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2026-08-12

延性评估：带钢节点的外伸端板连接（RFEM）

对四个外伸端板梁柱连接节点（FS1–FS4，钢材等级 S355/S690）进行了试验测试，并采用 #钢结构节点 RFEM 6 模块# 以及 EN 1993-1-8（欧洲规范 3）手工计算进行了评估。文中对三种方法所得的抗弯承载力和初始转动刚度进行了对比，并报告了基于 T 形件组件的相关计算公式。

本研究通过考察外伸端板梁柱连接的延性特性和破坏模式，评估 RFEM 的钢节点设计。根据欧洲规范 3 (EC3) 中规定的设计条款，对这些连接的结构行为和承载能力进行了分析，随后通过与使用 Steel Joints for RFEM 开发的有限元模型以及相应的试验数据进行对比，验证了所得的预测结果。

分析模型

本研究采用 EN 1993-1-8 中规定的设计准则，利用表 3.4 中给出的极限状态公式，评估螺栓抗力（剪力和拉力）以及板件抗力（支座和冲切）。

等效 T 形件的设计抗力分别针对端板和柱翼缘两个组件进行独立评估。对于每个组件，控制设计抗力 FT,Rd 定义为三种潜在破坏机制中得出的最小值。

FT, Rd=min(FT1,Rd, FT2,Rd, FT3, Rd)
T 形件设计抗力（三种失效模式的支配值）

每种模式的单独抗力根据翼缘的塑性弯矩承载力（Mpl,1,Rd 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：

FT,1,Rd=(8n-2ew)·Mpl,1,Rd2mn-ew(m+n)
T 形件承载力 – 失效模式 1（翼缘完全屈服）
FT,2,Rd=2·Mpl,2,Rd+n·(∑Ft,Rd)(m+n)
T 形件抗力 – 破坏模式 2（螺栓破坏伴随翼缘屈服）
FT,3,Rd=∑Ft,Rd
T 形件承载力 — 破坏模式 3（螺栓断裂）

塑性抗弯承载力：

Mpl,1,Rd=0.25·∑leff,1·tf2·fyγM0
翼缘塑性弯矩承载力（破坏模式1）
Mpl,2,Rd=0.25·∑leff,2·tf2·fyγM0
翼缘塑性弯矩抗力（破坏模式2）
连接的初始刚度由下式给出：
Sj,ini=E·z2∑i=1n1ki
初始转动刚度 of 连接
其中 E 为杨氏模量， z 为力臂， Ki 为第 i 个组件的刚度系数， n 为基本节点组件数量。

梁柱连接几何细节

所有梁和柱构件均按标准施工惯例采用 S355 钢材制造。端板由 S355 或 S690 钢材制成。几何细节——包括端板尺寸和螺栓群布置——如图 2 所示，试验矩阵和实测材料性能见表 1。

试件 FS1 至 FS4 采用 HEM 340 柱截面搭配 IPE 300 梁截面。选择该配置是为了研究弱柱强梁行为。在所有四个试件中，梁截面保持 IPE 300 不变，FS1、FS2、FS3 和 FS4 的端板厚度分别为 10、15、20 和 10 mm。

表 1：试验试件的几何与材料详情
试件 柱 钢材等级 梁 钢材等级 端板厚度，mm 钢材等级
FS1 HEM340 S355 IPE300 S235 10 S355
FS2 HEM340 S355 IPE300 S235 15 S355
FS3 HEM340 S355 IPE300 S235 20 S355
FS4 HEM340 S690 IPE300 S235 10 S690

典型梁柱螺栓连接的工程图纸，展示了一根IPE300梁与一根HE340M柱的连接，并标注了详细尺寸和板厚。
1 典型梁柱螺栓连接
扩展端板连接的技術图纸，展示了用于钢节点分析的螺栓布置和加劲肋配置。
2 a) 端板/螺栓，b) 加劲肋配置

