低层冷弯薄壁型钢房屋结构体系

蒲世元

摘要：对国内外低层冷弯薄壁型钢房屋结构体系的发展现状进行概述，并归纳当前较主流的结构体系基本信息，提出低层冷弯薄壁型钢房屋结构体系的特点及问题，对其结构体系的研究与发展有重要意义。

关键词：低层冷弯薄壁型钢;房屋结构体系;设计和优化

近年来，高效、经济的低层冷弯薄壁型钢引起了国内外工程界的关注，其结构体系逐渐在建筑行业中得到广泛应用。冷弯薄壁钢结构是由各种冷弯钢制成的结构，冷弯薄壁钢由厚度为1.5毫米至6毫米的冷加工（冷弯，冷压或冷轧）钢板或带钢制成。同一部分的厚度相同，并且该部分的边缘是圆形。在工业，民用和农业建筑中，可用薄壁型钢制作各种屋架、刚架、网架、檩条、墙梁、墙柱等结构和构件。由于冷弯薄壁型钢板的诸多优点，国内外的发展越来越成熟，房屋的整体性能，空间和抗震性也越来越高，因此冷弯薄壁型钢结构成为住宅建筑设计的一部分。

1  国内外发展现状

1.1  国外发展现状

美国是第一个对冷弯薄钢结构进行研究的国家。1939年，康奈尔大学的George Winter教授首先对冷弯薄钢结构进行了研究。在接下来的半个世纪中，许多学者也对其进行了研究。通过研究，冷弯薄钢结构的规格和指南也很完整。目前，该系统已成为美国，日本，新西兰，澳大利亚等发达国家的建筑系统的主要组成部分，在生产，安装和设计方面已经非常完善。随着计算机的发展，相应的软件可以更有效地完成一系列过程，包括设计、计算、工程图和估算。日本和澳大利亚也具有其他国家无法比拟的优势。日本起步较晚，只是冷弯薄钢结构，但其发展速度和发展状况无法与许多国家媲美，并具有自己的特点，而澳大利亚矿产资源丰富，冶金业发达，建筑钢技术享誉世界。

日本冷弯薄壁型钢结构在最近几十年发展最为迅猛，通过多年的实验和理论研究，得到一系列适合其国情的跨度荷载选型表、剪力墙墙量计算表、楼面梁跨度荷载选型表、屋架跨度荷载选型表、过梁跨度荷载选型表，日本的冷弯薄壁型钢结构体系在其模数化、工厂化、标准化以及材料等方面做了许多研究和创新，真正把冷弯薄壁型钢结构住宅作为一个产品来推广。其较为有名的是 KC 体系，北新房屋應用的即是 KC 体系。澳大利亚和新西兰的冷弯薄壁型钢结构住宅体系也是当前世界上较为成熟的，特别是其软件开发及钢结构加工设备。其较有名的体系有新西兰的海斯体系、FrameMaster 体系。澳大利亚则在高强度、较厚钢材的应用中占据优势。

1.2  国内发展现状

在我国建设部的支持下，过去50年来，钢结构住宅得到了积极的推广。许多大型企业也引入了冷弯薄钢结构系统，例如北新房屋有限公司、上海梅建筑公司、上海绿色建筑房屋系统技术有限公司和康之杰都是代表公司。

2  低层冷弯薄壁型钢房屋结构体系的分体分析

2.1  冷弯薄壁型钢结构的特点

2.1.1  冷弯薄壁型钢结构能够进行工业化生产，这样大大节省了工期，并且其受天气影响较小、建筑面积小、施工简单方便。冷弯薄壁型钢结构基本上是干式作业，不用水、模板及托架，能够降低建筑成本、并具有相对较小的横截面、较高的承载能力、较大的空间，可满足各种房屋要求。低层冷弯薄壁型钢房屋结构在地震和风荷载下，能够发挥其特点，保证房屋不受破坏。

