描述
本研究的目的是对螺栓连接门式刚架檐口节点进行验证,如图 9.2.1 所示。斜梁通过端板螺栓连接至柱翼缘。柱在梁翼缘标高处设有两道水平加劲板。受压板件,如柱的水平加劲板、剪切或受压腹板区以及受压梁翼缘,均按截面三类设计。水平梁长 6 m,沿全长承受均布荷载。

图 9.2.1 螺栓连接门式刚架檐口节点
分析模型
共考察八个组件:角焊缝、剪切腹板区、柱腹板横向受压、柱腹板横向受拉、梁翼缘受压与受拉、柱翼缘受弯、端板受弯及螺栓。所有组件均按 EN 1993-1-8:2005 设计。各组件的设计荷载取决于其位置。剪切腹板区由柱竖向轴线上的设计荷载控制。其他组件由连接水平梁的柱翼缘处折减后的设计荷载控制。
角焊缝
焊缝沿梁截面全周封闭布置。翼缘处焊缝厚度可与腹板处焊缝厚度不同。竖向剪力仅由腹板处焊缝传递,采用塑性应力分布。弯矩由整个焊缝形状传递,采用弹性应力分布。考虑取决于柱水平刚度的有效焊缝宽度(因未加劲柱翼缘的弯曲效应)。焊缝设计按 EN 1993-1-8:2005 第 4.5.3.2(6) 条执行。验算在两个关键点进行:翼缘上缘或下缘处(最大弯曲应力)以及翼缘与腹板交叉处(剪力与弯矩应力的组合)。
剪切腹板区
柱腹板厚度设计不超过三类截面;见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.1(1) 条。考虑两种承载力贡献:柱腹板受剪承载力以及柱翼缘与水平加劲板框架效应的贡献;见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.1 条(公式 6.7 和 6.8)。
柱腹板横向受压或受拉
考虑剪力相互作用效应;见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.2 条及表 6.3。考虑柱腹板纵向应力的影响;见 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6.2(2) 条。水平加劲板可防止屈曲,并以有效面积计入该组件的承载力。
梁翼缘受压
水平梁设计不超过三类截面。
柱翼缘或端板受弯
按 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.6 条考虑圆形和非圆形破坏的有效长度。按 EN 1993-1-8:2005 第 6.2.4.1 条考虑三种破坏模式。
螺栓
螺栓按 EN 1993-1-8:2005 第 3.6.1 条设计。设计承载力考虑冲切剪切承载力和螺栓断裂。
数值设计模型
T 形件采用 4 节点壳单元建模,如第 3 章所述并在下文汇总。每个节点具有 6 个自由度。单元变形由薄膜贡献和弯曲贡献组成。在每个积分点的各层中考察非线性弹塑性材料状态。验算基于按 EN 1993-1-5:2006 规定的最大应变值 5%。螺栓分为三个子组件:第一个为螺栓杆,采用非线性弹簧建模,仅承受拉力;第二个子组件将拉力传递至翼缘;第三个子组件处理剪力传递。
整体行为
对上述两种设计方法的节点整体行为(以弯矩-转角图表示)进行了比较。重点关注弯矩-转角图的主要特征:初始刚度、设计承载力和变形能力。IPE 330 梁通过带 5 排 M24 8.8 螺栓的外伸端板连接至 HEB 300 柱。两种设计方法的结果如图 9.2.2 的图表及表 9.2.1 所示。与 CBFEM(基于组件的有限元模型)相比,CM 通常给出更高的初始刚度。如第 9.2.5 章所示,在所有情况下 CBFEM(基于组件的有限元模型)给出的设计承载力略高于 CM,差异在 10% 以内。变形能力也进行了比较。由于 EC3 对端板节点变形能力的背景规定有限,变形能力按(Beg 等,2004)计算。

