談冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與前景

林 嬌 梁栓柱 李成亮 孫璟玥 鄭 丹

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

談冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與前景

林 嬌 梁栓柱 李成亮 孫璟玥 鄭 丹

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

闡述了冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的研究狀況，介紹了冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)所具有的結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性好、節(jié)約成本等優(yōu)勢，并結(jié)合實(shí)例分析了冷彎薄壁型鋼在建筑工程中的應(yīng)用前景，以供參考。

冷彎薄壁型鋼，輕型鋼材，結(jié)構(gòu)，建筑工程，環(huán)保

1 概述

隨著社會的進(jìn)步，可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)今的主題，對建筑行業(yè)的環(huán)保要求越來越高。鋼結(jié)構(gòu)體系在國家提倡綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)建設(shè)背景下，已成為一種綠色環(huán)保的新型結(jié)構(gòu)體系。

1.1 國外研究狀況

冷彎薄壁型鋼是指用鋼板或帶鋼在室溫下彎曲成的各種斷面形狀的成品鋼材，具有良好的延性和結(jié)構(gòu)性能，被廣泛用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、屋蓋中的檁條、墻板中的內(nèi)柱、框架、桁架等。20世紀(jì)40年代，美國、歐洲等一些發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)將冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，美國鋼鐵協(xié)會也制定了相關(guān)規(guī)范。目前在英國新建的90%的單層和60%的多層非居住類房屋建筑中均采用輕鋼結(jié)構(gòu)[1]。在美國用冷彎薄壁型鋼作為原材料的建筑已經(jīng)占美國建筑類鋼結(jié)構(gòu)用鋼量的45%以上，主要應(yīng)用于1層～2層的民用建筑，如別墅，學(xué)校，醫(yī)院，商業(yè)建筑等。承重體系為薄壁構(gòu)件，厚度較小，故此類建筑的使用壽命一般定為20年[2]。

日本是個地震多發(fā)國家，為了減少地震帶來的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，這種輕型鋼結(jié)構(gòu)在日本民用建筑中廣泛應(yīng)用。日本的冷彎薄壁型鋼雖然起步相對歐美較晚，但是在引進(jìn)和吸收歐美的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，對冷彎薄壁型鋼住宅體系有全面系統(tǒng)的研究。目前日本有專門的企業(yè)去進(jìn)行冷彎薄壁型鋼的研發(fā)、設(shè)計、構(gòu)件加工、施工安裝及售后服務(wù)等。

1.2 國內(nèi)研究狀況

20世紀(jì)60年代由于援外工程的需要，我國才開始研究冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。70年代初上海交通大學(xué)，湖南大學(xué)進(jìn)一步對其進(jìn)行研究，在這期間我國建造了一大批冷彎薄壁型鋼的倉庫和單層廠房，為我國冷彎薄壁型鋼研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)90年代，冷彎薄壁型鋼作為主要構(gòu)件被引入房屋建筑中，如中低層住宅結(jié)構(gòu)，中等跨度的門式鋼架[3]。我國在2002年引進(jìn)了北美冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，并且制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，先后開發(fā)建設(shè)了北京納帕溪谷、昆山納帕爾灣等知名項(xiàng)目，并且取得了良好的成果[4]。但是目前，我國建筑行業(yè)還沒有推出完整的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系，也沒有統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，個別的工程實(shí)例仍需單獨(dú)設(shè)計，所以，對冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的研究十分必要。

2 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

1)結(jié)構(gòu)自重輕。

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的自重為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/3～1/4。由于結(jié)構(gòu)整體自重小，為基礎(chǔ)減輕負(fù)擔(dān)，減少了基礎(chǔ)的沉降，可以降低基礎(chǔ)處理費(fèi)用，也使得冷彎薄壁型鋼可以更好地應(yīng)用于軟土地基等。

2)抗震性好。

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)一般采用焊接連接，鋼框架受力，結(jié)構(gòu)整體性較好。鋼材本身具有的均勻性和強(qiáng)韌性，可以有較大的變形，且其自身剛度較大，地震作用下產(chǎn)生的水平作用力較小，能很好的承受動力荷載，有利于抗震。良好的抗震性能，能有效的保證人們的生命財產(chǎn)安全[5]。

3)經(jīng)濟(jì)性好。

鋼材是100%可回收再利用的材料，屬于綠色環(huán)保節(jié)能材料，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，目前的鋼管和C型鋼的價格在4 000元/t～4 500元/t，回收價格在2 500元/t，具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益。鋼材本身的保溫，隔熱性能良好，建筑過程中無需提供保溫結(jié)構(gòu)，節(jié)約資源。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的施工周期短，故相應(yīng)的工程貸款利息和管理費(fèi)用大大降低，節(jié)約成本。

4)工廠化生產(chǎn)及施工。

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，都是提前在工廠預(yù)制好的，在施工時直接由工廠運(yùn)到施工現(xiàn)場，在施工現(xiàn)場直接進(jìn)行安裝，鋼結(jié)構(gòu)施工簡單，施工速度快，施工現(xiàn)場整潔，產(chǎn)生的建筑垃圾少，施工過程中產(chǎn)生的噪聲也小，有利于環(huán)境保護(hù)。

3 冷彎薄壁型鋼在建筑工程中的應(yīng)用

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)用于低層住宅起源于北美，并已經(jīng)形成了經(jīng)典的體系。早在19世紀(jì)30年代，日本阪神淡路地震時，美國向日本捐贈了300套鋼構(gòu)房。而如今在日本、澳大利亞等地區(qū)也都已形成各自的結(jié)構(gòu)體系，廣泛運(yùn)用于居民住宅建設(shè)中。我國低層冷彎薄壁型鋼住宅發(fā)展較為緩慢，但也開始大量從國外引入，并逐漸投入研究使用。北京納帕溪谷別墅區(qū)、昆山納帕爾灣別墅區(qū)都是典型的北美體系低層冷彎薄壁型鋼住宅房。

