冷彎薄壁型鋼結構在村鎮房屋建筑中的應用研究

彭貝 敬靜 楊敬林 湯峰

摘 要：冷彎薄壁型鋼結構是一種優質高效的新型建筑形式，尤其適合我國農村低層住宅。本文通過數值模擬分析了一棟三層冷彎薄壁型鋼結構的抗震性能，驗證了其結構的優越性，并結合調研探討我國部分農村住宅應用冷彎薄壁型鋼結構的現狀，對該種結構形式的住宅在農村的推廣提出幾點建議。

關鍵詞：冷彎薄壁型鋼結構；輕鋼住宅；村鎮建筑；抗震

中圖分類號：TU392.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0118-03

Application of Cold-formed Thin-walled Steel Structure in

Rural Housing Construction

PENG Bei1 JING Jing2 YANG Jinglin1 TANG Feng1

（1. College of Engineering， Hunan Agricultural University，Changsha Hunan 410128；2. Coal Geological Exploration Institute of Hunan Province， Changsha Hunan 410014）

Abstract： Cold-formed thin-walled steel structure is a new type of high-quality and efficient building， especially suitable for rural low-rise residential buildings in China. In this paper， the seismic performance of a three-storey cold-formed thin-walled steel structure was analyzed by numerical simulation， and the superiority of the structure was verified. Combined with investigation and study， the present situation of cold-formed thin-walled steel structure applied in some rural residential buildings in China was discussed， and some suggestions were put forward for the popularization of this structure in rural areas.

Keywords： cold-formed thin-walled steel structure；light steel residence；village and town building；earthquake resistance

1 冷彎薄壁型鋼結構的發展概況

冷彎薄壁型鋼結構由傳統的木結構演變而來，其是通過自攻螺釘將冷成型鋼立柱、托梁和導軌連接成輕鋼骨架，并將結構墻板或樓板連接在骨架上形成主體結構的新型結構體系，鋼構件常用U形和C形冷彎薄壁型鋼，結構和建筑板材常用OSB板、石膏板、玻鎂板、ALC板和壓型鋼板等建筑板材。與傳統結構相比，冷彎薄壁型鋼結構自重輕、用材節能環保、施工周期短、產業化程度高，是一種非常優越的結構體系。

早在20世紀40年代，美國、歐洲等一些發達國家就已經將冷彎薄壁型鋼結構體系應用于建筑領域，經過幾十年的發展，已具有相對完善的技術和比較完整的產業鏈。與西方發達國家相比，我國冷彎薄壁型鋼結構技術的發展起步較晚，20世紀80年代，第一批冷彎薄壁型鋼結構住宅引入國內，在此后的二三十年內，國內陸續出臺了冷彎薄壁型鋼結構的行業、企業技術標準，但由于缺乏通用的結構設計軟件，目前國內設計院并未普及冷彎薄壁型鋼結構的設計，各個廠家主要引進國外軟件進行設計。可見，冷彎薄壁型鋼結構在我國住宅產業的應用尚處于推廣初期，市場占有份額較小。

2 低層冷彎薄壁型鋼住宅抗震性能分析

本文以一棟三層冷彎薄壁型鋼結構住宅為例，通過有限元分析軟件ANSYS分析其在7度多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能。該冷彎薄壁型鋼結構所用鋼材為Q345鋼，梁柱間距一般為600mm，冷彎薄壁型鋼龍骨骨架主要承重構件截面尺寸參見表1。樓面結構板采用75mm厚蒸壓加氣混凝土板，并上澆注25mm厚自密實混凝土，屋面結構板采用18mm厚OSB板，防水處理后，上掛彩鋼板波形瓦。內墻選用雙面布置的12mm厚石膏板，外墻選用雙面布置的12mm厚OSB板。外墻外側進行3mm聚合砂漿防水處理，并外掛PVC裝飾板材。

根據《North American Specification for the Design of Coldformed Steel Structural Members》（ AISI S100—2007）[1]和《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB 50018—

2002）[2]驗算豎向荷載下的構件強度和穩定性，均滿足規范要求。采用有限元軟件ANSYS對結構進行建模分析，梁柱、屋架和檁條均采用梁單元Beam188模擬，結構墻板采用殼單元Shell181模擬，結構屋面板和樓面板采用殼單元Shell63模擬，連接墻板和立柱的自攻螺釘連接件采用Combin39模擬，有限元模型考慮主要承重和抗側力構件，包括墻體板材、立柱、樓板、樓面梁、導軌、屋架、檁條和屋面板，忽略樓蓋中的吊頂、支撐、門窗上下部分墻體及裝飾性材料等對結構的影響。梁柱桿件與地面、樓屋面鉸接，墻板與立柱在螺釘平面內采用彈簧單元連接，平面外耦合一個平動自由度，結構整體有限元模型如圖1所示。

