熱力耦合作用下的H型截面鋼框架力學(xué)性能影響因素有限元分析①

李雨城, 王 偉, 王 興

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

0 引 言

鋼框架由于其及具有特點(diǎn)的特性被應(yīng)用于當(dāng)代建筑體系[1]，特別在一些大型建筑物中被廣泛使用，鋼框架建筑強(qiáng)度高，可塑性較高，但是鋼框架結(jié)構(gòu)在高溫火災(zāi)下極易發(fā)生破壞，因?yàn)殇摽蚣芙Y(jié)構(gòu)的耐火性能受諸多因素的影響，例如，受火時(shí)間與荷載大小，而鋼框架在抗火方面存在劣勢(shì)，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)組合框架進(jìn)行研究，不僅分析了單一因素下的組合框架的力學(xué)特性，也分析了多因素耦合下的力學(xué)性能，特別以李國強(qiáng)、徐蕾在鋼框架做出了相關(guān)方面的研究[7～8]。但從但是目前來說，在熱力耦合作用下的鋼框架力學(xué)性能研究[9]很少。本文通過介紹了熱力耦合作用下的鋼框架在不同溫度場(chǎng)下的力學(xué)性能，通過有限元模擬對(duì)不同影響因素下的單層單跨H型截面鋼框架力學(xué)性能與位移的研究，包括模型一與模型二在不同軸向剛度下對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的比較，模型三、模型四、模型五在不同轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度下對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的對(duì)比分析，對(duì)熱力耦合作用下的鋼框架的進(jìn)一步研究具有重大意義。

1 火災(zāi)下鋼框架結(jié)構(gòu)的升溫曲線

火災(zāi)下的單層單跨鋼框架升溫曲線采用最廣泛的是國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，如下式所示：

Tg(t)-Tg(0)=345lg(8t+1)

(1)

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

采用標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線來研究熱力耦合作用下的鋼框架力學(xué)性能。

2 熱力耦合作用下的鋼框架力學(xué)性能影響因素有限元分析

2.1 熱力耦合作用下的不同軸向剛度鋼框架數(shù)值計(jì)算

(1)模型的建立與劃分

單層單跨H形截面鋼框架建立的有限元[10]模型如下圖1所示，結(jié)構(gòu)分析圖如下圖2所示。

圖1 單層單跨鋼框架有限元模擬示意圖

圖2 單層單跨鋼框架結(jié)構(gòu)分析圖

模型一：通過對(duì)單層單跨H形截面鋼框架建立的有限元模型進(jìn)行分析，全截面受火，令梁長6m，柱高4m。梁截面尺寸為400mm×150mm，柱截面尺寸為200mm×200mm，梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，梁上作用均布荷載q=15kN/m。

模型二：該構(gòu)件類型與模型一保持一致，全截面受火，梁長與柱高均與模型一保持一致。梁截面與柱截面尺寸均為400mm×150mm，梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，梁上作用均布荷載q=15kN/m。

(2)模型求解

熱力耦合作用下的鋼框架力學(xué)性能分析共分為兩步，第一步是熱分析，第二步結(jié)構(gòu)分析。

熱力耦合作用下的單層單跨鋼框架的力學(xué)性能隨著溫度的升高重新分配與變化，以下是鋼框架在不同溫度下的內(nèi)力云圖。

通過對(duì)模型一與模型二進(jìn)行熱力耦合分析結(jié)果做出如下圖7所示，隨溫度增加構(gòu)件跨中撓度、軸力、彎矩發(fā)生變化，由折線圖能夠看出不同軸向剛度下的鋼框架力學(xué)性能明顯不同。

從模型一與模型二的折線圖能夠得出不同軸向剛度下的鋼框架的承載性能不同，軸向剛度是影響火災(zāi)下鋼框架的力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。雖然不同的軸向剛度對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性變化趨勢(shì)基本一致，但幅度不同。模型二較與模型一峰值更高，彎矩更大，更易發(fā)生破壞，特別在溫度在500℃之后，區(qū)別更明顯，對(duì)鋼框架來說，內(nèi)力分配越明顯。但模型一與模型二鋼框架梁跨中撓度基本一致。

