介绍
传统的接头解决方案在钢结构中广泛应用，EN 1993-1-8标准规定了使用构件法进行设计。这种方法在复杂设计中可能具有挑战性，但诸如《符合DIN EN 1993-1-8的钢结构标准化接头》之类的资源提供了预定义的接头几何形状及其抗性和刚度值，从而简化了设计过程。
本文比较了传统设计方法的结果与通过RFEM 6钢接头附加模块的先进CBFEM方法生成的结果，使用两个具有代表性的接头配置以突显其差异。
被分析的接头是具有I型或H型截面梁和端板的抗弯连接，通过竖直排列的高强度螺栓组装，以确保可靠的载荷承受能力。
端板连接有多个设置变体。本文涵盖了两种选择：延长端板，其延伸至梁上方，并连接到柱子；以及齐平端板，其仅覆盖梁截面区域并连接到柱子。延伸端板的几何形状，Type A，从IH抗弯接头的表格中获取[1]，而齐平端板的几何形状，Type B，从IM抗弯接头的表格中获取[3]。
所选择的接头几何形状和其设置如下表所示。
| Joint | Type A.1 | Type A.2 | Type B.1 | Type B.2 | |
| Reference | IH ex. 444 [1] | IH ex. 141 [1] | IM ex. 10781 [3] | IM ex. 10743 [3] | |
| 钢材等级 | S235 | S235 | S235 | S235 | |
| 梁截面 | HEA 260 | IPE 600 | HEA 260 | HEA 200 | |
| 柱截面 | HEB 550 | HEB 600 | HEB 320 + st.1 12.5 mm | HEB 320 + st.1 10 mm | |
| 端板尺寸，mm | |||||
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20 | 20 | 20 | 15 | |
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260 | 220 | 260 | 200 | |
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340 | 700 | 280 | 210 | |
| 螺栓排列，mm | |||||
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30 | 30 | 75 | 60 | |
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95 | 100 | 130 | 90 | |
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140 | 480 | |||
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75 | 90 | |||
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70 | 70 | 15 | 10 | |
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20 | 30 | |||
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130 | 110 | 130 | 110 | |
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65 | 55 | |||
| 螺栓 | M20 10.9 | M20 10.9 | M24 10.9 | M20 10.9 | |
| 角焊缝，mm | |||||
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7 | 8 | 4 | 4 | |
|
4 | 4 | 4 | 4 |
1 st. - 加劲板
分析方法
《符合DIN EN 1993-1-8的钢结构标准化接头》[1]和《钢结构按DIN EN 1993-1-8，2018年补充卷》[3]中提供的抗性表在以下条件下有效：验证过程为弹性-弹性或弹性-塑性；以静态载荷为主；连续柱；双侧梁对柱接头配置的梁高度和位置相同；柱、梁和端板为S 235或S 355，根据DIN EN 1993 第1.1部分；梁和柱截面HEB, HEA, HEM, IPE根据DIN 1025第2, 3, 4,和5部分及之前的欧规范EU 53-62（HE系列）和EU 19-57（IPE）分别为轧制截面。
考虑到影响Type A和Type B接头的弯矩抗力和刚度的失效模式和主要组分包括（见[2] 6.2.6.1至6.2.6.8）：柱腹板剪切（CWS）、柱腹板压缩（CWC）、梁翼缘和腹板压缩（BFC）、柱腹板拉伸（CWT）、柱翼缘弯曲（CFB）、梁腹板拉伸（BWT）、端板弯曲（EPB）、和螺栓拉伸（BT）。
带有扩展和齐平端板的梁-柱接头的弯矩抗力和初始旋转刚度取自[1]和[3]中提供的抗性表。
接头设置在本文开始时给出，而弯矩抗力和旋转刚度值在下表中总结。
基于组件的有限元分析
使用RFEM 6的钢接头附加模块进行了连接设计。钢接头附加模块允许基于有限元模型进行连接分析。输入和结果评估完全集成在RFEM的用户界面中，使设计过程直观高效。
1. 带扩展端板的抗弯接头
钢接头附加模块输入 接头设置在本文开始时给出。
