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2026-06-11

使用 RFEM 钢节点模块分析厚外伸端板及多螺栓行布置

本研究探讨了在 RFEM 中实施的钢节点验证，用于分析厚外伸端板以及每排多个螺栓的情况。根据欧洲规范 3 (EC-3) 的设计规定，评估了这些节点的结构行为和性能，并与先前通过实验测试验证过的研究导向有限元模型 (ROFEM) 进行了比较。

分析模型

本研究采用 EN 1993-1-8 中规定的设计准则评估螺栓抗力（剪切和拉伸）和板件抗力（承压和冲切剪切），并利用表 3.4 中提供的极限状态公式。

等效 T 形件的设计抗力分别针对端板和柱翼缘组件进行评估。对于每个组件，控制设计抗力 F_T,Rd 定义为从三种潜在破坏机制中得出的最小值。

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

T 形连接件的设计抗力和破坏模式（根据 EN 1993-1-8）

每种模式的单独抗力是根据翼缘的塑性弯矩承载力（M_pl,1Rd 和 M_pl,2,Rd）和螺栓组的拉伸抗力（∑F_t,Rd）计算的。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）和纯螺栓断裂（模式 3）。

破坏模式：

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

模态 1：翼缘屈服

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

模式 2：螺栓失效与法兰屈服耦合

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

模态 3：纯螺栓断裂

塑性弯矩承载力：

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

塑性抗弯承载力

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

塑性抵抗弯矩

T 型节点失效模式

梁柱连接的几何细节

与标准施工实践一致，所有梁和柱构件均由 S235 钢制成，而端板则采用更高强度的 S355 钢。包括端板和螺栓组布置在内的几何构造详见图 2，相应的试验测试矩阵和实测材料特性分别见表 1。

如测试矩阵中所定义，A 组（试件 1A–3A）使用 HEA 300 柱截面（t_w = 8.5mm；t_f = 14mm），而 B 组则采用较重的 HEB 300 截面（t_w = 11mm；t_f = 19mm）。为了评估“强梁弱柱”的层级性能，所有试件均保持统一的 HEB 300 梁截面和 30 mm 厚的端板，确保 A 组配置为柱临界。

表 1： 测试试件的几何构造

试件	柱截面	梁截面	螺栓数量	柱长度	梁长度
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

(a) 典型梁柱螺栓连接和 (b) 组件法表示

端板/螺栓配置

讨论

RFEM 中的钢结构节点解决方案

利用 RFEM 6 基于有限元的钢结构节点附加模块，连接设计过程完全集成到主结构模型中。本研究对六个加厚外伸端板梁柱连接的结构性能进行了试验和数值研究，特别强调了包含每排多个螺栓的非常规螺栓排列方式的影响。为了隔离节点区的固有转动刚度，所有试件均未配置额外的柱腹板加劲肋。试验矩阵考察了两种不同的破坏层级：(1) 弱柱/强梁配置（HEA300 柱；HEB300 梁）和 (2) 平衡刚度配置（HEB300 柱和梁）。

这些研究通过有针对性的 T 形件表征和高保真有限元分析得到增强。在通过试验数据验证并通过欧洲规范 3 (EC3) 框架校核后，有限元模型被用于获取对局部变形机制的精细见解。图 4&5 和表 2&3 展示了弯矩抗力和刚度——试验、ROFEM、RFEM 中的钢结构节点与 EC-3 的比较。表 4 展示了破坏模式。

弯矩承载力对比 – 实验、ROFEM、RFEM 中的钢结构节点与 EC-3

刚度对比——实验、ROFEM、RFEM 钢结构节点和 EC-3

表 2： 弯矩抗力、刚度比较 - 试验、ROFEM、RFEM 中的钢结构节点与 EC-3-1-8。

试验测试
试件	螺栓数量	弯矩 kN m, M_j.R	初始刚度 Sj,ini (MNm/rad)
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

EC3-1-8 组件法
试件	螺栓数量	弯矩 kN m, M_j.R	初始刚度 S_j,ini (MNm/rad)
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
试件	螺栓数量	弯矩 kN m, M_j.R	初始刚度 S_j,ini (MNm/rad)
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 钢结构节点
试件	螺栓数量	弯矩 kN m, 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

表 3： 刚度比较。

RFEM 钢结构节点
试件	螺栓数量	初始刚度 S_j,ini (MNm/rad)	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

表 4： 破坏模式。

试件	EC-3	RFEM 中的钢结构节点	试验
T1A	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲
T2A	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲
T3A	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲
T1B	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲
T2B	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲
T3B	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲	柱翼缘弯曲

等效应力与塑性应变 T1A 模型

T2A 模型的等效应力和塑性应变

T3A 模型的等效应力与塑性应变

T1B 模型的等效应力与塑性应变

等效应力与塑性应变（T2B模型）

T3B模型的等效应力和塑性应变

T1A 模型利用率与转动刚度

T2A模型的利用率与转动刚度

T3A 模型的设计比率和旋转刚度

T1B模型的利用率和转动刚度

T2B 模型利用率与转动刚度

T3B模型的利用率和转动刚度

结论

初步试验数据用于评估 EN 1993-1-8 规定对钢结构节点的适用性。与常规碳钢构件报告的研究结果一致，发现欧洲规范刚度模型高估了初始转动刚度，分析预测值与测量值相比显示出相当大的离散性。

试验结果证实，弯矩抗力和初始刚度均随螺栓数量增加而提高，12 螺栓试件（T1A，T1B）始终优于 6 螺栓和 8 螺栓对应试件。EC3-1-8 组件法通常低估弯矩承载力，同时高估初始刚度，最显著的是 T1B （41.83 对比 22.31 MNm/rad），这与 EN 1993-1-8 下观察到的高估趋势一致。

EC-3/RFEM 比率范围从 0.59 到 0.94，表明欧洲规范组件法的弯矩抗力预测偏于保守，而 T3B 的低比率（0.59）提示其对某些连接几何形状存在显著低估。

参考文献

1. 欧洲规范 3. 钢结构设计第 1-8 部分：节点设计。欧洲标准 EN 1993-1-8。欧洲标准化委员会，布鲁塞尔，比利时；1993. 2. Gary S. Prinz, Alain Nussbaumer, Luis Borges, Shyam Khadka, 具有厚外伸端板且每排多个螺栓的螺栓连接梁柱节点的试验测试与模拟, Engineering Structures, 第 59 卷, 2014, 第 434-447 页, ISSN 0141-0296, 10.1016/j.engstruct.2013.10.042

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