基于有限元分析H型鋼受力位移變化情況

張昆昆　馬衛(wèi)衛(wèi)　衛(wèi)田霖

摘? ?要：基于COMSOL對(duì)H型鋼的有限元仿真技術(shù)，在不同的邊界荷載下對(duì)H型鋼的上翼緣、下翼緣進(jìn)行分析，并對(duì)面主應(yīng)力做出詳細(xì)的分布，結(jié)果表明，荷載越大，上翼緣和下翼緣位移變化的斜率也越大，工藝圓角位移開(kāi)始有微小的變化，之后位移無(wú)明顯變化。上翼緣0～0.1 m的位移變化沒(méi)有0.1～0.2 m位移變化明顯，腹板的位移也是向右變化。

關(guān)鍵詞：H型鋼;有限元分析;上翼緣;下翼緣

1? ? H型鋼介紹

鋼材在建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，它具有較好的抗震性能、自重輕且占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

H型鋼主要用于工業(yè)與民用結(jié)構(gòu)中的梁、柱構(gòu)件。徐強(qiáng)[1]利用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)某內(nèi)置H型鋼預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土大梁進(jìn)行非線性有限元分析，通過(guò)構(gòu)件有無(wú)型鋼骨架對(duì)比，研究鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)受力性能以及應(yīng)力應(yīng)變變化特點(diǎn)、傳力機(jī)理，為構(gòu)件設(shè)計(jì)提供參考。付常偉等[2]利用有限元分析軟件Ansys對(duì)現(xiàn)有40 t載重半掛車(chē)車(chē)架縱梁進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算，明確車(chē)架縱梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。陳惠惠等[3]為研究H型鋼混凝土柱的極限承載力采用了長(zhǎng)細(xì)比和軸壓比為主要變化參數(shù)，并采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬，得到了3根柱的荷載—位移曲線。王秋維等[4]采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）梁柱平面節(jié)點(diǎn)試件的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好，驗(yàn)證了模型的有效性。劉志磊等[5]準(zhǔn)確地指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，區(qū)別處理H型鋼梁與工字鋼梁，了解和掌握適用于國(guó)產(chǎn)熱軋H型鋼的整體穩(wěn)定控制條件是十分必要的。王俊平[6]運(yùn)用有限元方法，考慮初始缺陷及扭轉(zhuǎn)慣性矩It的影響，計(jì)算國(guó)產(chǎn)軋制H型鋼梁的穩(wěn)定承載力，并與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ17—88）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”）計(jì)算焊接工字梁的方法進(jìn)行對(duì)比。

2? ? 有限元模擬分析的建立

基于COMSOL有限元分析軟件，建立H型鋼的有限元模擬分析。

H型鋼的型號(hào)：HW;寬翼緣：高度×寬度為200 mm×200 mm;截面尺寸：腹板厚度t1為8 mm，翼緣厚度t2為12 mm;工藝圓角r為16°。

采用二維建模，其中材料參數(shù)楊氏模量的值為2.06e11 Pa;泊松比的值為0.3;密度來(lái)自材料。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)劃分有限元的統(tǒng)計(jì)為：最小單元質(zhì)量是0.700 2;平均單元質(zhì)量是0.887 9;三角形單元為384;邊單元為140;定點(diǎn)單元為16。

將模型劃分為有限個(gè)單元，對(duì)有限個(gè)單元進(jìn)行分析計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)化分如圖1所示。

3? ? 結(jié)果分析

通過(guò)COMSOL對(duì)H型鋼模型在不同邊界荷載的情況下求解，得到面主應(yīng)力圖（見(jiàn)圖2）、上翼緣總位移圖（見(jiàn)圖3）、腹板位移圖（見(jiàn)圖4）、下翼緣總位移圖（見(jiàn)圖5）。

通過(guò)圖2可以得出應(yīng)力主要是向上翼緣、下翼緣以及腹板擴(kuò)散，而且工藝圓角分布的應(yīng)力最大，下翼緣兩邊的應(yīng)力相對(duì)于上翼緣比較大。上翼緣的位移變化非常明顯，相對(duì)于上翼緣位移變化，右邊發(fā)生的位移是明顯的。

通過(guò)圖3可以得出上翼緣的位移在0～0.1 m之間位移的變化是逐漸減小的，從0.1～0.2 m之間的位移變化是明顯增大的，而且位移變化比0～0.1 m變化更明顯。在不同的邊界荷載下，可以得出邊界荷載越大，位移越明顯的結(jié)論。從0.1～0.2 m的邊界荷載越大，位移變化越明顯，而且位移變化0～0.1 m變化的更明顯，邊界荷載是20 MPa時(shí)，位移變化比邊界荷載是5 MPa要明顯得多。

通過(guò)圖4可以得出腹板是向右發(fā)生位移的，通過(guò)圖3和圖4的對(duì)比，可以得出在0.1～0.2 m，上翼緣位移變化最明顯，腹板也是向右發(fā)生位移的。

通過(guò)圖5得出H型鋼下翼緣位移變化，從圖中可以得出在0～0.1 m位移是明顯增大的，而在0.1～0.2 m位移是減小的，得出固定約束在下翼緣兩邊，下翼緣的位移變化距固定約束越遠(yuǎn)，位移變化越明顯。而且在不同邊界荷載情況下，荷載越大，在不同位置位移變化斜率越明顯，當(dāng)荷載是5 MPa時(shí)，位移的變化相對(duì)較平緩，荷載是20 MPa時(shí)，位移變化的斜率最明顯。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析模擬H型鋼在不同邊界荷載下的面應(yīng)力分布以及位移變化情況。結(jié)果表明：荷載越大，上翼緣和下翼緣位移變化的斜率也越大。上翼緣0～0.1 m的位移變化沒(méi)有0.1～0.2 m位移變化得明顯，腹板的位移也是向右變化。在施工使用H型鋼的時(shí)候，要注意上翼緣和腹板位移方向，避免建筑的失穩(wěn)和人員的傷亡。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐 強(qiáng).內(nèi)置H型鋼預(yù)應(yīng)力混凝土組合大梁有限元分析[J].山西建筑，2019，45（1）：38-40.

[2]付常偉，趙新華，楊王輝.熱軋H型鋼在半掛車(chē)車(chē)架縱梁中應(yīng)用的可行性分析[J].山東冶金，2018，40（2）：39-41.

[3]陳惠惠，劉 凡.H型鋼混凝土柱的極限承載力試驗(yàn)及有限元分析[J].江西建材，2018（3）：4，6.

[4]王秋維，張?jiān)吕?，張海?zhèn).型鋼混凝土空間中節(jié)點(diǎn)受力性能有限元分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，48（6）：853-861.

[5]劉志磊，戴國(guó)欣，聶詩(shī)東.區(qū)別處理H型鋼梁與工字鋼梁穩(wěn)定性條件[J].工業(yè)建筑，2009，39（6）：25-27.

[6]王俊平，蘇慶田.國(guó)產(chǎn)軋制H型鋼梁整體穩(wěn)定性的研究[J].工業(yè)建筑，2000（8）：56-58，80.