冷弯薄壁型钢（共8篇）
冷弯薄壁型钢 篇1
0 引言
我国是一个地震多发国, 近几年更是地震频发, 建筑抗震已经成为结构设计师越来越重视的问题, 更抗震的建筑材料也逐渐被人们青睐。单一的木质结构虽然承载力高抗震性能好, 但耐火性极差, 易腐朽虫蛀, 我国木结构材料主要依赖国外进口, 造价高。 另一方面, 国内住宅主要以多层、高层为主, 木结构住宅难有大规模发展[1]。 单一的钢结构虽然, 具有设计制造周期短、设计生产一体化、抗震性能优越、建筑空间布置灵活、有效使用面积大、综合经济效益好等优点[2,3], 但管壁空钢管承载力低, 用壁厚的钢管又不经济。
将不同材料按最佳几何尺寸制作成型, 使每种材料在所处的特定位置发挥其各自的长处, 这种结构称为组合结构, 组成的单根构件称为组合构件, 组成的结构物, 称为组合结构 (Composite structures) [4]。 因此, 本文考虑将钢材与其他材料两者结合起来, 使用废弃木头和塑料压缩后填充到薄壁空钢管中, 让两者协同工作。 使用废弃木头压缩和废塑料压缩不仅节能环保, 更加经济实用, 还能使该组合结构比薄壁空钢管承载力有所提高, 组合结构的耐火性也能得到改善。 如果能得到广泛应用, 会比单一的建筑材料更经济环保。
1 试件设计及试验装置
本试验所需钢管按照表1 中数据加工, 为了得到各种钢管材料的力学性能, 在试验前进行了金属材料的拉伸试验, 试验按照《金属拉伸试验试样》 (GB6397-86) 取样。 方钢管取矩形试样, 钢管的端部在车床上刨平, 并严格控制方钢管长度。因为管壁较薄, 在焊接时避免满焊而采用点焊的焊接方式, 但焊点不能过少, 以保证一定的稳定性。试件如表1 所示。
试验在西南科技大学结构与力学实验室MTS机上进行。 在试件中部施加集中力, 通过位移计及应变片分别测试试件水平位移及应变。 整个试验装置如图1 所示。
2 试验结果及分析
2.1 试验破坏现象
通过9 个试件的测试发现, 试件的破坏形态基本上一致, 均为压弯破坏。 空钢管中部屈曲现象明显, 且失效过程迅速, 承载力较低, 如图2 所示。 填充废压缩木料和压缩塑料的构件中部仅有微小变形, 承载力较空钢管高, 如图3 所示。 空钢管中部及两端竖直位移距离明显大于填充组合方钢管。
2.2 试件承载力理论计算[5,6,7]
因目前没有对于填充木材及压缩塑料方钢管的理论计算方法, 因此计算参照方钢管混凝土理论计算方法。
(1) LRFD、AIJ规范
LRFD和AIJ规范在计算方钢管混凝土纯弯构件承载力式忽略了混凝土对构件抗弯能力的贡献, 仅考虑钢管的作用, 采用如下计算公式:
式中Z为钢管截面塑性抵抗矩。
(2) EC4规范
EC4 规范按下式计算纯弯构件承载力:
式中dc为截面中和轴距受压区边缘距离,
其中, ρ=0.6fck/fy。
(3) GJB规程
我国GJB规程采用如下方法计算方钢管混凝土纯弯构件承载力:
式中 γm为抗弯承载力计算系数, , Wscm为构件截面抗弯模量, Wscm=B3/6。
3 结论
(1) 填充压缩木方及填充压缩塑料后的方钢管比空钢管抗弯性能有所增强, 集中荷载下承载力上升。
(2) 从塑性角度来看, 填充压缩塑料及压缩木材的组合钢管较空钢管更适合应用于工程实际。
参考文献
[1]董凌.工业化住宅简述从结构材料和结构类的发展探讨中国工业化住宅发展之路[J].建筑前沿, 2010.
[2]张爱林, 刘学春.工业化装配式高层钢结构建筑探究 (一) [N].中国建设报, 2012-11-27 (008) .
[3]张爱林, 刘学春.工业化装配式高层钢结构建筑探究 (二) [N].中国建设报, 2012-12-27 (008) .
[4]安栋.方钢管混凝土共同工作性能研究[D].天津大学, 2006.2001.2.20-21.
[5]Weizi Zhang, Bahram M.Shahrooz.Comparison between ACI and AISC for Concrete-Filled Tubular Columns, Journal of Structural Engineering, 1999, 125 (11) :1213-1223[Z].
[6]Composite Structures/European Convention for Constructional Steelwork.London, New York, Construction Press, 1981[Z].
[7]日本建筑学会.钢骨混凝土结构计算标准及解说[M].冯乃谦, 等, 译.北京:原子能出版社, 1998.
冷弯薄壁型钢 篇2
关键词：房屋建筑；冷弯型钢；力学性能；应用于发展
自改革开放以后，对轻钢结构人们有了新的认识，建造了不少以门式钢架为主要形式的轻型钢结构房屋建筑，在此类轻钢房屋中冷弯型钢作为次要的围护结构、承重结构、配件等被大量应用。
一、在房屋建筑中冷弯型钢的应用
冷弯型钢在房屋建筑中可用作桁架、柱、钢架等主要的承重构建，也被用作围护结构或次要受力构建（如：墙架梁柱、门窗、墙面板、屋面檩条、楼板、门窗、墙面板、龙骨等）。此外，利用钢筋混凝土和冷弯型钢组合板、柱、梁的混凝土冷弯型钢组合结构已经成为了当前工程领域的研究热点。
在房屋建筑中通常围护结构所使用的冷弯板材的厚度为0.3-0.8毫米，冷弯型钢板件的厚度为3-6毫米。钢材利用率高、力学性能好，是冷弯型钢断面的优点。型材和板材是建筑上常用的两类冷弯型钢，其中型材类既可以是闭口截面，也可以是开口截面，既可以根据建筑外观或承载力需要由单肢截面组合成格构式截面，也可以采用单肢截面。一般在房屋建筑中采用带卷边Z型或C型钢檩条。常用帽型钢墙梁，受压柱压力较小时，立柱构建有时也采用带卷边的C型钢，压力较大时，比较适合采用闭口截面构建。
相比用于多高层钢结构、轻型门式钢架房屋，冷弯型钢更多的时候用在（如墙架柱、檩条、围护构建等）次要承重构建。根据对已经建成的一栋门式钢架方式的统计，其冷弯型钢费用占40%左右，热轧型钢占30%左右，其他的占25%左后。由此我们可以得出结论，冷弯型钢在一般轻钢建筑中所占的费用实际上已经高过了热轧型钢。在房屋建筑中，随着轻钢房屋的大量应用以及建筑结构轻型化，冷弯型钢的用量也必然会越来越大。
二、建筑用冷弯型钢的几个主要问题
（1）冷弯效应
冷弯型钢是在常温下由板带或薄板冷弯成型，由于冷加工塑性变形截面转角部分材料出现冷作硬化，也就是说塑性下降，提高了强度，我们称这种现象为冷弯效应。由塑性变形引起的应变时效以及应变硬化形成的冷弯效应。
在一般情况下，如果按照原材料的强度而不计冷弯效应设计，那么也就是相当于提高了冷弯型钢构建的强度安全筹备，如果进行构建设计时是按照利用冷弯效应提高后的强度，那么则可以节约钢材10%-15%。
