裝配式冷彎薄壁型鋼結構的應用研究

胡志明

(甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050)

現階段，我國工業技術得到了全面的發展，這在建筑工程產業當中便有著突出的體現，其中冷彎薄壁型鋼結構也逐步應用在民用建筑當中。相比較傳統建筑結構形式，在裝配式冷彎薄壁型鋼結構下的建筑具有抗震性能好、施工速度快、經濟性良好的特點。因此，相關工程建設行業也需要加強對裝配式冷彎薄壁鋼結構建筑進行研究分析，通過科學的手段提高該種結構的應用范圍和應用效果，這也是建筑工程行業未來發展的主流趨勢。

1 冷彎薄壁型鋼結構

1.1 冷彎薄壁型鋼結構概述

冷彎薄壁型鋼結構是目前裝配式鋼結構建筑建設中最常見的一種結構形式，其指的是鋼架梁、柱等通過冷彎成型，利用自攻自鉆螺栓和高強度螺栓將其連接成新型剛架結構，作為建筑的主要承載框架。冷彎薄壁型鋼結構體系具有施工便捷、施工周期短、抗震性能良好、節能環保的優點[1]。為了推動冷彎薄壁型鋼結構在建筑方面的應用，國內外專家就該種結構進行了大量的實驗研究和分析。

1.2 冷彎薄壁型鋼結構的應用形式

就目前而言，冷彎薄壁型鋼結構通常應用在3層以下的獨立建筑當中，墻體立柱的間距設置為400～600mm，并且上下樓面之間設置有抗剪連接構件。與熱軋型鋼相比，冷彎薄壁型鋼同等面積的承載力更強，并且構件重量更輕，能夠有效提高房屋的抗震性能。在建筑當中，墻體是豎向和橫向載荷的主要承載構件，而冷彎薄壁鋼結構所構成的墻體骨架也是由型鋼、外墻板和內墻板利用螺栓連接而成的。墻體上下道軌和立柱也都是由自攻螺釘進行連接[2]。為了提高墻體的承載力，立柱往往采用雙柱的形式，并且在立柱下方設置有抗拔錨栓連接構件。通常情況下，裝配式冷彎薄壁型鋼結構建筑的建設主要應用于應急救災建筑，該類建筑有著較大的地震抵抗能力。在地震發生過程中，對房屋結構破壞最為嚴重的是橫向作用力，而建筑側向力的抵抗體系主要是由框架及剪力墻所構成的，整個建筑結構都參與橫向載荷的傳遞，傳統的混凝土結構雖然具有較強的承載能力，但其自重大、韌性相對較差，橫向載荷會對其產生嚴重的破壞。而冷彎薄壁型鋼結構具有更強的韌性，在地震發生過程中也能更好的消除橫向載荷對建筑所產生的破壞，進而提高建筑的安全性。

2 冷彎薄壁型鋼結構在建筑中的應用優勢

2.1 在結構方面的優勢

傳統的鋼筋混凝土結構具有自重大、空間利用率低的特點。而目前部分工程項目建設的要求需要具有大空間、堅固耐用、易于拆除改建等特點，此種情況下傳統結構便不能滿足建筑工程項目的需求。將裝配式冷彎薄壁鋼結構應用于建筑工程項目中，能夠滿足該類工程項目的使用需求，通常情況下裝配式冷彎薄壁鋼結構建筑比傳統鋼筋混凝土結構建筑使用空間要高出6%～8%，同時在建設過程中工期能夠縮短30%，成本也能降低5%左右。從建筑風格方面來看，裝配式冷彎薄壁型鋼結構建筑的建筑風格更加豐富，室內空間的劃分也更加多元化，能夠滿足用戶多樣化的需求。除此之外，冷彎薄壁型鋼結構建筑重量小，力學性能好，在出現地震時具有更高的安全性。

2.2 在綠色節能方面的優勢

在冷彎薄壁型鋼結構建筑建設當中，需要墻體內部敷設保溫隔熱材料，并且對于建筑內部的管路也需要進行保溫處理，在后期應用過程中能夠有效降低熱能的逸散，同時也具有良好的隔音效果，符合現如今國家建筑節能標準，并且也能夠滿足用戶的居住需求。相比較傳統混凝土結構，保溫隔熱材料的應用也更加綠色化，所應用的材料數量也能夠做出精確的計算，降低材料的浪費，這對自然生態環境的和諧發展也有著重要的意義[3]。

2.3 在經濟成本投入方面的優勢

冷彎薄壁型鋼結構建筑在建設過程中是由工廠根據建筑設計圖紙提前做好鋼結構構件，之后將其運輸至現場進行組裝，此種施工形式下工程周期相對較短，并且人力、物力投入也相對較少，投資回報較快，從而使資金運轉風險有所降低。除此之外，相比較傳統建筑結構而言，裝配式冷彎薄壁型鋼結構建筑具有良好的抗震性能，因此所需的抗震措施簡單，這也能夠降低基礎投入和抗震措施施工方面的資金投入。

