文獻(xiàn)綜述-冷彎薄壁型鋼組合構(gòu)件

1、冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件應(yīng)用現(xiàn)狀摘要：鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，其中冷彎薄壁型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是輕鋼結(jié) 構(gòu)的一個新的研究方向。本文介紹了冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件的材料和基 本構(gòu)件形式，總結(jié)了國內(nèi)外冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件的研究成果，分析了 型鋼-混凝土組合構(gòu)件的作用特點，探討了當(dāng)前冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件應(yīng) 用現(xiàn)狀。最后，展望了冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件應(yīng)用的廣闊前景。關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件研究應(yīng)用前言冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件是一種近年來在工程中應(yīng)用的新型組合構(gòu)件 形式，主要有薄壁型鋼構(gòu)件和混凝土組合而成。其常見的應(yīng)用形式是由冷彎薄壁 型鋼及其拼接而成的構(gòu)件

2、與混凝土組合而形成的梁、柱和節(jié)點等。混凝土抗壓強(qiáng) 度較高而抗拉強(qiáng)度很低，即使是鋼筋混凝土板受拉后也很容易開裂，宜用于受壓 狀態(tài)；鋼材的抗拉、抗壓強(qiáng)度都很高，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面一般較小而且常采用寬而 薄的板材，受壓時易屈曲，因此鋼構(gòu)件的設(shè)計必須考慮穩(wěn)定問題。把兩種材料組 合起來則可以避免各自的缺點，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，形成強(qiáng)度高、剛度大、 延性好的構(gòu)件1。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，它可以減少自重，減輕地震作用，同時構(gòu) 件的截面尺寸變小，有效使用空間增大，降低造價；與鋼結(jié)構(gòu)相比，可以減少用 鋼量，增加剛度，增加穩(wěn)定性和整體性。近年來，組合構(gòu)件在我國的應(yīng)用實踐表 明，它不僅能夠很好的滿足結(jié)構(gòu)的功能要求，還具

3、備良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，加之 目前鋼材價格較低，組合構(gòu)件將會有更加廣闊的發(fā)展前景。1冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動著建筑行業(yè)和建筑材料不斷地進(jìn)行革命。鋼結(jié)構(gòu)作為 一種結(jié)構(gòu)形式，從1889年至今一個多世紀(jì)的時間里，在世界各國的工業(yè)建設(shè)中得 到廣泛的應(yīng)用。由于鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式日趨廣泛，其設(shè)計理論、機(jī)制工藝亦日趨 完善，作為一種被譽(yù)為高效、經(jīng)濟(jì)型材一冷彎型鋼已受到國內(nèi)外工程界的普遍關(guān) 注，它在建筑行業(yè)尤其輕鋼房屋的建設(shè)中應(yīng)用已日益廣泛。冷彎薄壁型鋼一般是 在常溫條件下由小于6mm厚的鍍鋅鋼板或普通鋼板經(jīng)冷壓或冷彎加工制成的各 種截面形狀的型材，其基本形式有C形、Z形和方管、

4、矩形管、圓管，并可能形 成各種折皺和卷邊，截面轉(zhuǎn)角部分在冷加工過程中強(qiáng)度會得以提高，截面承載力 也會提高。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壁厚不宜大于6mm，也不宜小于1.5mm (壓 型鋼板除外)。國外規(guī)范規(guī)定的冷彎薄壁型鋼厚度要小于3mm，而國內(nèi)規(guī)范定義 的冷彎薄壁型鋼厚度一般小于6mm。冷彎型鋼與一般的熱軋型鋼的主要區(qū)別有：在室溫下彎曲成型，截面彎角部分由于鋼材的冷彎效應(yīng)即強(qiáng)度提高、塑性 下降，其強(qiáng)度高于平板部分。冷彎效應(yīng)現(xiàn)象是由于塑性變形引起的應(yīng)變硬化和應(yīng) 變時效形成的。冷彎薄壁型鋼與同等面積的熱軋型鋼相比回轉(zhuǎn)半徑可增大50%以 上，其慣性矩可增大50%-180%左右2,在同等負(fù)荷下，相對熱軋型