（2）提高板件局部屈曲性的措施
由于加工条件的限制，所以，一般冷弯型钢板件宽厚比大，较薄，相应的屈曲时临界应力较低。各国基本上为了他成孔板件局部屈曲性能，采用的都是在将板件在冷弯时加劲的方法，可以说，这是一种既有效又较为方便的措施。如下图（c）在板边缘加劲，此板件的屈曲临界应力则提高了九倍以上。如下图（a）在板中间加一个加劲后，只是减少了一半的板的计算宽度，则相当于提高了四倍的板件屈曲临界应力。又如下图（b）其临界值应力值根据在截面腹板上弯折加劲也有不同程度的提高。
（3）材质要求
冷弯型钢的钢材多数为低合金结构钢和碳素结构钢，其质量标准应该分别符合《低合金结构钢》（GB1591-88）和《碳素结构钢》（GB700-88）等国家现行的标准规定，常用的有两种分别是Q345、Q235。应该根据结构或这是构建的工作条件、荷载特性、使用要求、连接方法对钢材的屈服点、延伸率、冲击韧性、抗拉强度、冷弯性能、屈强比等力学性能指标以及硫、碳、磷等化学成分指标所提出的要求，来选用钢材。由于Q235A级钢不能保证钢材的碳含量，所以冷弯型钢如果用于焊接结构不宜采用该钢种。
三、冷弯型钢在推广中的几个问题及对策
（1）轻钢房屋制造要走商品化、工业化、集团化道路
當前，国外的整个房屋构建可以连一个螺丝钉也不缺的利用集装箱运到我国，很快就可以完成整个建筑在工地现场的组装过程，而我国的轻钢房屋却还无法做到这一点，还无法真正作为商品走向市场，这主要是因为我国轻钢业系统不配套所导致的。
我们应该联合冷弯型钢生产厂家和房屋制造商走集团化道路，应该完善房屋建筑配套构建的生产，以促进我国冷弯型钢以及轻钢港务真正做到商品化。
（2）降低产品价格，提高产品的质量，增加产品规格
小批量、多品种是房屋设计所需要的型钢的特点，为了适应这种需求，厂家必须建立冷弯型钢产品信息中心或者中间仓库，增加产品规格，做到客户需要什么就能订购到什么。应减少国外进口，提高薄板的材质，降低冷弯型钢原材料的价格。此外，冶金行业应该根据建筑业的需求，生产有较好耐腐蚀性能的钢材，生产高强度的适合建筑结构的合金钢材。提高轻钢结构、混凝土结构、普通钢结构竞争力的一个重要条件就是采取有效措施降低冷弯型钢的价格。
（3）加大宣传力度，开发新型建筑结构
冷弯型钢还存在很多技术问题需要进一步深入研究，与一般钢结构相比冷弯型钢结构具有一定的特殊之处。我们应该不断开发新型的建筑结构体系，以适应冷弯型钢，应该以不断进步的科技推动轻钢房屋以及冷弯型钢的应用和发展，进一步对在建筑业冷弯型钢的应用范围进行拓展。当前对于相应的规范，还有许多设计人员了解的不够深刻，所以，为了进一步推动在房屋建筑中冷弯型钢的应用，要加强宣传的力度。
四、在房屋建筑中冷弯型钢的前景展望
抗震性能好、施工速度快、经济效益好、自重轻、建筑造型美观、工业化程度高等是轻钢房屋以及冷弯型钢所具有的优点，在民用以及工业建筑中期将得到极为广泛的应用。由于我国在二十世纪八十年代以前钢产量不足，因此限制在建筑业中使用钢结构，但是现在我国年产钢量早已超过亿吨，我国已经成为了世界名列前茅的产钢大国。我家建设部门当前鼓励建筑用钢，与发达国家相比目前用钢量还有较大的差距，我国钢结构用钢总量只占全国总刚才产量很小的比例。我国当前在这一方面的目标是到2015年，力争建筑结构用钢总量达到全国总钢材产量6%以上。这就证明我国建筑结构的用钢量将会不断扩大，同时建筑结构的用钢材料资源十分充足。
在建筑业中冷弯型钢的应用，发达国家大概占40%-70%的比例，我国与之相比，目前还存在较大的差距，当前，机械制造业、汽车业等行业是我国冷弯型钢产品的主要应用行业，所以，随着不断出现的轻型新结构、随着轻型钢结构的不断发展，在我国建筑业中冷弯型钢的应用具有无限潜力，有着非常宽广的市场。
作为一种经济高效的断面型材，冷弯型钢是我国大力推广的一种新型材料，不仅具有很多优点，且材质品种繁多，随着人们对冷弯型钢逐步加深的认识，以及我国经济的快速发展以及不断完善的相关规范，在国民经济建设，尤其是在建筑业中冷弯型钢的应用将越来越普及。
参考文献：
[1]钟国辉.冷弯薄壁型钢在房屋建筑中的研究与发展[J].建筑钢结构进展，2002（11）.
[2]南晶晶，凌利改，田国平.冷弯型钢在国内外的发展及其在建筑结构中的应用[J].水利与建筑工程学报，2009（06）.
新型冷弯薄壁型钢住宅结构的应用 篇3
关键词：冷弯薄壁型钢,多层住宅,结构体系
0前言
近年来,冷弯薄壁型钢结构体系在欧美、澳洲、日本等国得到广泛的应用,主要用作3层以下的别墅住宅、公寓及其它民用房屋。冷弯薄壁型钢房屋结构源于传统的木结构房屋,从住宅产业化、环保、抗震防灾、加速房屋建造周期等因素考虑,轻钢结构房屋住宅有广阔的市场和前景。
我国在建设部大力推行钢结构住宅政策的推动下,不少房屋公司也开始引进这类冷弯薄壁型钢结构体系。北新房屋有限公司在北京、山东等地建造了一批采用新日铁工法的薄板轻钢房屋(见图1),并制定了公司标准;上海美建公司、上海绿筑住宅系统科技有限公司建造了一批代表北美体系的冷弯薄壁型钢结构住宅别墅;博思格来实住宅部、钢之杰有限公司也在四川拟建一批轻钢住宅试点工程。中国工程建设标准化协会(CECS)正在编制冷弯薄壁型钢结构体系的设计标准“低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程”。总体来讲,我国冷弯薄壁型钢房屋结构体系尚属于起步和发展阶段。
1低层冷弯薄壁型钢房屋的结构体系
冷弯薄壁型钢结构作为承重体系应用于住宅建筑中,一般适用于3层以下的独立或联排住宅,墙体立柱间距一般为400~600 mm,上、下导轨与楼面之间设有抗剪连接件。
冷弯薄壁型钢与同样截面积的热轧型钢相比,可提高其截面力学特性指标(如惯性矩、面积矩)。这表明用冷弯薄壁型钢作承重骨架,用较少钢材可取得较大的承载力。构件强度高、自重轻,且截面尺寸小,有利抗震和增加房屋使用面积。
组合墙体是承担竖向荷载和水平荷载的主要构件,由冷弯薄壁型钢墙体骨架、外墙结构面板(OSB板、带肋钢板等)和内墙板(石膏板等)通过自攻螺钉连接而成,如图2所示。墙体骨架由上、下导轨和立柱(卷边C形截面)通过自攻螺钉连接而成,边立柱往往采用双柱,并在边立柱下端设有抗拔锚栓连接件。
承担竖向荷载的冷弯型钢构件设计方法已经比较成熟,国外有相应的设计规范,而结构的水平抗剪承载力主要依赖于试验研究,其设计方法还有待进一步的探讨。低层冷弯薄壁型钢结构横向荷载主要来源于建筑物外表面风压力的水平分量和水平地震作用。在低层冷弯薄壁型钢住宅结构中,侧向力抵抗体系由屋面、楼面和墙体(剪力墙)组成,即整个房屋各组合体均参与横向荷载的传递。住宅结构的横向荷载路径[1]为:作用在外墙墙面上的风荷载与作用于整体房屋结构上的地震荷载通过屋面板和楼面板传给与荷载平行的墙体,最后由墙体传给基础。