3 裝配式冷彎薄壁型鋼結構在建筑中的應用現狀

3.1 科學的選擇樓板

在建筑工程項目當中，樓板的類型多種多樣，最常見的有壓型鋼板、蒸壓加氣混凝土板、預應力空心板以及新型鋼筋衍架樓層板等。壓型鋼板作為工程項目中最常見的樓板，具有重量輕，承載力高、容易運輸和安裝的優點，能夠有效縮短施工時間。相比較傳統木模，壓型鋼板具有良好的抗火性能，能夠有效降低火災的發生概率。并且壓型鋼板由于其自身的強度較高，在運輸和存儲方面更加方便。在具體應用當中，壓型鋼板與混凝土相結合，形成組合樓板，壓型鋼板在樓板當中起到了受力鋼筋的作用，并且在施工過程中鋼板也能夠為梁類構件提供一定的側向支撐力，提高梁類構件的穩定性。但相比較傳統樓板建設而言，由于壓型鋼板帶有肋，這對管道敷設有著一定的影響，并且肋也會對吊頂產生影響，從而降低樓層高度。蒸壓加氣混凝土板不僅具有吸聲和絕熱的優勢，并且自重較輕，具有良好的耐火性，目前常應用在樓板、外墻板、屋面板等方面。但相比較其他類型的樓板而言，蒸壓加氣混凝土樓板的重量較低，抗震性較差，在制造過程中影響因素較多，因此產品尺寸會出現一定的誤差，對安裝有著不利的影響。預應力空心板在實際應用當中具有防滲、隔音效果佳，承載力高，平整度好，施工周期短的特點，并且該類樓板的含鋼量較低，在制造過程中所需要投入的成本較低，施工中影響工程質量的環境因素較少。目前常應用在樓面板、屋面板、墻板等方面，但在長時間的使用下容易出現開裂情況，甚至會影響到建筑工程項目整體結構強度，因此根據工程項目科學選取預應力空心板對提高工程質量有著重要的意義。新型鋼筋衍架發泡水泥夾芯板是裝配式鋼結構建筑應用廣泛的一種樓板結構，該種結構形式是根據傳統建筑結構衍生出一種以鋼筋衍架作為結構骨架，內部填充發泡水泥的樓板結構類型，通常情況下該種樓板是在工廠進行預制，之后運送到施工現場后進行安裝，安裝完成后在相應的位置處澆筑一層混凝土，這不僅不需要設置混凝土澆筑模板，還能夠有效提升結構強度。在安裝過程中主要將新型鋼筋衍架發泡水泥夾芯板與鋼梁類構件連接在一起，從而提高安裝的有效性和可靠性，同時也能降低施工材料的浪費，減少現場鋼筋的綁扎，從而縮短施工周期，提高勞動效率[4]。

3.2 科學選擇結構體系

在多種建筑結構形式當中，薄壁輕鋼結構體系也有多種結構形式，分別為鋼框架結構、鋼與混凝土混合框架結構以及輕鋼龍骨結構體系等。其中鋼框架結構在實際應用過程中具有便捷的安裝方式，傳力性能相對較好，室內空間、門窗布局等均具有更強的靈活性。在發生地震時，建筑在水平地震作用下所產生的形變主要集中在框架柱和梁、板的節點處，由于鋼框架具有一定的韌性，如果層數(高度)較少時，水平力能夠與框架的抗側力構件承載力相互抵消；如果層數(高度)較多時，水平地震作用下框架會產生較大的彎曲變形，發生側移，整體側向變形也形成了彎剪型，這對建筑結構的強度有著較大的影響。因此，鋼框架結構通常被應用在層數較少的建筑當中。如果想要在較高建筑方面應用鋼框架結構，便需要提高梁、柱的橫截面尺寸，此種方式便會提高建筑成本，進而對工程造價產生影響。因此，目前裝配式冷彎薄壁型鋼結構主要被應用于低層建筑結構當中。

3.3 科學選擇節點連接方式

裝配式冷彎薄壁型鋼結構如果采用矩形截面柱，此時梁柱在橫向和縱向兩處的連接都應當采用剛性節點；如果采用單軸對稱柱，如H型鋼截面柱，此時腹板方向的力學性能相對較弱，因此需要在弱軸方向采用剛性連接。經過試驗研究表明，在裝配式建筑結構當中常規節點的彎矩與其轉角處于一種非線性的變化形式，此種方式并不屬于完全剛接也與完全鉸接有一定的區別，為了便于力學性能的計算，一般情況下需要假設梁柱的連接方式為完全剛接或鉸接，之后根據計算得出的力學模型選取合理的連接方式。

