基于有限元分析H型钢受力位移变化情况

张昆昆　马卫卫　卫田霖

摘   要：基于COMSOL对H型钢的有限元仿真技术，在不同的边界荷载下对H型钢的上翼缘、下翼缘进行分析，并对面主应力做出详细的分布，结果表明，荷载越大，上翼缘和下翼缘位移变化的斜率也越大，工艺圆角位移开始有微小的变化，之后位移无明显变化。上翼缘0～0.1 m的位移变化没有0.1～0.2 m位移变化明显，腹板的位移也是向右变化。

关键词：H型钢;有限元分析;上翼缘;下翼缘

1    H型钢介绍

钢材在建筑行业结构设计中广泛应用，它具有较好的抗震性能、自重轻且占地面积小等优点。

H型钢主要用于工业与民用结构中的梁、柱构件。徐强[1]利用大型通用有限元软件ABAQUS对某内置H型钢预应力钢筋混凝土大梁进行非线性有限元分析，通過构件有无型钢骨架对比，研究钢—混凝土组合结构受力性能以及应力应变变化特点、传力机理，为构件设计提供参考。付常伟等[2]利用有限元分析软件Ansys对现有40 t载重半挂车车架纵梁进行应力和变形计算，明确车架纵梁的结构强度和刚度。陈惠惠等[3]为研究H型钢混凝土柱的极限承载力采用了长细比和轴压比为主要变化参数，并采用ABAQUS有限元软件进行模拟，得到了3根柱的荷载—位移曲线。王秋维等[4]采用有限元分析软件ABAQUS对型钢混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）梁柱平面节点试件的力学性能进行数值模拟，将模拟与试验结果对比，发现两者吻合较好，验证了模型的有效性。刘志磊等[5]准确地指导钢结构工程设计应用，区别处理H型钢梁与工字钢梁，了解和掌握适用于国产热轧H型钢的整体稳定控制条件是十分必要的。王俊平[6]运用有限元方法，考虑初始缺陷及扭转惯性矩It的影响，计算国产轧制H型钢梁的稳定承载力，并与《钢结构设计规范》（GBJ17—88）（以下简称“规范”）计算焊接工字梁的方法进行对比。

2    有限元模拟分析的建立

基于COMSOL有限元分析软件，建立H型钢的有限元模拟分析。

H型钢的型号：HW;宽翼缘：高度×宽度为200 mm×200 mm;截面尺寸：腹板厚度t1为8 mm，翼缘厚度t2为12 mm;工艺圆角r为16°。

采用二维建模，其中材料参数杨氏模量的值为2.06e11 Pa;泊松比的值为0.3;密度来自材料。

对网络划分有限元的统计为：最小单元质量是0.700 2;平均单元质量是0.887 9;三角形单元为384;边单元为140;定点单元为16。

将模型划分为有限个单元，对有限个单元进行分析计算，网络化分如图1所示。

3    结果分析

通过COMSOL对H型钢模型在不同边界荷载的情况下求解，得到面主应力图（见图2）、上翼缘总位移图（见图3）、腹板位移图（见图4）、下翼缘总位移图（见图5）。

通过图2可以得出应力主要是向上翼缘、下翼缘以及腹板扩散，而且工艺圆角分布的应力最大，下翼缘两边的应力相对于上翼缘比较大。上翼缘的位移变化非常明显，相对于上翼缘位移变化，右边发生的位移是明显的。

通过图3可以得出上翼缘的位移在0～0.1 m之间位移的变化是逐渐减小的，从0.1～0.2 m之间的位移变化是明显增大的，而且位移变化比0～0.1 m变化更明显。在不同的边界荷载下，可以得出边界荷载越大，位移越明显的结论。从0.1～0.2 m的边界荷载越大，位移变化越明显，而且位移变化0～0.1 m变化的更明显，边界荷载是20 MPa时，位移变化比边界荷载是5 MPa要明显得多。

通过图4可以得出腹板是向右发生位移的，通过图3和图4的对比，可以得出在0.1～0.2 m，上翼缘位移变化最明显，腹板也是向右发生位移的。

通过图5得出H型钢下翼缘位移变化，从图中可以得出在0～0.1 m位移是明显增大的，而在0.1～0.2 m位移是减小的，得出固定约束在下翼缘两边，下翼缘的位移变化距固定约束越远，位移变化越明显。而且在不同边界荷载情况下，荷载越大，在不同位置位移变化斜率越明显，当荷载是5 MPa时，位移的变化相对较平缓，荷载是20 MPa时，位移变化的斜率最明显。

4    结语

通过有限元分析模拟H型钢在不同边界荷载下的面应力分布以及位移变化情况。结果表明：荷载越大，上翼缘和下翼缘位移变化的斜率也越大。上翼缘0～0.1 m的位移变化没有0.1～0.2 m位移变化得明显，腹板的位移也是向右变化。在施工使用H型钢的时候，要注意上翼缘和腹板位移方向，避免建筑的失稳和人员的伤亡。

[参考文献]

[1]徐 强.内置H型钢预应力混凝土组合大梁有限元分析[J].山西建筑，2019，45（1）：38-40.

[2]付常伟，赵新华，杨王辉.热轧H型钢在半挂车车架纵梁中应用的可行性分析[J].山东冶金，2018，40（2）：39-41.

[3]陈惠惠，刘 凡.H型钢混凝土柱的极限承载力试验及有限元分析[J].江西建材，2018（3）：4，6.

[4]王秋维，张月坤，张海镇.型钢混凝土空间中节点受力性能有限元分析[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2016，48（6）：853-861.

[5]刘志磊，戴国欣，聂诗东.区别处理H型钢梁与工字钢梁稳定性条件[J].工业建筑，2009，39（6）：25-27.

[6]王俊平，苏庆田.国产轧制H型钢梁整体稳定性的研究[J].工业建筑，2000（8）：56-58，80.