2低层冷弯薄壁型钢结构的关键技术问题
屈服强度345 MPa以上、厚度2 mm以下的高强超薄钢板作为一种新材料,加工成型的冷弯薄壁型钢在国内已经开始生产和推广使用。GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢设计规范》仅适用于承重构件板材厚度2 mm以上的Q235及Q345钢材,对强度更高且厚度在2 mm以下的结构设计尚无条文可依。
2.1结构抗震
我国很多地区都有抗震设防的要求,考虑到冷弯薄壁型钢板材高强度、低延性的特点,在国内进一步推广应用时整体结构的抗震性能是个关键性问题。目前国内外对冷弯薄壁型钢龙骨式结构体系抗震性能方面的研究还相对较少,主要采取试验研究和理论分析相结合的方式。
从国内外的研究[2,3,4]来看,尚没有关于冷弯薄壁型钢整体结构公认的抗震设计方法,故还没建立精确完善的分析模型。正在编制的《低层冷弯薄壁型钢建筑结构技术规程》(征求意见稿)基于国内完成的足尺模型结构振动台试验研究,提出了水平荷载效应的分析方法。水平地震作用效应的计算采用底部剪力法,参考“盒子”式结构的分析,在建筑结构的2个主方向分别计算水平荷载的作用。一个主方向的水平荷载应由该方向抗剪墙体承担,可根据其抗剪刚度大小按比例分配,并应考虑门窗洞口对墙体抗剪刚度的削弱作用。地震作用下抗剪组合墙体的水平侧向刚度由试验荷载-转角滞回曲线的骨架曲线确定,多遇地震作用下抗剪组合墙体的水平侧向弹性变形限值取为1/300层高。
结构抗震性能与结构布置的规则性有很大关系,住宅钢结构常见的布置不规则,主要是平面不规则,如平面L形等。结构布置不规则,地震时易损坏,因此,应尽量使结构布置符合规则性的要求。
2.2结构抗风
低层冷弯薄壁型钢房屋结构的表面风荷载体系基本可采用GB 50009—2006《建筑结构荷载规范》标准。轻型钢结构屋面的体型往往比较复杂,《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(征求意见稿)中建议,对于轻钢结构的复杂体型房屋屋面(见图3),其风荷载体型系数可按照分区的规定确定,纵风向时屋顶(R)部分的风载体形系数取-0.8,其余部分应按GB50009—2006标准采用。该条文中纵风向坡屋顶的体型系数是综合了欧洲荷载规范、澳洲荷载规范后给出的。
W—迎风墙;U—迎风坡屋顶;S—边墙;R—纵风向坡屋顶;L—背风墙;D—背风坡屋顶
对承重外墙体,横向风荷载可按GB 50009—2006标准规定的风荷载取用;对承重内墙体,横向风荷载可取室内房间气压差,室内房间气压差参照澳大利亚规范可取0.2 k Pa。承重墙体的墙体面板、支撑和墙体立柱通过螺钉连接形成共同受力的组合体,墙体立柱不仅承受由屋盖桁架和楼盖梁等传来的竖向荷载,同时还承受垂直于墙面传来的风荷载引起的弯矩,其受力形式为压弯构件,应按压弯构件的相关规定进行强度和变形验算。
3建筑问题
3.1建筑性能
我国消费者比较熟悉的结构体系是传统的木结构、砖混结构和钢筋混凝土结构,而对于钢结构较为陌生。由于钢结构建筑大量采用轻型屋面材料和新型墙体材料,其突出特点是“轻”。而我国的购房者可能首先会关注结构的安全性,即结构是否坚固、是否足以阻挡外人入侵和自身财物的安全等。
此外,轻型冷弯薄壁型钢住宅结构体系,其隔声效果较传统的砖混结构或钢筋混凝土结构差。房间铺设地毯原本会起到良好的隔声效果,但我国家庭极少在所有房间都铺设地毯,而大多都采用木地板或地砖。
3.1.1保温隔热
低层冷弯薄壁型钢房屋的保温、隔热应满足相关现行国家标准的规定。各类建筑的节能设计,必须根据当地具体的气候条件,并考虑到不同地区的经济、技术和建筑结构与构造的实际情况。
外墙保温隔热可采用在墙体空腔中填充纤维类保温材料或在墙体外铺设硬质板状保温材料的方式。保温材料宽度应等于或略大于轻钢龙骨间距,厚度不宜小于轻钢龙骨高度。
屋面保温隔热可采用保温材料沿坡屋面斜铺或在顶层吊顶上方平铺的方法。采用后一种式时,在顶层墙体顶端和墙体与屋盖系统连接处,应确保保温材料、隔汽层和防潮层的连续性和密闭性。
3.1.2防潮和防腐蚀
低层冷弯薄壁型钢房屋的防潮设计,主要是为了防止由于空气渗透、雨水渗透、水蒸气渗透及不良冷凝结露等造成的建筑物内部的不良水气积累,以确保建筑物达到预期的耐久年限,并提高建筑物内部的空气质量。外墙及屋顶的外覆材料应符合国家或行业标准规定的耐久性、适用性以及防火性能。在外覆材料内侧及结构覆面板材外侧,应设置防潮层,其物理性能、防水性能和水蒸气渗透性能应符合设计要求。
轻钢住宅的骨架由薄壁构件组成,构件采用镀锌或镀铝锌薄钢板,防锈性能好,减少结构维修护理费用。根据建筑物建造地点、环境不同,型钢镀锌量要求也不同,锌层厚度决定房屋构件使用寿命。根据英国钢铁公司对不同地区、不同环境的15栋轻钢住宅跟踪取样的测试结果:轻钢镀锌构件锈蚀率3年平均不到0.1μm,也就是说,8μm厚镀锌冷弯薄壁型钢构件在正常使用条件下,使用寿命可达240年。而一般住宅的设计寿命仅50年。
3.1.3防火
我国部分地区的消防设施相对比较落后,因而防火规范对消防的限制很严。按照我国的防火规范,即使是低层住宅结构体系,也要求耐火极限达到2.5 h以上,而一般冷弯薄壁轻型钢结构房屋的耐火极限只有1.5 h。因此,为了满足对建筑耐火极限的要求,我国钢结构建筑传统的防火做法是采用防火涂料、发泡防火漆或外包防火板等措施,也有通过加厚墙体石膏板而达到延长耐火极限的方法。这些方法本质上是一种火险发生后避免因建筑主体结构破坏而引起重大财物损失的措施,防火成本过高。
近两年,工程界已有人在进行呼吁,希望对因防火标准的过严限制而导致整个轻钢建筑市场的成本增加量与平均火灾率下的总损失量进行统计分析和比较,以区别对待薄壁型钢建筑的防火要求。
3.2建筑造价问题
目前,制约住宅消费的主要因素是价格和质量。与砖混结构和钢筋混凝土结构相比较,钢结构体系总体造价较高。虽然钢结构的综合经济效益高,整体性能优于其它结构体系,但按照目前我国居民的收入水平,此类住宅体系主要还是面对中、高收入阶层。由于轻钢结构住宅体系的开发刚起步,尚在摸索之中,天津、北京、上海等几个较大的住宅产业化探索基地,示范工程单位面积造价与砖混结构基本持平,但在缩短工期,增加有效使用面积,适应现代化生活的需要,减少污染等方面综合经济效益较好,随着构件的标准化、工程化的进程,单位面积的造价有望低于或等于砖混结构。
3.3向多层建筑发展的可行性分析
