低層冷彎薄壁型鋼房屋結構體系

蒲世元

摘要：對國內外低層冷彎薄壁型鋼房屋結構體系的發展現狀進行概述，并歸納當前較主流的結構體系基本信息，提出低層冷彎薄壁型鋼房屋結構體系的特點及問題，對其結構體系的研究與發展有重要意義。

關鍵詞：低層冷彎薄壁型鋼;房屋結構體系;設計和優化

近年來，高效、經濟的低層冷彎薄壁型鋼引起了國內外工程界的關注，其結構體系逐漸在建筑行業中得到廣泛應用。冷彎薄壁鋼結構是由各種冷彎鋼制成的結構，冷彎薄壁鋼由厚度為1.5毫米至6毫米的冷加工（冷彎，冷壓或冷軋）鋼板或帶鋼制成。同一部分的厚度相同，并且該部分的邊緣是圓形。在工業，民用和農業建筑中，可用薄壁型鋼制作各種屋架、剛架、網架、檁條、墻梁、墻柱等結構和構件。由于冷彎薄壁型鋼板的諸多優點，國內外的發展越來越成熟，房屋的整體性能，空間和抗震性也越來越高，因此冷彎薄壁型鋼結構成為住宅建筑設計的一部分。

1? 國內外發展現狀

1.1? 國外發展現狀

美國是第一個對冷彎薄鋼結構進行研究的國家。1939年，康奈爾大學的George Winter教授首先對冷彎薄鋼結構進行了研究。在接下來的半個世紀中，許多學者也對其進行了研究。通過研究，冷彎薄鋼結構的規格和指南也很完整。目前，該系統已成為美國，日本，新西蘭，澳大利亞等發達國家的建筑系統的主要組成部分，在生產，安裝和設計方面已經非常完善。隨著計算機的發展，相應的軟件可以更有效地完成一系列過程，包括設計、計算、工程圖和估算。日本和澳大利亞也具有其他國家無法比擬的優勢。日本起步較晚，只是冷彎薄鋼結構，但其發展速度和發展狀況無法與許多國家媲美，并具有自己的特點，而澳大利亞礦產資源豐富，冶金業發達，建筑鋼技術享譽世界。

日本冷彎薄壁型鋼結構在最近幾十年發展最為迅猛，通過多年的實驗和理論研究，得到一系列適合其國情的跨度荷載選型表、剪力墻墻量計算表、樓面梁跨度荷載選型表、屋架跨度荷載選型表、過梁跨度荷載選型表，日本的冷彎薄壁型鋼結構體系在其模數化、工廠化、標準化以及材料等方面做了許多研究和創新，真正把冷彎薄壁型鋼結構住宅作為一個產品來推廣。其較為有名的是 KC 體系，北新房屋應用的即是 KC 體系。澳大利亞和新西蘭的冷彎薄壁型鋼結構住宅體系也是當前世界上較為成熟的，特別是其軟件開發及鋼結構加工設備。其較有名的體系有新西蘭的海斯體系、FrameMaster 體系。澳大利亞則在高強度、較厚鋼材的應用中占據優勢。

1.2? 國內發展現狀

在我國建設部的支持下，過去50年來，鋼結構住宅得到了積極的推廣。許多大型企業也引入了冷彎薄鋼結構系統，例如北新房屋有限公司、上海梅建筑公司、上海綠色建筑房屋系統技術有限公司和康之杰都是代表公司。

2? 低層冷彎薄壁型鋼房屋結構體系的分體分析

2.1? 冷彎薄壁型鋼結構的特點

2.1.1? 冷彎薄壁型鋼結構能夠進行工業化生產，這樣大大節省了工期，并且其受天氣影響較小、建筑面積小、施工簡單方便。冷彎薄壁型鋼結構基本上是干式作業，不用水、模板及托架，能夠降低建筑成本、并具有相對較小的橫截面、較高的承載能力、較大的空間，可滿足各種房屋要求。低層冷彎薄壁型鋼房屋結構在地震和風荷載下，能夠發揮其特點，保證房屋不受破壞。

