热力耦合作用下H型截面钢框架挠曲变形有限元分析

李雨城，王 伟，王 兴

（安徽三联学院机械工程学院，合肥 230601）

0 引言

钢框架在当代建筑物中应用广泛[1]，但在抗火方面较差。专家们[2-6]也意识到钢框架在抗火研究方面的重要性，从而投入了大量的时间与资金对钢框架进行研究，不仅分析了单一因素下的钢框架的力学特性，也分析了多因素耦合下的力学性能，特别是李国强、徐蕾在钢框架方面做出了重要的研究[7，8]。至今，在热力耦合作用下的钢框架挠曲变形研究相对较少[9]。本文通过有限元模拟软件对H型截面钢框架进行分析，介绍了热力耦合作用下的钢框架结构挠曲变形的破坏模式、对两层两跨H型截面钢框架结构的变形与位移的模拟结果进行深入的研究，包括结构各梁柱在不同温度场、结构场、耦合场下的挠曲效应，在热力耦合作用下的梁柱的挠度与轴向变形重新分配与变化，在不同受火位置下的两层两跨H型截面钢框架的挠曲效应的对比分析，将为热力耦合作用下钢框架的进一步研究提供参考。

1 钢框架挠曲变形破坏模式

钢框架结构的挠曲变性破坏，有梁柱构件带来的局部破坏与结构的整体破坏。

对钢框架梁柱构件达到挠曲变形破坏有三个模式：梁柱构件失稳导致破坏、梁柱构件变形速率导致破坏、梁柱构件变形达到限值导致破坏。

梁柱构件变形速率导致破坏

梁柱构件变形达到限值导致破坏

钢框架梁挠度

挠度的变形速率

钢框架柱轴向变形

轴向变形速率

钢框架结构挠曲变形达到限值

式中：δ-挠度，mm；l-跨度，mm；h-截面高度，mm；t-时间，min；H-试件的高度，mm。

2 热力耦合作用下的H型截面钢框架挠曲变形数值计算

2.1 升温曲线

我国使用最广泛的是国际标准组织制定的ISO834标准升温曲线，如式（8）所示。

式中:Tg(t)-对应于t时刻的室内平均空气温度；Tg(0)-取20℃；t-受火时间。

采用标准升温曲线来研究热力耦合作用下的挠曲变形效应。

2.2 模型分析

两层两跨钢框架结构框架梁长12 m，每层柱高8 m。钢框架选用钢材为Q235，梁截面采用HN400×150，柱截面采用HW200×200（图13）。在钢框架梁上施加均布荷载。计算过程为：

图1 两层两跨钢框架计算模型

工况1：在两层两跨钢框架一层左侧的框架中受火，对钢框架整体进行热力耦合有限元分析，得出钢框架的挠曲变形效应（图2）。

图2 局部受火工况钢框架计算模型

工况2：对两层两跨钢框架的全截面受火，对钢框架整体进行热力耦合有限元分析，得出钢框架的挠曲变形效应（图3）。

图3 全截面受火钢框架计算模型

2.3 模型分析

通过有限元数值模拟得出两层两跨钢框架在工况1与工况2的情况下，在不同温度时刻下的挠度云图如图4-图7所示。

图5 工况2两层两跨钢框架结构位移云图

图6 工况1钢框架梁挠度云图

图7 工况2钢框架梁挠度云图

从图4、图5、图6、图7可以看出，框架梁1，框架梁2，框架梁3，框架梁4，随着温度的升高，挠度呈现整体先增大后减小的趋势，前期100度至500度，变化幅度较小，500度以后变化幅度较大，因为钢框架整体出现挠曲变形破坏，全截面受火比局部受火的变化幅度小，说明工况2的两层两跨钢框架耐火性能较好。

通过有限元数值模拟得出两层两跨钢框架在工况1与工况2的情况下，在不同温度时刻下的轴向变形云图（图8和图9）：

图8 工况1钢框架梁轴向变形云图

图9 工况2钢框架梁轴向变形云图

从图8和图9可以看出，两层两跨钢框架在工况1或工况2的情况下，钢框架梁轴向变形云图整体上均随着温度的增加，轴向变形整体呈现线性增长的趋势，工况1与工况2结果保持一致，说明在不同受火位置下两层两跨钢框架梁轴向变形均保持一致。

各钢框架柱的挠度与轴向变形在不同工况下，随着温度的上涨，挠度与轴向变形均呈现增大的趋势，在不同工况下得出的结论是一致的。

3 结论

本文通过对热力耦合作用下的H形截面两层两跨钢框架挠曲变形有限元模拟结果分析，得出如下结论：

分析了热力耦合作用下的钢框架结构挠曲变形的破坏模式，在不同受火位置下的两层两跨H型截面钢框架的挠曲效应的对比分析，并且对结果进行对比，得出全截面受火时，两层两跨H型截面钢框架耐火性能较好。

对热力耦合作用下的两层两跨H形截面钢框架承载力进行了数值模拟，随着温度不断上涨，两层两跨H型截面钢框架各框架梁的挠度呈现先增大后减小的趋势，结构轴向变形不断增大，各框架柱的挠度呈现不断上涨的趋势，结构轴向变形不断增大。

各梁柱挠度与轴向变形重新分配明显，工况1比工况2的挠曲效应变化大，说明两层两跨H型截面钢框架在全截面受火情况下挠曲效应更好。

通过对不同受火位置情况下H型截面两层两跨钢框架进行了热力耦合数值模拟，得到了热力耦合分析下的钢框架挠曲变形效应，对以后热力耦合作用下的钢框架加固修复提供参考价值。