目前,冷弯薄壁型钢房屋体系采用的墙体构造,对承受和传递3层以下的住宅或公寓等房屋的水平荷载而言是可行的,但对5~6层是否可行,是值得关注和研究的问题。
多层以下轻钢房屋体系的结构形式,最主要差别是抗侧力结构不同,房屋层数越多,其作用的水平荷载越大,房屋的抗侧力结构要求越高。冷弯薄壁型钢房屋体系的墙体上、下是不连续的,各层楼板将墙体分成各层自身的墙体段,为了传递屋面、各层楼面传来的水平荷载,并由墙体一层层传至基础,在各层不连续墙体之间设置了专门的附加连接件,如抗拔锚栓、抗剪螺栓等。通常这些连接件使上、下不连续的墙体连接成整体,并如同传统剪力墙的作用一样,承受并传递作用于房屋的水平风荷载和地震作用,起到整体建筑抗侧力体系的作用。这是这类房屋结构体系由低层改为多层后,安全可靠与否的关键部位。由低层改为多层冷弯薄壁型钢房屋体系,墙体的抗侧力构造必须作适当的改进和增强,以承受和传递由于层数增加而增大的水平荷载。
4建议
冷弯薄壁型钢结构房屋具有独特的优点和良好的综合效益,其应用可以节约土地资源,保护自然环境,符合国家发展循环经济、建设节约型社会的可持续发展战略。为了促进冷弯薄壁型钢结构房屋在我国的推广应用,提出以下建议:
(1)在各个地区建立样本房,加强宣传,重视市场推广,让人们亲自感受新型住宅比传统住宅的优势之所在,从根本上改变人们对轻钢结构住宅的传统印象,使轻钢结构住宅的优点深入人心。
(2)引进国外应用成熟,并经过研究能适应中国地区的冷弯薄壁型钢构件体系和生产流水线,生产出质量轻、截面特性好的构件,在国内大规模推广。
(3)科研单位、高校和企业要积极开展冷弯薄壁型钢住宅各部分构件的理论和试验研究,对国外的轻钢结构体系技术进行吸收、改进和发展,提高我国的钢结构技术,并将研究成果最终以规范的形式确定下来,作为设计此种类型房屋的依据。
参考文献
[1]郭鹏,何保康,廖芳芳,等.低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系及传力路径分析[J].工业建筑,2007(增刊):1215-1219.
[2]周天华,石宇,何保康,等.冷弯型钢组合墙体抗剪承载力试验研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2006(2):83-88.
[3]郭鹏.冷弯型钢骨架墙体抗剪性能试验与理论研究[D].西安:西安建筑科技大学,2008.
冷弯薄壁型钢 篇4
近年来,我国加大对住宅产业化的支持和绿色节能建筑的推广,LGS建筑在国内发展迅速,国内现行的LGS建筑标准已经落后于市场发展,缺乏专业的施工规范和建筑节点图集。传统LGS建筑参考了传统砖混结构或重钢结构通用的建筑节点图集和施工做法,完工后常常会出现工程质量问题,室内漏水便是其中之一。室内漏水会导致LGS建筑结构锈蚀,主材损坏,进而危及建筑结构安全,降低建筑的使用功能性。本文将解析传统LGS建筑发生漏水的原因,提供一些防治措施和防水做法。
1 传统 LGS 建筑室内漏水原因
我国传统的LGS建筑体系,是在国外LGS建筑体系的基础上沿用混凝土结构建筑的装修做法,以契合用户的传统住宅理念。结构设计为规格统一的冷弯薄壁型钢构件,楼面承重板采用定向刨花板(Oriented Strand Board,简称“OSB”),在楼板系统中浇筑一定厚度的混凝土并配钢筋网以增大楼板的刚性、减少震动;在墙体表面装饰上,通过水泥砂浆抹面的湿作业方法来实现更多的装饰效果,以期达到与混凝土结构建筑无差异的完工效果。
LGS与OSB组成的结构,延展性好,在吊装、运输、安装、使用过程中会受力震动并产生弹性位移,导致刚度大的混凝土层及装修饰面层出现裂缝。同时,建筑构件的相对位移容易导致防水材料破裂,防水搭接松脱,从而引发漏水。此外,选材和施工不当也易导致漏水。漏水部位通常为墙根处、开洞处、防水卷材搭接处。
2 漏水防治措施
2.1钢结构改良
实际工程中,厨卫间通常会安放浴缸、电热水器、洗衣机等荷载大的设施,一般,可通过加大LGS型材规格,或增加楼板梁龙骨密度,或在楼板梁柱中增加轻钢承重构件(图1),以增大厨卫间局部结构的刚度和强度。如在工厂整体预制的LGS建筑模块中 (图2),便采用了整体轻钢框架结构,一方面增加了模块的整体刚度,限制了梁柱间的位移变形,防止由此引发的装饰面层开裂;另一方面确保模块的运输和吊装受力。
2.2 主材改良
传统LGS建筑采用OSB作为楼面承重板,不仅刚度小,而且不具备防水性能,一旦发生漏水将使OSB霉烂,丧失承重性能,造成安全隐患(图3)。建议改用18~20 mm厚的高密度水泥纤维板(图4)代替OSB作为楼面承重板。高密度水泥纤维板具有以下一些优点:1)结构致密、刚度较好;2)具有良好的承载能力,可增加LGS建筑的刚性;3)防水防腐、防火A级,结构更具安全性、耐久性。采用刚度较好的高密度水泥纤维板,可省去楼面加设的混凝土层,克服混凝土层因无法适应LGS楼面弹性位移而产生开裂破坏。这种新型的楼承板目前也被广泛用作建筑加层的楼承板。
另外,墙面可采用8~10 mm厚的中密度防水水泥纤维板或玻镁板。在楼面和地面转角处、墙角处设钢折板,分别固定于两边板上,可限制板块间的相对运动,增强结构整体性和刚性。钢板折角处应做成圆弧角,一方面避免钢板弯折处受力薄弱;另一方面使防水材料贴接更密实,不易破损开裂。
2.3 室内设计改进
1)隔离洗浴区。隔离洗浴区可阻止洗浴水在地面蔓延,预防渗漏。可采用成品浴缸(图5)或成品淋浴房(图6)进行隔离。成品浴缸,一体成型的底座具有良好的完整性,玻璃门可阻止洗浴水的外溅。
2) 避免楼承板开洞。LGS建筑的楼承板非常轻薄,洞口的防水处理对材料和施工技术的要求高,若处理不到位,很容易发生渗漏,是防水的薄弱点,故应尽量避免在楼承板上开洞,消减洞口处的渗漏隐患。利用LGS建筑墙体内可走管线的特点,卫浴设施可选择墙排水类型(图7)。通过钢结构找坡可在卫浴间边缘或墙角设置墙排水地漏(图8)。
2.4 选择优异的防水材料
市面上可供选择的防水材料有很多,有卷材类、涂膜类、砂浆类、密封堵漏材料以及各种改善防水性能的添加剂。根据LGS建筑体系的特点,应选择抗变形能力强、与基材粘结性好、耐久性好的防水材料,具体根据工程要求来确定。
2.5 改进防水施工工艺
防水施工有干法施工和湿法施工。对于中低端LGS建筑项目,防水推荐采用造价低、技术难度小、施工快的干法施工;干法施工采用柔性防水材料可满足要求。干法施工对室内装修有所限制,无法采用瓷砖、马赛克等硬质块材,此时只能采用湿法施工。湿法施工时,应将防水设计为刚弹性系统,一方面可适应铺贴瓷砖,另一方面可适应建筑弹性形变。为此应选择粘结性好、弹性高、自愈合能力强的防水涂膜或防水卷材,以及无收缩、抗裂性好的瓷砖粘结剂,严格遵守新型材料的施工工艺流程,确保工程质量。
