冷弯薄壁型钢刚架结构研究

陈 明，武志远

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010）

1 冷弯薄壁型钢刚架结构体系概述

冷弯薄壁型钢刚架结构体系是指冷弯成型的刚架梁、柱通过节点板由自攻自钻螺栓或高强度螺栓连接而成的新型门式刚架结构。冷弯薄壁型钢刚架是主要承重构件，梁柱节点、梁梁节点均采用刚接或半刚接的连接形式。此外，相较传统结构体系，该结构体系还具有绿色环保、抗震性好、施工方便、周期短等优点。为了探究冷弯薄壁型钢刚架结构的受力特性，国内外专家学者进行了大量的试验研究和有限元分析。

2 冷弯薄壁型钢刚架研究现状

2.1 刚架抗震研究

20世纪90年代，KARAMANOS A S等[1]对单、双跨的门式刚架进行了竖向荷载下地震波的影响分析。研究表明，门式刚架具有较强的延性性能，耗能良好。此外，作者针对门式刚架提出了一种经济合理的设计方法，以保证在罕遇地震下的结构完整性。

邵兵波[2]研究了轻型门式刚架在地震作用下的受力特点。分析发现，现行的抗震设计方法存在着较大的弊端。作者结合门式刚架的结构特点及其在地震作用下的受力特点及反应，基于国内外鉴定规范和性能理论抗震研究，提出了门式刚架结构的抗震鉴定方法。

赵根田等[3]对3榀冷弯薄壁C形钢框架进行了试验研究（试件及加载装置如图1所示），并结合有限元分析了螺栓间距、轴压比对刚架抗震性能的影响。研究表明，平面内失稳是试件破坏的主要形式，轴压比对刚度退化有较大影响，框架的延性系数、耗能性能优于传统混凝土结构。

图1 冷弯薄壁C形钢框架低周往复试验装置

蔡世勋[4]利用试验及有限元相对圆形孔变截面蜂窝梁柱门式刚架进行了抗震性能研究，试验模型及装置如图2所示。研究发现，蜂窝梁柱变截面刚架在合理开孔的情况下，抗震性能优于普通实腹式门式刚架，且此类门式刚架的开孔率在60%时抗震性能最好，梁的开孔率应大于柱的开孔率。

图2 变截面蜂窝梁柱门式刚架低周往复试验装置

2.2 刚架极限承载力研究

21世纪初，LIM J B P等[5]通过试验及有限元对冷弯C形钢双拼“工”字形截面门式刚架极限承载力进行了研究，试验及有限元模拟如图3所示。试验中，选择节点板大小以及节点螺栓孔排布为参数，试验模型采用普通螺栓连接，刚架梁柱均由C形钢双拼而成，节点采用刚接的构造方式。试验表明，冷弯薄壁型钢刚架的极限承载力受节点刚度的影响较为显著，有限元模拟结果与试验基本一致。

图3 门式刚架低周承载力有限元模拟及试验

KWON Y B等[6]设计了3榀足尺“哑铃”状截面门式刚架，改变刚架各节点处的型钢厚度及节点的形状，对各个刚架同时施加水平及竖向荷载，使其受力更加接近实际工况，试件及加载装置如图4所示。试验结果表明，屋脊节点、梁柱节点及柱脚节点的形式均对刚架的承载力有显著影响。

图4 “哑铃”状截面门式刚架承载力试验

张久海[7]设计了小高跨比实腹式门式刚架平面内稳定试验，并利用SFAUFEM程序对不同斜梁坡度、高跨比的实腹式门式刚架进行平面内稳定分析。研究发现，小高跨比的门式刚架平面内失稳以对称失稳为主，并通过参数分析给出了修正后的柱计算长度系数。

夏翔[8]采用试验及有限元结合的方式，研究采动区内由于沉降、拉伸、压缩等地表变形而引起的刚架在失稳破坏状态下的承载力变化，试件及加载装置如图5所示。通过研究发现，柱脚铰接及半刚性节点的门式刚架在面对地表变形时的承载力较好，且梁柱线刚度较小也有利于刚架抵抗各类地表变形。

图5 地表变形下门式刚架平面内稳定试验

WILKINSON T等[9]的矩管截面门式刚架承载力试验，通过试验找到了节点处适合焊接的钢材型号以及承载力较大的节点连接形式，并给出可以提高门式刚架结构体系整体承载力的措施。

3 冷弯薄壁型钢刚架体系发展存在的问题

21世纪以来，我国冷弯薄壁型钢刚架结构体系发展迅速，广泛应用于各个领域，并在2020年抗击新冠疫情中发挥了巨大作用。但目前，此类结构体系在我国的发展和推广开始遇到困难，究其原因，主要有以下3个方面。

