熱力耦合作用下H型截面鋼框架撓曲變形有限元分析

李雨城，王 偉，王 興

（安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230601）

0 引言

鋼框架在當(dāng)代建筑物中應(yīng)用廣泛[1]，但在抗火方面較差。專家們[2-6]也意識(shí)到鋼框架在抗火研究方面的重要性，從而投入了大量的時(shí)間與資金對(duì)鋼框架進(jìn)行研究，不僅分析了單一因素下的鋼框架的力學(xué)特性，也分析了多因素耦合下的力學(xué)性能，特別是李國(guó)強(qiáng)、徐蕾在鋼框架方面做出了重要的研究[7，8]。至今，在熱力耦合作用下的鋼框架撓曲變形研究相對(duì)較少[9]。本文通過(guò)有限元模擬軟件對(duì)H型截面鋼框架進(jìn)行分析，介紹了熱力耦合作用下的鋼框架結(jié)構(gòu)撓曲變形的破壞模式、對(duì)兩層兩跨H型截面鋼框架結(jié)構(gòu)的變形與位移的模擬結(jié)果進(jìn)行深入的研究，包括結(jié)構(gòu)各梁柱在不同溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)、耦合場(chǎng)下的撓曲效應(yīng)，在熱力耦合作用下的梁柱的撓度與軸向變形重新分配與變化，在不同受火位置下的兩層兩跨H型截面鋼框架的撓曲效應(yīng)的對(duì)比分析，將為熱力耦合作用下鋼框架的進(jìn)一步研究提供參考。

1 鋼框架撓曲變形破壞模式

鋼框架結(jié)構(gòu)的撓曲變性破壞，有梁柱構(gòu)件帶來(lái)的局部破壞與結(jié)構(gòu)的整體破壞。

對(duì)鋼框架梁柱構(gòu)件達(dá)到撓曲變形破壞有三個(gè)模式：梁柱構(gòu)件失穩(wěn)導(dǎo)致破壞、梁柱構(gòu)件變形速率導(dǎo)致破壞、梁柱構(gòu)件變形達(dá)到限值導(dǎo)致破壞。

梁柱構(gòu)件變形速率導(dǎo)致破壞

梁柱構(gòu)件變形達(dá)到限值導(dǎo)致破壞

鋼框架梁撓度

撓度的變形速率

鋼框架柱軸向變形

軸向變形速率

鋼框架結(jié)構(gòu)撓曲變形達(dá)到限值

式中：δ-撓度，mm；l-跨度，mm；h-截面高度，mm；t-時(shí)間，min；H-試件的高度，mm。

2 熱力耦合作用下的H型截面鋼框架撓曲變形數(shù)值計(jì)算

2.1 升溫曲線

我國(guó)使用最廣泛的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，如式（8）所示。

式中:Tg(t)-對(duì)應(yīng)于t時(shí)刻的室內(nèi)平均空氣溫度；Tg(0)-取20℃；t-受火時(shí)間。

采用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線來(lái)研究熱力耦合作用下的撓曲變形效應(yīng)。

2.2 模型分析

兩層兩跨鋼框架結(jié)構(gòu)框架梁長(zhǎng)12 m，每層柱高8 m。鋼框架選用鋼材為Q235，梁截面采用HN400×150，柱截面采用HW200×200（圖13）。在鋼框架梁上施加均布荷載。計(jì)算過(guò)程為：

圖1 兩層兩跨鋼框架計(jì)算模型

工況1：在兩層兩跨鋼框架一層左側(cè)的框架中受火，對(duì)鋼框架整體進(jìn)行熱力耦合有限元分析，得出鋼框架的撓曲變形效應(yīng)（圖2）。

圖2 局部受火工況鋼框架計(jì)算模型

工況2：對(duì)兩層兩跨鋼框架的全截面受火，對(duì)鋼框架整體進(jìn)行熱力耦合有限元分析，得出鋼框架的撓曲變形效應(yīng)（圖3）。

圖3 全截面受火鋼框架計(jì)算模型

2.3 模型分析

通過(guò)有限元數(shù)值模擬得出兩層兩跨鋼框架在工況1與工況2的情況下，在不同溫度時(shí)刻下的撓度云圖如圖4-圖7所示。

圖5 工況2兩層兩跨鋼框架結(jié)構(gòu)位移云圖

圖6 工況1鋼框架梁撓度云圖

圖7 工況2鋼框架梁撓度云圖

從圖4、圖5、圖6、圖7可以看出，框架梁1，框架梁2，框架梁3，框架梁4，隨著溫度的升高，撓度呈現(xiàn)整體先增大后減小的趨勢(shì)，前期100度至500度，變化幅度較小，500度以后變化幅度較大，因?yàn)殇摽蚣苷w出現(xiàn)撓曲變形破壞，全截面受火比局部受火的變化幅度小，說(shuō)明工況2的兩層兩跨鋼框架耐火性能較好。

通過(guò)有限元數(shù)值模擬得出兩層兩跨鋼框架在工況1與工況2的情況下，在不同溫度時(shí)刻下的軸向變形云圖（圖8和圖9）：

圖8 工況1鋼框架梁軸向變形云圖

圖9 工況2鋼框架梁軸向變形云圖

從圖8和圖9可以看出，兩層兩跨鋼框架在工況1或工況2的情況下，鋼框架梁軸向變形云圖整體上均隨著溫度的增加，軸向變形整體呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，工況1與工況2結(jié)果保持一致，說(shuō)明在不同受火位置下兩層兩跨鋼框架梁軸向變形均保持一致。

各鋼框架柱的撓度與軸向變形在不同工況下，隨著溫度的上漲，撓度與軸向變形均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在不同工況下得出的結(jié)論是一致的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)熱力耦合作用下的H形截面兩層兩跨鋼框架撓曲變形有限元模擬結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

分析了熱力耦合作用下的鋼框架結(jié)構(gòu)撓曲變形的破壞模式，在不同受火位置下的兩層兩跨H型截面鋼框架的撓曲效應(yīng)的對(duì)比分析，并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出全截面受火時(shí)，兩層兩跨H型截面鋼框架耐火性能較好。

對(duì)熱力耦合作用下的兩層兩跨H形截面鋼框架承載力進(jìn)行了數(shù)值模擬，隨著溫度不斷上漲，兩層兩跨H型截面鋼框架各框架梁的撓度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)軸向變形不斷增大，各框架柱的撓度呈現(xiàn)不斷上漲的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)軸向變形不斷增大。

各梁柱撓度與軸向變形重新分配明顯，工況1比工況2的撓曲效應(yīng)變化大，說(shuō)明兩層兩跨H型截面鋼框架在全截面受火情況下?lián)锨?yīng)更好。

通過(guò)對(duì)不同受火位置情況下H型截面兩層兩跨鋼框架進(jìn)行了熱力耦合數(shù)值模擬，得到了熱力耦合分析下的鋼框架撓曲變形效應(yīng)，對(duì)以后熱力耦合作用下的鋼框架加固修復(fù)提供參考價(jià)值。