3 LGS 建筑中厨卫间的防水做法
3.1 楼面防水
设计时, 厨卫地板功能通常被定义为半干性地板,洗浴区做隔离处置。防水做法:先在楼承板上交接处、墙角位置等防水薄弱处铺贴专用防水密封胶带作加强防水,再涂刷防水涂膜,最后采用具有防水、防霉、耐磨性能的塑胶地板作为地面装饰材料。若考虑节省造价,可在楼承板上直接铺设塑胶地板这类防水性能良好的地板材料,并在楼承板拼接处及螺钉处以防水堵漏材料密封。
塑胶地板有卷材和块材2类,均可用作楼面防水装饰面层。塑胶卷材地板施工时可随意裁切,搭接时可焊接达到无缝的效果(图9);塑胶块材地板施工时,由于地板拼接口的特殊设计,块材拼接后可达到紧密防水的效果(图10)。
3.2 墙面防水
虽然卫浴间通常将洗浴区隔离,但其墙面也应具备一定的防水防潮性能。防水做法:先在墙板交接处及墙角位置铺贴专用防水密封胶带作加强防水;再涂刷一层防水涂膜以保护墙体内部结构不受水汽侵袭;最后涂刷耐水腻子作为装饰面层基底。腻子中增设玻纤网,以增加强度、防止开裂。装饰面层材料可选择防水型墙面漆或PVC耐水壁纸。为进一步简化施工和节省造价,也可考虑省去防水涂膜,对墙面板材接缝处和螺钉处以防水堵漏材料密封即可。
3.3 楼面和墙面的防水搭接
通常楼面防水材料的搭接高度应不低于踢脚线,随后墙面防水材料应搭接于楼面防水材料上,每层材料如此搭接分层完成。考虑美观,墙面装饰应与踢脚线在同一平面上,但应在交接处设泛水或踢脚线自带泛水,并做密封处理。对于独立铺设的踢脚线,其与楼面接缝处也应用防水材料密封。
3.4 楼面洞口处理
LGS建筑的卫浴间通常采用墙排水,楼面一般无需开洞,开洞处一般设置地漏。LGS建筑楼承板薄、刚度小,在体系震动中材料不可避免地会发生相对位移,特别是在楼面洞口处。因此,需要固定各部件,限制其相对移动,洞口处防水做法应能够适应各部件间
施工时,开洞位置应尽量选择在靠近楼板梁处,此处楼板受震动产生的位移相对较小;或在开洞位置加设支撑龙骨。暗设于楼板中的排水管应准确地安装在洞口下方,并用规格合适的管卡固定于龙骨上限制其移动。参考台盆下水器原理,在楼板洞口处安装特殊的宽沿漏斗(图11),以使楼板和排水管形成灵的轻微位移。活的搭接,漏斗顶部沿边应用螺钉固定于楼板上,底部伸入排水管一段距离,并在管间空隙处填防水密封材料,或设置弹性橡胶圈以起到防水密封的作用。漏斗沿周围防水材料应伸入至漏斗内部。在安装柔性面层装饰材料时,应按套管洞口大小精确裁切,并与漏斗内的面层材料做好防漏焊接;内部边缘处应用防水材料密封防漏。若装饰层较薄,宜采用无沿嵌入式地漏并打胶密封固定,以免地漏边缘产生高差使排水不畅。
3.5 墙面洞口处理
相比于楼面,墙面洞口处理较简单,主要是侧排口和出墙管线洞口处的防水密封处理。与楼面洞口处理类似,穿墙管线位应尽量选择在龙骨附近,并用合适管卡做好固定;洞口的大小应适合管线大小,并精确对应;在洞口与管线间应设置弹性橡胶密封环填充墙板与管道间空隙,在出墙管外还应做一层密封材料,管道外装饰盖内应填充防水密封胶,多重防护堵漏。
4 结语
LGS建筑体系以其诸多优点代表了住宅未来发展方向,但是室内漏水问题是LGS建筑体系致命缺陷。通过一系列的漏水防治措施和适合LGS建筑体系的防水做法,将使绿色环保的LGS建筑体系能够扬长避短,在住宅行业中得到更多推广应用。
摘要：传统冷弯薄壁型钢结构(LGS)建筑室内防水做法沿用混凝土结构建筑室内防水做法,极易发生漏水。为解决LGS建筑室内漏水通病,文章基于实际应用,从结构、选材、施工等方面提出了室内漏水防治措施,并着重介绍了LGS建筑室内卫生间的防水做法。
冷弯薄壁型钢 篇5
关键词：冷弯薄壁型,抗震性能,影响因素
0前言
冷弯薄壁型钢结构体系主要由屋盖、楼盖、组合墙体及围护结构等组成。屋盖和楼盖主要承受竖向荷载, 组合墙体则既承受竖向荷载, 又承受风以及地震等水平作用。典型的冷弯薄壁型钢组合墙体由C形 (和U形冷弯薄壁型钢构件组成的钢骨架, 与墙面板或交叉支撑经自攻螺钉连接而成。
冷弯薄壁型钢结构相对于传统钢筋混凝土结构具有较大的优势: (1) 用钢量经济, 钢材可完全回收, 建材符合绿色要求, 满足国家环保和可持续发展要求; (2) 轻质高强, 在满足上部承载力的同时对地基承载力要求不高, 可大幅度降低基础造价; (3) 结构的所有构件都可以模数化设计、工厂标准化生产, 能较好地保证质量, 推动建筑产业化进程; (4) 现场组装, 混凝土湿作业少, 施工文明, 对环境影响小, 不受地域和季节的影响, 建设周期短, 加快资金回笼, 降低投资风险, 提高投资效益; (5) 各种管线可暗埋于墙体和楼盖中, 布置简单, 检修维护容易, 墙体截面小, 建筑可用面积大。鉴于该体系的诸多优点, 当前国家和众多企业在市场上大力推广应用。
而我国又地处世界两大主要地震带-环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇部位, 受太平洋板块、印度板块与菲律宾海板块的挤压, 地震断裂带十分发育。板块构造位置决定, 我国地震频繁、震灾严重。近几年的地震给我们国民经济造成了巨头的损失, 冷弯薄壁型钢结构住宅体系要被大众所接受, 必须研究清楚其抗震性能。
1 结构地震力计算
地震力是指结构物由于地表运动而受到相应加速度, 进而产生的惯性力, 土压力和水压力的总称。由于水平振动对建筑物的影响最大, 因而一般只考虑水平振动。水平地震作用的计算方法主要有底部剪力法和振型分解反应谱法[1]。两种计算方法地震力均等于“等效重力×地震系数”, 所以地震力跟结构体系的自重成正比。而冷弯薄壁型钢结构住宅体系自重较普通钢筋混凝土房屋轻很多, 所受地震力较小。
2 冷弯薄壁型钢结构体系抗震性能影响因素
冷弯薄壁型钢结构住宅体系是一个多种构件装配在一起的结构体系, 其体系的抗震性能由组成的各个部分力学性能决定[2]。
2.1 组合墙体
组合墙体按其受力特性可分为承重墙体和抗侧墙体两种, 前者以承受竖向荷载为主, 后者以承受水平剪力为主。
2.1.1 承重墙体
冷弯薄壁型钢结构体系的承重墙体可有效承担屋盖、楼盖传递的竖向荷载。构件壁厚根据所承受的荷载而定, 上部楼层构件的材料厚度可随荷载的减小而减小。所有承重墙窗洞口上方必须设置过梁, 过梁可采用箱形、工形、L形截面或析架形式, 以支撑洞口上的屋架或楼盖梁。
承重墙体除了满足相应的结构构造外, 还应: (1) 减少层间错移, 提高水平抗震力。 (2) 对墙架柱的翼缘进行侧向支撑, 以保证结构的整体稳定性, 提高承载能力。
2.1.2 抗侧墙体