昆山納帕爾灣項(xiàng)目在昆山市建設(shè)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)拼住宅278套，結(jié)構(gòu)主體為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，采用的是Q345鋼，外墻龍骨為550C20(140 mm厚)，內(nèi)墻龍骨為350C20(89 mm厚)，墻體龍骨間距、樓面梁間距和屋面梁間距均為610 mm，門窗洞口、結(jié)構(gòu)柱部分采用組合柱用螺釘連接，進(jìn)行局部加強(qiáng)。冷彎薄壁型鋼的運(yùn)用減少了結(jié)構(gòu)自重，增強(qiáng)了抗震性。而且結(jié)構(gòu)墻板附有OSB板、石膏板和波紋板，使構(gòu)件的實(shí)際受力、變形均比平面體系設(shè)計減少10%～15%。這樣的結(jié)構(gòu)體系減少了施工的復(fù)雜性，節(jié)約了時間，還節(jié)省了鋼材，增大了住宅的使用面積(見圖1)。

位于山東陰蒙縣的蒙山會館是冷彎薄壁型鋼應(yīng)用于公共建筑的一個典型實(shí)例(見圖2)。該會館是地下兩層、地上兩層的酒店綜合樓，建筑高度為9.20 m。地上兩層均采用冷彎薄壁型鋼龍骨結(jié)構(gòu)，以輕型冷彎型鋼作為承重骨架，輕型墻體材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，構(gòu)件之間用自攻螺釘來連接。冷彎薄壁型鋼龍骨結(jié)構(gòu)自重輕、經(jīng)濟(jì)性好、施工方便快捷的優(yōu)點(diǎn)在低層建筑結(jié)構(gòu)中得到充分的發(fā)揮[6]。

工業(yè)建筑用冷彎薄壁型鋼建設(shè)廠房廠棚也更加常見，我國很早就有這方面的實(shí)踐。峰峰集團(tuán)的萬年煤礦，位于河北邯鄲市。該礦區(qū)36.8 m跨度的機(jī)廠設(shè)備棚采用的是平面拱結(jié)構(gòu)，主要承力的構(gòu)件拱和拉桿，以及次要構(gòu)件檁條和支撐結(jié)構(gòu)均采用的是冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)。由于拱主要受軸向壓力和平面彎矩作用，所以拱架和拉桿加設(shè)了綴板，構(gòu)成主要承力構(gòu)件，兩拱之間架設(shè)冷彎薄壁型鋼檁條，同樣也減輕了自重[7]。

4 發(fā)展前景及展望

由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的要求，社會發(fā)展越來越需要綠色環(huán)保的建筑技術(shù)。冷彎薄壁型鋼具有截面合理、用量經(jīng)濟(jì)、自重小、模板成型、施工簡便、抗震性好、力學(xué)性能良好等特點(diǎn)，恰恰可以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。而它在與其他材料組合后，體現(xiàn)出更加優(yōu)越的性能，適用范圍更加廣闊。例如冷彎薄壁型鋼—混凝土組合構(gòu)件，更好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度可以運(yùn)用于橋梁工程、多層住宅和高層樓蓋結(jié)構(gòu)[8]。輕型冷彎型鋼的研究會成為今后建筑技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。

5 結(jié)語

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)具有良好的建筑綜合效益和獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，相比普遍的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)減輕了自重，抗震性好，提高了建筑的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約資源，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，并且因冷彎薄壁型鋼預(yù)制程度較高，對促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)預(yù)制化發(fā)展有著重大意義。目前在住宅建筑、公共建筑和工業(yè)建筑已有較廣泛的應(yīng)用，未來應(yīng)以科技進(jìn)步推動冷彎薄壁型鋼在有更高要求的橋梁工程、高層建筑等領(lǐng)域廣闊發(fā)展。

[1] 沈祖炎.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范的發(fā)展[J].鋼結(jié)構(gòu),2009(7):55-58.

[2] 南晶晶.冷彎型鋼在國內(nèi)外的發(fā)展及其在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報,2009(6):117-135.

[3] 鐘國輝.冷彎薄壁型鋼在房屋建筑中的研究與發(fā)展[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2002(4):31-38.

[4] 郭曉煒.低層冷彎薄壁型鋼住宅體系的應(yīng)用[J].浙江建筑,2014(8):5-7.

[5] 郭小燕.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑技術(shù),2011(5):455-458.

[6] 孫同麗.冷彎薄壁型鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用中若干問題的分析與研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007:61-64.

[7] 曹 宏.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用[J].煤炭工程,2004(11):58.

[8] 黃文歡.薄壁型鋼—混凝土組合梁抗火性能試驗(yàn)研究[D].廈門:華僑大學(xué),2008:3.

On application and prospect of cold-formed thin-walled steel structure

Lin Jiao Liang Shuanzhu Li Chengliang Sun Jingyue Zheng Dan

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniv.,Harbin150040,China)

The paper describes the cold-formed thin-walled steel structure research conditions at home and abroad, introduces its advantages including light self-weight, good seismic resistance performance and cost saving and so on, and analyzes its application prospect in building engineering by combining with examples, with a view to provide some guidance.

cold-formed thin-walled steel structure, lightweight steel, structure, building engineering, environmental protection

2015-02-12

林 嬌(1995- )，女，在讀本科生； 梁栓柱(1993- )，男，在讀本科生； 李成亮(1994- )，男，在讀本科生； 孫璟玥(1994- )，女，在讀本科生； 鄭 丹(1993- )，女，在讀本科生

1009-6825(2015)13-0052-03

TU391

A