种计算方法之差小于5%，属于普遍可接受的范围。以柱腹板厚度为参数的研究中，CBFEM（基于组件的有限元模型）模型所得承载力高于组件法。该差异源于焊接截面的考虑方式不同：组件法中剪力传递仅考虑腹板，忽略翼缘的贡献。

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}$$

基准算例

输入参数

柱

• 钢材 S235
• HEB260

梁

• 钢材 S235
• IPE330

柱加劲板

• 厚度 t_s = 19 mm
• 宽度 80 mm
• 位于梁翼缘对应位置

焊缝

• 梁翼缘：角焊缝焊喉厚度 a_f  = 8 mm
• 梁腹板：角焊缝焊喉厚度 a_w  = 8 mm
• 加劲板周围采用对接焊缝

输出结果

• 受弯设计承载力 M_Rd = 146 kNm
• 控制组件：梁翼缘1

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}$$