保证抗侧墙体的抗剪和抗倾覆能力, 是研究冷弯薄壁型钢结构体系的关键。为抵抗风荷载、地震作用和确保建筑物在施工期间和建成后的整体稳定性, 必须满足: (1) 构件截面、厚度、尺寸合适, 且可靠连接成一个整体。 (2) 支撑和传力构件布置齐全。
周绪红等[3]对采用OSB板与石膏板作为墙面板的不同高宽比的组合墙体进行了一系列足尺试件的水平单调加载和往复加载试验。研究结果认为:墙体的破坏主要表现在螺钉被拔出, 此时墙面板与墙架柱之间的约束失效;墙体的钢材强度对其抗剪承载力的影响不大。指出了在墙架柱截面和间距不变的情况下, 自攻螺钉的连接对组合墙体抗震性能的起决定性的作用。
2.2 组合楼盖
低层冷弯薄壁型钢结构住宅中, 楼盖主要传递竖向荷载, 但在多层冷弯薄壁型钢结构住宅中, 楼盖除了传递竖向荷载给墙体外, 又要传递水平风荷载及地震力到组合墙体, 更重要的作用是保证抗侧力结构体系的空间协同工作, 因此必须保证楼盖具有足够的强度、刚度和整体稳定性。因而结构设计时不仅要加支撑和加劲件保证楼盖的平面内刚度, 还要合理设计楼盖与墙体、楼盖与基础的有效连接, 提供一个从结构任意部分直到基础的完善传力路径。
贾子文[4]对冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖受力性能从试验、有限元、理论三方面进行了分析, 得到了组合楼盖在施工阶段的强度和刚度;正常使用阶段的抗弯刚度和自振频率;组合楼盖的抗弯极限承载力和破坏机理;组合板的粘结性能、螺钉连接抗剪承载力和破坏模式。证明了通过适当的构造措施能保证楼盖结构的平面刚度。
2.3 连接节点
因冷弯薄壁型钢结构体系中构件壁厚很薄, 墙架柱与楼盖梁节点连接若采用焊接, 施工质量、节点性能不易保证, 且减缓了施工速度。当前工程普遍采用自攻螺钉连接各种构件, 快速且不消弱构件自身强度。
黄川[5]通过自攻螺钉连接的冷弯薄壁C型钢梁柱节点试验, 对连接节点的刚度即连接的M-θ曲线的进行了测试。结果表明螺钉数量和间距对节点的初始刚度和弯矩承载力影响较大。说明了自攻螺钉对节点抗震性能的显著影响作用。
2.4 整体结构
李元齐[2]对一两层高强超薄壁冷弯型钢住宅结构足尺模型的振动台试验, 试验结果表明:结构破坏均发生在连接部位和覆面板的局部区域, 破坏模式为自攻螺钉的脱落和石膏板的局部破裂, 而内部主体型钢龙骨基本无破坏。再次表明该结构体系抗震设计的重点应在构件间的连接。
3 结论
冷弯薄壁型钢结构体系自重较轻, 受到的地震力较小, 再加上该结构的主体构件轻质高强, 结构各部分的力学性能优异, 自攻螺钉连接件成为影响整体结构抗震性能的关键因素之一。在主要构件尺寸不变的情况下, 合理的设置自攻螺钉尺寸和间距是整体抗震性能优化的主要方向。
参考文献
[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[2]李元齐, 刘飞, 沈祖炎, 等.高强超薄壁冷弯型钢低层住宅足尺模型振动台试验[J].建筑结构学报, 2013, 34 (1) :36-43.
[3]周绪红, 石宇, 周天华, 于正宁.冷弯薄壁型钢组合墙体抗剪性能试验研究[J].土木工程学报, 2010, 43 (5) :39-44.
[4]贾子文, 周绪红.冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖振动性能试验研究[J].土木工程学报, 2011, 44 (4) :43-51.
冷弯薄壁型钢 篇6
1 冷弯薄壁型钢受压板件的屈曲性能
基于大变形理论分析板屈曲后性能, 冯·卡门 (von Karman) 提出下式微分方程:
冯·卡门等人引入了“有效宽度”的概念, 假设总荷载由假想的有效宽度b上将板边应力作为均匀分布应力来承担, 以代替考虑沿整个板宽度的非均匀分布应力。
温特根据对冷弯薄壁型钢的广泛研究提出了计算沿两纵边简支的板的有效宽度b的修正公式为:
通过引入代fmax替Fy, 使公式即可适用于正常使用荷载, 也使用于极限破坏荷载;通过引入经验修正系数, 考虑包括初始弯矩在内的不同缺陷的累积影响。
AISI提出更加符合实际的确定有效宽度b的方程
2 各国规范中有效设计宽度的计算方法
2.1 美国AISI STANDARD
在AISI规范中, 对各种边界条件和荷载条件的冷弯薄壁型钢结构受压板件的承载力的计算, 统一采用了以温特 (Winter) 公式为基础的有效宽度设计方法, 即统一化设计方法 (Unified Approach) 。
对于均匀受压的加劲板件和非加劲板件的有效设计宽度b由公式1.2为基础进行确定公式。
在用于确定变形时, AISI为简化计算规定:
对于有一个或多个中间加劲的受压板件的有效宽度公式, 分别以受压板件的宽厚比b0t与S的关系分为三种情况, 根据加劲肋对受压板件的不同约束情况来确定有效宽度和加劲肋的折减面积。
对于有一个边缘加劲的受压板件的有效宽度公式, 分别考虑受压板件的宽厚比小于自由边板件极限宽厚比时;宽厚比大于自由边板件极限宽厚比, 小于简支边板件极限宽厚比时;宽厚比大于简支边板件极限宽厚比时三种情况, 根据边缘加劲肋对受压板件的约束大小来计算屈曲系数, 然后用以求出有效设计宽度和边缘加劲肋的折减面积。
对非均匀受压板件的有效设计宽度b, AISI引入系数Ψ以考虑受压板件在有应力梯度压应力时的情况:
有效宽度1b由下式确定:
有效宽度b2由下式确定:
式中be—用受压应力f1代替f,
屈服系数k按下式计算的有效宽度b:
2.2 中国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002
GB50018-2002中对受压板件有效宽度计算公式是引入了板件受压稳定系数和板组约束系数, 对加紧板件、部分加劲板件和非加劲板件等各种板件综合考虑, 适用于各种板件在各种荷载情况下的计算。
加劲板件、部分加劲板件和非加劲板件的有效宽厚比应按下列公式计算:
ρ—计算系数, ;k—板件受压稳定系数;k1—板组约束系数。
2.3 其他国家关于冷弯薄壁型钢结构规范中的关于有效设计宽度的设计方法
其他国家关于受压板件有效设计宽度的设计方法均有其特点。日本标准的有效设计宽度b与宽厚比ω/t无关, 此方法与林德等人在其可用实验结果统计分析基础上推导的公式:相似;加拿大和墨西哥均采用北美规范;澳大利亚、南非和欧洲标准均采用式 (1.2) ～ (1.3) 给出的温特公式。各国设计规范确定的有效设计宽度的对比图2所示。
3 中国规范与美国规范有效宽度计算结果的比较
