13x

002057

2026-06-11

Анализ толстых расширенных опорных плит и нескольких болтов в ряду с помощью аддона Стальные узлы для RFEM

В данном исследовании рассматривается проверка стальных узлов, реализованная в RFEM, для анализа толстых выступающих опорных плит и нескольких болтов в строке. Работа конструкций и производительность этих узлов оцениваются в соответствии с расчетными положениями Еврокода 3 (EC3) и сравниваются с исследовательской конечно-элементной моделью (ROFEM), которая ранее была валидирована экспериментальными испытаниями.

Аналитическая модель

В данном исследовании приняты расчётные критерии, указанные в EN 1993-1-8, для оценки несущей способности болтов (сдвиг и растяжение) и пластин (опора и продавливание), с использованием формулировок предельных состояний, приведённых в Таблице 3.4.

Расчётная несущая способность эквивалентного Т-образного элемента оценивается независимо для торцевой пластины и компонентов полки колонны. Для каждого компонента определяющая расчётная несущая способность F_T,Rd определяется как минимальное значение, полученное из трёх потенциальных механизмов разрушения.

F_{T, R d} = m i n (F_{T 1, R d}, F_{T 2, R d}, F_{T 3, R d})

Расчётная прочность Т-образного элемента и методы разрушения по EN 1993-1-8

Индивидуальная несущая способность для каждого режима рассчитывается на основе пластической моментной несущей способности полки (M_pl,1Rd и M_pl,2,Rd) и сопротивления растяжению группы болтов (∑F_t,Rd). Эти режимы учитывают полное пластическое течение полки (Режим 1), разрушение болта в сочетании с пластическим течением полки (Режим 2) и чистое разрушение болта (Режим 3).

Режимы выхода из работы:

F_{T, 1, R d} = \frac{(8 n - 2 e_{w}) M_{p l, 1, R d}}{2 m n - e_{w} (m + n)}

Форма 1: Полное текучее состояние пояса

F_{T, 2, R d} = \frac{2 M_{p l, 2 R d} + n (\sum F_{t, R d})}{(m + n)}

Режим 2: разрушение болта в сочетании с текучестью фланца

F_{T, 3, R d} = \sum F_{t R d}

Форма 3: Чистое разрушение болта

Пластические моменты сопротивления:

M_{p l, 1, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 1} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Момент пластического сопротивления

M_{p l, 2, R d} = \frac{0.25 \sum l_{e f f, 2} {t_{f}}^{2} f_{y}}{γ_{M 0}}

Пластический момент сопротивления

Иллюстрация, показывающая различные режимы разрушения элемента Т-образного стакана в строительстве конструкций.

1 Режимы предельного состояния элементов Т-образных стаканов

Геометрические детали соединения балки с колонной

В соответствии со стандартной строительной практикой все элементы балок и колонн были изготовлены из стали S235, в то время как торцевые пластины использовали более высокопрочную сталь S355. Геометрические конфигурации, включая расположение торцевых пластин и групп болтов, подробно показаны на Изображении 2, с соответствующей матрицей экспериментальных испытаний и измеренными свойствами материалов, приведёнными в Таблицах 1.

Как определено в матрице испытаний, Группа A (образцы 1A–3A) использовала сечение колонны HEA 300 (t_w = 8,5 мм; t_f = 14 мм), в то время как Группа B включала более тяжёлое сечение HEB 300 (t_w = 11 мм; t_f = 19 мм). Для оценки поведения иерархии «слабая колонна – сильная балка» во всех образцах были сохранены единое сечение балки HEB 300 и торцевые пластины толщиной 30 мм, что обеспечило критичность колонны в конфигурациях Группы A.

Таблица 1: Геометрическая конфигурация испытанных образцов

Образцы	Сечение колонны	Сечение балки	Кол-во болтов	Длина колонны	Длина балки
T1A	HEA 300	HEB 300	12	2	1,5
T2A	HEA 300	HEB 300	6	2	1,5
T3A	HEA 300	HEB 300	8	2	1,5
T1B	HEB 300	HEB 300	12	2	1,5
T2B	HEB 300	HEB 300	6	2	1,5
T3B	HEB 300	HEB 300	8	2	1,5

Принципиальная схема болтового соединения балки с колонной и его механическая модель с использованием метода компонентов при проектировании стальных конструкций.

2 (a) Типичное болтовое соединение балки с колонной и (b) Представление компонентным методом

3 Конфигурация торцевой пластины/болтов

Обсуждение

Стальные соединения для решения RFEM

Используя аддон Steel Joints для RFEM 6 на основе МКЭ, процесс расчёта соединения был полностью интегрирован в основную структурную модель. В данном исследовании представлено экспериментальное и численное исследование конструктивных характеристик шести расширенных соединений балки с колонной с толстыми торцевыми пластинами, с особым акцентом на влияние нестандартных схем расстановки болтов с несколькими болтами в ряду. Для выделения собственной жёсткости на кручение узловой зоны все образцы были сконфигурированы без дополнительных рёбер жёсткости стенки колонны. Экспериментальная матрица исследовала две различные иерархии разрушения: (1) конфигурацию «слабая колонна/сильная балка» (колонна HEA300; балка HEB300) и (2) конфигурацию сбалансированной жёсткости (колонна и балка HEB300).

