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2026-09-03

带或不带加劲肋的栓接端板连接性能——使用 RFEM 钢结构节点

四个栓接端板梁柱连接（BC1-BC4，HEA 120 柱，IPE 240 梁，S235 钢）进行了试验测试，并使用 RFEM 6 的“钢结构节点”模块及 EN 1993-1-8 手算方法重新评估。本文比较了三种方法得出的抗弯承载力和初始转动刚度，并报告了所依据的 T 形件组件公式。

本研究通过对带加劲肋和不带加劲肋的端板螺栓连接进行结构行为分析，验证了 RFEM 的钢节点模块。这些节点的性能根据欧洲规范 3 (EC-3) 的设计规定进行评估，并通过与先前开展的试验结果对比进行验证。

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（剪力和拉力）以及板件承载力（承压和冲切），利用了表 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）
各模式的单独承载力根据翼缘塑性弯矩承载力（Mpl,1,Rd 和 Mpl,2,Rd）和螺栓群的抗拉承载力（∑Ft,Rd）计算。这些模式对应翼缘完全屈服（模式 1）、螺栓破坏伴随翼缘屈服（模式 2）和纯螺栓断裂（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）
连接的初始刚度由以下公式给出：
Sj,ini=E·z2∑i=1n1ki
初始转动刚度 of 连接
图1 根据EC-3的节点力学模型以及T型件组件的破坏模式
图 1 根据欧洲规范 EC-3 的节点力学模型及 T 形件组件的破坏模式

梁柱连接的几何细节

按照标准施工实践，所有梁和柱构件均采用 S235 钢制造。几何构造，包括端板和螺栓群布置，如图 2 所示，而试验测试矩阵和实测材料性能总结于表 1。根据测试矩阵的定义，A 组试件（1BC-4BC）采用 HEA 120 柱截面搭配 IPE 240 梁截面，所有试件保持统一的 15 mm 端板厚度。

表 1 测试试件的几何构造
试件 柱 钢材等级 梁 钢材等级 端板厚度，mm
BC1 HEA120 S235 IPE240 S235 15
BC2 HEA120 S235 IPE240 S235 15
BC3 HEA120 S235 IPE240 S235 15
BC4 HEA120 S235 IPE240 S235 15

图2 试件配置
图 2 试件配置

讨论

RFEM 钢节点解决方案

本研究对四个端板梁柱连接的结构性能进行了试验与数值联合研究，重点考察带加劲肋和不带加劲肋的端板螺栓连接行为。试验项目辅以专门的 T 形件组件试验和详细的有限元 (FE) 建模。连接设计使用 RFEM 6 的钢节点附加模块进行，完全集成于整体结构模型中。有限元模型根据试验测量结果进行验证，并根据欧洲规范 3 (EC-3) 设计规定进行校核，然后用于详细研究局部变形行为。图 3 和图 4 以及表 2 和表 3 对试验、RFEM 6 钢节点预测和 EC-3 分析计算获得的抗弯承载力和转动刚度进行了比较。

图3弯矩抗力对比——实验、RFEM钢节点与EC-3
图3弯矩承载力比较 – 试验、RFEM钢连接与EC-3
Fig. 4 Comparison of Stiffness – Experimental, Steel Joints in RFEM and EC-3
Fig. 4 Comparison of Stiffness – Experimental, Steel Joints in RFEM and EC-3
表 2 抗弯承载力比较 - 试验、RFEM 钢节点和 EC-3 | 弯矩承载力 (kNm)
试件 试验 RFEM 钢节点 EC-3 EC-3/RFEM
BC1 34.00 24.02 18.00 0.75
BC2 47.00 34.51 33.00 0.96
BC3 53.00 34.36 33.00 0.96
BC4 65.00 39.15 33.00 0.84

表 3 刚度比较 - 试验、RFEM 钢节点和 EC-3 | 初始刚度 Sj,ini (MNm/rad)
试件 试验 RFEM 钢节点 EC-3
BC1 8.10 5.10 9.30
BC2 8.70 11.00 18.30
BC3 9.50 14.70 22.60
BC4 10.10 24.80 22.60

图5 BC1模型的等效应力与塑性应变以及设计比与转动刚度
图5 BC1模型的等效应力和塑性应变以及设计比和转动刚度
图6 BC2模型的等效应力、塑性应变、设计比和转动刚度
图6 BC2模型的等效应力、塑性应变、利用率和转动刚度
图7 BC3模型的等效应力和塑性应变以及设计比和转动刚度
图7 BC3 模型的等效应力、塑性应变、设计比和转动刚度
图8 BC4模型的等效应力、塑性应变以及设计比与转动刚度
图8 BC4模型的等效应力和塑性应变以及利用率和转动刚度

结论

比较表明，在抗弯承载力和初始刚度两方面，RFEM 比 EC-3 更贴近试验行为。EC-3 低估承载力的程度更严重，并且在 BC2-BC4 之间维持在 33.00 kNm 的平台值，尽管实测承载力上升了 40%，这表明其预测受单一限制组件校核控制，对变化的参数不敏感。对于初始刚度，RFEM 与试验的平均偏差 (0.66) 小于 EC-3 (0.97)，并且是唯一在 BC3-BC4 之间继续跟踪刚度增长趋势而不是出现平台的方法。RFEM 在较高数值处对刚度的高估与基于组件模型普遍趋向于理想化组件刚度的特性一致，而 EC-3 在 BC2-BC3 处也表现出相当或更大的高估。 总体而言，RFEM 是这两种工具中在捕捉节点强度和刚度趋势方面更可靠的一种，建议作为主要验证方法，同时保留 EC-3 作为独立校核。

参考文献

  1. Eurocode 3. Design of steel structures part 1-8: design of joints. European Standard EN 1993-1-8. European committee for standardization, Brussels, Belgium; 1993.
  2. Abidelah, Anis & Bouchair, Abdelhamid & Kerdal, Djamel. (2012). Experimental and analytical behaviour of bolted end-plate connections with or without stiffeners. Journal of Constructional Steel Research.
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