分析模型
本研究采用 EN 1993-1-8:2006 (2) 中规定的设计准则来评估螺栓承载力（剪切和拉力）以及板件承载力（承压和冲切剪切），并采用表 3.4 中给出的极限状态公式。
等效 T 形短柱的设计承载力分别针对端板和柱翼缘构件进行评估。对于每个构件，控制设计承载力 FT,Rd 定义为由三种潜在破坏机制导出的最小值。
各破坏模式的单独承载力根据翼缘的塑性弯矩承载能力（Mpl,1Rd 和 Mpl,2,Rd）以及螺栓组的拉力承载力(∑Ft,Rd)计算。这些模式考虑了翼缘完全屈服（模式 1）、螺栓破坏伴随翼缘屈服（模式 2）以及纯螺栓断裂（模式 3）。
- 破坏模式：
- 塑性承载弯矩：
欧码 3（Eurocode 3）(2) 的引入标志着结构工程领域的一项重大进步，首次建立了专门针对连接设计的完整规范框架。其条文常被视为现代极限状态钢结构设计规范的奠基性参考文献，尤其是原先在附录 J 中详细规定的内容（现已并入 EN 1993-1-8），为主要承受静载的建筑框架节点提供了分析方法（2），重点关注梁柱连接形式。
该方法以构件法为核心，这是一种力学建模方法，将连接理想化为由若干独立功能构件组成的组合体。每个构件以其特定的平移刚度和设计承载力定义为一个等效弹簧（3）。根据节点拓扑将这些弹簧按串联和并联方式进行组合，即可准确推导出连接的整体转动刚度和抗弯能力。
- 连接的初始刚度由下式给出：
为确保足够的塑性转动能力，端板和角钢连接件的厚度按照 EN 1993-1-8 (2) 规定的上限范围确定。该选择确保连接行为在预期结构分析中保持足够延性。
梁柱连接几何细节
本研究对梁和柱构件均采用了焊接不锈钢 I 截面，具体为 I 240 x 120 x 12 x 10。截面尺寸包括总高度（h）240 mm、翼缘宽度（b）120 mm、翼缘厚度（tf）12 mm，以及腹板厚度（tw）10 mm。为评估典型结构行为，研究了四种常用节点形式：加长端板（EEP）连接、齐平端板（FEP）连接、上部与座部角钢连接（TSAC），以及上部、座部和双腹板角钢连接（TSWAC）。
所研究四种连接类型的几何布置如图 [4] 和表 1 所示。所有试件中的紧固件均为全螺纹 M16 A4-80 级不锈钢螺栓（相当于 8.8 级碳钢），安装在直径 18 mm 的间隙孔中。对于 TSAC 和 TSWAC 两种构造，上部和座部角钢的几何形状相同，包括螺栓孔的空间布置。
- 表 1： 试件的几何布置 (2)
| 试件 | tc | tp | ta | p1 | p2 | e1 | e2 | L1 | L2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FEP | 12 | 8 | - | 65 | 65 | 25 | - | - | - |
| EEP | 12 | 8 | - | 110 | 100 | 25 | - | - | - |
| TSAC-8 | 12 | - | 8 | 0 | 0 | 35 | - | 100 | - |
| TSAC-10 | 12 | - | 10 | 0 | 0 | 25 | - | 100 | - |
| TSWAC-8 | 12 | - | 8 | 0 | 0 | 35 | 25 | 100 | 55 |
| TSWAC-10 | 12 | - | 10 | 0 | 0 | 25 | 25 | 100 | 60 |
- 表 2： 材料性能 (1)
| 试件 | E | σ0.2 | σ1.0 | σu | ε f |
|---|---|---|---|---|---|
| (N/mm2) | (N/mm2) | (N/mm2) | (N/mm2) | % | |
| I-240 × 120 × 12 × 10 - flange | 196,500 | 248 | 306 | 630 | 66 |
| I-240 × 120 × 12 × 10 - web | 205,700 | 263 | 320 | 651 | 65 |
| Angle cleat (8 mm) | 197,600 | 280 | 344 | 654 | 55 |
| Angle cleat (10 mm) | 192,800 | 289 | 353.5 | 656 | 56 |
| End plate | 198,000 | 282 | 343 | 655 | 54 |
| M16 bolt (A4-80) | 191,500 | 617 | 703 | 805 | 12 |
讨论
用于 RFEM 解算的钢连接
利用 RFEM 6 的基于有限元的 Steel Joints 插件，连接设计过程已完全集成到主结构模型中。通过在 RFEM 环境中统一输入参数和结果分析，工作流程在透明度和设计效率方面均取得了显著提升。
在所有研究的试件中，节点的极限承载力和转动能力均由螺栓断裂控制。由于不锈钢构件本身具有较高的延性和显著的应变硬化特征，随着变形增加，抗弯承载力表现出持续上升的分支，直至紧固件达到拉伸或剪切极限。值得注意的是，尽管螺栓破坏本身固有地呈脆性，但节点的整体响应仍主要表现为延性。这一行为归因于：在螺栓断裂之前，其他连接构件（特别是端板以及翼缘/腹板角钢连接件）已发生了广泛的非弹性变形和屈服。图 5&6 和表 3&4 展示了弯矩承载力和刚度的对比——实验、ROFEM、RFEM 中的 Steel Joints 与 EC 3。表 5 展示了破坏模式。