图 9.2.2 弯矩-转角图
表 9.2.1 整体行为概览
| CM | CBFEM | CM/CBFEM | ||
| 初始刚度 | [kNm/rad] | 67400 | 112000 | 0,60 |
| 设计承载力 | [kNm] | 204 | 199 | 0,98 |
| 变形能力 | [mrad] | 242 | 47 | 5,14 |
承载力验证
下一步将 CBFEM(基于组件的有限元模型)计算的设计承载力与组件法结果进行比较。比较重点在于承载力及关键组件。参数研究针对柱截面参数展开。IPE 330 梁通过带 5 排螺栓的外伸端板连接至柱,采用 M24 8.8 螺栓。端板 P15 的尺寸(螺栓端距和间距均以毫米计)为:高度 450(50-103-75-75-75-73),宽度 200(50-100-50)。上翼缘外边缘距端板边缘 91 mm。梁翼缘与端板的焊缝焊喉厚度为 8 mm,梁腹板与端板的焊缝焊喉厚度为 5 mm。柱在梁翼缘对应位置设有水平加劲板,加劲板厚 15 mm,宽度与柱宽一致。端板加劲板厚 10 mm,宽 90 mm。结果见表 9.2.2 和图 9.2.3。
表 9.2.2 参数(柱截面)对应的设计承载力
| 柱截面 | CM | CBFEM | CM/ CBFEM | ||
| 承载力 | 组件 | 承载力 | 组件 | ||
| [kNm] | [kNm] | ||||
| HEB 200 | 107 | 柱腹板受剪 | 106 | 柱腹板受剪 | 1,01 |
| HEB 220 | 121 | 柱腹板受剪 | 136 | 柱腹板受剪 | 0,89 |
| HEB 240 | 143 | 柱腹板受剪 | 155 | 柱腹板受剪 | 0,92 |
| HEB 260 | 160 | 柱腹板受剪 | 169 | 柱腹板受剪 | 0,95 |
| HEB 280 | 176 | 柱腹板受剪 | 187 | 柱腹板受剪 | 0,94 |
| HEB 300 | 204 | 柱腹板受剪 | 199 | 梁翼缘受拉/受压 | 0,98 |
| HEB 320 | 222 | 柱腹板受剪 | 225 | 梁翼缘受拉/受压 | 0,99 |
| HEB 340 | 226 | 梁翼缘受拉/受压 | 242 | 梁翼缘受拉/受压 | 0,93 |
| HEB 360 | 229 | 梁翼缘受拉/受压 | 239 | 梁翼缘受拉/受压 | 0,96 |
| HEB 400 | 234 | 梁翼缘受拉/受压 | 253 | 梁翼缘受拉/受压 | 0,92 |
| HEB 450 | 241 | 梁翼缘受拉/受压 | 260 | 梁翼缘受拉/受压 | 0,93 |
| HEB 500 | 248 | 梁翼缘受拉/受压 | 268 | 梁翼缘受拉/受压 | 0,93 |

图 9.2.3 设计承载力与柱截面的关系
为说明 CBFEM(基于组件的有限元模型)模型的精度,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 CM 预测的承载力;见图 9.2.4。结果表明,在几乎所有情况下,CBFEM(基于组件的有限元模型)给出的设计承载力略高于 CM,两种方法之间的差异在 10% 以内。

图 9.2.4 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 CM 的验证
基准算例
输入参数
- 钢材 S235
- 梁 IPE 330
- 柱 HEB 300
- 端板高度 hp = 450(50-103-75-75-75-73)mm
- 端板宽度 bp = 200 (50-100-50) mm
- 端板 P15
- 柱加劲板厚 15 mm,宽 300 mm
- 端板加劲板厚 10 mm,宽 90 mm,高 90 mm,倒角 20 mm
- 翼缘焊缝焊喉厚度 af = 8 mm
- 腹板及端板加劲板焊缝焊喉厚度 aw = 5 mm
- 螺栓 M24 8.8
输出结果
- 受弯设计承载力 MRd = 206 kNm
- 对应竖向剪力 VEd= –206 kN
- 破坏模式:上翼缘梁加劲板屈服
- 螺栓承载比 90,2 %
- 焊缝承载比 99,0 %