基于有限元分析H型鋼受力位移變化情況

張昆昆　馬衛衛　衛田霖

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

關鍵詞：H型鋼;有限元分析;上翼緣;下翼緣

1? ? H型鋼介紹

鋼材在建筑行業結構設計中廣泛應用，它具有較好的抗震性能、自重輕且占地面積小等優點。

H型鋼主要用于工業與民用結構中的梁、柱構件。徐強[1]利用大型通用有限元軟件ABAQUS對某內置H型鋼預應力鋼筋混凝土大梁進行非線性有限元分析，通過構件有無型鋼骨架對比，研究鋼—混凝土組合結構受力性能以及應力應變變化特點、傳力機理，為構件設計提供參考。付常偉等[2]利用有限元分析軟件Ansys對現有40 t載重半掛車車架縱梁進行應力和變形計算，明確車架縱梁的結構強度和剛度。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細比和軸壓比為主要變化參數，并采用ABAQUS有限元軟件進行模擬，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對型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）梁柱平面節點試件的力學性能進行數值模擬，將模擬與試驗結果對比，發現兩者吻合較好，驗證了模型的有效性。劉志磊等[5]準確地指導鋼結構工程設計應用，區別處理H型鋼梁與工字鋼梁，了解和掌握適用于國產熱軋H型鋼的整體穩定控制條件是十分必要的。王俊平[6]運用有限元方法，考慮初始缺陷及扭轉慣性矩It的影響，計算國產軋制H型鋼梁的穩定承載力，并與《鋼結構設計規范》（GBJ17—88）（以下簡稱“規范”）計算焊接工字梁的方法進行對比。

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：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，其中材料參數楊氏模量的值為2.06e11 Pa;泊松比的值為0.3;密度來自材料。

對網絡劃分有限元的統計為：最小單元質量是0.700 2;平均單元質量是0.887 9;三角形單元為384;邊單元為140;定點單元為16。

將模型劃分為有限個單元，對有限個單元進行分析計算，網絡化分如圖1所示。

3? ? 結果分析

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

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

通過圖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，位移變化比邊界荷載是5 MPa要明顯得多。

通過圖4可以得出腹板是向右發生位移的，通過圖3和圖4的對比，可以得出在0.1～0.2 m，上翼緣位移變化最明顯，腹板也是向右發生位移的。

通過圖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，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，當荷載是5 MPa時，位移的變化相對較平緩，荷載是20 MPa時，位移變化的斜率最明顯。

4? ? 結語

通過有限元分析模擬H型鋼在不同邊界荷載下的面應力分布以及位移變化情況。結果表明：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型鋼的時候，要注意上翼緣和腹板位移方向，避免建筑的失穩和人員的傷亡。

[參考文獻]

[1]徐 強.內置H型鋼預應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型鋼在半掛車車架縱梁中應用的可行性分析[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及有限元分析[J].江西建材，2018（3）：4，6.

[4]王秋維，張月坤，張海鎮.型鋼混凝土空間中節點受力性能有限元分析[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2016，48（6）：853-861.

[5]劉志磊，戴國欣，聶詩東.區別處理H型鋼梁與工字鋼梁穩定性條件[J].工業建筑，2009，39（6）：25-27.

[6]王俊平，蘇慶田.國產軋制H型鋼梁整體穩定性的研究[J].工業建筑，2000（8）：56-58，80.