5、鋼一般可節(jié)約鋼 材10%-25%左右。冷彎型鋼的自重輕，在完成相同功能的前提下，質(zhì)量只有混凝 土結(jié)構(gòu)的1/8-1/10，是普通鋼結(jié)構(gòu)的1/2-1/33。一般情況下，如利用冷彎效應(yīng) 提高后的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計則可節(jié)省約10% 15%的鋼材，如不計冷彎效應(yīng)仍按原 材料強(qiáng)度設(shè)計，則相當(dāng)于提高了冷彎型鋼的安全儲備。冷彎型鋼壁厚較薄，截面板件寬厚比大容易出現(xiàn)局部屈曲，設(shè)計中通常采 用有效寬度設(shè)計方法利用其屈曲后的強(qiáng)度。板件的穩(wěn)定問題歷來是建筑剛結(jié)構(gòu)設(shè) 計中的核心問題，普通碳素鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過板件寬厚比限值等方法限制板件出 現(xiàn)局部屈曲。而冷彎型鋼結(jié)構(gòu)卻允許發(fā)生局部屈曲，因為板件局部屈曲并不意味 著板件的破壞。由

6、于其存在薄膜效應(yīng)，可以繼續(xù)承受外荷載，這就是板件的超屈 曲，超屈曲的利用擴(kuò)大了冷彎型鋼的使用范圍。截面成型靈活，規(guī)格多達(dá)千余種，截面材料分布合理，截面特性系數(shù)如慣 性及抵抗矩相對較高。由于冷彎型鋼主要用于優(yōu)化截面形狀而不是增加材料用量 來提高構(gòu)件的承載能力，因此冷彎型鋼也被稱為高效型材。冷彎型鋼被廣泛應(yīng)用 于建筑、交通運輸、汽車及拖拉機(jī)制造、機(jī)械制造、造船、電力等行業(yè)。建筑業(yè) 應(yīng)是冷彎型鋼最主要的用戶。結(jié)構(gòu)整體性好，安全可靠，抗震性能好。冷彎型鋼房屋的屋架、墻板、基 礎(chǔ)牢固的連成一體，此類結(jié)構(gòu)房屋，特別是在墻板附有OSB板、石膏板或波形板 時，應(yīng)考慮較強(qiáng)的蒙皮效應(yīng)，使得構(gòu)件的實際受力、變形均比

7、平面體系設(shè)計的減 小10%15%左右4,可作為房屋的安全儲備。由于冷彎型鋼的自重輕，設(shè)計中地 震作用基本不起控制。冷彎型鋼構(gòu)件的殘余應(yīng)力、連接方式與熱軋型鋼不同。冷彎型鋼的殘余應(yīng)力 是由于常溫彎折形成的，而熱軋型鋼主要是由于冷卻不均勻引起收縮變形的不均 勻而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，二者的分布和影響均不相同5。熱軋型鋼構(gòu)件主要通過焊 接和螺栓連接，而冷彎型鋼構(gòu)件，因薄板焊接技術(shù)要求高，且損壞涂鋅層，焊接 形式有喇叭焊和電阻點焊等，且應(yīng)用較少。涂鋅冷彎薄壁型鋼，主要采用自攻自 鉆螺釘、鉚釘?shù)冗B接方法，冷彎型鋼壓型鋼板之間還采用無連接件機(jī)械式連接(如 咬合、扣合式連接等)。腐蝕破壞途徑與普鋼不同。鍍鋁鋅板表

