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技术支持中心验证示例角钢节点中的角焊缝
角钢节点中的角焊缝
SteelConnection designVerificationsEN (Eurocode)CBFEM

角钢节点中的角焊缝

本文也提供以下语言版本
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
AI从英语翻译

本章节选自 Wald 教授等人所著《基于组件的钢结构节点有限元设计》一书,重点介绍焊缝的验证。

描述

本章对采用CBFEM(基于组件的有限元模型)计算的角钢节点中角焊缝模型与组件法(CM)进行验证。角钢焊接于板件上,并承受法向力。通过敏感性分析研究角钢尺寸和焊缝长度的影响。

分析模型

本研究中仅考察角焊缝组件。焊缝按 EN 1993-1-8:2005 第4章进行设计,使其成为节点中最薄弱的组件。角焊缝的设计承载力见第4.1节。所考虑算例及材料的概述见表4.2.1,节点几何尺寸见图4.2.1。

组件法计算 

本手算忽略了焊缝的附加弯矩,该弯矩由力重分布至L形截面各部分引起,依据 EN 1993-1-8 公式(4.13)。

σ⊥2+3⋅(τ⊥2+τ∥2)≤fuβw⋅γM2\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + 3 \cdot \left( \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2\right)} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}}σ⊥2​+3⋅(τ⊥2​+τ∥2​)​≤βw​⋅γM2​fu​​

σ⊥=τ⊥=0\sigma_{\perp} = \tau_{\perp} = 0σ⊥​=τ⊥​=0

τ∥=Vl ⋅ a\tau_{\parallel} = \frac{V}{l  \cdot  a}τ∥​=l ⋅ aV​

 3⋅(τ∥)2≤fuβw⋅γM2\sqrt{  3 \cdot \left( \tau_{\parallel} \right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}} 3⋅(τ∥​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

 3⋅( Vl⋅a)2≤fuβw⋅γM2\sqrt{  3 \cdot \left(  \frac{V}{l \cdot a}\right)^2} \leq \frac{f_u}{\beta_{\mathrm{w}} \cdot \gamma_{\mathrm{M2}}} 3⋅( l⋅aV​)2​≤βw​⋅γM2​fu​​

V=fu ⋅ l⋅ a ⋅ βLw1βw ⋅ γM2 ⋅ 3V = \frac{f_u  \cdot  l \cdot  a  \cdot  \beta_{\mathrm{Lw1}}}{\beta_{\mathrm{w}}  \cdot  \gamma_{\mathrm{M2}}  \cdot  \sqrt{3}}V=βw​ ⋅ γM2​ ⋅ 3​fu​ ⋅ l⋅ a ⋅ βLw1​​

总承载力为上部焊缝与下部焊缝承载力之和 

V=Vtop+VbottomV = V_\mathrm{top} + V_\mathrm{bottom}V=Vtop​+Vbottom​

其中:

aaa - 焊缝计算厚度

VVV - 作用于梁的剪力

l=2⋅L…l = 2 \cdot L_\mathrm{\dots}l=2⋅L…​ - 平行焊缝长度

βw\beta_{\mathrm{w}}βw​ - 相关系数,取自 EN 1993-1-8 表4.1

βLw1\beta_{\mathrm{Lw1}}βLw1​ - 长焊缝折减系数,EN 1993-1-8 公式4.9

fuf_ufu​ - 被连接较弱部件的名义极限抗拉强度

γM2\gamma_{\mathrm{M2}}γM2​ - 焊缝分项安全系数

Tab. 4.2.1 Examples overview\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.1 Examples overview}}}Tab. 4.2.1 Examples overview

Fig. 4.2.1 Joint geometry with dimensions\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.1 Joint geometry with dimensions}}}Fig. 4.2.1 Joint geometry with dimensions

数值模型

CBFEM(基于组件的有限元模型)中的焊缝组件详见通用理论背景和欧洲规范理论背景。焊缝模型采用弹塑性材料本构关系,应力峰值沿焊缝长度重分布。

承载力验证

CBFEM(基于组件的有限元模型)计算的焊缝设计承载力与CM结果进行对比,见表4.2.2。研究了两个参数:焊缝长度和角钢截面。图4.2.2展示了下部焊缝长度的敏感性分析。研究中上部焊缝长度为 La=100mm。

 Tab. 4.2.2 Comparison of CBFEM and CM\textsf{\textit{\footnotesize{Tab. 4.2.2 Comparison of CBFEM and CM}}}Tab. 4.2.2 Comparison of CBFEM and CM

a\textsf{\textit{\footnotesize{a}}}a

b\textsf{\textit{\footnotesize{b}}}b

a) Angle cleat 80×10             b) Angle cleat 160×16\textsf{\textit{\footnotesize{a) Angle cleat 80×10             b) Angle cleat 160×16}}}a) Angle cleat 80×10             b) Angle cleat 160×16

 Fig. 4.2.2 Sensitivity study of bottom weld b length\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.2 Sensitivity study of bottom weld b length}}}Fig. 4.2.2 Sensitivity study of bottom weld b length

对CBFEM(基于组件的有限元模型)与CM的结果进行对比,并给出敏感性分析结果。图4.2.2展示了焊缝长度对焊接角钢节点设计承载力的影响。研究表明,所有焊缝配置均吻合良好。为说明CBFEM(基于组件的有限元模型)模型的精度,将研究结果汇总于对比图中,比较CBFEM(基于组件的有限元模型)与CM的设计承载力,见图4.2.3。结果表明,在忽略偏心的CM中,CBFEM(基于组件的有限元模型)的所有预测结果均偏于安全。

Fig. 4.2.3 Verification of CBFEM to CM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.3 Verification of CBFEM to CM}}}Fig. 4.2.3 Verification of CBFEM to CM

基准算例

输入参数

角钢

  • 截面 2×L80×10
  • 角钢间距 16 mm

板件

  • 厚度 tp = 16 mm
  • 宽度 bp  = 240 mm

焊缝,平行角焊缝,见图4.2.4

  • 计算厚度 aw  = 3 mm
  • 上部焊缝长度 Lw,top = 100 mm
  • 下部焊缝长度 Lw,bottom = 50 mm

输出结果

  • 受拉设计承载力 FRd = 170 kN(需注意,该承载力采用"极限应变停止"功能计算得出,因此CBFEM(基于组件的有限元模型)实际承载力可能略高。)

Fig. 4.2.4 Benchmark example of the welded angle plate joint with parallel fillet welds\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 4.2.4 Benchmark example of the welded angle plate joint with parallel fillet welds}}}Fig. 4.2.4 Benchmark example of the welded angle plate joint with parallel fillet welds

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