淺析冷彎型鋼在房屋建筑中的應用與發展

沈源

云南省紅河州個舊云錫供水建筑安裝工程公司

摘要：隨著我國經濟水平的不斷發展，冷彎型鋼系列建材越來越多的運用到建筑市場中，其潛力也在不斷的被發掘和重視。本文對冷彎型鋼材的特點及應用進行簡要介紹，并展望其發展前景，著力分析和研究冷彎型鋼材在房屋建筑中的應用和發展。

關鍵詞：冷彎型鋼；應用；鋼結構

一、冷彎型鋼的介紹及國內外現狀

由于具備環保和節能的特性，冷彎型鋼越來越多的被廣泛應用在民用建筑及工業制造等領域。什么是冷彎型鋼？冷彎型鋼就是在室溫條件下經輥壓或沖壓成型的各種截面形狀的型材[1]（如圖1）。目前，在發達國家，冷彎型鋼建筑體系基本被建立起來，歐美等發達國家的建筑也多以此種型材作為主要材料建設，在設計和制造上，都有了較高的技術水準。我國由于起步晚，發展較發達國家落后，但也處于快速發展過程中。

說起冷彎型鋼的應用歷史，已有百余年，從美國首次發明了輥式冷成型工藝后，1910年建立了首套輥式冷成型機組，就開始了批量生產冷成型鋼的歷史。其發展和應用迅速被推廣，最初的建造簡易房屋。二戰中，開始被用于建造戰地設施，到20世紀40年代，冷彎型鋼開始被應用于建筑，60年代則出現了冷彎薄壁型檁條和彩色壓型鋼板，并構成了輕質維護體系，接著出現的H型鋼和冷彎型鋼，這對推動輕鋼結構發展有革命性意義。國外調查發現，目前英國在新建筑中90%單層使用輕鋼結構，多層也超過60%使用輕鋼結構。歐洲其他發達國家也大量使用輕鋼結構，單層建筑超過50%使用輕鋼結構。日本使用輕鋼結構更加廣泛，1-4層的建筑大多使用。美國無疑是輕鋼結構在分析、設計、制造領域技術最先進的國家，在應用上實現了高度的標準化和工廠化，美國建筑鋼用量的45%以上都是使用冷彎型鋼。我國在50年代才有了第一臺制造冷彎型鋼的專業設備，而且主要服務于農業，發展非常緩慢。直到上世紀80年代，我國鋼產量穩步提高，生產能力擴大，鋼的種類也日益增多，冷彎型鋼被迅速推廣至各地區和各領域，但是品種和規格還是受到技術的限制較多，直至到了新世紀，我國冷彎型鋼產量充足，才得以真正實現迅猛發展，并逐步進入房屋建筑領域，并以逐年遞增的速度在我國建筑領域推廣。

二、冷彎型鋼的特點[2]

（一）斷面形狀靈活

冷彎型鋼的斷面可以是任意形狀，靈活性較強。我們可以利用輥式冷彎成型技術根據建筑需要生產各種類型的斷面型材。我們在日常應用中常常看到圓形、矩形、方形和各種其他閉口形狀的斷面型材。還有一種類型是開口型鋼，包括復雜斷面型鋼、有角鋼、槽型鋼以及Z型鋼等各種類型。優化型材的截面形狀，而不是單純改變材質特性，是冷彎型鋼在應用中改善性能的主要手段。

（二）長度任意選擇

使用工業計算機控制在安裝了數控飛鋸機可以按照需要定制冷彎型鋼的長度，隨時隨意跟蹤鋸切。

（三）質量高且尺寸精確

以鋼板和鋼帶作為原料，輥壓后，截面形狀均勻、外形美觀，金屬分布合理，且冷彎型鋼表面潔凈平滑，尺寸精確。

（四）單位質量小

冷彎型鋼在相同截面，并且斷面均勻，抗彎模量相同條件下，他的單位長度重量相對較輕。冷彎型鋼型材比其他型材節約20%，所以冷彎型鋼是一種經濟效益較高的高效、經濟斷面型材。