3.1 冷弯薄壁型钢刚架体系的局限性

自20世纪以来，冷弯薄壁型钢刚架结构体系凭借其出色的抗震性能、空间利用率以及短施工周期得到迅速发展。但由于其自身的局限性，目前冷弯薄壁型钢门式刚架结构体系仍主要应用于工业厂房等有限领域内，无法在普通居民住宅等领域有较好发展。

1）冷弯薄壁型钢结构体系在耐火、耐腐蚀等方面相较传统的钢筋混凝土结构较差，在我国南方潮湿的环境中影响尤为明显。

2）我国城市用地紧张、人口密集，因此，城市普通住宅以容积率较高的高层建筑为主，但冷弯薄壁型钢结构体系受制于截面尺寸，无法承受高层建筑的较大荷载，只能部分应用于楼梯等次要构件。

3.2 冷弯薄壁型钢刚架体系研究相对滞后

近年来，我国学者对冷弯薄壁型钢刚架开展了多方面的研究，但由于我国对于此类结构体系的应用及研究起步较晚，很多方面的研究相对于国外滞后。

1）目前，我国研究的冷弯薄壁型钢刚架截面形式较少，节点构造比较单一。对于不同截面形式、节点构造的冷弯薄壁型钢门式刚架研究不成体系，缺少相关的试验研究。

2）目前相关试验研究主要集中在节点抗震及承载力研究方面，而针对整榀和空间刚架结构体系的试验很少。此外，部分刚架试验为缩尺试验，但由于薄壁型钢的截面特殊性，缩尺试验结果准确性无法保证。

3）缺少针对冷弯薄壁型钢门式刚架分析及设计软件。张文元等[10]设计了SFAUFEM有限元分析程序，但还缺乏验证，程序的准确性还有待证明。

3.3 相关技术标准及设计规范缺失

我国涉及冷弯薄壁型钢门式刚架计算、设计的规范共有3部，但对于冷弯薄壁型钢门式刚架的规定均有不同方面的缺失，阻碍我国冷弯薄壁型钢刚架结构体系的发展。

1）GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[11]对于壁厚较大或高强钢材的小壁厚截面并不适用。此外，对于冷弯薄壁型钢的梁柱节点、屋脊等重要构件的计算及设计方法没有具体规定。

2）GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[12]中对于梁柱截面材料及尺寸的规范要求是不得小于4mm的热轧型钢，这对于有较小壁厚的冷弯薄壁型钢来说显然不适用。

3）GB 50017—2017《钢结构设计标准》[13]中仅有对一般框架的稳定性计算、普通钢结构梁柱节点、柱脚的验算规定，无法满足冷弯薄壁型钢门式刚架的节点设计、抗震要求、平面内外稳定验算。

4）现有的冷弯薄壁型钢刚架相关规范中，对于较大斜梁坡度的刚架稳定承载力计算方法均为柱计算长度法，此方法忽略了主弯矩及斜梁内轴力的影响，导致刚架平面内的稳定极限承载力计算结果不准确。

4 结语

通过国内外学者的研究发现，冷弯薄壁型钢刚架是一种较为理想的结构受力体系。该体系具备诸多优势，例如抗震性能良好、造价及施工难度较低、绿色环保等，随着防腐、防火等技术的进步，冷弯薄壁型钢刚架越来越成为许多建筑的首选结构体系。目前，我国冷弯薄壁型钢刚架结构体系飞速发展，相关的规范也在不断完善中，而未来冷弯薄壁型钢门式刚架的研究应该集中在以下方面。

1）开展不同梁柱截面、不同构造的新型节点的冷弯薄壁型钢门式刚架体系研究，研发相较于现有刚架体系受力性能更好、造价更低、施工周期更短的结构体系，并建立相应部品库，方便构件的标准化生产。

2）对冷弯薄壁型钢门式刚架结构体系开展防腐及防火研究，利用涂料、材料或结构设计上的创新解决该体系的防火、防腐问题。

3）对冷弯薄壁型钢门式刚架的相关规范进行整理改进，包括节点承载力计算、平面内外失稳验算、抗震验算以及各构件的设计标准等。

4）进行冷弯薄壁型钢门式刚架结构体系专用有限元分析软件的开发，既要保证有限元计算的准确性及精度，又要提高其计算速度。

虽然我国目前针对冷弯薄壁型钢刚架的研究还相对落后，但发展迅速，这主要得益于我国巨大的市场，该结构体系在我国的发展潜力巨大。随着研究的不断深入及相关技术的不断成熟，冷弯薄壁型钢刚架结构体系将广泛应用于我国各个建筑领域。