002057

2026-06-11

钢节点模块中厚外伸端板及每排多螺栓的分析

本研究探讨了RFEM中实施钢节点验证的情况，用于分析厚外伸端板及每行多螺栓的节点。针对这些节点的结构行为与性能，依据欧洲规范3（EC3）的设计规定进行了评估，并与一个先前已通过试验验证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 中规定的设计准则来评估螺栓承载力（抗剪和抗拉）以及板件承载力（挤压和冲切），并利用表 3.4 中提供的极限状态公式。

等效 T 形件的设计承载力分别针对端板和柱翼缘组件进行独立评估。对于每个组件，控制设计承载力 F_T,Rd 定义为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）

每种模式的单独承载力根据翼缘的塑性弯矩承载力（M_pl,1Rd 和 M_pl,2,Rd）以及螺栓群的抗拉承载力（∑F_t,Rd）计算。这些模式涵盖了完全翼缘屈服（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：

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

塑性抵抗弯矩：

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

1 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，所有梁和柱构件均采用 S235 钢制造，而端板则采用更高强度的 S355 钢。几何构造（包括端板和螺栓群布置）详见图片 2，相应的试验测试矩阵和实测材料属性分别列于表 1 中。

如测试矩阵中所定义，A 组（试件 1A–3A）采用 HEA 300 柱截面（t_w = 8.5mm；t_f = 14mm），而 B 组则采用更重的 HEB 300 截面（t_w = 11mm；t_f = 19mm）。为了评估弱柱-强梁层级的性能，所有试件均保持统一的 HEB 300 梁截面和 30 mm 厚端板，以确保 A 组构型为柱控制。

表 1：试验试件的几何构造

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

2 (a) 典型梁柱螺栓连接及(b) 构件法表示

3 端板/螺栓配置

讨论

用于 RFEM 求解的钢节点

利用基于有限元的 RFEM 6 钢结构节点模块，连接设计过程完全集成到主结构模型中。本研究对六个加厚端板梁柱连接的结构性能进行了试验和数值研究，重点关注每排多螺栓的非传统螺栓布置形式的影响。为了分离节点区固有的转动刚度，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/强梁构型（HEA300 柱；HEB300 梁）和（2）均衡刚度构型（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（FE）分析得到了补充。在通过试验数据验证并依据欧洲规范 3（EC3）框架进行校核后，有限元模型被用于获取局部变形机理的精细见解。图片 4&5 和表 2&3 展示了试验、ROFEM、RFEM 钢结构节点与 EC3 在抗弯承载力和刚度方面的对比。表 4 展示了破坏模式。

4 弯矩承载力对比 – 实验、ROFEM、RFEM 中的钢结构节点与 EC-3

5 刚度对比——实验、ROFEM、RFEM 钢结构节点和 EC-3

表 2：抗弯承载力、刚度对比 – 试验、ROFEM、RFEM 钢结构节点及 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	EC3/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：刚度对比

RFEM 钢结构节点
试件	螺栓数量	初始刚度 S_j,ini (MNm/rad)	EC3/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	EC3	RFEM 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

6 等效应力与塑性应变 T1A 模型

7 T2A 模型的等效应力和塑性应变

8 T3A 模型的等效应力与塑性应变

9 T1B 模型的等效应力与塑性应变

10 等效应力与塑性应变（T2B模型）

11 T3B模型的等效应力和塑性应变

12 T1A 模型利用率与转动刚度

13 T2A模型的利用率与转动刚度

14 T3A 模型的设计比率和旋转刚度

15 T1B模型的利用率和转动刚度

16 T2B 模型利用率与转动刚度

17 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 规定对钢节点的适用性。与常规碳钢构件所报告的研究结果一致，欧洲规范刚度模型被发现高估了初始转动刚度，分析预测值相对于实测值表现出相当大的离散性。

试验结果证实，抗弯承载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 螺栓试件。EC3-1-8 组件法通常低估抗弯承载力，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 中观察到的高估趋势一致。

EC3/RFEM 比值范围为 0.59 至 0.94，表明欧洲规范组件法的抗弯承载力预测偏于保守，其中 T3B 的较低比值（0.59）表明对于某些连接几何形式存在显著低估。

参考

欧洲标准化委员会 (CEN)。(1993)。欧洲规范 3. 钢结构设计第 1–8 部分：节点设计 (EN 1993-1-8)。布鲁塞尔，CEN。
Prinz, G. S., Nussbaumer, A., Borges, L., & Khadka, S. (2014). 具有厚外伸端板和每行多个螺栓的螺栓连接梁柱节点的试验测试与模拟. Engineering Structures, 59, 434–447.

钢节点，外伸端板，螺栓连接，梁柱连接，T 形件，组件法，欧洲规范 3，EN 1993-1-8，抗弯承载力，转动刚度，有限元分析，RFEM，验证

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