三、冷彎型鋼的應用及問題

（一）房屋建筑中冷彎型鋼的應用

冷彎型鋼可以制作成梁、柱及鋼架等承重部件，因此冷彎型鋼在房屋的建造中被廣泛應用。在屋面的檁條、梁柱、門窗、墻面版等次要受力結構中也被廣泛利用。鋼筋混凝土還可以與冷彎型鋼組合用作組合梁、組合柱和組合板，成為冷彎型鋼混凝土混合結構，這也是房屋建筑領域的一個新的發展方向。在房屋建筑工程中使用的冷彎型鋼材都有一定的尺寸，一般板件厚度在0.3-0.6CM，用來制作墻面等構件的板材厚度則為0.03-0.08CM。鋼材的利用率高，而且斷面的力學性能好是冷彎型鋼的突出特點，幾乎能比熱軋型材省大約四分之一。在建筑領域，冷彎型鋼根據使用的功能不同分為板材和型材兩種。型材類又有開口截面和閉口截面兩種類型，依據需要的不同還可以制作成單支截面或格構式截面。格構式截面就是根據承重力需要由單支截面組合而成。圖1所示。檁條通常采用Z型或C型鋼；而墻梁多用帽型鋼；閉口截面構件則多用于受力較大的柱子；C型鋼也常常用于壓力較小的立柱構件。

除了用于輕型建筑的立體框架，冷彎型鋼在此要承重構件的應用更加廣泛。例如，房屋中的檁條、墻柱和圍護結構中，使用非常多。通過一些資料的數據顯示，一棟大型的門式鋼架房屋在建造時，據統計熱軋型鋼成本占31%，冷彎型鋼占成本約42%，其他材料占27%。因此，從花費成本來看，冷彎型鋼比熱軋型鋼的花費更大，在這類輕鋼建筑中，冷彎型鋼的用量也勢必與日俱增。

（二）冷彎型鋼的幾個應用問題[1]

首先，對材質的要求。冷彎型鋼的材料以低合金鋼和碳素結構為主，常用型號為Q235、Q345等，質量標準符合現行國家標準。在選用鋼材時，應充分考慮用途，在抗拉強度、屈服點、屈強比等方面是否與構件的工作條件、載荷特性等力學性能指標方面符合，還要對化學成分的指標認真分析提出相應要求。舉例如，如果用于焊接，Q235A級鋼不宜采用，因為焊接對于鋼材的含碳量有要求，而Q235A不能保證這方面的要求。

其次，冷彎型鋼的具有冷彎效應。冷彎效應是冷彎型鋼在制造過程中，由于是常溫下冷彎成型，截面轉角會出現由于冷加工造成的塑形變形出現的冷作硬化，實際上是一種強度提高，塑形下降的現象，我們稱之為冷彎效應。塑形變形引起的應變硬化和應變時效形成了這種特有的現象。我們在實際應用中，利用這種效應的強度增強現象設計構件，可以節約大量鋼材，而如果，不考慮這個效應增加的強度使用材料，則會提高冷彎型鋼材構件更加安全可靠。

第三，具有局部屈曲和超屈曲現象。通常冷彎型截面由多塊板件構成，當在建筑構件中處于受壓狀態，這類受壓由于寬厚比b/t較大，在壓應力作用下，就會出現正弦曲線狀變形（圖2），這種現象就叫做局部屈曲。在建筑鋼結構設計中板件的穩定性是設計的核心，普通鋼結構設計中嚴格控制出現局部屈曲，但在冷彎型鋼結構中卻可以允許發生，這是因為在冷彎型鋼結構中出現屈曲并沒有發生板件破壞，因為其具有薄膜效應，能夠承擔額外載荷，也就是板件的超屈曲強度。在實際的應用設計中，往往會使到冷彎型鋼的這一特性，進一步擴大冷彎型的使用范疇。如何增強這一特性也是有效增強冷彎型鋼材構件的有效手段，我們目前主要采用在制作冷彎型鋼構件是在冷彎時給板件加勁的方法，這樣能增強板件的局部屈曲效能，也就相應增強了其超屈曲性能。