刚性连接有限元建模方法

技术文章

特别注意的是,如果要分析连接点的相邻区域,连接的几何尺寸和荷载不符合规范标准以及或者结构要通过有限元模型进行分析(例如工厂设备建筑),则必须在有限元模型中详细分析验算连接。

为了得出关于选择建模方法的有效结果,首先创建一个可以与经典方法进行比较的结构模型是非常有帮助的。

先前的技术文章中,通过使用规范 EN 1993-1-8 [1] 中的公式计算刚性连接端板的承载力。 在这里的例子中,端板的承载力通过有限元建模方法加载,得出的承载力为 324.95 kNm。

图片 01 - 计算举例

面模型

梁 HEB 400 长度设置为 500mm,并且分解成面。 假定在实心螺栓头下面的端板是刚性的,那么创建一个直径为 44mm 的刚性面,即垫圈。 为了模拟螺栓在拉力作用下的柔性,定义直径为 24 mm,长为 29 mm(= 端板厚度 + 垫圈厚度)。 为了确保将荷载均匀的导入梁中,在加载位置使用刚性端板。

由于在端板 z 轴上的刚性支座会导致收敛问题,因此这里假定为 2 ∙ 108 kN/m³ 的面弹性支座,并且该位置由于梁节点的对称条件而不会发生变形,或者说这里出现预期的最大撬力,另外设计一个线支座。 两个支座会在正的支座反力时失效。 因为按照规范 EN 1993-1-8 [1] 进行塑性设计,要选择屈服准则为 23.5 kN/cm² 的材料模型 “二维 / 三维各项同性塑性”。 一旦在有限元单元中达到屈曲准则,它就不能承受更多的力,并且进行应力重分布。

图片 02 - 面模型

结果

可以确认手动计算的破坏准则“螺栓破坏同时翼缘屈服”。

在应用非线性材料模型“二维三维各项同性塑性”时,必须分析判断塑化单元的区域面积。 必须考虑的是,已经是塑性的单元保持着损坏状态。 有限元模型显示了过大的塑性区域。 这意味着在使用面模型进行考虑时连接是超载的。 计算出的螺栓拉力 279kN 和 288 kN 也超出了极限拉力。

图片 03 - 结果

通过其它的建模,在把梁、端板、螺栓和焊缝创建为体单元的情况下,力的传导从梁到端板通过焊缝(=较大的荷载传导面),得出的塑性区域面积相似。

参考

[1] Eurocode 3: Design of Steel Structures - Part 1-8: Design of Joints; EN 1993-1-8:2005 + AC:2009

参考

[1]   EN 1993-1-1 (2005): Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC]

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