描述
本章重点介绍基于组件的有限元模型(CBFEM)在受剪螺栓节点块剪切承载力验证方面的应用,并与经验证的研究导向有限元模型(ROFEM)及主要解析模型(AM)进行对比。
解析模型
螺栓节点块剪切承载力存在多种解析模型。本文研究了 EN 1993-1-8:2005、EN 1993-1-8:2020、AISC 360-10 和 CSA S16-9 规范中的模型,并与 Driver 等人(2005)及 Topkaya 等人(2004)提出的解析模型进行比较。
Veff,1,Rd=γM2fuAnt+(31)γM0fyAnv
Veff,2,Rd=0.5⋅γM2fuAnt+(31)γM0fyAnv
Veff,1,Rd=[Antfu+min(3Agv⋅fy;3Anvfu)]/γM2
Veff,2,Rd=[0.5Antfu+min(3Agv⋅fy;3Anvfu)]/γM2
φRn=φ(0.6fuAnv+UbsfuAnt)≤0.6fyAgv+UbsfuAnt
Tr=φu[UtAntfu+0.6Agv2fy+fu]
其中:
fy - 屈服强度
fu - 极限强度
γM2, φu, φ - 安全系数
Ant、Anv、Agv 见图 5.6.1。
图 5.6.1 块剪切破坏时的破坏面
承载力的验证与校核
采用 Huns 等人(2002)的试验结果对 Sekal(2019)在 ANSYS 软件中建立的 ROFEM 进行验证,见图 5.6.2。模型采用真实应力-应变材料本构关系,仅对预期发生破坏的最薄板件进行建模。螺栓简化为仅在螺栓孔半圆上施加承压位移,所有孔的位移相互耦合。ROFEM 模型与试验结果吻合良好。
图 5.6.2 Huns 等人试验试件的细网格 ROFEM 模型(Sekal,2019)
面向设计的 CBFEM(基于组件的有限元模型)采用壳单元,网格相对较粗,螺栓孔附近的网格预先划分。螺栓模拟为非线性弹簧,通过连接件与螺栓孔边缘节点相连。板件采用具有微小应变硬化的双线性材料本构关系。当板件塑性应变达到 5%(EN 1993-1-5:2005)时,确定螺栓群承压极限承载力。每个螺栓的承压承载力和孔撕裂承载力按相应规范公式进行校核。
图 5.6.3 Huns 等人试验试件 T2 的对比结果(Sekal,2019)
ROFEM、CBFEM(基于组件的有限元模型)与解析模型的对比结果见图 5.6.3。EN 1993-1-8:2005 中的模型最为保守,原因在于与其他模型不同,该模型采用净剪切面与屈服强度的组合。试验和数值模型均观察到毛剪切面的屈服现象。在下一代 prEN 1993-1-8:2022 中,块剪切承载力公式将作出修订。CBFEM(基于组件的有限元模型)模型的刚度低于 ROFEM。试验中螺栓孔与螺栓直径相同,因此无初始滑移。ROFEM 模型同样不考虑滑移,但在 CBFEM(基于组件的有限元模型)中,螺栓剪力模型以标准螺栓孔假设进行近似处理。
参数敏感性分析
以试件 T1 为基础,研究螺栓间距(图 5.6.4)和板厚(图 5.6.6)对块剪切承载力的影响。各模型结果符合预期。表 5.6.1 和表 5.6.2 给出算例概览,图 5.6.1 给出节点几何尺寸,验证结果见表 5.6.3、表 5.6.4 及图 5.6.5、图 5.6.7。
表 5.6.1 算例概览——螺栓间距的影响
表 5.6.2 算例概览——板厚的影响
图 5.6.1 节点几何形状与尺寸
螺栓间距的影响
表 5.6.3 CBFEM(基于组件的有限元模型)、EN 1993-1-8 及 Fpr EN 1993-1-8 设计承载力结果对比——螺栓间距的影响
图 5.6.4 螺栓间距的影响
图 5.6.5 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 Fpr EN 1993-1-8 承载力验证对比
板厚的影响
表 5.6.4 CBFEM(基于组件的有限元模型)、EN 1993-1-8 及 Fpr EN 1993-1-8 设计承载力结果对比——板厚的影响
图 5.6.6 板厚的影响
图 5.6.7 CBFEM(基于组件的有限元模型)与 Fpr EN 1993-1-8 承载力验证对比
基准算例
输入参数
构件
钢材 S450
热轧 I 型截面
b = 300mm
h = 19mm
tf = 7mm
tw = 6.2mm
板件——承压构件
螺栓
输出结果
设计承载力 NRd = 206.1 kN
控制工况为节点板的塑性应变
图 5.6.9 基准算例