单平面T形节点（RHS腹杆与H/I弦杆）

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。

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

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

$$N_{\mathrm{i,Rd}} = \frac{f_{\mathrm{y0}} \cdot t_{\mathrm{w}} \cdot b_{\mathrm{w}}}{\sin(\theta_{\mathrm{i}}) \cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

弦杆剪切破坏

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=\frac{f_\mathrm{y0}\,A_\mathrm{v}}{\sqrt{3}\,\sin\theta_\mathrm{i}\cdot \gamma_{\mathrm{M5}}}$$

腹杆破坏

$$N_{i,\mathrm{Rd}}=2\,f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,p_{\mathrm{eff}}/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

其中

$$p_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

且 $A_\mathrm{v}$ 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

$$M_{\mathrm{ip,Rd}} = \frac{0.5 \, f_{\mathrm{y0}} \, t_{\mathrm{w}} \, b_{\mathrm{w}} \, h_1}{\gamma_{\mathrm{M5}}}$$

腹杆破坏

$$M_{\mathrm{ip,Rd}}=f_\mathrm{y1}\,t_\mathrm{1}\,b_{\mathrm{eff}}\,(h_\mathrm{1}-t_\mathrm{1})/\gamma_{\mathrm{M5}}$$

其中

$$b_{\mathrm{w}} = \frac{h_1}{\sin \theta_{\mathrm{i}}} + 5 \cdot t_{\mathrm{f,0}} + r \;\leq\; 2 \, t_{\mathrm{i}} + 10 \cdot (t_{\mathrm{f,0}} + r)$$

$$b_{\mathrm{eff}}=t_\mathrm{w}+2r+7\,t_\mathrm{f}\,\frac{f_\mathrm{y0}}{f_\mathrm{y1}}$$

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。

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

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。

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

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 F_c,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

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