冷彎薄壁型鋼剛架結構研究

陳 明，武志遠

（內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭 014010）

1 冷彎薄壁型鋼剛架結構體系概述

冷彎薄壁型鋼剛架結構體系是指冷彎成型的剛架梁、柱通過節點板由自攻自鉆螺栓或高強度螺栓連接而成的新型門式剛架結構。冷彎薄壁型鋼剛架是主要承重構件，梁柱節點、梁梁節點均采用剛接或半剛接的連接形式。此外，相較傳統結構體系，該結構體系還具有綠色環保、抗震性好、施工方便、周期短等優點。為了探究冷彎薄壁型鋼剛架結構的受力特性，國內外專家學者進行了大量的試驗研究和有限元分析。

2 冷彎薄壁型鋼剛架研究現狀

2.1 剛架抗震研究

20世紀90年代，KARAMANOS A S等[1]對單、雙跨的門式剛架進行了豎向荷載下地震波的影響分析。研究表明，門式剛架具有較強的延性性能，耗能良好。此外，作者針對門式剛架提出了一種經濟合理的設計方法，以保證在罕遇地震下的結構完整性。

邵兵波[2]研究了輕型門式剛架在地震作用下的受力特點。分析發現，現行的抗震設計方法存在著較大的弊端。作者結合門式剛架的結構特點及其在地震作用下的受力特點及反應，基于國內外鑒定規范和性能理論抗震研究，提出了門式剛架結構的抗震鑒定方法。

趙根田等[3]對3榀冷彎薄壁C形鋼框架進行了試驗研究（試件及加載裝置如圖1所示），并結合有限元分析了螺栓間距、軸壓比對剛架抗震性能的影響。研究表明，平面內失穩是試件破壞的主要形式，軸壓比對剛度退化有較大影響，框架的延性系數、耗能性能優于傳統混凝土結構。

圖1 冷彎薄壁C形鋼框架低周往復試驗裝置

蔡世勛[4]利用試驗及有限元相對圓形孔變截面蜂窩梁柱門式剛架進行了抗震性能研究，試驗模型及裝置如圖2所示。研究發現，蜂窩梁柱變截面剛架在合理開孔的情況下，抗震性能優于普通實腹式門式剛架，且此類門式剛架的開孔率在60%時抗震性能最好，梁的開孔率應大于柱的開孔率。

圖2 變截面蜂窩梁柱門式剛架低周往復試驗裝置

2.2 剛架極限承載力研究

21世紀初，LIM J B P等[5]通過試驗及有限元對冷彎C形鋼雙拼“工”字形截面門式剛架極限承載力進行了研究，試驗及有限元模擬如圖3所示。試驗中，選擇節點板大小以及節點螺栓孔排布為參數，試驗模型采用普通螺栓連接，剛架梁柱均由C形鋼雙拼而成，節點采用剛接的構造方式。試驗表明，冷彎薄壁型鋼剛架的極限承載力受節點剛度的影響較為顯著，有限元模擬結果與試驗基本一致。

圖3 門式剛架低周承載力有限元模擬及試驗

KWON Y B等[6]設計了3榀足尺“啞鈴”狀截面門式剛架，改變剛架各節點處的型鋼厚度及節點的形狀，對各個剛架同時施加水平及豎向荷載，使其受力更加接近實際工況，試件及加載裝置如圖4所示。試驗結果表明，屋脊節點、梁柱節點及柱腳節點的形式均對剛架的承載力有顯著影響。

圖4 “啞鈴”狀截面門式剛架承載力試驗

張久海[7]設計了小高跨比實腹式門式剛架平面內穩定試驗，并利用SFAUFEM程序對不同斜梁坡度、高跨比的實腹式門式剛架進行平面內穩定分析。研究發現，小高跨比的門式剛架平面內失穩以對稱失穩為主，并通過參數分析給出了修正后的柱計算長度系數。

夏翔[8]采用試驗及有限元結合的方式，研究采動區內由于沉降、拉伸、壓縮等地表變形而引起的剛架在失穩破壞狀態下的承載力變化，試件及加載裝置如圖5所示。通過研究發現，柱腳鉸接及半剛性節點的門式剛架在面對地表變形時的承載力較好，且梁柱線剛度較小也有利于剛架抵抗各類地表變形。

圖5 地表變形下門式剛架平面內穩定試驗

WILKINSON T等[9]的矩管截面門式剛架承載力試驗，通過試驗找到了節點處適合焊接的鋼材型號以及承載力較大的節點連接形式，并給出可以提高門式剛架結構體系整體承載力的措施。

3 冷彎薄壁型鋼剛架體系發展存在的問題

21世紀以來，我國冷彎薄壁型鋼剛架結構體系發展迅速，廣泛應用于各個領域，并在2020年抗擊新冠疫情中發揮了巨大作用。但目前，此類結構體系在我國的發展和推廣開始遇到困難，究其原因，主要有以下3個方面。