4 冷彎薄壁型鋼結構建筑的具體設計應用與未來發展

4.1 結構體系的設計

冷彎薄壁型鋼結構建筑墻體通常是由輕鋼密肋梁柱以及綠色環保型維護構件所構成，該種結構形式不僅具有良好的物理力學性能，而且符合當前建筑行業的節能環保發展。目前，冷彎薄壁型鋼結構體系主要應用在1～3層建筑當中，例如住宅、會所、別墅等建筑。而隨著科學技術的不斷發展，鋼框剪結構體系也被逐步的應用于建筑工程當中，該種結構體系是通過鋼框架結合填充輕鋼剪力墻形成的，其具有更強的穩定性，因此抗震性能相對較高。現階段，鋼框剪結構體系主要被應用于多層建筑當中，但都是集中在12層以下的多層建筑中，例如公寓、學校、小高層住宅等。

4.2 基礎設計

基礎設計是建筑工程穩定性和安全性的保障。在冷彎薄壁型鋼結構建筑設計當中最常見的基礎形式為由輕鋼結構所構成的柱下獨立基礎，不同的基礎由連系梁連接，進而確保建筑基礎的穩定性，同時也能夠有效改善基礎在后續使用過程中沉降的均勻性[5]。對于地質條件不佳的工程可以選用柱下條基的基礎設計形式，此種基礎主要應用在軟土地基或上部結構較大(承受荷載較大)的情況下。在基礎的設計當中，柱腳連接方式可以選用鉸接或剛接，在承載相同荷載的情況下，柱腳剛接形式下基礎用鋼量較大，上部結構用鋼量較小；如果柱腳采用鉸接的方式連接則相反。

4.3 防火設計

冷彎薄壁型鋼結構耐火性較差，根據我國建筑防火規范要求，結合冷彎薄壁型鋼結構耐火性能情況來看，其樓層建造高度應當控制在3層以下。因此常規裝配式冷彎薄壁型鋼結構主要應用在低層建筑中。根據我國冷彎薄壁型鋼結構建筑的設計、施工技術規程和標準來看，該類型的建筑檐口高度要小于12m。但隨著技術的不斷發展，在冷彎薄壁型鋼結構建筑設計和施工過程中，很多工程在外圍應用了防火隔熱材料，這也使冷彎薄壁型鋼結構建筑的高度逐步提升，但同時在建設過程中也需要根據國家制度和行業標準進行科學的消防設計，確保防火間距、防火設施的合理性，同時保障建筑耐火等級符合建筑工程要求，進而確保建筑后期施工及使用的安全性。

4.4 防腐性能

相比較混凝土材料，鋼材的防腐性能較差，因此在裝配式冷彎薄壁型鋼結構建筑建設過程中，冷彎薄壁型鋼需要鍍鋅或鍍鋁鋅，以此來提高鋼結構的防腐性能，這不僅能夠有效提高鋼結構的整體強度，還能夠降低其在后期的維護保養費用。在鍍鋅、鍍鋁鋅等防腐工藝處理當中，不同地區有著不同的要求，例如在腐蝕性較低的非工業區域當中，鋼結構表面鍍鋅層量需要高于180g/m2，鍍鋁鋅量要高于100g/m2；在一些沿海城市、工業較為發達的區域當中，腐蝕性相對較強，鋼結構表面的鍍鋅量、鍍鋁鋅量需要有所提升，分別需要大于275g/m2、150g/m2。

4.5 冷彎薄壁型鋼結構建筑的發展前景

現階段，伴隨全球經濟飛速發展，資源枯竭的問題也日益嚴重，綠色環保、節能降耗已經成為未來社會發展的大勢所趨。相比較傳統混凝土結構的建筑形式，裝配式冷彎薄壁型鋼結構建筑體系不僅資源利用率較高，而且還具備環保、高效的特點，是未來建筑產業發展的重要方向。與此同時，在部分地質條件欠佳的情況下，氣候溫度寒冷的情況下，混凝土結構建筑在施工過程中困難重重，這也會對工程建設周期和建設成本產生不利的影響，而冷彎薄壁型鋼結構建筑能夠有效解決這些問題，打破環境對建筑工程施工的制約和影響，進而開拓更加廣闊的市場前景。

5 結語

綜上所述，裝配式冷彎薄壁型鋼結構建筑由于其綠色環保、施工效率高、抗震性能好等特點成為了建筑工程產業未來發展的重要方向。但從目前裝配式冷彎薄壁型鋼結構的設計施工過程中發現，其主要應用于低層建筑當中。為此，相關建筑工程單位需要加強對該結構體系的研究，通過科學的手段擴大裝配式冷彎薄壁型鋼結構的應用范圍，提高該種結構形式在高層建筑中的安全性和可靠性，這也是建筑工程行業未來發展的必行之路。