2.1.2  所使用的大多数材料都是可回收利用的，有助于环境保护，具有可持续发展的特征，并且具有无法估量的潜在价值。

2.2  低层冷弯薄壁型钢房屋结构体的问题概述

低层冷弯薄壁型钢房屋结构体系虽然已投入使用，但是仍然存在很多问题，如下所述：

2.2.1  如果连接设计复杂且横截面较大，则加工困难、腐蚀和防火问题突出，保护成本高。

2.2.2  目前，我国对冷弯薄钢结构没有设计和建造要求，推广程度还不够。设计中使用的钢材数量过于保守，成本仍然相对较高。

2.2.3  通常，横截面较小，因此如果不能满足承载能力，则可以选择组合横截面。因此，有必要研究组合截面的轴承性能。

2.2.4  对连接节点的设计和抗震性能进行研究，对支座、剪力墙及其他侧构件的影响进行分析，针对复合墙对侧刚度的影响和应用进一步深化。

2.2.5  由于施工人员的技术水平参差不齐、技术设备不齐全以及缺乏必要的专业培训，难以保证施工质量。

3  优化措施

低层冷弯薄壁钢结构房屋是由复合墙板组成的“箱形”结构，上下两层之间的立柱直接连接到楼板（屋顶）之间的型钢构件，垂直方向不连续。因此，假定建筑物（屋顶）表面的垂直载荷和结构自重完全由承重墙的柱子承担，但是计算出的柱子长度考虑了通过以下方法抑制柱子构件的不稳定性。

低层冷弯薄壁钢结构房屋的水平荷载主要是由于建筑物外部的风荷载和水平地震作用，而为建筑物提供水平荷载抵抗力的结构体系称为横向抗力体系。基于低层冷弯钢结构，横向力抵抗系统由屋顶，地板和剪力墙组成，房屋的所有组件都参与水平荷载传递。低低层冷弯薄壁钢结构房屋的水平承载路径是作用在外墙上的风荷载和作用在整个房屋结构上的地震，并且荷载通过屋顶和地板传递，最后由墙体传给基础。

根据荷载传力机制进行分析。低层冷弯薄壁钢结构房屋的结构计算原理是，竖向荷载应由承重墙的柱独立承担，水平的风荷载或水平的地震作用必须由可能在建筑结构的两个主轴方向上的剪力墙承担，分别计算水平荷载的影响。在每个主轴方向上的水平载荷必须由剪力墙在该方向上支撑，并且可以根据剪力刚度成比例地分布，并且必须考虑门窗开口对剪力墙的削弱作用。

4  应用

由于低层冷弯薄壁钢结构房屋的主要垂直力分量是龙骨型复合墙，因此有必要研究复合墙在弯曲和弯曲荷载作用下的力学性能。本文共进行了9面墙体的压弯承载力试验。 （a）单面波纹扳;（b）双面波纹板;（c）石膏板加波纹板，每种形式2片，总计6片墙体。石膏扳+OSB板.总计3片墙体。试验中所有墙龙骨长度均为3000毫米的卷边槽形截面。

通过试验研究表明：由于墙板的存在，约束了立柱的扭转和绕弱轴的转动.使立柱的破坏模式为绕立柱截面强轴的压弯屈曲，对立柱承载力有很大的提高。从试验极限承载力来看，石膏板和波纹扳对立柱受压侧翼缘的约束作用大致相同。

5  结论

综上所述可以分析得到，在实际应用中，要充分注意低层冷弯薄壁钢结构房屋的特性，正确使用这种结构，才能使其发挥出更大的作用。

参考文献：

[1]陈宇彤.G550冷弯薄壁型钢拼合截面柱轴压性能研究[D].2020.

[2]王一凡.冷弯薄壁型钢房屋在风雪作用下受力性能研究[D]. 2019.

[3]闫维明，雷西洋，谢志强，等.不同混合连接的冷弯薄壁型钢组合墙抗震性能试验研究[J].北京工业大学学报，2020（3）：280-288.

[4]郭彦利，李潇，赵江倩，等.冷弯薄壁型钢组合截面受压构件受力性能与设计方法研究[J].低温建筑技术， 2019， 41（9）.