冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)研究

陳 明，武志遠(yuǎn)

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)體系概述

冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)體系是指冷彎成型的剛架梁、柱通過節(jié)點(diǎn)板由自攻自鉆螺栓或高強(qiáng)度螺栓連接而成的新型門式剛架結(jié)構(gòu)。冷彎薄壁型鋼剛架是主要承重構(gòu)件，梁柱節(jié)點(diǎn)、梁梁節(jié)點(diǎn)均采用剛接或半剛接的連接形式。此外，相較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系還具有綠色環(huán)保、抗震性好、施工方便、周期短等優(yōu)點(diǎn)。為了探究冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)的受力特性，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗研究和有限元分析。

2 冷彎薄壁型鋼剛架研究現(xiàn)狀

2.1 剛架抗震研究

20世紀(jì)90年代，KARAMANOS A S等[1]對單、雙跨的門式剛架進(jìn)行了豎向荷載下地震波的影響分析。研究表明，門式剛架具有較強(qiáng)的延性性能，耗能良好。此外，作者針對門式剛架提出了一種經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計方法，以保證在罕遇地震下的結(jié)構(gòu)完整性。

邵兵波[2]研究了輕型門式剛架在地震作用下的受力特點(diǎn)。分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的抗震設(shè)計方法存在著較大的弊端。作者結(jié)合門式剛架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在地震作用下的受力特點(diǎn)及反應(yīng)，基于國內(nèi)外鑒定規(guī)范和性能理論抗震研究，提出了門式剛架結(jié)構(gòu)的抗震鑒定方法。

趙根田等[3]對3榀冷彎薄壁C形鋼框架進(jìn)行了試驗研究（試件及加載裝置如圖1所示），并結(jié)合有限元分析了螺栓間距、軸壓比對剛架抗震性能的影響。研究表明，平面內(nèi)失穩(wěn)是試件破壞的主要形式，軸壓比對剛度退化有較大影響，框架的延性系數(shù)、耗能性能優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1 冷彎薄壁C形鋼框架低周往復(fù)試驗裝置

蔡世勛[4]利用試驗及有限元相對圓形孔變截面蜂窩梁柱門式剛架進(jìn)行了抗震性能研究，試驗?zāi)Ｐ图把b置如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，蜂窩梁柱變截面剛架在合理開孔的情況下，抗震性能優(yōu)于普通實腹式門式剛架，且此類門式剛架的開孔率在60%時抗震性能最好，梁的開孔率應(yīng)大于柱的開孔率。

圖2 變截面蜂窩梁柱門式剛架低周往復(fù)試驗裝置

2.2 剛架極限承載力研究

21世紀(jì)初，LIM J B P等[5]通過試驗及有限元對冷彎C形鋼雙拼“工”字形截面門式剛架極限承載力進(jìn)行了研究，試驗及有限元模擬如圖3所示。試驗中，選擇節(jié)點(diǎn)板大小以及節(jié)點(diǎn)螺栓孔排布為參數(shù)，試驗?zāi)Ｐ筒捎闷胀菟ㄟB接，剛架梁柱均由C形鋼雙拼而成，節(jié)點(diǎn)采用剛接的構(gòu)造方式。試驗表明，冷彎薄壁型鋼剛架的極限承載力受節(jié)點(diǎn)剛度的影響較為顯著，有限元模擬結(jié)果與試驗基本一致。

圖3 門式剛架低周承載力有限元模擬及試驗

KWON Y B等[6]設(shè)計了3榀足尺“啞鈴”狀截面門式剛架，改變剛架各節(jié)點(diǎn)處的型鋼厚度及節(jié)點(diǎn)的形狀，對各個剛架同時施加水平及豎向荷載，使其受力更加接近實際工況，試件及加載裝置如圖4所示。試驗結(jié)果表明，屋脊節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)及柱腳節(jié)點(diǎn)的形式均對剛架的承載力有顯著影響。

圖4 “啞鈴”狀截面門式剛架承載力試驗

張久海[7]設(shè)計了小高跨比實腹式門式剛架平面內(nèi)穩(wěn)定試驗，并利用SFAUFEM程序?qū)Σ煌绷浩露?、高跨比的實腹式門式剛架進(jìn)行平面內(nèi)穩(wěn)定分析。研究發(fā)現(xiàn)，小高跨比的門式剛架平面內(nèi)失穩(wěn)以對稱失穩(wěn)為主，并通過參數(shù)分析給出了修正后的柱計算長度系數(shù)。

夏翔[8]采用試驗及有限元結(jié)合的方式，研究采動區(qū)內(nèi)由于沉降、拉伸、壓縮等地表變形而引起的剛架在失穩(wěn)破壞狀態(tài)下的承載力變化，試件及加載裝置如圖5所示。通過研究發(fā)現(xiàn)，柱腳鉸接及半剛性節(jié)點(diǎn)的門式剛架在面對地表變形時的承載力較好，且梁柱線剛度較小也有利于剛架抵抗各類地表變形。

圖5 地表變形下門式剛架平面內(nèi)穩(wěn)定試驗

WILKINSON T等[9]的矩管截面門式剛架承載力試驗，通過試驗找到了節(jié)點(diǎn)處適合焊接的鋼材型號以及承載力較大的節(jié)點(diǎn)連接形式，并給出可以提高門式剛架結(jié)構(gòu)體系整體承載力的措施。

3 冷彎薄壁型鋼剛架體系發(fā)展存在的問題

21世紀(jì)以來，我國冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)體系發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并在2020年抗擊新冠疫情中發(fā)揮了巨大作用。但目前，此類結(jié)構(gòu)體系在我國的發(fā)展和推廣開始遇到困難，究其原因，主要有以下3個方面。