Эти исследования были дополнены целенаправленной характеризацией Т-образных элементов и высокоточным анализом методом конечных элементов (МКЭ). После валидации на основе экспериментальных данных и верификации с использованием методик Еврокода 3 (EC3), модели МКЭ были использованы для получения детальных представлений о локальных механизмах деформирования. Изображения 4&5 и Таблицы 2&3 иллюстрируют сравнение моментной несущей способности и жёсткости – экспериментальные данные, ROFEM, Steel Joints в RFEM с EC3. А Таблица 4 иллюстрирует режимы выхода из работы.

Сравнение несущей способности по моменту – Эксперимент, ROFEM, Steel Joints в RFEM и EC-3

4 Сравнение моментного сопротивления – Экспериментальное, ROFEM, стальные узлы в RFEM и EC-3

Сравнение жёсткости – Экспериментальные данные, ROFEM, Стальные соединения в RFEM и EC-3

5 Сравнение жесткости – Экспериментальное, ROFEM, Steel Joints в RFEM и EC-3

Таблица 2: Сравнение моментной несущей способности, жёсткости – Экспериментальные данные, ROFEM, Steel Joints в RFEM и EC-3-1-8

Экспериментальные испытания
Образец	Кол-во болтов	Момент кН·м, M_j.R	Начальная жёсткость Sj,ini (МН·м/рад)
T1A	12	193,5	26,34
T2A	6	122,1	12,35
T3A	8	109,8	14,27
T1B	12	262,4	22,31
T2B	6	196,4	17,58
T3B	8	161,3	27,28

Метод компонентов EC3-1-8
Образец	Кол-во болтов	Момент кН·м, M_j.R	Начальная жёсткость S_j,ini (МН·м/рад)
T1A	12	114	33
T2A	6	108,8	27,42
T3A	8	64,7	18,87
T1B	12	162,6	41,83
T2B	6	156,5	38,96
T3B	8	81,1	23,82

ROFEM
Образец	Кол-во болтов	Момент кН·м, M_j.R	Начальная жёсткость S_j,ini (МН·м/рад)
T1A	12	179,3	19,5
T2A	6	107,3	9,14
T3A	8	96,9	5,81
T1B	12	261,9	23,8
T2B	6	190,2	17,67
T3B	8	177	16,36

RFEM Steel Joints
Образец	Кол-во болтов	Момент кН·м, M_j.R	EC3/RFEM
T1A	12	154,57	0,74
T2A	6	115,42	0,94
T3A	8	97,13	0,67
T1B	12	197,5	0,82
T2B	6	172,8	0,91
T3B	8	137,63	0,59

Таблица 3: Сравнение жёсткости

RFEM Steel Joints
Образец	Кол-во болтов	Начальная жёсткость S_j,ini (МН·м/рад)	EC3/RFEM
T1A	12	13,4	2,46
T2A	6	8,2	3,34
T3A	8	11,5	1,64
T1B	12	18,8	2,23
T2B	6	12,5	3,12
T3B	8	16,9	1,41

Таблица 4: Режимы выхода из работы

Образец	EC3	Steel Joints в RFEM	Эксперименты
T1A	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны
T2A	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны
T3A	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны
T1B	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны
T2B	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны
T3B	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны	Изгиб полки колонны

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T1A

6 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели Т1А

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T2A

7 Эквивалентные напряжения и пластические деформации модели T2A

8 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T3A

Эквивалентные напряжения и пластические деформации модели T1B

9 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T1B

10 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T2B

Эквивалентные напряжения и пластические деформации модели T3B

11 Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T3B

12 Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T1A

Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T2A

13 Коэффициент использования и жесткость при повороте модели T2A

14 Расчётное Соотношение и Жёсткость на Кручение Модели T3A

15 Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T1B

16 Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T2B

17 Расчётное соотношение и Жёсткость на кручение Модели T3B

Заключение

Предварительные экспериментальные данные были использованы для оценки применимости положений EN 1993-1-8 к Steel Joints. В соответствии с выводами, опубликованными для обычных элементов из углеродистой стали, было установлено, что модель жёсткости Еврокода завышает начальную жёсткость на кручение, при этом аналитические прогнозы демонстрируют значительный разброс относительно измеренных значений.

Экспериментальные результаты подтверждают, что и моментная несущая способность, и начальная жёсткость увеличиваются с количеством болтов, при этом образцы с 12 болтами (T1A, T1B) стабильно превосходят аналоги с 6 и 8 болтами. Метод компонентов EC3-1-8 в целом занижает несущую способность по моменту, при этом завышая начальную жёсткость, наиболее заметно для T1B (41,83 против 22,31 МН·м/рад), что соответствует тенденции завышения, наблюдаемой по EN 1993-1-8.

Соотношения EC3/RFEM в диапазоне от 0,59 до 0,94 указывают на консервативные прогнозы моментной несущей способности по методу компонентов Еврокода, при этом низкое соотношение для T3B (0,59) предполагает значительную недооценку для определённых геометрий соединений.

Ссылки

Европейский комитет по стандартизации (CEN). (1993). Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1–8: Проектирование соединений (EN 1993-1-8). Брюссель, CEN.
Принц, Г. С., Нуссбаумер, А., Борхес, Л., & Хадка, С. (2014). Экспериментальные испытания и имитация болтовых соединений балки с колонной с толстыми выступающими торцевыми пластинами и несколькими болтами в ряду. Engineering Structures, 59, 434–447.

;