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2026-03-27

不锈钢节点与钢节点附加模块在RFEM中的应用

本研究考察了 RFEM 中实现的钢连接验算，用于不锈钢连接分析。这些连接的结构行为和性能依据 Eurocode 3（EC 3）的设计规定进行评估，并与一个研究导向有限元模型（ROFEM）进行比较，该模型此前已通过实验测试得到验证 (1)。

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（抗剪和抗拉）以及板件承载力（承压和冲切），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 FT,Rd 定义为三种潜在破坏机制所得结果中的最小值。

FT,Rd=min (FT1,Rd, FT2,Rd, FT3,Rd)
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（Mpl,1Rd 和 Mpl,2,Rd）以及螺栓群的抗拉承载力（∑Ft,Rd）计算得出。这些模式分别对应于翼缘完全屈服（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：
FT,1,Rd=(8n-2ew)Mpl,1,Rd2mn-ew(m+n)
模态 1：翼缘屈服
FT,2,Rd=2Mpl,2Rd+n(∑Ft,Rd)(m+n)
模式 2：螺栓失效与法兰屈服耦合
FT,3,Rd=∑FtRd
模态 3：纯螺栓断裂
  • 塑性承载力弯矩：
Mpl,1,Rd=0.25∑leff,1tf2fyγM0
塑性抗弯承载力
Mpl,2,Rd=0.25∑leff,2tf2fyγM0
塑性抵抗弯矩
该插图展示了结构工程中 T 型节点的几种失效模式。
1 T 型节点失效模式

欧洲规范 3 (2) 的引入标志着结构工程领域的一项重大进步，建立了第一个专门针对连接设计的综合性规范框架。其条款——具体而言，即原先在附录 J 中详述（现已整合至 EN 1993-1-8）的内容——为建筑框架中主要承受静力荷载的节点提供了分析方法 (2)，重点关注梁柱连接构造。

该方法以组件法为核心，这是一种力学建模方法，将连接理想化为多个独立功能组件的集合。每个组件由一个等效弹性弹簧表征，该弹簧由其独特的平动刚度和设计承载力定义 (3)。通过根据节点的拓扑结构将这些弹簧有策略地进行串联和并联组装，可以准确推导出连接的整体转动刚度和抗弯承载力。

说明根据欧码 Eurocode 3 附录 J 的端板连接以及上下角钢连接结构模型
2 EC3 附录 J 中用于端板与顶座角钢连接的模型示例
EC3附录J插图，展示结构模型中的顶底角钢和腹板角钢连接。
3 EC3附录J扩展：顶座和腹板角钢连接件
  • 连接的初始刚度由以下公式给出：
Sj,ini=Ez2∑i-1n1ki

E

杨氏模量

z

力臂

ki

第 ith 个分量的刚度系数

n

基本节点组件的数量
连接的初始刚度

为确保足够的塑性转动能力，端板和角钢连接件的厚度根据 EN 1993-1-8 (2) 规定的上限范围确定。此选择确保连接行为对于预期结构分析保持足够的延性。

t=0.36dfu,bfy
公式

梁柱连接的几何细节

本研究采用焊接不锈钢工字截面——具体为 I 240 x 120 x 12 x 10——用于梁和柱构件。截面尺寸包括外高 (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。为评估典型的结构行为，研究了四种常用节点构造：外伸端板 (EEP) 连接、平齐端板 (FEP) 连接、顶底角钢 (TSAC) 连接以及顶底及双腹板角钢 (TSWAC) 连接。

四种研究连接类型的几何构造如图 [4] 和表 1 所示。在所有试件中，紧固件均采用全螺纹 M16 A4-80 级不锈钢螺栓（相当于 8.8 级碳钢），安装于 18 mm 直径的余量孔中。对于 TSAC 和 TSWAC 构造，顶角和底角角钢在几何形状上完全相同，包括螺栓孔的空间分布。

  • 表 1：试验试件的几何构造 (2)
根据图 4 的距离 (mm)
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：材料属性 (1)
试件 E σ0.2 σ1.0 σu ε f
(N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) %
I-240 × 120 × 12 × 10 - 翼缘 196,500 248 306 630 66
I-240 × 120 × 12 × 10 - 腹板 205,700 263 320 651 65
角钢 (8 mm) 197,600 280 344 654 55
角钢 (10 mm) 192,800 289 353.5 656 56
端板 198,000 282 343 655 54
M16 螺栓 (A4-80) 191,500 617 703 805 12

用于力学分析的试件的节点详细信息。
4 测试样品的连接细节

讨论

用于 RFEM 求解的钢节点

利用基于有限元法的 RFEM 6 钢节点附加模块，连接设计过程完全集成到主要结构模型中。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，节点的极限强度和转动能力均由螺栓断裂决定。由于不锈钢组件固有的高延性和显著的应变硬化特性，抗弯承载力随变形增加呈现持续上升的分支，直至达到紧固件的抗拉或抗剪极限。值得注意的是，虽然螺栓破坏本身具有固有的脆性，但节点的系统响应仍以延性为主。这种行为归因于螺栓断裂之前，其他连接元件（特别是端板以及翼缘/腹板角钢）中已发生广泛的非弹性变形和屈服。图 5 和 6 以及表 3 和 4 展示了试验、ROFEM、RFEM 中的钢节点与 EC 3 之间抗弯承载力和刚度的对比。表 5 展示了破坏模式。