8、面鍍層較鋼鐵活躍，鍍鋁鋅板與鐵直 接接觸，一旦遇到潮濕天氣或鐵有部分浸入水中時，就會發(fā)生局部鋅層被腐蝕(發(fā) 生吸氧腐蝕時，因為鋅較鐵為活潑元素，鋅層被氧化而保留外部接觸的鐵)，而 引起構(gòu)件破壞，更有甚者可能會導(dǎo)致建筑物整體的破壞。在建筑施工完成后，應(yīng) 及時清掃板材表面，防止鐵釘?shù)鹊臍埩簟Ｓ捎诶鋸澬弯摰暮穸容^薄，因而在其截面承載力設(shè)計時局部屈曲成主要控制 因素。此外，通常因其抗扭剛度小，以致柱常發(fā)生彎扭屈曲，梁則發(fā)生側(cè)扭屈曲。所以利用冷彎型鋼與鋼筋混凝土形成組合梁、板、柱的冷彎型鋼-混凝土組合結(jié) 構(gòu)可以解決工程中局部屈曲的問題，這也是冷彎型鋼混凝土組合構(gòu)件一個新的研 究方向。冷彎型鋼-混凝土組合

9、構(gòu)件的研究冷彎型鋼-混凝土組合構(gòu)件的問世及應(yīng)用，開拓了主要借助優(yōu)化截面形狀而不單 純依賴增加材料用量及改善材料性能來提高材料利用率的新途徑，這對于節(jié)約能 源和資源具有十分重要的意義，特別是對于像我國這樣一個發(fā)展中的國家而言， 重視冷彎型鋼-混凝土組合這種高效經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的開發(fā)和推廣應(yīng)用尤為重要。冷成 型鋼用于低層建筑和住宅鋼框架日益增多。國外眾多組織和鋼結(jié)構(gòu)公司持續(xù)不斷 地進(jìn)行了廣泛研究和實踐工作。除了研究各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，最近的研究 課題主要集中在如下6： (1)連接方法：空壓鉆釘連接件在剪力和風(fēng)吸力組合作 用下的性能；螺栓和焊縫連接在剪力和風(fēng)吸力組合作用下的性能；低韌性輕型鋼 結(jié)構(gòu)的連接

10、。（2）薄壁板件：中間多加勁受壓板件和帶縱向加勁的腹板性能；填 充混凝土的冷彎型鋼截面的局部屈曲；斜卷邊加勁板的屈曲性能。（3）剪力蒙皮: 不同連接形式的鋁和鋼剪力蒙皮的試驗研究。（4）墻體立柱:冷成型立柱和石膏 板組成的墻體性能；冷成型立柱和石膏板組成的墻體在側(cè)向荷載下的試驗研究； 冷成型立柱和石膏板組成的墻體極限高度、跨中變形和立柱承載能力。（5）組合 結(jié)構(gòu):壓型鋼板和混凝土的組合墻體結(jié)構(gòu)；梁和樓板組合體系研究；薄壁輕型截 面和混凝土組合構(gòu)件的性能。（6）動力和抗震性能:蒙皮結(jié)構(gòu)剛架的抗震、抗風(fēng) 性能；輕型剛架的抗震性能；DuraGal樓面系統(tǒng)的動力性能；冷成型矩形鋼管在 高循環(huán)荷載作用下

11、的性能。（7）基本數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫:歐洲規(guī)范Eurocode 3中的穩(wěn) 定曲線用于冷彎型鋼構(gòu)件初始缺陷系數(shù)的修正；冷彎型鋼截面的試驗數(shù)據(jù)。（8） 疲勞強(qiáng)度:冷彎型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接在反復(fù)荷載作用下的疲勞設(shè)計；疲勞荷載作 用下冷成型鋼管的連接性能。冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件的應(yīng)用3.1冷彎薄壁型鋼-混凝土組合梁冷彎薄壁型鋼-混凝土組合構(gòu)件主要有梁、板和柱。其中組合梁應(yīng)用的最為 廣泛。組合梁是由冷彎薄壁型鋼和混凝土組成整體而共同工作的一種結(jié)構(gòu)形式。 鋼梁在施工階段可代替模板，混凝土結(jié)硬后可代替受拉鋼筋，這種組合梁充分發(fā) 揮了混凝土和鋼材各自的力學(xué)性能，具有承載力高、剛度大、抗震性能和動力性 能好等優(yōu)點