钢接头附加模块结果 RFEM 6的钢接头附加模块通过允许工程师使用有限元（FE）模型分析钢连接来增强软件的能力。这一先进工具促进了所有关键结果在FE模型上的详细可视化，提供对接头性能在不同载荷和条件下的清晰全面的概述。因此，RFEM提供了对接头行为的更深入理解，并帮助优化设计的安全性和效率。
仅给出Type A.1接头的结果详细表示。
弯矩抗力 Type A.1接头的弯矩抗力为163.43 kNm。
等效应力 等效应力描绘了连接中的整体应力分布，并有助于识别由应力集中点引起的潜在失效点。它们对于评估连接的承载能力至关重要。
接头内的应力分布受到载荷传递机制和接头几何形状的影响。对称配置有助于均匀分配力，尽管会发生局部应力集中。梁翼缘和端板承受最高的应力，特别是在端板连接到梁翼缘并与柱用螺栓固定的区域。深红色区域表示应力达到钢材的屈服强度。接头邻近的柱面也经历显著应力。
塑性应变 连接中的板以塑性方式设计，包括将计算的塑性应变与允许的塑性应变进行比较。根据EN 1993‑1‑5，附录C，极限塑性应变为5%。该值被采纳为钢接头附加模块中的默认值。
接头中的应变模式紧跟应力分布。由于离心载荷传递，端板显示出不均匀的应变模式，螺栓孔周围的应变集中最大应力发生。 总体来看，应变分布不均匀，在应力集中部位的塑性应变较高，在关键部位达到0.5%。
钢接头附加模块上的设计比率 设计比率的总结在下表中给出。
旋转刚度 旋转刚度值的总结在下表中给出。
由于其不对称性质，该接头显示出两个旋转刚度值。作用于上下方向的力矩产生不同的刚度响应。因此，旋转刚度根据施加力矩的方向不同而变化，反映出接头的不对称行为。
2. 带齐平端板的抗弯接头
钢接头附加模块输入 接头设置在本文开始时给出。 连接设计使用RFEM 6的钢接头附加模块进行。
钢接头附加模块结果 仅给出Type B.1接头的结果详细表示。
弯矩抗力 Type B.1接头的弯矩抗力为94.09 kNm。
设计比率和旋转刚度 接头的设计比率和旋转刚度总结在下表中。
讨论
分析进行了几个计算：一个用于具有HEA梁型材的接头，一个用于IPE梁型材的接头。这些几何形状使用钢接头附加模块建模。计算结果 - 包括分析法和基于CBFEM方法的结果 - 如下所示。
| Joint | Type A.1 | Type A.2 | Type B.1 | Type B.2 | |
| Reference | IH ex. 444 [1] | IH ex. 141 [1] | IM ex. 10781 [3] | IM, ex. 10743 [3] | |
| 弯矩抗力 | |||||
| 分析法，kNm | 152.5 | 356.6 | 93.59 | 43.41 | |
|
EPB + BT | EPB + BT | EPB + BT | EPB + BT | |
|
1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| Steel Joins Add-on，kNm | 163.43 | 378.5 | 94.09 | 43.13 | |
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0.221 | 0.234 | 0.477 | 0.908 | |
|
1.000 | 0.991 | 0.909 | 0.848 | |
|
0.981 | 0.989 | 0.994 | 0.998 | |
| 弯矩抗力值差异，% | 7.25 | 5.96 | 0.53 | 0.65 | |
| 旋转刚度 | |||||
| 分析法，MNm/rad | 27.2 | 135.1 | 15.52 | 6.6 | |
| Steel Joins Add-on, MNm/rad | 28.3 | 166.1 | 12.4 | 5.2 | |
| 差异，% | 3.96 | 20.6 | 22.34 | 23.7 |
分析法和现代CBFEM方法之间的比较显示出总体上良好的一致性。 对于Type A接头，弯矩抗力的差异范围为5.96%到7.25%，钢接头附加模块略高的值是由于对接头弯矩抗力的更详细估计。 对于Type B接头，弯矩抗力的差异较小，范围为0.53%到0.65%，这表明两种方法之间的一致性极好。
旋转刚度在接头之间显示出较大的变化。对于Type A接头，刚度差异范围为3.96%到20.6%。较大的差异表明CBFEM方法提供了更精细和准确的旋转行为表示，捕获了接头内部更复杂的相互作用。 对于Type B接头，差异更显著，变化为22.34%和23.7%。这些较大的差异表明钢接头附加模块考虑了接头行为的更复杂方面，如载荷分布和变形，这是简化的分析法未能完全捕捉的。
当Type A接头达到弯矩能力时，FE分析显示端板经历塑性变形，而螺栓达到了其抗力。这与参考文献中的失效模式相符。焊缝也达到其能力的极限。 至于Type B接头，FEA中评估的所有部分的弯矩抗力均匀使用，即螺栓、端板和焊缝。这意味着接头设计良好。端板的高塑性应变是显而易见的。
总之，钢接头附加模块为复杂接头配置提供了准确和详细的方法。
参考文献
[1] 符合DIN EN 1993-1-8的钢结构标准化接头, 完整版2013 [2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 欧码3: 钢结构设计 第1-8部分: 接头设计. 德文版本 EN 1993-1-8:2005 + AC:2009 [3] 符合DIN EN 1993-1-8的钢结构标准化接头, 2018年补充卷. 抗弯接头IM