2.1.2? 所使用的大多數材料都是可回收利用的，有助于環境保護，具有可持續發展的特征，并且具有無法估量的潛在價值。

2.2? 低層冷彎薄壁型鋼房屋結構體的問題概述

低層冷彎薄壁型鋼房屋結構體系雖然已投入使用，但是仍然存在很多問題，如下所述：

2.2.1? 如果連接設計復雜且橫截面較大，則加工困難、腐蝕和防火問題突出，保護成本高。

2.2.2? 目前，我國對冷彎薄鋼結構沒有設計和建造要求，推廣程度還不夠。設計中使用的鋼材數量過于保守，成本仍然相對較高。

2.2.3? 通常，橫截面較小，因此如果不能滿足承載能力，則可以選擇組合橫截面。因此，有必要研究組合截面的軸承性能。

2.2.4? 對連接節點的設計和抗震性能進行研究，對支座、剪力墻及其他側構件的影響進行分析，針對復合墻對側剛度的影響和應用進一步深化。

2.2.5? 由于施工人員的技術水平參差不齊、技術設備不齊全以及缺乏必要的專業培訓，難以保證施工質量。

3? 優化措施

低層冷彎薄壁鋼結構房屋是由復合墻板組成的“箱形”結構，上下兩層之間的立柱直接連接到樓板（屋頂）之間的型鋼構件，垂直方向不連續。因此，假定建筑物（屋頂）表面的垂直載荷和結構自重完全由承重墻的柱子承擔，但是計算出的柱子長度考慮了通過以下方法抑制柱子構件的不穩定性。

低層冷彎薄壁鋼結構房屋的水平荷載主要是由于建筑物外部的風荷載和水平地震作用，而為建筑物提供水平荷載抵抗力的結構體系稱為橫向抗力體系。基于低層冷彎鋼結構，橫向力抵抗系統由屋頂，地板和剪力墻組成，房屋的所有組件都參與水平荷載傳遞。低低層冷彎薄壁鋼結構房屋的水平承載路徑是作用在外墻上的風荷載和作用在整個房屋結構上的地震，并且荷載通過屋頂和地板傳遞，最后由墻體傳給基礎。

根據荷載傳力機制進行分析。低層冷彎薄壁鋼結構房屋的結構計算原理是，豎向荷載應由承重墻的柱獨立承擔，水平的風荷載或水平的地震作用必須由可能在建筑結構的兩個主軸方向上的剪力墻承擔，分別計算水平荷載的影響。在每個主軸方向上的水平載荷必須由剪力墻在該方向上支撐，并且可以根據剪力剛度成比例地分布，并且必須考慮門窗開口對剪力墻的削弱作用。

4? 應用

由于低層冷彎薄壁鋼結構房屋的主要垂直力分量是龍骨型復合墻，因此有必要研究復合墻在彎曲和彎曲荷載作用下的力學性能。本文共進行了9面墻體的壓彎承載力試驗。 （a）單面波紋扳;（b）雙面波紋板;（c）石膏板加波紋板，每種形式2片，總計6片墻體。石膏扳+OSB板.總計3片墻體。試驗中所有墻龍骨長度均為3000毫米的卷邊槽形截面。

通過試驗研究表明：由于墻板的存在，約束了立柱的扭轉和繞弱軸的轉動.使立柱的破壞模式為繞立柱截面強軸的壓彎屈曲，對立柱承載力有很大的提高。從試驗極限承載力來看，石膏板和波紋扳對立柱受壓側翼緣的約束作用大致相同。

5? 結論

綜上所述可以分析得到，在實際應用中，要充分注意低層冷彎薄壁鋼結構房屋的特性，正確使用這種結構，才能使其發揮出更大的作用。

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