12、，而且可降低梁高度以增加房屋空，減少模板的施工量，具備良好的 發(fā)展前景。鋼-混凝土組合梁作為結(jié)構(gòu)中重要的橫向承重構(gòu)件，在我國多、高層 民用建筑、工業(yè)建筑及橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，并取得了顯著 的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益7。組合梁中的鋼梁和混凝土板能夠共同工作，是由 于剪力連接件傳遞了鋼梁-混凝土界面的剪力，而采用栓釘?shù)热嵝钥辜暨B接件的 型鋼-混凝土組合梁在荷載作用下，連接件會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致混凝土翼板與鋼梁 的交界面出現(xiàn)相對滑移8。清華大學(xué)土木工程系的聶建國教授和課題組對冷彎薄壁型鋼-混凝土組合梁 進(jìn)行試驗研究，對組合梁試件簡支施加靜力荷載，測得其應(yīng)力、變形和支座的沉 降，分析得出通

13、過栓釘抗剪連結(jié)件將冷彎薄壁箱型鋼梁和混凝土翼緣連成整體而 形成的新型鋼一混凝土組合梁具有良好的整體工作性能和延性。作者結(jié)合試驗和 理論發(fā)現(xiàn)，冷彎薄壁型鋼一混凝土組合梁的正截面極限抗彎強(qiáng)度可以按照等效矩 形應(yīng)力圖方法即按照現(xiàn)行規(guī)范方法進(jìn)行計算，大大簡化了推導(dǎo)公式。研究還發(fā)現(xiàn) 在鋼與混凝土交界面的自然粘結(jié)破壞之后，滑移效應(yīng)對冷彎薄壁型鋼一混凝上組 合梁在使用荷載下變形的影響不能忽略不計。作者也提出計算變形的一種方法， 即考慮滑移效應(yīng)的變形可以按照折減剛度法進(jìn)行計算9。這項研究成果已經(jīng)應(yīng)用 到高層建筑的樓蓋設(shè)計。3.2冷彎薄壁型鋼-混凝土組合樓蓋冷彎薄壁型鋼-混凝土組合樓蓋是通過自攻螺釘將混凝土組合

14、樓板的壓型鋼板與 冷彎薄壁型鋼梁連接而成來共同受力、協(xié)調(diào)變形的一種新型組合樓蓋結(jié)構(gòu)。一般 由樓蓋梁、邊梁、支座加勁件、壓型鋼板、自攻螺釘、混凝土翼板等組成，其中 樓蓋梁采用壁厚較薄的冷彎薄壁型鋼（c形截面）。冷彎薄壁型鋼-混凝土組合樓 蓋有較高的承載力和較小的變形，它的破壞主要表現(xiàn)為樓蓋梁發(fā)生彎扭屈曲的同 時，受壓區(qū)翼緣、卷邊及毗鄰腹板出現(xiàn)相關(guān)屈曲破壞，屈曲波長為壓型鋼板與樓 蓋梁的螺釘間距；支座附近混凝土翼板與壓型鋼板為脫離、掀起粘結(jié)破壞；集中 荷載作用點處樓蓋梁為折曲破壞。減小壓型鋼板與樓蓋梁連接的螺釘間距和增加 樓蓋梁的數(shù)量都能提高組合樓蓋極限承載力。而且螺釘間距的改變對組合樓蓋彈 性剛

15、度的影響較小，而樓蓋梁數(shù)量的增減卻影響較大10。研究表明冷彎薄壁型鋼梁與混凝土組合的結(jié)構(gòu)，其受剪承載力與抗剪連接件 的構(gòu)造方式、類型等因素有關(guān)11。但是對于采用自攻螺釘作為連接件的冷彎薄壁 型鋼-混凝土組合樓蓋，目前關(guān)于組合樓蓋受彎承載力的研究成果并不多見，且 國內(nèi)相關(guān)規(guī)范尚無有關(guān)冷彎薄壁型鋼-混凝土組合樓蓋的設(shè)計條文。因此，研究 冷彎薄壁型鋼-混凝土組合樓蓋受力性能和破壞模式具有重要意義，能為其推廣、 應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。3.3鋼管混凝土鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土及螺旋配筋混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的， 最早采用鋼管混凝土的工程之一是1879年英國的賽文鐵路橋橋墩，隨后又被用 做單層或多層