3.1 冷彎薄壁型鋼剛架體系的局限性

自20世紀以來，冷彎薄壁型鋼剛架結構體系憑借其出色的抗震性能、空間利用率以及短施工周期得到迅速發展。但由于其自身的局限性，目前冷彎薄壁型鋼門式剛架結構體系仍主要應用于工業廠房等有限領域內，無法在普通居民住宅等領域有較好發展。

1）冷彎薄壁型鋼結構體系在耐火、耐腐蝕等方面相較傳統的鋼筋混凝土結構較差，在我國南方潮濕的環境中影響尤為明顯。

2）我國城市用地緊張、人口密集，因此，城市普通住宅以容積率較高的高層建筑為主，但冷彎薄壁型鋼結構體系受制于截面尺寸，無法承受高層建筑的較大荷載，只能部分應用于樓梯等次要構件。

3.2 冷彎薄壁型鋼剛架體系研究相對滯后

近年來，我國學者對冷彎薄壁型鋼剛架開展了多方面的研究，但由于我國對于此類結構體系的應用及研究起步較晚，很多方面的研究相對于國外滯后。

1）目前，我國研究的冷彎薄壁型鋼剛架截面形式較少，節點構造比較單一。對于不同截面形式、節點構造的冷彎薄壁型鋼門式剛架研究不成體系，缺少相關的試驗研究。

2）目前相關試驗研究主要集中在節點抗震及承載力研究方面，而針對整榀和空間剛架結構體系的試驗很少。此外，部分剛架試驗為縮尺試驗，但由于薄壁型鋼的截面特殊性，縮尺試驗結果準確性無法保證。

3）缺少針對冷彎薄壁型鋼門式剛架分析及設計軟件。張文元等[10]設計了SFAUFEM有限元分析程序，但還缺乏驗證，程序的準確性還有待證明。

3.3 相關技術標準及設計規范缺失

我國涉及冷彎薄壁型鋼門式剛架計算、設計的規范共有3部，但對于冷彎薄壁型鋼門式剛架的規定均有不同方面的缺失，阻礙我國冷彎薄壁型鋼剛架結構體系的發展。

1）GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》[11]對于壁厚較大或高強鋼材的小壁厚截面并不適用。此外，對于冷彎薄壁型鋼的梁柱節點、屋脊等重要構件的計算及設計方法沒有具體規定。

2）GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》[12]中對于梁柱截面材料及尺寸的規范要求是不得小于4mm的熱軋型鋼，這對于有較小壁厚的冷彎薄壁型鋼來說顯然不適用。

3）GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[13]中僅有對一般框架的穩定性計算、普通鋼結構梁柱節點、柱腳的驗算規定，無法滿足冷彎薄壁型鋼門式剛架的節點設計、抗震要求、平面內外穩定驗算。

4）現有的冷彎薄壁型鋼剛架相關規范中，對于較大斜梁坡度的剛架穩定承載力計算方法均為柱計算長度法，此方法忽略了主彎矩及斜梁內軸力的影響，導致剛架平面內的穩定極限承載力計算結果不準確。

4 結語

通過國內外學者的研究發現，冷彎薄壁型鋼剛架是一種較為理想的結構受力體系。該體系具備諸多優勢，例如抗震性能良好、造價及施工難度較低、綠色環保等，隨著防腐、防火等技術的進步，冷彎薄壁型鋼剛架越來越成為許多建筑的首選結構體系。目前，我國冷彎薄壁型鋼剛架結構體系飛速發展，相關的規范也在不斷完善中，而未來冷彎薄壁型鋼門式剛架的研究應該集中在以下方面。

1）開展不同梁柱截面、不同構造的新型節點的冷彎薄壁型鋼門式剛架體系研究，研發相較于現有剛架體系受力性能更好、造價更低、施工周期更短的結構體系，并建立相應部品庫，方便構件的標準化生產。

2）對冷彎薄壁型鋼門式剛架結構體系開展防腐及防火研究，利用涂料、材料或結構設計上的創新解決該體系的防火、防腐問題。

3）對冷彎薄壁型鋼門式剛架的相關規范進行整理改進，包括節點承載力計算、平面內外失穩驗算、抗震驗算以及各構件的設計標準等。

4）進行冷彎薄壁型鋼門式剛架結構體系專用有限元分析軟件的開發，既要保證有限元計算的準確性及精度，又要提高其計算速度。

雖然我國目前針對冷彎薄壁型鋼剛架的研究還相對落后，但發展迅速，這主要得益于我國巨大的市場，該結構體系在我國的發展潛力巨大。隨著研究的不斷深入及相關技術的不斷成熟，冷彎薄壁型鋼剛架結構體系將廣泛應用于我國各個建筑領域。