该图显示了实验数据、ROFEM 软件、RFEM 中的钢节点以及 EC 3 标准的抗弯承载力的比较图。
5 弯矩抵抗比较 – 实验、ROFEM、RFEM 中的钢节点与 EC 3
图表展示实验分析、ROFEM 方法和基于 RFEM 的使用 EC-3 标准的钢节点之间的刚度比较。
6 刚度对比 – 实验、RFEM、RFEM 中的钢节点和 EC-3
  • 表 3：抗弯承载力对比 – 试验、ROFEM、RFEM 中的钢节点与 EC3
弯矩承载力 (kNm) | Mj,R
试件 试验 ROFEM RFEM 中的钢节点 EC3 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 – 试验、ROFEM、RFEM 中的钢节点与 EC3
初始刚度 Sj,ini (MNm/rad)
试件 试验 ROFEM RFEM 中的钢节点 EC3 EC3/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
破坏模式
试件 EC-3 RFEM 中的钢节点 试验
FEP 端板受弯 螺栓受拉破坏 螺栓受拉断裂
EEP 端板受弯 螺栓受拉破坏 螺栓受拉破坏
TSAC-8 翼缘角钢受弯 螺栓受拉和受剪破坏 螺栓受拉和受剪破坏
TSAC-10 翼缘角钢受弯 螺栓受拉和受剪破坏 螺栓受拉和受剪破坏
TSWAC-8 角钢受弯 螺栓受拉和受剪破坏 螺栓受拉和受剪破坏（翼缘角钢螺栓）
TSWAC-10 角钢受弯 腹板螺栓受剪破坏 螺栓受剪破坏（连接腹板角钢与梁腹板的顶部螺栓）

端板齐平端部的等效应力和塑性应变分析。
7 齐平端板（FEP）的等效应力和塑性应变
齐平端板结构模型中的等效应力和塑性应变分布的可视化表示。
8 齐平端板（FEP）的等效应力和塑性应变 | 2
扩展端板的有限元分析，显示等效应力和塑性应变分布。
9 加长端板（EEP）的等效应力和塑性应变
钢结构延伸端板连接中的等效应力和塑性应变分布的可视化表示。
10 延伸端板（EEP）的等效应力和塑性应变 | 2
显示结构节点中等效应力和塑性应变分布的顶角钢和座角钢连接分析。
11 顶部和座角连接件（TSAC）的等效应力和塑性应变
顶板和座板角钢连接中等效应力和塑性应变分析。
12 顶角钢和座角钢连接（TSAC）的等效应力和塑性应变 | 2
该图显示了钢结构中顶座和双腹板角钢连接构造中的等效应力和塑性应变分布。
13 顶部座板和双腹板角钢连接（TSWAC）的等效应力和塑性应变
顶座和双腹板角钢连接中的等效应力和塑性应变分析，用于结构评估的可视化。
14 顶座和双腹板角钢连接（TSWAC）的等效应力和塑性应变 | 2
结构分析中展示齐平端板设计比和转动刚度的示意图。
15 齐平端板（FEP）的设计比值和转动刚度
带有设计比和转动刚度分析结果的加长端板连接上的荷载和反力。
16 加长端板（EEP）的设计比值和转动刚度
顶板角钢和座角钢连接中的等效应力和塑性应变分析。TSAC 有限元模型的详细视图。
17 顶角和座角角钢连接（TSAC）的等效应力和塑性应变
结构工程中顶部座板和双腹板角钢连接的设计比值与转动刚度分析。
18 顶座角钢和双腹板角钢（TSWAC）的设计比和转动刚度

结论

基于初步试验数据，评估了 EN 1993-1-8 条款对钢节点附加模块的适用性。与之前对碳钢对应物的观察结果一致，欧洲规范的刚度模型倾向于高估初始转动刚度，预测结果表现出显著的离散性。

关于试验试件和 CBFEM 模拟的塑性抗弯承载力，分析强度模型 (TSWAC-10) 表现出大于 1.0 的比值。在控制破坏模式方面观察到一个关键差异：即使在欧洲规范预测为以塑性铰形成为特征的延性 T 形件破坏（模式 1 或 2）的构造中，断裂也无一例外地由螺栓破坏触发。虽然 T 形件产生了预期的塑性变形，但不锈钢的显著应变硬化使得屈服区域内的应力能够持续增加。

参考
  1. Elflah, M., Theofanous, M., Dirar, S., & Yuan, H. (2019). 不锈钢梁柱节点性能 — 第1部分：实验研究. Journal of Constructional Steel Research, 152, 183–193.
  2. Elflah, M., Theofanous, M., & Dirar, S. (2019)。不锈钢梁柱节点性能——第2部分：数值模拟与参数研究。《建筑钢结构研究杂志，152》，194–212。
  3. Weynard, K., Jaspart, J. P., & Steenhuis, M. (1995)。欧洲规范3修订附录J的刚度模型，钢结构中的连接III：行为、强度和设计。收录于第三届钢结构连接国际研讨会。特伦托；意大利。
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