描述
本章对CBFEM(基于组件的有限元模型)预测的单平面焊接矩形、方形空心截面T形、X形和K形间隙节点进行验证。方形空心截面(SHS)支管直接焊接在矩形空心截面(RHS)弦杆上,不使用加强板。节点承受轴力作用。在CBFEM(基于组件的有限元模型)中,设计承载力以5%应变或对应于0.03b0 节点变形的力为限,在破坏模式法(FMM)中通常以板件面外变形0.03b0为限,其中b0为RHS弦杆截面高度;参见Lu等人(1994年)。
破坏模式法
对于焊接矩形空心截面轴力作用下的T形、Y形、X形或带间隙K形节点,可能出现五种破坏模式,分别为弦杆面破坏、弦杆塑性化、弦杆侧壁破坏、弦杆腹板破坏、弦杆剪切破坏、冲切破坏和支管破坏。本研究针对T形、Y形和X形节点,考察弦杆面破坏、支管破坏和冲切破坏;针对带间隙K形节点,考察弦杆面破坏、弦杆剪切破坏、支管破坏和冲切破坏;见图7.2.1。按EN 1993-1-8:2005设计的焊缝不是节点中最薄弱的组件。

弦杆面破坏
RHS弦杆面的设计承载力由EN 1993‑1-8:2020第9.5节的破坏模式法(FMM)模型确定。该方法亦见于ISO/FDIS 14346,并在Wardenier等人(2010年)中有详细描述。焊接矩形空心截面轴力作用下T形、Y形或X形节点的设计承载力为
焊接矩形空心截面轴力作用下带间隙K形节点的设计承载力为
其中Cf为材料系数,fy0为弦杆屈服应力,t0为弦杆壁厚,η 为支管高度与弦杆宽度之比,β 为支管宽度与弦杆宽度之比,qi为支管i与弦杆之间的夹角(i = 1, 2),Qf为弦杆应力函数,γ为弦杆细长比。
支管破坏
RHS弦杆面的设计承载力可采用EN 1993-1-8:2020第9.5节破坏模式法(FMM)模型给出的方法确定。焊接矩形空心截面轴力作用下T形、Y形或X形节点的设计承载力为
焊接矩形空心截面轴力作用下带间隙K形节点的设计承载力为
其中Cf为材料系数,fyi为支管i的屈服应力(i = 1, 2),ti为支管i的壁厚,hi 为支管i的高度,bi为支管i的宽度,beff为支管的有效宽度。
冲切破坏
焊接矩形空心截面轴力作用下T形、Y形或X形节点的设计承载力为
焊接矩形空心截面轴力作用下带间隙K形节点的设计承载力为
其中Cf为材料系数,fy0为弦杆屈服应力,t0为弦杆壁厚,qi为支管i与弦杆之间的夹角(i = 1, 2),hi为支管i的高度,bi为支管i的宽度,be,p 为冲切有效宽度。
弦杆剪切破坏
焊接矩形空心截面轴力作用下带间隙K形节点的设计承载力为
其中fy0为弦杆屈服应力,Av,0,gap为弦杆剪切破坏有效面积,qi为支管i与弦杆之间的夹角(i = 1, 2)。
适用范围
CBFEM(基于组件的有限元模型)针对焊接矩形空心截面典型T形、Y形、X形和带间隙K形节点进行了验证。这些节点的适用范围在prEN 1993-1-8:2020表9.2中定义;见表7.2.1。CBFEM(基于组件的有限元模型)模型采用相同的适用范围。在破坏模式法(FMM)适用范围之外,应进行试验验证,或依据经验证的研究模型进行验证。
表7.2.1 破坏模式法适用范围,EN 1993-1-8:2020表9.2
| 一般规定 | |||
| 弦杆 | 受压 | 第1类或第2类截面且 (X形节点:) |
| 受拉 | (X形节点:) | |
| CHS支管 | 受压 | 第1类或第2类截面且且 |
| 受拉 | 且 |
7.2.2 单平面T形和Y形SHS节点
所考虑算例的概述见表7.2.2。所选算例涵盖了较宽范围的节点几何比例。节点几何尺寸如图7.2.2所示。所选节点按破坏模式法(FMM)发生弦杆面破坏或支管破坏。
表7.2.2 算例概述
| 算例 | 弦杆 | 支管 | 角度 | 材料 | ||
| 截面 | 截面 | θ1 | fy | fu | E | |
| [°] | [MPa] | [MPa] | [GPa] | |||
| 1 | SHS200/6.3 | SHS90/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 2 | SHS200/8.0 | SHS90/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 3 | SHS200/12.5 | SHS120/12.5 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 4 | SHS200/6.3 | SHS140/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 5 | SHS200/8.0 | SHS80/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 6 | SHS200/10.0 | SHS120/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 7 | SHS200/12.5 | SHS90/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 8 | SHS200/6.3 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 9 | SHS200/8.0 | SHS150/16.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 10 | SHS200/10.0 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 11 | SHS200/12.5 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |

承载力验证
将破坏模式法(FMM)的计算结果与CBFEM(基于组件的有限元模型)的计算结果进行对比,重点比较承载力和设计破坏模式。结果汇总于表7.2.3。
表7.2.3 CBFEM(基于组件的有限元模型)与破坏模式法(FMM)预测的受拉/受压设计承载力结果对比

