46x

002057

2026-06-11

Анализ толстых выступающих опорных плит и многоболтового соединения в ряду с помощью аддона Steel Joints для RFEM

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

Аналитическая модель

В данном исследовании приняты расчетные критерии, указанные в EN 1993-1-8 для оценки сопротивления болтов (срез и растяжение) и пластин (смятие и продавливание), с использованием предельных состояний, приведенных в Таблице 3.4.

Расчетное сопротивление эквивалентного Т-образного фланца оценивается независимо для торцевой пластины и для полки колонны. Для каждого компонента определяющее расчетное сопротивление F_T,Rd принимается как минимальное значение, полученное из трех 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

Сопротивление для каждого механизма рассчитывается на основе пластической моментной способности полки (M_pl,1Rd и M_pl,2,Rd) и сопротивления растяжению группы болтов (∑F_t,Rd). Эти механизмы учитывают полное пластическое деформирование полки (Механизм 1), разрушение болтов в сочетании с пластическим деформированием полки (Механизм 2) и чистое разрушение болтов (Механизм 3).

Механизмы разрушения:

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.

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 для торцевых пластин использовалась более высокопрочная сталь S355. Геометрические конфигурации, включая расположение торцевых пластин и групп болтов, подробно показаны на Рисунке 2, а соответствующая матрица экспериментальных испытаний и измеренные свойства материалов представлены в Таблицах 1 соответственно.

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 тяжелое сечение HEB 300 (t_w = 11 мм; t_f = 19 мм). Для оценки иерархии "слабая колонна - сильная балка" во всех образцах использовались одинаковое сечение балки HEB 300 и торцевые пластины толщиной 30 мм, что обеспечило критичность колонны для конфигураций Группы A.

Таблица 1: Геометрическая конфигурация испытанных образцов

Образцы	Профиль колонны	Профиль 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

(а) Типовое болтовое соединение балки с колонной и (б) представление по методу компонентов.

(a) Типичное болтовое соединение балки с колонной и (b) представление по компонентному методу

Конфигурация торцевой пластины/болтов

Обсуждение

Решение Steel Joints для RFEM

С использованием основанного на МКЭ дополнения Steel Joints для RFEM 6 процесс расчета соединения был полностью интегрирован в основную расчетную модель. В данном исследовании представлено экспериментальное и численное исследование конструктивных характеристик шести соединений балки с колонной с утолщенными торцевыми пластинами, с особым акцентом на влияние нетрадиционных схем расположения болтов с несколькими болтами в ряду. Чтобы изолировать собственную жесткость узловой зоны, все образцы были сконфигурированы без дополнительных ребер жесткости стенки колонны. Экспериментальная матрица исследовала две различные иерархии разрушения: (1) конфигурацию "слабая колонна / сильная балка" (колонна HEA300; балка HEB300) и (2) конфигурацию со сбалансированной жесткостью (колонна и балка HEB300).

Эти исследования были дополнены целенаправленной характеризацией Т-образного фланца и высокоточным конечно-элементным (КЭ) анализом. После валидации на основе экспериментальных данных и верификации в рамках методик Еврокода 3 (EC3), КЭ-модели были использованы для получения детального понимания локальных механизмов деформирования. На Рис. 4 и 5 и в Таблицах 2 и 3 показано сравнение моментного сопротивления и жесткости - экспериментальные данные, ROFEM, Steel Joints в RFEM и EC-3. А в Таблице 4 показаны механизмы разрушения.

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

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

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

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

Таблица 2: Сравнение моментного сопротивления, жесткости - 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 жесткость S_j,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

Компонентный метод EC3-1-8
Образец	Кол-во болтов	Момент кН·м, M_j.R	Начальная жесткость 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 жесткость 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	EC-3/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 жесткости.

RFEM Steel Joints
Образец	Кол-во болтов	Начальная жесткость S_j,ini (МН·м/рад)	EC-3/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: Механизмы разрушения.

Образец	EC-3	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

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели Т1А

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T2A

Эквивалентные напряжения и пластические деформации модели T2A

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T3A

Эквивалентные напряжения и пластические деформации модели T1B

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T1B

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T2B

Эквивалентные напряжения и пластические деформации модели T3B

Эквивалентные напряжения и пластическая деформация модели T3B

Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T1A

Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T2A

Коэффициент использования и жесткость при повороте модели T2A

Расчётное Соотношение и Жёсткость на Кручение Модели T3A

Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T1B

Расчётное соотношение и жёсткость на кручение модели T2B

Расчётное соотношение и Жёсткость на кручение Модели T3B

Заключение

Предварительные экспериментальные данные были использованы для оценки применимости положений EN 1993-1-8 к Стальным соединениям (Steel Joints). В соответствии с выводами, опубликованными для обычных элементов из углеродистой стали, было обнаружено, что модель жесткости Еврокода завышает начальную жесткость вращения, при этом аналитические прогнозы демонстрируют значительный разброс относительно измеренных значений.

Экспериментальные результаты подтверждают, что как моментное сопротивление, так и начальная жесткость увеличиваются с количеством болтов, при этом образцы с 12 болтами (T1A, T1B) неизменно превосходят аналоги с 6 и 8 болтами. Компонентный метод EC3-1-8 обычно недооценивает моментную несущую способность, переоценивая при этом начальную жесткость, наиболее заметно для T1B (41,83 против 22,31 МН·м/рад), что согласуется с тенденцией к завышению, наблюдаемой в соответствии с EN 1993-1-8.

Соотношения EC-3/RFEM в диапазоне от 0,59 до 0,94 указывают на консервативные прогнозы моментного сопротивления по компонентному методу Еврокода, при этом низкое соотношение для T3B (0,59) предполагает значительную недооценку для определенных геометрий соединений.

Ссылки

1. Eurocode 3. Design of steel structures part 1–8: design of joints. European Standard EN 1993-1-8. European committee for standardization, Brussels, Belgium; 1993. 2. Gary S. Prinz, Alain Nussbaumer, Luis Borges, Shyam Khadka, Experimental testing and simulation of bolted beam-column connections having thick extended endplates and multiple bolts per row, Engineering Structures, Volume 59,2014, Pages 434-447, ISSN 0141-0296, 10.1016/j.engstruct.2013.10.042

;