通過模態分析得結構特征周期為0.28s。本文選用2條實際強震記錄的地震波EL-centro波、Taft波和一條上海人工波圖進行多遇和罕遇地震時程分析，并取地震波輸入全過程的包絡值與振型分解反應譜法分析結果進行對比，得到結構在多遇和罕遇地震作用下的各樓層最大位移曲線（見圖2）。

通過分析可知，以OSB板和石膏板作為結構墻板的低層冷成型鋼住宅結構在7度多遇地震下的最大層間變形2.24mm（h/1 339），在7度罕遇地震下的最大層間變形16.18mm（h/185），均滿足規范限值并具有較大安全儲備。結構具有足夠的抗側剛度，結構墻板可以替代傳統的支撐系統。經查看模擬結果，7度多遇地震和罕遇地震下龍骨立柱的最大軸向應力分別為74MPa和190.5MPa，且立柱應力由底層至三層逐層減少，立柱尚處于彈性階段，說明墻體骨架完好，結構無倒塌危險。由此說明，在保證施工質量即連接件可靠連接的前提下，低層冷彎薄壁型鋼結構可達到7度設防的抗震要求，且結構具有較高的安全儲備。

3 冷彎薄壁型鋼結構在我國農村住宅中的應用現狀

通過對湖南婁底、懷化、邵陽、郴州和衡陽等地區的農村進行走訪調研可知，村鎮住宅形式以低層磚混結構、砌體結構、木結構和鋼筋混凝土結構居多，相比之下，冷彎薄壁型鋼結構體系則鮮為人知。雖然部分鄉村中人們的生活方式逐漸向城市生活轉化，但鄉鎮地區的住宅主要還是傳統建筑形式，除部分較富裕的農村房屋以鋼筋混凝土結構為主外，其他房屋仍以小開間的低層磚混住宅為主，并且后期改建、擴建情況繁多，缺乏規劃和質量監督。這種房屋抗震性能差、使用功能單一、建設速度慢，且使用的建材如磚、石等的生產會給生態環境帶來較大負面影響，不利于我國現代化的建設，阻礙了社會的發展。

經過調研得知，冷彎薄壁型鋼住宅在農村難以推廣的主要原因有以下幾點。①思想觀念上缺乏全面的認識。在傳統觀念中，鋼結構建筑主要用作臨時建筑，而輕鋼結構造型簡潔、質量輕巧，給人一種“不穩固”“不耐用”的錯覺。同時，農村居民對鋼結構的防火性能持懷疑態度。②缺乏成熟的農村產業鏈。目前，國內較成熟的輕鋼結構住宅企業有北新集團、遠大住工集團、寶鋼集團和賽博思公司等，這些企業主要的業務范圍是度假酒店、休閑山莊、高檔別墅等。為了控制質量，從設計到施工、從人力到材料等過程，均由企業負責，使得造價較高。在我國農村地區，大部分住宅是由技術人員出具圖紙，業主自購建材，再由當地施工隊建設而成的，這既能節約建設成本，又能在一定程度上控制房屋質量。而目前，農村尚未推廣輕鋼住宅技術標準，鮮有懂輕鋼住宅技術的設計施工人員，輕鋼房屋所需的型鋼、墻板和圍護材料在建材市場難以購得，市場上的輕鋼住宅廠家技術水平良莠不齊，從而加大了其在農村的推廣難度。③后期維護成本較高。鋼結構房屋需要定期進行除銹、防腐和防潮處理，而傳統的磚混結構和混凝土結構建成之后幾乎無需維護，加之輕鋼結構住宅的建設成本略高于傳統結構[3]，因此，老百姓傾向于選擇傳統住宅。

4 結語

冷彎薄壁型鋼結構住宅體系生產施工高效、建筑環保節能，且結構抗震性能好，是一種優越的住宅體系，應在我國特別是農村地區大力推廣。但由于傳統觀念根深蒂固、缺乏成熟的農村產業鏈和較高的建設、后期維護成本，冷彎薄壁型鋼結構在農村應用較少。基于此，國家應在大力推廣宣傳的同時，加強農村地區技術人員的培養，扶持輕鋼建筑相關行業的經營和發展，并適當對采用冷彎薄壁型鋼結構住宅形式的老百姓給予經濟補貼，讓部分地區先行先試起來。

參考文獻：

[1]North American Specification for the Design of Cold-formed Steel Structural Members：AISI S100-2007[S]. Washington： American Iron and Steel Institute，2007.

[2]中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.冷彎薄壁型鋼結構技術規范：GB 50018—2002[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]郭小燕，姚勇，王欣.冷彎薄壁型鋼結構住宅經濟性分析[J].建筑技術，2011（5）：455-458.