研究表明,所考虑荷载工况的计算结果吻合良好。结果汇总于对比CBFEM(基于组件的有限元模型)与破坏模式法(FMM)设计承载力的图表中;见图7.2.3。结果表明,两种计算方法之间的差异在所有情况下均小于10 %。


基准算例
输入
弦杆
- 钢材 S355
- 截面 SHS 200×200×6.3
支管
- 钢材 S355
- 截面 SHS 90×90×8.0
- 支管与弦杆夹角 90°
焊缝
- 对接焊缝
网格尺寸
- 矩形空心构件最大腹板上划分16个单元
加载
- 对支管施加受压/受拉力
输出
- 受压/受拉设计承载力为 NRd = 92.6 kN
- 设计破坏模式为弦杆面破坏
单平面X形SHS节点
所考虑算例的概述见表7.2.4。所选算例涵盖了较宽范围的节点几何比例。所选节点按破坏模式法(FMM)发生弦杆面破坏或支管破坏。
表7.2.4 算例概述
| 算例 | 弦杆 | 支管 | 角度 | 材料 | ||
| 截面 | 截面 | θ | fy | fu | E | |
| [°] | [MPa] | [MPa] | [GPa] | |||
| 1 | SHS200/6.3 | SHS140/12.5 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 2 | SHS200/8.0 | SHS70/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 3 | SHS200/10.0 | SHS120/12.5 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 4 | SHS200/12.5 | SHS90/8.0 | 90 | 355 | 490 | 210 |
| 5 | SHS200/6.3 | SHS90/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 6 | SHS200/8.0 | SHS80/8.0 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 7 | SHS200/10.0 | SHS150/6.3 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 8 | SHS200/12.5 | SHS140/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 9 | SHS200/16.0 | SHS120/12.5 | 60 | 355 | 490 | 210 |
| 10 | SHS200/6.3 | SHS100/8.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 11 | SHS200/8.0 | SHS150/16.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 12 | SHS200/10.0 | SHS100/10.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |
| 13 | SHS200/16.0 | SHS90/8.0 | 30 | 355 | 490 | 210 |

承载力验证
将破坏模式法(FMM)的计算结果与CBFEM(基于组件的有限元模型)的计算结果进行对比,重点比较承载力和设计破坏模式;见表7.2.5。
表7.2.5 CBFEM(基于组件的有限元模型)与破坏模式法(FMM)承载力预测结果对比

研究表明,所考虑荷载工况的计算结果吻合良好。结果汇总于对比CBFEM(基于组件的有限元模型)与破坏模式法(FMM)设计承载力的图表中;见图7.2.4。结果表明,两种计算方法之间的差异在所有情况下均小于13 %。


基准算例
输入
弦杆
- 钢材 S355
- 截面 SHS 200×200×6,3
支管
- 钢材 S355
- 截面 SHS 140×140×12,5
- 支管与弦杆夹角 90°
焊缝
- 对接焊缝
网格尺寸
- 矩形空心构件最大腹板上划分16个单元
加载
- 对支管施加受压/受拉力
输出
- 受压/受拉设计承载力为 NRd = 152.4 kN
- 设计破坏模式为弦杆面破坏
7.2.4 单平面K形SHS节点
所考虑算例的概述见表7.2.6。所选算例涵盖了较宽范围的节点几何比例。所选节点按破坏模式法(FMM)发生弦杆面破坏或支管破坏。
表7.2.6 算例概述
| 算例 | 弦杆 | 支管 | 角度 | 材料 | ||
| 截面 | 截面 | θ | fy | fu | E | |
| [°] | [MPa] | [MPa] | [GPa] | |||
| 1 | SHS180/10.0 | SHS70/3.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 2 | SHS180/10.0 | SHS70/3.6 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 3 | SHS200/8.0 | SHS80/3.6 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 4 | SHS200/8.0 | SHS100/10.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 5 | SHS200/200/10.0 | SHS70/3.6 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 6 | SHS200/200/10.0 | SHS100/4.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 7 | SHS200/200/12.5 | SHS70/6.3 | 45 | 355 | 490 | 210 |
| 8 | SHS200/200/12.5 | SHS100/8.0 | 45 | 355 | 490 | 210 |

验证
将CBFEM(基于组件的有限元模型)的计算结果与破坏模式法(FMM)的计算结果进行对比,重点比较承载力和设计破坏模式。结果汇总于表7.2.7。
表7.2.7 CBFEM(基于组件的有限元模型)与破坏模式法(FMM)承载力预测结果对比

研究表明,所考虑荷载工况的计算结果吻合良好。结果汇总于对比CBFEM(基于组件的有限元模型)与破坏模式法(FMM)设计承载力的图表中;见图7.2.5。结果表明,与破坏模式法(FMM)相比,CBFEM(基于组件的有限元模型)在所有情况下均偏于保守。


\Fig. 7.2.7 Verification of resistance determined by CBFEM to FMM for the uniplanar SHS K-joint}}}
基准算例
输入
弦杆
- 钢材 S355
- 截面 SHS 180×180×10,0
支管
- 钢材 S355
- 截面 SHS 70×70×3,0
- 支管与弦杆夹角 45°
焊缝
- 对接焊缝
网格尺寸
- 矩形空心构件最大腹板上划分16个单元
加载
- 对支管施加受压/受拉力
输出
- 受压/受拉设计承载力为 NRd = 257.5 kN
- 设计破坏模式为弦杆面破坏