尽管我国现行规范与北美规范均以考虑屈曲后强度的有效宽度作为冷弯薄壁型钢构件设计的基础, 但计算结果却存在很大差异。为便于比较, 参照美国冷弯薄壁型钢常用截面形式, 分别对C形截面:150mm×50mm×15mm×1mm/2mm以及U形截面150mm×50mm×1mm/2mm均匀受压板件的有效宽厚比进行计算比较。构件按轴心受压考虑l0x=l0y=1500mm, 钢材采用Q235, 有效宽厚比计算结果见表1。
从表1可以看出, 宽厚比较大板件的有效宽厚比, 我国规范计算结果比美国规范计算值全面偏低, 板件越薄, 这个趋势越明显。由于我国的规范都是在板件厚度为2-6mm之间进行的试验研究, 对于小于2mm的板件, 既缺乏研究又缺乏使用经验, 我国规范关于有效宽度的计算公式不能直接使用, 必须做进一步的研究工作, 可以借鉴美国规范的计算方法。
4 结语
美国AISI对冷弯薄壁型钢结构采用统一化设计方法 (Unified Approach) 来表述。虽然简单有效, 但板件的有效宽度计算是建立在单板的理论研究和试验研究成果上的, 没有充分考虑整个截面局部屈曲的作用。中国现行《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002规范给出的受压板件有效设计宽厚比的计算公式是考虑相邻板件对计算板件的约束影响, 以板组受压的理论分析和试验结果为依据制订的, 按此法所得之计算值和相应试验值的吻合程度更好, 更能反映其实际工作性能, 更便于编程电算。
目前的冷弯薄壁型钢的局部屈曲特性的研究还不是很完善, 其计算方法要么以单板作为分析单元, 要么是根据简单常用截面来考虑板组效应, 难以在计算非常规截面时保证精度。所以研究任意截面的板件在任意荷载情况下, 同时考虑扭转效应、初始缺陷和开孔洞等的影响, 提出计及各类受压板件局部屈曲影响的冷弯薄壁型钢构件极限承载力的计算方法, 将具有重要的意义。
摘要：本文介绍了冷弯薄壁型钢受压板件的有效宽度计算理论, 通过各国规范关于受压板件有效宽度设计方法的介绍和算例结果的比较, 来分析冷弯薄壁型钢利用屈曲后强度的理论和发展。
关键词：冷弯薄壁型钢,受压板件有效宽度,屈曲后强度
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.冷弯薄壁型钢结构技术规范.GB50018-2002.
[2]AISI STANDARD.North American Specification for the Design of Cold-formed Steel Structural Members.
[3]梁爱华, G.J.Van Den Berg.国外冷弯薄壁型钢设计有效宽度理论介绍.安徽建筑, 1999, Vol.2:13-15
[4]李元齐, 姚行友.冷弯薄壁型钢中间加劲板件有效面积计算方法[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2011, Vol.39:11.
冷弯薄壁型钢 篇7
1 试验简述
1.1 试验目的及内容
美国钢铁协会于1997年8月对8组(每组3根计)24根冷弯型钢背靠背双拼卷边槽型组合截面横梁试件进行了承载力试验,主要目的是为冷成型钢框架设计提供经济的横梁尺寸。
1.2 试件及试验装置
所有试件的厚度都不大于2 mm,符合研究对象的要求。现取每组3根试件的平均试验数据进行分析研究,见图1试验加载装置和图2支座约束图。试件的基本尺寸及材料特性(换算成我国常用单位)见表1。
1.3 主要试验结果及结论
试验的主要结果见表2(换算成我国常用单位)。
该试验得到的主要结论有:第一,用单个卷边槽型截面承载力的两倍来设计双拼卷边槽型截面横梁,将会使横梁的跨度非常保守。第二,所有试件加载破坏的模式均由在集中力加载点处受压上翼缘发生局部屈曲引起。试验中没有出现腹板压屈。第三,如果采用更为均匀的加载方式而不是试验中的两点模拟均布加载,试件的承载力会有所提高。第四,所有试件的试验极限承载力均高于计算承载力值,大部分试件是由剪力控制设计的。
2 按我国规范进行理论计算
2.1 试件理论承载力计算原理
首先,试件均按在纯弯段内弯曲破坏计算试件的极限承载力。试件的最大弯矩Mmax=Wex·py。截面的有效宽度按冷弯薄壁型钢结构技术规范中的确定,试件的理论计算荷载Fu1为,
式中:Wex为有效截面模量;py为钢材的屈服强度;l为试件跨度。
其次,按剪力控制计算承载力,试件的最大剪力Fmax≤Ihpv/τ,试件的理论计算荷载Fu2为,
式中:I为毛截面惯性矩;h为腹板厚度之和;pv为钢材抗剪强度设计值;τ为计算剪应力处以上截面对中和轴的面积矩。
比较式(1),式(2)的计算值(取小值)可以得到试件按强度计算的极限承载力。表3为各试件按我国规范理论计算的极限荷载。
2.2 试件的试验和理论承载力比较分析
1)按我国规范计算所有试件的承载力,发现Fu1均小于Fu2,试件的极限承载力由弯矩控制,并且在计算中发现,由于试件腹板有两块,抗剪能力的提高是非常显著的。
2)与美国规范按弯矩控制的承载力计算值Fusa1相比,Fu1与之相差不大,Fusa1/Fu1值在0.9~1.2范围内变化。这说明我国规范中相应的计算条文对计算壁厚t<2 mm的背靠背双拼冷弯薄壁受弯构件是可行的。
3)对于大部分试件,按我国规范计算,承载力Pu1均小于试验值,计算偏安全。C,F和G 3组试件按我国规范理论计算值Fu1均高于试验值,主要原因是:C和G这两组试件高厚比(h/t)比较大;F试件的屈服强度达到466.6,而我国规范中有效宽度计算公式主要针对Q235,Q345钢,计算中可能带有偏差。
4)美国规范计算结果,除了test2以外其余试件的极限承载力均由剪力控制,与试验结果相比相差比较大,偏于保守。而我国规范计算结果与试验符合较好。
3 结论及建议
本文主要结论:一是按GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范的规定计算壁厚小于2 mm冷弯薄壁型钢受弯构件强度承载能力是可行的。二是壁厚小于2 mm受弯构件承载力研究结果表明:GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范中的“主要承重结构构件的壁厚不宜小于2 mm”规定是有局限性的。
于炜文先生曾提出,在冷成型钢结构构件设计中,重要的因素是受压板件的宽厚比及使用的单位应力,钢材厚度本身不是关键因素[2]。因此,在对冷弯薄壁型钢构件的研究中强调绝对的壁厚限值是有局限性的,应该注意优化腹板高厚比以获得具有良好承载力的理想截面。
参考文献
[1]中华人民共和国建设部.GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].北京:中国计划出版社,2002.