2.2 熱力耦合作用下的不同轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度鋼框架數(shù)值計(jì)算

以下研究鋼框架結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度下的力學(xué)性能。

模型三：該構(gòu)件類型與模型一保持一致，全截面受火，梁長與柱高均與模型一保持一致。梁截面與柱截面尺寸均為400mm×150mm，梁柱節(jié)點(diǎn)采用柔性連接，梁上作用均布荷載q=15kN/m。

模型四：該構(gòu)件類型與模型一保持一致，全截面受火，梁長與柱高均與模型一保持一致。梁截面與柱截面尺寸均為400mm×150mm，梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，梁上作用均布荷載q=15kN/m。

模型五：該構(gòu)件類型與模型一保持一致，全截面受火，令梁長8m，柱高4m。梁截面與柱截面尺寸均為400mm×150mm，梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，梁上作用均布荷載q=15kN/m。

通過對(duì)模型三、模型四、模型五的數(shù)值模擬結(jié)果得出，不同轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度對(duì)鋼框架的力學(xué)性能效果明顯不同。

從以上圖7、圖8、圖9折線圖能夠得出，鋼框架轉(zhuǎn)動(dòng)剛度越大，鋼框架柱兩端的軸向約束越大，進(jìn)而軸向壓力越大，而柱底彎矩隨著升溫變化幅度越來越大，反映在模型五上，易發(fā)生破壞。模型三在梁柱節(jié)點(diǎn)采用柔性連接時(shí)，框架梁的跨中撓度隨溫度增加呈現(xiàn)不斷增加，且增幅不斷增大，而當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)間采用剛性連接時(shí)，模型四與模型五撓度隨著溫度增加均呈現(xiàn)著先減小后增大的趨勢(shì)，但三種模型的最終撓度均趨于一致。不管梁柱節(jié)點(diǎn)采用柔性連接還是剛接，鋼框架轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度越大，鋼框架柱底的彎矩越大，結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞。

圖3 單層單跨鋼框架內(nèi)力云圖

圖4 單層單跨鋼框架結(jié)構(gòu)跨中撓度—溫度圖

圖5 單層單跨鋼框架結(jié)構(gòu)軸力—溫度圖

圖6 單層單跨鋼框架柱端彎柱—溫度圖

圖7 鋼框架梁跨中撓度—溫度圖

圖8 鋼框架梁軸向力—溫度圖

圖9 鋼框架柱底彎矩—溫度圖

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)熱力耦合作用下的單層單跨H形截面鋼框架力學(xué)性能不同影響因素有限元模擬結(jié)果對(duì)比分析，有如下結(jié)論：

(1)分析了不同軸向剛度下熱力耦合作用下的單層單跨H形截面鋼框架數(shù)值模擬結(jié)果，隨著溫度值的增加，對(duì)于單層單跨鋼框架，軸向剛度較大的結(jié)構(gòu)隨著溫度升高出現(xiàn)內(nèi)力重新分配明顯。

(2)對(duì)熱力耦合作用下的不同約束剛度單層單跨H形截面鋼框架力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)于單層單跨鋼框架，約束剛度較小的鋼框架有利于結(jié)構(gòu)承載。

(3)通過對(duì)不同影響因素下的模型分析，對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的跨中撓度、軸力、彎矩變化做了對(duì)比分析，在不同影響因素下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，且變化幅度與影響因素有關(guān)。

(4)通過對(duì)熱力耦合作用下的不同軸向剛度與不同約束剛度單層單跨H形截面鋼框架進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了熱力耦合分析下的鋼框架力學(xué)性能，對(duì)以后熱力耦合作用下的鋼框架選優(yōu)提供參考價(jià)值。