3.1 冷彎薄壁型鋼剛架體系的局限性

自20世紀(jì)以來，冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)體系憑借其出色的抗震性能、空間利用率以及短施工周期得到迅速發(fā)展。但由于其自身的局限性，目前冷彎薄壁型鋼門式剛架結(jié)構(gòu)體系仍主要應(yīng)用于工業(yè)廠房等有限領(lǐng)域內(nèi)，無法在普通居民住宅等領(lǐng)域有較好發(fā)展。

1）冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系在耐火、耐腐蝕等方面相較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較差，在我國南方潮濕的環(huán)境中影響尤為明顯。

2）我國城市用地緊張、人口密集，因此，城市普通住宅以容積率較高的高層建筑為主，但冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系受制于截面尺寸，無法承受高層建筑的較大荷載，只能部分應(yīng)用于樓梯等次要構(gòu)件。

3.2 冷彎薄壁型鋼剛架體系研究相對滯后

近年來，我國學(xué)者對冷彎薄壁型鋼剛架開展了多方面的研究，但由于我國對于此類結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用及研究起步較晚，很多方面的研究相對于國外滯后。

1）目前，我國研究的冷彎薄壁型鋼剛架截面形式較少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較單一。對于不同截面形式、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的冷彎薄壁型鋼門式剛架研究不成體系，缺少相關(guān)的試驗研究。

2）目前相關(guān)試驗研究主要集中在節(jié)點(diǎn)抗震及承載力研究方面，而針對整榀和空間剛架結(jié)構(gòu)體系的試驗很少。此外，部分剛架試驗為縮尺試驗，但由于薄壁型鋼的截面特殊性，縮尺試驗結(jié)果準(zhǔn)確性無法保證。

3）缺少針對冷彎薄壁型鋼門式剛架分析及設(shè)計軟件。張文元等[10]設(shè)計了SFAUFEM有限元分析程序，但還缺乏驗證，程序的準(zhǔn)確性還有待證明。

3.3 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范缺失

我國涉及冷彎薄壁型鋼門式剛架計算、設(shè)計的規(guī)范共有3部，但對于冷彎薄壁型鋼門式剛架的規(guī)定均有不同方面的缺失，阻礙我國冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展。

1）GB 50018—2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[11]對于壁厚較大或高強(qiáng)鋼材的小壁厚截面并不適用。此外，對于冷彎薄壁型鋼的梁柱節(jié)點(diǎn)、屋脊等重要構(gòu)件的計算及設(shè)計方法沒有具體規(guī)定。

2）GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[12]中對于梁柱截面材料及尺寸的規(guī)范要求是不得小于4mm的熱軋型鋼，這對于有較小壁厚的冷彎薄壁型鋼來說顯然不適用。

3）GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[13]中僅有對一般框架的穩(wěn)定性計算、普通鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳的驗算規(guī)定，無法滿足冷彎薄壁型鋼門式剛架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計、抗震要求、平面內(nèi)外穩(wěn)定驗算。

4）現(xiàn)有的冷彎薄壁型鋼剛架相關(guān)規(guī)范中，對于較大斜梁坡度的剛架穩(wěn)定承載力計算方法均為柱計算長度法，此方法忽略了主彎矩及斜梁內(nèi)軸力的影響，導(dǎo)致剛架平面內(nèi)的穩(wěn)定極限承載力計算結(jié)果不準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

通過國內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，冷彎薄壁型鋼剛架是一種較為理想的結(jié)構(gòu)受力體系。該體系具備諸多優(yōu)勢，例如抗震性能良好、造價及施工難度較低、綠色環(huán)保等，隨著防腐、防火等技術(shù)的進(jìn)步，冷彎薄壁型鋼剛架越來越成為許多建筑的首選結(jié)構(gòu)體系。目前，我國冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)體系飛速發(fā)展，相關(guān)的規(guī)范也在不斷完善中，而未來冷彎薄壁型鋼門式剛架的研究應(yīng)該集中在以下方面。

1）開展不同梁柱截面、不同構(gòu)造的新型節(jié)點(diǎn)的冷彎薄壁型鋼門式剛架體系研究，研發(fā)相較于現(xiàn)有剛架體系受力性能更好、造價更低、施工周期更短的結(jié)構(gòu)體系，并建立相應(yīng)部品庫，方便構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

2）對冷彎薄壁型鋼門式剛架結(jié)構(gòu)體系開展防腐及防火研究，利用涂料、材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計上的創(chuàng)新解決該體系的防火、防腐問題。

3）對冷彎薄壁型鋼門式剛架的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行整理改進(jìn)，包括節(jié)點(diǎn)承載力計算、平面內(nèi)外失穩(wěn)驗算、抗震驗算以及各構(gòu)件的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等。

4）進(jìn)行冷彎薄壁型鋼門式剛架結(jié)構(gòu)體系專用有限元分析軟件的開發(fā)，既要保證有限元計算的準(zhǔn)確性及精度，又要提高其計算速度。

雖然我國目前針對冷彎薄壁型鋼剛架的研究還相對落后，但發(fā)展迅速，這主要得益于我國巨大的市場，該結(jié)構(gòu)體系在我國的發(fā)展?jié)摿薮?。隨著研究的不斷深入及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，冷彎薄壁型鋼剛架結(jié)構(gòu)體系將廣泛應(yīng)用于我國各個建筑領(lǐng)域。