冷彎薄壁C型鋼的結構形式及設計問題

鋼結構通常可分為兩大類：一類是由熱軋H字鋼、鋼板或其它型鋼制成的構件，這類鋼結構被稱為熱軋鋼結構或普通鋼結構；另一類是由薄鋼板冷彎成型后制成的輕型構件，被稱為冷彎薄壁C型鋼結構；相對普通鋼結構而言，它又被稱為輕型鋼結構。由于歷史原因，鋼結構過去在我國一直被認為是工程造價高，設計和施工復雜的建筑結構體系，除特別重要的大型結構外，普通建筑很少采用鋼結構。我國大面積應用輕型鋼結構是從二十世紀八十年代初開始，九十年代國外的輕鋼生產廠家將整套的結構體系推向我國市場，加之我國鋼產量的提高，極大地推動了輕鋼結構在我國的發展。自1996年我國鋼鐵產量突破億噸大關，成為世界第 一大鋼鐵生產國，開始鼓勵民用設施使用鋼材，其中建筑業用鋼成為消化多余鋼材的主要渠道之一，鋼結構建筑開始越來越多地占領了建筑市場。另一方面，隨著人民生活水平的不斷提高及住房分配制度的改革，住宅消費口益成為熱點，住宅產業成為拉動居民消費需求、推動國民經濟發展新的增長點。研究發展鋼結構住宅既消化了鋼材市場的過剩產品，又推動了住宅產業化的進一步發展，可謂一舉兩得，因而得到部門的大力支持與推廣。

以冷彎薄壁C型鋼為原材料的輕型鋼結構是國內外目前應用和發展較快的新型結構形式。其具有施工速度快，建筑造型美觀、用鋼量少、造價低廉等優點，同時又是可重復利用的綠色環保材料。在北美及歐洲冷彎薄壁輕鋼龍骨結構體系是低層住宅建筑中被廣泛采用的一種結構形式，與傳統住宅結構相比，具有標準化程度高、空間布置靈活、抗震性能好、可工業化生產、建設周期短等特點，因而得到許多開發商的認同。但我國對輕鋼住宅結構體系的研究和應用起步較晚，目前還處于研究和試點階段。因此加大冷彎薄壁C型鋼結構的研究具有重要的意義。

自1838年在俄、美、英等國先后采用壓力機或冷拔機生產單件冷彎C型鋼始，冷彎C型鋼的生產和應用已有一百余年歷史，而我國冷彎C型鋼的生產和應用始于20世紀50年代后期，雖然目前已具相當規模，國內也逐漸開始鋼結構住宅的建造，但基本都是國外技術。冷彎C型鋼系在常溫下加工成型，這種成型方式有很大的靈活性，能根據需要生產出材料分布較優的合理截面形狀；因此，冷彎C型鋼的問世及應用，開拓了主要靠優化截面形狀而不是單純依賴增加材料用量及改善材料性能來提高材料利用率的新途徑；這對于節約能源和資源具有十分重要的作用，特別是對于像我國這樣一個能源及原材料的供需矛盾，在今后相當長一個時期內都將顯得十分突出的發展來說，重視冷彎C型鋼這種經濟型材的開發，推廣和應用尤為重要，統計資料表明，同樣面積的冷彎C型鋼和熱軋型鋼相比，回轉半徑可增大50%以上。慣性矩和面積矩約可增大50%、180%。故若以同樣質量制成的冷彎C型鋼結構構件和熱軋型鋼結構構件相比，前者承載力較高，整體剛度較大，受力性能較好，可以節約材料，減輕結構重量，制作、施工、運輸、安裝均較方便，宜于組織工業化，商品化生產，有利于改善勞動條件，縮短建設周期，取得較好的經濟效益。冷彎薄壁C型鋼結構一般是以經濟型材構件冷彎C型鋼為承重骨架，以輕型墻體材料為圍護結構所構成，與傳統結構相比，具有明顯的綜合經濟效益，所以發展冷彎薄壁C型鋼結構，不但可以解決我國傳統建筑建設效率低，質量差的問題，而且有利于促進我國建設行業的產業化。

冷彎薄壁C型鋼結構體系以冷彎薄壁輕鋼龍骨結構體系及框架結構體系為主要代表。連接不同于一般的理想剛接和鉸接情況，同時，由于結構體系的特殊構造，如果按節點剛接的框架提取力學模型，將高估結構的承載能力，而如果按節點鉸接的排架提取力學模型，當柱腳也采用此種構造形式時(北美地區的通常做法)，又會形成機構，使計算無法進行；因此，為了合理正確地預測此種體系的實際受力性能，應在結構的分析和設計中考慮真實連接的非線性即半剛性連接的影響。

冷彎C型鋼墊板式組合體系的優點

(1)結構合理：主要承重結構采用Q345材料制作，凜條置于鋼架的內側，提高了整個結構的承載力和穩定性；

(2)自重輕：承重結構采用冷彎薄壁C型鋼機，結構重量輕，用鋼量省，對基礎的處理要求低；

(3)建設周期短：采用標準化連接方式，實現了機械化、大規模生產，縮短了加工周期，現場通過專用型鋼和連接件用高強螺栓連接，使得安裝簡便、快捷，可多次拆裝、移動便利、重復利用率高；

(4)造價經濟：結構合理，用鋼量省，在相關參數一定的情況下，比焊接H鋼門式鋼結構主鋼架部分造價可降低20%~40%(鷹式鋼結構宣傳數字)；

(5)加工變形小，無應力集中：主體結構連接完全采用螺栓連接，避免了因焊接造成的變形、易生銹、應力集中等問題；

(6)造型美觀，使用期長：該結構整體美觀大方，主要承重結構采用熱鍍鋅材料制作，提高了結構的抗腐蝕性，使用壽命長。

冷彎C型鋼抗彎節點設計的問題

現在，大多數設計規范只提供單個緊固件如螺栓、螺釘的承載力的計算方法，而很少提供結構中整個節點的受力性能的計算方法。雖然保證單個緊固件的承載力非常重要，但是連接件如腹板、螺栓和節點板的受力性能以及冷彎C型鋼結構在有較大局部荷載和彎矩作用時連接部位的受力性能的計算是十分重要，而在現行的設計規范中就缺少對冷彎C型鋼結構抗彎節點的設計條文。采用螺栓連接的冷彎C型鋼抗彎節點具有強度高、剛度大的特點，這對于有凜屋蓋體系經濟設計與施工都是有效益的，因此在現在文獻中，有許多關于新型屋蓋體系中凜條抗彎節點研究的報道，這種梁一梁連接具有一定程度上的連續性，有助減少跨中的彎矩及撓度。但是現在大多數設計規范沒有提供冷彎薄壁C型鋼節點的抗彎性能計算方法，許多冷彎薄壁C型鋼產品是根據試驗研制而成，而并非依據規范開發。當然，由于荷載在冷彎C型鋼截面翼緣中傳遞的路徑并非連續，這種節點也不會有冷彎C型鋼截面的抗彎性能。由于螺栓連接的構造及施工方法不同，節點的承載力和剛度變化很大，具體問題都有待于深入研究。

鋼結構節點的設計原則

結構的抗震設計原則為大震不倒、中震可修、小震不壞。對于抗彎鋼框架，為了做到大震不倒，要求梁柱連接具有一定耗散地震能的能力，因此應盡量避免使用延性較低的材料，也應該盡量避免采用降低材料延性的施工方法，如焊縫、工地焊接等，以保證塑性鉸發生在梁截面或節點域。