- 表 3： 弯矩承载力对比——实验、ROFEM、RFEM 中的 Steel Joints 与 EC3
| 试件 | 实验 | ROFEM | RFEM 中的 Steel Joints | EC-3 | EC3/CBFEM |
|---|---|---|---|---|---|
| FEP | 40 | 40.5 | 40.5 | 18.6 | 0.46 |
| EEP | 42 | 43.8 | 45.23 | 27.2 | 0.60 |
| TSAC-8 | 12 | 11.7 | 8.37 | 6.6 | 0.79 |
| TSAC-10 | 23 | 21.8 | 13.03 | 11.1 | 0.85 |
| TSWAC-8 | 39 | 41.6 | 25.65 | 19.25 | 0.75 |
| TSWAC-10 | 55 | 53.2 | 27.27 | 30.3 | 1.11 |
- 表 4： 刚度对比——实验、ROFEM、RFEM 中的 Steel Joints 与 EC3
| 试件 | 实验 | ROFEM | RFEM 中的 Steel Joints | EC3 | EC-3/CBFEM |
|---|---|---|---|---|---|
| FEP | 3.91 | 4.00 | 5.00 | 5.74 | 1.15 |
| EEP | 4.46 | 5.20 | 3.30 | 9.36 | 2.84 |
| TSAC-8 | 1.24 | 0.57 | 1.30 | 1.80 | 1.38 |
| TSAC-10 | 1.52 | 1.01 | 2.00 | 2.52 | 1.26 |
| TSWAC-8 | 1.92 | 2.39 | 2.20 | 5.24 | 2.38 |
| TSWAC-10 | 2.77 | 2.88 | 2.70 | 6.14 | 2.27 |
- 表 5： 破坏模式
| 试件 | EC-3 | RFEM 中的 Steel Joints | 试验 |
|---|---|---|---|
| FEP | 端板弯曲 | 螺栓拉伸破坏 | 螺栓拉伸断裂 |
| EEP | 端板弯曲 | 螺栓拉伸破坏 | 螺栓拉伸破坏 |
| TSAC-8 | 翼缘角钢弯曲 | 螺栓拉伸和剪切破坏 | 螺栓拉伸和剪切破坏 |
| TSAC-10 | 翼缘角钢弯曲 | 螺栓拉伸和剪切破坏 | 螺栓拉伸和剪切破坏 |
| TSWAC-8 | 角钢弯曲 | 螺栓拉伸和剪切破坏 | 螺栓拉伸和剪切破坏（翼缘角钢螺栓） |
| TSWAC-10 | 角钢弯曲 | 腹板螺栓剪切破坏 | 螺栓剪切破坏（将腹板角钢与梁腹板连接的上部螺栓） |
结论
根据初步试验数据，对 EN 1993-1-8 条文在 Steel Joints 插件中的适用性进行了评估。与碳钢对应构件的既有观察一致，欧码刚度模型往往高估初始转动刚度，且预测结果离散性较大。
分析强度模型（TSWAC-10）相对于试验试件和 CBFEM 模拟的塑性弯矩承载力表现出大于 1.0 的比值。就主导破坏模式而言，观察到一个关键差异：即使在欧码预测为具有塑性铰形成的延性 T 形短柱破坏（模式 1 或 2）的构造中，实际破坏也始终由螺栓失效触发。尽管 T 形短柱确实产生了预期的塑性变形，但不锈钢显著的应变硬化使得屈服区域中的应力能够持续增加。
参考文献
- Elflah, M.; Theofanous, M.; Dirar, S.; & Yuan, H.X. (2018). Behaviour of stainless-steel beam-to column joints - part 1: experimental investigation. J. Constr. Steel Res (2018). https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.02.040 (in press).
- Elflah M.; Theofanous M.; & Dirar S. (2019). Behaviour of Stainless-Steel Beam-to-column Joints – Part 2: Numerical Modelling and Parametric Study. J. Constr. Steel Res. 152(2019), pp. 194-212.
- CEN. (2005). EN 1993-1-8, Eurocode 3: Design of steel Structures – Part 1–8: Design of Joints. British Standards Institution, CEN.
- Weynard K.; Jaspart J.P.; & Steenhuis, M. (1995). The stiffness model of revised Annex J to Eurocode 3, connections in steel structures III: behaviour, strength and design. Paper presented at 3rd International Workshop on Connections in Steel Structures. Trento, Italy.