讨论

Steel Joints for RFEM 求解方案

使用 RFEM 6 的 Steel Joints 附加模块，连接设计被完全集成到主结构模型中。本研究对四个外伸端板梁柱连接的结构性能进行了试验和数值研究，特别强调延性评估。研究还辅以针对性的 T 形件组件表征和高保真有限元 (FE) 分析。所开发的有限元模型经过试验测量验证，并根据欧洲规范 3 (EC3) 设计框架进行了校核，随后用于提取局部变形行为的详细见解。图 3 和图 4 以及表 2 和表 3 给出了试验结果、Steel Joints for RFEM 6 预测与 EC3 解析解之间抗弯承载力和转动刚度的对比。

条形图对比了四个钢节点试件的弯矩承载力，数据来源于试验结果、使用Steel Joints模块进行的RFEM模拟以及欧洲规范3的计算。
3 抗弯承载力对比 – 实验与RFEM和EC3钢节点
柱状图比较四个测试案例的初始刚度，显示了实验、RFEM钢节点和EC3计算的结果。
4 刚度对比 – 实验 vs. RFEM与EC3钢节点
表 2：抗弯承载力对比 – 试验 vs. Steel Joints for RFEM 与 EC-3-1-8 | 弯矩承载力 (kNm)
试件 试验 Steel Joints in RFEM EC3
FS1 107.45 107.53 77.52
FS2 167.93 122.51 132.09
FS3 182.46 126.09 187.29
FS4 164.56 118.46 124.44

表 3：刚度对比 – 试验 vs. Steel Joints for RFEM 与 EC-3-1-8 | 初始刚度 Sj,ini (MNm/rad)
试件 试验 Steel Joints for RFEM EC3
FS1 17.51 29.20 34.66
FS2 22.69 38.30 46.76
FS3 22.39 43.50 51.76
FS4 16.66 29.20 32.77

有限元分析结果显示钢节点模型的等效 von Mises 应力和等效塑性应变，厚度为 1 mm。
5 等效应力与塑性应变的FS-1mm模型
有限元分析显示钢结构节点在荷载作用下的等效von Mises应力和塑性应变。该可视化呈现了连接区域的应力分布和变形情况。
6 FS-2mm模型的等效应力和塑性应变
钢节点的有限元分析，展示了在施加的荷载条件下等效von Mises应力和等效塑性应变。
7 等效应力和塑性应变的FS-3mm模型
有限元分析结果显示了钢节点模型的等效von Mises应力和等效塑性应变。
8 等效应力与塑性应变的FS-4mm模型
表格显示了承载能力极限状态下板、螺栓和角焊缝组件的设计校核比率，以及所连接杆件的转动刚度计算值。
9 FS-1模型的利用率和转动刚度
显示钢板、螺栓和焊缝设计验算比值，以及钢连接节点计算转动刚度值的表格。
10 FS-2模型的利用率和转动刚度
表格显示了结构分析中板、螺栓和角焊缝的设计验算比值，以及连接构件的转动刚度计算值。
11 设计利用率和FS-3模型的转动刚度
显示板件、螺栓和焊缝设计验算比率的表格，以及结构分析中连接构件转动刚度值。
12 利用率与FS-4模型的转动刚度

结论

试验结果、Steel Joints for RFEM 基于组件法的结果及 EC-3-1-8 预测之间的对比表明，RFEM 模型在抗弯承载力和初始刚度方面与试验结果总体吻合良好，证实了其在反映实际节点行为方面的可靠性。EC-3-1-8 对各试件的抗弯承载力预测参差不齐（与 RFEM 的比值为 0.72–1.49），反映出解析组件法对板厚和螺栓布置等特定几何参数的敏感性。结果表明，Steel Joints for RFEM 对初始节点刚度的预测明显比 EC-3 解析法更准确。这证实了 RFEM 基于有限元的方法能更好地捕捉受试连接的实际刚度行为，与保守且往往过于简化的 EC3 组件法相比，它是实际设计与分析中更可靠的工具。

参考
  1. 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。
  2. Girão Coelho, A. M., Bijlaard, F. S. K., & Simões da Silva, L. (2004)。加长端板连接延性的试验评估。Engineering Structures, 26(9), 1185–1206。 https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2000.09.001
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