低層冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)體系

蒲世元

摘要：對國內(nèi)外低層冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述，并歸納當(dāng)前較主流的結(jié)構(gòu)體系基本信息，提出低層冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)及問題，對其結(jié)構(gòu)體系的研究與發(fā)展有重要意義。

關(guān)鍵詞：低層冷彎薄壁型鋼;房屋結(jié)構(gòu)體系;設(shè)計(jì)和優(yōu)化

近年來，高效、經(jīng)濟(jì)的低層冷彎薄壁型鋼引起了國內(nèi)外工程界的關(guān)注，其結(jié)構(gòu)體系逐漸在建筑行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)是由各種冷彎鋼制成的結(jié)構(gòu)，冷彎薄壁鋼由厚度為1.5毫米至6毫米的冷加工（冷彎，冷壓或冷軋）鋼板或帶鋼制成。同一部分的厚度相同，并且該部分的邊緣是圓形。在工業(yè)，民用和農(nóng)業(yè)建筑中，可用薄壁型鋼制作各種屋架、剛架、網(wǎng)架、檁條、墻梁、墻柱等結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。由于冷彎薄壁型鋼板的諸多優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外的發(fā)展越來越成熟，房屋的整體性能，空間和抗震性也越來越高，因此冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)成為住宅建筑設(shè)計(jì)的一部分。

1? 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1? 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國是第一個(gè)對冷彎薄鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的國家。1939年，康奈爾大學(xué)的George Winter教授首先對冷彎薄鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。在接下來的半個(gè)世紀(jì)中，許多學(xué)者也對其進(jìn)行了研究。通過研究，冷彎薄鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)格和指南也很完整。目前，該系統(tǒng)已成為美國，日本，新西蘭，澳大利亞等發(fā)達(dá)國家的建筑系統(tǒng)的主要組成部分，在生產(chǎn)，安裝和設(shè)計(jì)方面已經(jīng)非常完善。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件可以更有效地完成一系列過程，包括設(shè)計(jì)、計(jì)算、工程圖和估算。日本和澳大利亞也具有其他國家無法比擬的優(yōu)勢。日本起步較晚，只是冷彎薄鋼結(jié)構(gòu)，但其發(fā)展速度和發(fā)展?fàn)顩r無法與許多國家媲美，并具有自己的特點(diǎn)，而澳大利亞礦產(chǎn)資源豐富，冶金業(yè)發(fā)達(dá)，建筑鋼技術(shù)享譽(yù)世界。

日本冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在最近幾十年發(fā)展最為迅猛，通過多年的實(shí)驗(yàn)和理論研究，得到一系列適合其國情的跨度荷載選型表、剪力墻墻量計(jì)算表、樓面梁跨度荷載選型表、屋架跨度荷載選型表、過梁跨度荷載選型表，日本的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系在其模數(shù)化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化以及材料等方面做了許多研究和創(chuàng)新，真正把冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅作為一個(gè)產(chǎn)品來推廣。其較為有名的是 KC 體系，北新房屋應(yīng)用的即是 KC 體系。澳大利亞和新西蘭的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系也是當(dāng)前世界上較為成熟的，特別是其軟件開發(fā)及鋼結(jié)構(gòu)加工設(shè)備。其較有名的體系有新西蘭的海斯體系、FrameMaster 體系。澳大利亞則在高強(qiáng)度、較厚鋼材的應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢。

1.2? 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在我國建設(shè)部的支持下，過去50年來，鋼結(jié)構(gòu)住宅得到了積極的推廣。許多大型企業(yè)也引入了冷彎薄鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，例如北新房屋有限公司、上海梅建筑公司、上海綠色建筑房屋系統(tǒng)技術(shù)有限公司和康之杰都是代表公司。

2? 低層冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)體系的分體分析

2.1? 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2.1.1? 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，這樣大大節(jié)省了工期，并且其受天氣影響較小、建筑面積小、施工簡單方便。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)基本上是干式作業(yè)，不用水、模板及托架，能夠降低建筑成本、并具有相對較小的橫截面、較高的承載能力、較大的空間，可滿足各種房屋要求。低層冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載下，能夠發(fā)揮其特點(diǎn)，保證房屋不受破壞。