16、工業(yè)廠房的構(gòu)柱。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼管內(nèi)填充素混凝土，利用 鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，內(nèi)填混凝土有效地提高了鋼管 的局部穩(wěn)定性和抗火能力，而鋼管對內(nèi)填混凝上的約束作用又使其強(qiáng)度提高、塑 性和韌性性能大為改善，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)點和潛力，可使構(gòu)件截面減小， 承載能力提高，整體重量減輕，鋼管壁板不需太厚，可大量使用國產(chǎn)鋼材并實現(xiàn) 工廠化生產(chǎn)，并能夠大幅度節(jié)約鋼材和基礎(chǔ)費用。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對薄壁鋼管和 核心混凝土之間的相互作用進(jìn)行了大量的研究，薄壁鋼管不直接承受縱向荷載， 只對核心混凝土起約束作用，研究表明：即使在高軸壓比情況下，薄壁方形鋼管 柱仍然具有良好的的延性，沒有剪切破

17、壞和粘結(jié)破壞現(xiàn)象發(fā)生1。日本學(xué)者對由 高強(qiáng)材料組成的圓鋼管混凝土柱進(jìn)行了擬靜力試驗，試驗結(jié)果表明：局部屈曲后 柱的承載力并不降低，有足夠的變形能力，抗震性能很好。結(jié)語從國內(nèi)外輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀來看，我國在不久的將來終將迎來一個輕鋼 結(jié)構(gòu)大發(fā)展的時代。隨著人們對居住條件的要求不斷提高，而土地的不斷減少和 森林等自然資源的不斷消耗，使得人們對輕鋼建筑的需求不斷加強(qiáng)，又由于我國 鋼鐵產(chǎn)量連年增加，使我國以具備發(fā)展冷彎型鋼建筑的條件，冷彎薄壁型鋼-混凝 土組合建筑的發(fā)展，必然走上工業(yè)化、商品化、產(chǎn)業(yè)化的道路。但是目前我國仍 沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對冷彎型鋼建筑的市場加以規(guī)范，企業(yè)與企業(yè)之間產(chǎn)品通用性不

18、強(qiáng)，且配套設(shè)施不完善目前我國對冷彎型鋼材料及建筑體系的研究還不夠，許多 技術(shù)問題仍需要深入研究，應(yīng)該加強(qiáng)高?？蒲袉挝慌c企業(yè)的聯(lián)合,使得實際設(shè)計 中的問題得以解決，繼而結(jié)合我國國情發(fā)展輕鋼結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)研究的廣 度和深度。參考文獻(xiàn):1何保康，李峰.丁國梁.冷彎型鋼結(jié)構(gòu)在房屋建筑中的的應(yīng)用與研究.焊管，2002 (5)： 8-11陳雪庭，張中全.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件M.北京：中國鐵道出版社，1990.何保康，李峰，丁國梁冷彎型鋼在房屋建筑中的應(yīng)用與發(fā)展J.焊管，2002, 25(5):8-11.劉惠容.淺談鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國的發(fā)展前景J.甘肅科技，2008, 24(6)： 131-132.陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理M.北京:科學(xué)出版社,2005.何?？?，周天華.美國冷彎薄壁型鋼的應(yīng)用和研究情況.建筑結(jié)構(gòu)，2001，8聶建國，袁彥聲.鋼一混凝土疊合板組合梁及其應(yīng)用.建筑結(jié)構(gòu)，1995，(8)聶建國，沈聚敏.滑移效應(yīng)對鋼-混凝土組合梁強(qiáng)度的影響和計算.土木工程學(xué)報，1997, 30 (1