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双角钢夹板节点
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双角钢夹板节点

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本验证文章对按照 AS 4100 设计的双角钢夹板节点进行研究。

节点类型:双角钢夹板节点

单位制: 公制

设计依据: AS 4100

验算内容:螺栓、母材

板材材料: Grade 300

螺栓:M20 Grade 8.8

算例来源: B. Kirke, I.H. Al-Jamel. Steel Structures: Design Manual To AS 4100, 2004 – Chapter 9.4.1.1

几何尺寸

梁 UB 406×178×60 通过两个角钢 L100×6 与柱 UC 254×254×89 相连。

选用 M20 Grade 8.8 螺栓,螺栓间距为 70 mm。

施加荷载

梁承受 190 kN 的剪力。为偏于保守,在设计梁腹板处螺栓时,剪力应取柱面位置处的值,使螺栓群同时承受弯矩——选择距离 130 mm 处的内力。在设计角钢及柱面处螺栓群时,剪力应施加在梁腹板螺栓群重心位置——选择螺栓处的内力。

手算与 IDEA StatiCa 结果对比

以 B. Kirke, I.H. Al-Jamel. Steel Structures: Design Manual To AS 4100, 2004 – Chapter 9.4.1.1 的结果作为手算依据。

梁腹板节点

螺栓群承受 190 kN 剪力以及由柱面处施加荷载与梁腹板螺栓群重心之间距离产生的弯矩,即 190 kN × 65 mm = 12.35 kNm。螺栓最大受力经计算为 71.1 kN。IDEA StatiCa 的计算结果见下图,箭头表示板对螺栓力的反力。

最大受力螺栓为 B4,每个剪切面传递 36.3 kN,即整根螺栓传递 2 × 36.3 = 72.6 kN,与手算结果吻合良好。

螺栓承载力采用 AS 4100 中的公式,因此结果完全一致,例如螺栓抗剪承载力校核(每个剪切面单独校核):

手算中的撕裂承载力将剪力分解为直接指向板边缘方向的分量。而 IDEA StatiCa 在公式中采用向量方向。每根螺栓仅显示最不利的校核项。

由于板的变形,IDEA StatiCa 中的螺栓还承受较小的拉力。手算中忽略了这些力。

与柱翼缘的节点

在校核柱翼缘处螺栓时,力施加在梁腹板螺栓群重心处。螺栓承受较大的拉力,这也是角钢变形的控制因素。塑性应变如下图所示。根据欧洲规范 EN 1993-1-5,塑性应变限值为 5 %。

最大拉力出现在上排螺栓 B8 和 B12 处。注意螺栓 B1–B4 的剪力减小,这些螺栓仅承受剪力而无弯矩。螺栓 B5–B12 的剪力高于手算结果:Vf* = 190 / 8 = 23.75 kN。这一差异是由角钢的显著变形引起的,该变形同时导致剪力方向发生倾斜。

节点设计承载力

通过节点设计承载力分析类型可以查看荷载承载力的储备。由于角钢屈服,储备较低。节点将在荷载系数 103.4 % 时破坏,即剪力 Vf* = 196.5 kN。

刚度

可通过将分析类型设置为"刚度"、将梁设为被分析构件,并设置正确的被分析构件"计算长度"(通常为梁跨度,即柱中心至中心距离)来确定节点的刚度。软件计算在设定荷载下的割线刚度,以及在 2/3 Mj,Rd 以内的初始刚度(在此范围内弯矩-转角图假定为线性)。节点根据初始刚度 Sj,ini 进行分类。

结论

IDEA StatiCa Connection 的计算结果与手算结果吻合良好。在确定剪力施加位置时需要工程判断,但所有校核均可快速自动完成。螺栓受力受板变形的影响,若板发生屈服,差异可能较为显著。因此,各组件所受的力通常高于基于小变形假定的手算结果。

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