2.1.2? 所使用的大多數(shù)材料都是可回收利用的，有助于環(huán)境保護(hù)，具有可持續(xù)發(fā)展的特征，并且具有無法估量的潛在價(jià)值。

2.2? 低層冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)體的問題概述

低層冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)體系雖然已投入使用，但是仍然存在很多問題，如下所述：

2.2.1? 如果連接設(shè)計(jì)復(fù)雜且橫截面較大，則加工困難、腐蝕和防火問題突出，保護(hù)成本高。

2.2.2? 目前，我國對冷彎薄鋼結(jié)構(gòu)沒有設(shè)計(jì)和建造要求，推廣程度還不夠。設(shè)計(jì)中使用的鋼材數(shù)量過于保守，成本仍然相對較高。

2.2.3? 通常，橫截面較小，因此如果不能滿足承載能力，則可以選擇組合橫截面。因此，有必要研究組合截面的軸承性能。

2.2.4? 對連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和抗震性能進(jìn)行研究，對支座、剪力墻及其他側(cè)構(gòu)件的影響進(jìn)行分析，針對復(fù)合墻對側(cè)剛度的影響和應(yīng)用進(jìn)一步深化。

2.2.5? 由于施工人員的技術(shù)水平參差不齊、技術(shù)設(shè)備不齊全以及缺乏必要的專業(yè)培訓(xùn)，難以保證施工質(zhì)量。

3? 優(yōu)化措施

低層冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)房屋是由復(fù)合墻板組成的“箱形”結(jié)構(gòu)，上下兩層之間的立柱直接連接到樓板（屋頂）之間的型鋼構(gòu)件，垂直方向不連續(xù)。因此，假定建筑物（屋頂）表面的垂直載荷和結(jié)構(gòu)自重完全由承重墻的柱子承擔(dān)，但是計(jì)算出的柱子長度考慮了通過以下方法抑制柱子構(gòu)件的不穩(wěn)定性。

低層冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)房屋的水平荷載主要是由于建筑物外部的風(fēng)荷載和水平地震作用，而為建筑物提供水平荷載抵抗力的結(jié)構(gòu)體系稱為橫向抗力體系。基于低層冷彎鋼結(jié)構(gòu)，橫向力抵抗系統(tǒng)由屋頂，地板和剪力墻組成，房屋的所有組件都參與水平荷載傳遞。低低層冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)房屋的水平承載路徑是作用在外墻上的風(fēng)荷載和作用在整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)上的地震，并且荷載通過屋頂和地板傳遞，最后由墻體傳給基礎(chǔ)。

根據(jù)荷載傳力機(jī)制進(jìn)行分析。低層冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)計(jì)算原理是，豎向荷載應(yīng)由承重墻的柱獨(dú)立承擔(dān)，水平的風(fēng)荷載或水平的地震作用必須由可能在建筑結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向上的剪力墻承擔(dān)，分別計(jì)算水平荷載的影響。在每個(gè)主軸方向上的水平載荷必須由剪力墻在該方向上支撐，并且可以根據(jù)剪力剛度成比例地分布，并且必須考慮門窗開口對剪力墻的削弱作用。

4? 應(yīng)用

由于低層冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)房屋的主要垂直力分量是龍骨型復(fù)合墻，因此有必要研究復(fù)合墻在彎曲和彎曲荷載作用下的力學(xué)性能。本文共進(jìn)行了9面墻體的壓彎承載力試驗(yàn)。 （a）單面波紋扳;（b）雙面波紋板;（c）石膏板加波紋板，每種形式2片，總計(jì)6片墻體。石膏扳+OSB板.總計(jì)3片墻體。試驗(yàn)中所有墻龍骨長度均為3000毫米的卷邊槽形截面。

通過試驗(yàn)研究表明：由于墻板的存在，約束了立柱的扭轉(zhuǎn)和繞弱軸的轉(zhuǎn)動.使立柱的破壞模式為繞立柱截面強(qiáng)軸的壓彎屈曲，對立柱承載力有很大的提高。從試驗(yàn)極限承載力來看，石膏板和波紋扳對立柱受壓側(cè)翼緣的約束作用大致相同。

5? 結(jié)論

綜上所述可以分析得到，在實(shí)際應(yīng)用中，要充分注意低層冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)房屋的特性，正確使用這種結(jié)構(gòu)，才能使其發(fā)揮出更大的作用。

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