柱腹板加劲板

描述

本研究的目的是验证梁柱节点中4类柱腹板加劲板的CBFEM（基于组件的有限元模型），并与在 Dlubal RFEM 软件中建立的研究有限元模型（RFEM）及组件法（CM）进行对比。

研究有限元模型

研究有限元模型（RFEM）用于验证 CBFEM 模型。数值模型中采用角点处设置节点的四节点四边形壳单元。分析方法采用含初始缺陷的几何和材料双重非线性分析（GMNIA）。等效几何缺陷由第一阶屈曲模态导出，幅值按 EN 1993-1-5:2006 附录 C 确定。数值模型如图 6.3.1 所示。

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.1 Research FEA model of a beam-to-column joint with slender column web stiffener}}}$$

CBFEM

薄板的设计流程详见第 3.10 节。软件中已实现线性屈曲分析。设计承载力的计算按设计流程进行。用户通过插值调整 F_CBFEM，直至 ρ ∙ α_ult,k/γ_M1 等于 1。研究对象为带细长柱腹板加劲板的梁柱节点。梁和柱采用相同截面，柱腹板加劲板厚度变化。各算例的几何参数见表 6.3.1。节点承受弯矩荷载。

表 6.3.1 算例概览

整体行为与验证

图 6.3.2 给出了 CBFEM 模型中加劲板厚度为 3 mm 的细长柱腹板加劲板梁柱节点的弯矩-转角曲线，重点关注设计承载力和临界荷载两项主要特征值。曲线中标注了屈服起始点及 5% 塑性应变对应的承载力点。

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.2 Moment-rotation curve of example t3}}}$$

承载力验证

将 CBFEM Idea StatiCa 软件计算所得设计承载力与 RFEM 结果进行对比，重点比较设计承载力和临界荷载。结果汇总于表 6.3.2。图 6.3.3 c) 给出了柱腹板加劲板厚度对各算例承载力和临界荷载的影响。

表 6.3.2 RFEM 与 CBFEM 的设计承载力及临界荷载

结果表明，临界荷载和设计承载力吻合良好。腹板加劲板厚度为 3 mm 的节点 CBFEM 模型如图 6.3.3a 所示，节点第一阶屈曲模态如图 6.3.3b 所示。

$$\textsf{\textit{\footnotesize{a)}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{b)}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{c)}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 6.3.3 a) Geometrical model b) First buckling mode c) Influence of stiffener's thickness on resistances and critical loads}}}$$

验证研究证实了 CBFEM 模型在预测柱腹板加劲板行为方面的准确性。CBFEM 结果与 RFEM 结果进行了对比，所有方法均预测出相似的节点整体行为，设计承载力的差异在所有算例中均低于 10%。

基准算例

输入参数

梁

• 钢材 S235
• 翼缘厚度 t_f = 20 mm
• 翼缘宽度 b_f = 400 mm
• 腹板厚度 t_w = 12 mm
• 腹板高度 h_w = 600 mm

柱

• 钢材 S235
• 翼缘厚度 t_f = 20 mm
• 翼缘宽度 b_f = 400 mm
• 腹板厚度 t_w = 12 mm
• 腹板高度 h_w = 560 mm
• 截面高度 h = 600 mm

上部柱腹板加劲板

• 钢材 S235
• 加劲板厚度 t_w = 20 mm
• 加劲板宽度 h_w = 400 mm

下部柱腹板加劲板

• 钢材 S235
• 加劲板厚度 t_w = 3 mm
• 加劲板宽度 h_w = 400 mm

规范设置 – 模型与网格

• 最大构件腹板或翼缘上的单元数量 24

输出结果

• 塑性承载力 CBFEM = 589 kNm
• 设计屈曲承载力 CBFEM（kNm）= 309 kNm
• 临界屈曲系数（对应设计屈曲承载力 = 309 kNm）α_cr = 0,97
• 5% 塑性应变对应的荷载系数 α_ult,k = 塑性承载力 CBFEM / 设计屈曲承载力 CBFEM = 589/309 = 1,91