冷弯薄壁型钢 篇8
1838年沙俄成为世界上第一个利用压力机生产出冷弯型钢的国家, 其后几年美、英、德、法等国相继建成专业化生产的冷弯机组, 使冷弯型钢的生产和应用发展到了一个新的阶段。但是, 当时由于薄板和钢带的生产不能满足冷弯型钢业的需要, 加之用户对冷弯型钢的特点和效益认识不足, 故冷弯型钢未能得到广泛应用, 影响了冷弯型钢业的进一步发展。进入60年代后, 由于各国相继建设了大量宽带冷、热轧机, 使钢材的品种结构有了较大的变化, 薄板和钢带的产量不断增加, 为冷弯型钢业提供了充足的原材料。此外, 随着科技的进步和生产的发展, 以及适用配套材料的涌现、有关标准规范的问世、实践经验的积累、其优越性的广为人知, 而导致国民经济各部门需求量的日增, 使各国日益重视这种高效经济型材的开发和利用, 促进了冷弯型钢的生产、应用和研究的迅猛发展, 日趋成为一个重要的工业部门。
我国冷弯型钢的生产和应用始于50年代后期, 1958年中国诞生了第一台冷弯轧机并建造冷弯型钢结构厂房, 我国近几年投产建成的几千家钢构公司, 基本都装备有冷轧机, 目前中国的冷弯型钢生产能力约200~300万吨/年, 冷弯型钢在发展我国轻钢结构建筑中起到了十分重要的作用。
2、冷弯薄壁型钢结构的特点
冷弯薄壁型钢结构是指在室温下将较薄钢带通过辊轧或冲压弯折成各种截面的型钢 (如图一) 。冷弯型钢的成型方式比较灵活, 可以根据需要生产各式截面形状的产品 (图二) , 我国目前约能生产出400多种不同规格尺寸的冷弯型钢, 常用的截面有各种形式的压型钢板, 不同尺寸的闭口方管、矩形管、圆管、槽钢、卷边槽钢、Z型钢、角铁及各种组合型钢等。冷弯薄壁型钢结构构件的壁厚不宜大于6mm, 也不宜小于1.5mm (压型钢板除外) 。冷弯型钢的问世开拓了主要借助于优化截面形状而不是单纯依赖改善材质或增加材料用量来提高材料利用率的新途径, 这对于节约能源和资源都具有十分重要的意义。有关资料表明, 同样面积的冷弯型钢与热轧型钢相比, 其回转半径可增大50%以上, 其惯性矩及面积矩可增大5 0%~180%, 故冷弯型钢的受力性能好, 承载力较高, 整体刚度较大, 从而可以节省材料, 减轻结构自重, 而且制作、施工简单, 运输安装方便, 适用于工业化、商品化生产, 有利于改善劳动条件, 缩短建设周期。因此, 对于我国这样一个资源和能源比较紧张的发展中国家来说, 采用冷弯型钢这种高效经济型材在今后是很有必要的。
与热轧型钢相比冷弯型钢性能上还有如下特点:
1) 、冷弯型钢截面材性冷弯后发生变化, 弯角处出现冷弯效应, 即强度提高, 塑性降低;平板部分强度亦有提高;设计时可利用冷弯后强度提高值。
2) 、冷弯型钢截面板件宽厚比大, 设计中不限制板件宽厚比, 允许局部屈曲并利用板件屈曲后强度;热轧型钢结构不允许出现局部屈曲, 限制截面板件宽厚比。
3) 、冷弯型钢单轴对称开口截面较多, 截面抗扭性能弱。由于单轴对称截面一般形心与剪心不重合, 若荷载不通过剪心:压杆常弯扭屈曲起控制;横向受弯构件出现扭转, 产生双力矩。
4) 、压杆失稳模式不同, 整体屈曲模式二者基本相同, 分有a弯曲屈曲、b弯扭屈曲、c扭转屈曲三种模式;局部屈曲热轧型钢不出现, 冷弯型钢有两种局部屈曲模式即局部屈曲和畸变屈曲, 局部屈曲指截面板件交角仍然保持不变, 截面形状不变, 板件交线挺直 (如图三) ;畸变屈曲是冷弯型钢特有局部失稳模式, 它指截面除发生局部变形外, 还发生形状改变, 截面板件交角仍然保持不变 (图四) , 畸变屈曲GB50018尚无计算方法。
3、工程应用
冷弯型钢是属于经济断面钢材, 也是高效节能材料, 是一种具有强大生命力的新型钢材品种, 它广泛应用于国民经济的各个领域, 其用途大约可以分为公路护栏板、钢结构、汽车、集装箱、钢模板和脚手架、铁道车辆、船舶和桥梁、钢板桩、输电铁塔、其他等等10大类。钢结构是冷弯型钢最大的用户, 其应用范围是建筑的承重骨架, 围护板件和屋架檩条、单体构件等。
对于单层大跨度轻型房屋, 主体钢结构采用平面受力特征的门式钢架, 次结构采用冷弯薄壁型钢构件, 围护结构采用压型钢板, 是近20年来国内发展最快、应用最多的一种新型结构形式 (图五) , 与传统钢结构和钢-混结构相比, 这种结构具有2个最为显著的优点:其一, 围护板与檩条连接结合成具有较强蒙皮抗剪刚度的肋搁板, 使得次结构具有极好的构件整体稳定效果, 通过次结构与主体刚架的连接使主结构得到很好的空间稳定效果;其二, 荷载轻, 构件轻巧细长, 地震作用力小, 不控制设计, 不必为了抗震耗能要求使构件做成小宽厚比和小长细比类的笨重构件。
钢结构住宅属于轻钢结构中的一种, 它有其种种优越性, 如 (1) 施工周期短:轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由加工厂制作现场拼接安装, 对一般规模较小的住宅仅需45天至2个月, 而若采用钢筋混凝土建筑则要8~12个月左右; (2) 综合经济效益好:施工周期短, 可以提前投入使用, 提前获取投资效益;建筑物本身的自重轻, 一般情况下不需要做桩基, 可以节省投资;根据目前我国的市场价格, 轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构; (3) 抗震性能好:由于钢结构属于柔性结构、自重轻, 因而能有效地降低地震响应及灾害程度, 极有利抗震。我国是一个多地震区国家, 在地震区建筑中应多多推广应用钢结构, 必可大大减少地震灾害和人员伤亡。2008年5月, 四川汶川大地震后, 冷弯型钢结构体系在灾后重建中发挥了积极的作用, 获得了充分的肯定。 (4) 易于拆卸搬迁:整个建筑可在很短时间内拆迁, 损失极小, 而这是钢筋混凝土建筑所无法具备的。轻钢住宅 (图六) 在北美、欧洲、日本等地早已规模化、产业化, 钢结构住宅的用钢量占建筑用钢总量的30%以上, 建筑面积占总量的40%, 轻钢住宅体系占据了低层民居的相当比例。在我国, 随着国家禁用实心粘土砖和限制使用空心粘土砖政策的推出, 加快了住宅产业化进程、积极推广绿色环保的钢结构住宅体系在国内普遍受到关注。连年超亿吨的钢产量使得国家从以往的“节约用钢”发展到“合理用钢”, 直到现在的“提倡用钢”, 并把钢结构住宅作为“十五”期间建筑业的发展重点。可以预见, 二十一世纪将是我国轻钢结构广泛应用、发展的世纪, 轻钢结构体系不仅将取代砌体结构的房屋, 还将成为钢筋混凝土结构的主要竞争对手。
4、结束语
从我国钢结构住宅发展的总体来看, 目前仍然处于起步阶段, 低层冷弯薄壁型钢住宅体系中配套部件尤其是维护结构板材等可选性少, 而且价格价高, 另外由于基础和系统研究不够, 还有设计、施工、制造等专业技术人员缺乏等等, 这些问题的存在必将制约着冷弯薄壁型钢住宅在中国的推广。我国应根据具体实际情况对低层冷弯薄壁型钢住宅, 无论是结构体系还是配套材料都应进行国产化, 我们要吸收和借鉴国外钢结构住宅体系成果, 建造适合我国国情的住宅。
参考文献
[1]黎钟.冷弯薄壁型钢结构设计手册[M].北京.中国建筑工业出版社.1996.3.
[2]陈雪庭, 张中权.冷弯薄壁型钢结构构件[M].北京.中国铁道出版社.1990.8.