冷弯型钢是以热轧、热处理或冷轧带钢、钢板为坯料经常温弯曲(折)成型而制成的各种截面形状尺寸的型钢,也称之为冷成型钢。冷弯型钢具有一般钢材受力性能好、抗震、可有效降低建筑物自重、连接便捷、施工迅速、环保、材料可循环利用等诸多优点。同时,相对于热轧型钢,具有如下优势:1)冷弯型钢由于一般会利用板件的屈曲后强度,截面板件的宽厚比相对较大,而不像热轧型钢那样受到限制,且断面形状灵活、单位重量的断面性能明显较热轧型钢优越,因而截面高效,一般可节省钢材约10%～40%。2)冷弯型钢采用冷成型,工厂机械化、流水线加工,可以适应多样的形状;冷轧成型精度高、速度快、产量高,宜于大批量工业化生产,因而生产效率大大提高,生产过程也相对节能环保。3)冷弯型钢品种繁多,灵活的断面设计可很好地适应建筑结构工程应用中对截面形状、连接方式等的各种需求。4)冷弯型钢在截面成型加工的同时还可按需要进行截面的二次加工(切边、开孔、连接定位等);厚度较薄时还可采用预涂镀长效防腐技术,并采用简单便捷的自攻(自钻)螺钉连接方式等,都进一步提高了冷弯型钢的应用效率。

　　 近年来,随着国内在传统建筑业领域大力推进预制装配化建造技术、甚至基于建筑集成化和产品化的智能化建造技术,冷弯型钢结构建筑体系的发展及相应设计理论和方法的进步速度大大加快。冷弯型钢具备的冷加工工业化生产、截面灵活多样的特点使得冷弯型钢结构最容易实现构件设计标准化、制作工厂化,同时连接便捷,与工业化轻钢集成建筑的高度集成化、产品化要求相适应。

　　 本文就国内冷弯型钢型材及材性、基本构件设计理论和方法、结构体系及工程应用、防灾研究、技术标准发展历史与现状等进行了简要回顾和总结。在此基础上,就冷弯型钢结构目前存在的问题和发展方向进行了探讨,为国内今后冷弯型钢结构的发展提供参考。

　　 冷弯型钢截面形状与相应构件承载性能及连接方式等密切相关。因此,基于截面效率提升和连接便捷等因素的截面形状优化,或者说新型单一截面型钢和新型拼合截面型钢的开发也是冷弯型钢研究的基本课题之一。目前,按单一截面的形状可分为开口截面和闭口截面;主要产品有冷弯槽钢(C形、U形)、角钢、Z形钢、帽形钢、波形钢板、方管、矩形管、圆管、异形钢管(L形、T形、十字形)等,包括是否带卷边、是否中间加劲(如腹板或翼缘有中间弯折加劲、Σ形等)。同时,各种单一截面可两两或多个相互拼合,如两个槽钢背靠背拼成工字形、卷边靠卷边或翼缘抱合拼成箱形,多个型钢拼成一字形(如带卷边槽钢拼成带空腔的双层钢板剪力墙)、异形截面(如多个槽钢或方钢管拼成墙体转角处柱)等,可组成更为丰富的各类截面。同时,考虑到截面可能因为水电管线排布而开洞,截面及其性能的复杂性将进一步提高。

　　 在材料方面,目前国内厚度2mm以下的薄板可采用现行国家标准《连续热镀锌钢板和钢带》(GB/T 2518—2008)^[1] 中规定的结构级钢板及板带(热轧板以Q235,Q345为主;冷轧板以S280,S350为主)、《连续热镀铝锌合金镀层钢板及钢带》(GB/T 14978—2008)^[2]中规定的550级结构级钢板及板带(现有规范称之为LQ550,按厚度划分后分别对应AISI的G550,G500,G450,G400热处理板)。在厚度2mm以上可生产厚至20mm,展宽2m,材料为Q235,Q345,Q390的多种截面冷弯型钢^[3,4]。另外,从严格意义上讲,采用不锈钢钢板的冷成型截面也是冷弯型钢的一种,但本文的内容不涉及。

　　 今后,将更高强度等级的钢板材应用于冷弯型钢也是一个值得重点关注的方向。

　　 就建筑结构工程应用而言,相对于热轧型钢,冷弯型钢材性至少必须考虑如下特点:

　　 (1)截面冷弯效应,即冷弯型钢钢材因冷成型引起的钢材性能改变的现象。如图1(a)所示,若钢材在单向拉伸至C′点时卸载,其卸载路径为平行于初始弹性上升段OA的CC′。之后再经历加载时,应力-应变路线将直接沿C′C上升,直至极限强度f_u。此时,钢材的名义屈服强度相对原屈服强度f_y明显提高,达到屈服后的塑性变形能力明显降低。冷弯型钢截面尤其转角部位由于冷加工的塑性变形,具备明显的冷弯效应,即屈服强度显著提高(图1(b)),塑性也因之而下降^[5]。对承受静力荷载而言,冷弯效应由于提高了截面特别是转角部位屈服点,构件全截面屈服强度(平均值)得到提高^[6],可考虑冷弯效应带来的强度提高,相关设计标准称之为“考虑冷弯效应的强度设计值”。另外,由于塑性的下降,对构件直接承受动载的性能(如抗震、疲劳等)等会产生不利影响,因而在构件抗震、结构疲劳设计时需作出明确的量化考虑或规定。

　　 (2)热处理影响。冷弯型钢可能采用热处理后的高强薄板,如高强度的550级薄板LQ550;厚壁冷弯型钢钢管等可能会通过退火处理消除残余应力,以提高材料塑性能力。由于材料的热处理,构件及连接的承载性能、抗震性能、高温材性等也会随之受到明显影响。

　　 (3)较高的残余应力水平。由于生产加工过程的不同,冷弯型钢构件中残余应力分布与热轧型钢中完全不同。热轧和焊接截面中残余应力主要由不均匀冷却引起;冷弯型钢中残余应力则由截面成型过程中的塑性变形产生。残余应力对构件的静力强度、屈曲强度、疲劳强度、脆性断裂、应力腐蚀以及钢材硬度等都有明显影响^{[7,8,9,10,11,12]}。因此,对于新的截面或新工艺加工而成的截面,截面的残余应力分布需要开展新的研究,以获取相应截面的残余应力分布模型。当截面厚度相对较大时,由于构件可能直接参与结构抗震的塑性耗能,尤为必要。

　　 近年来,考虑到厚度2mm以下的预涂镀冷弯超薄壁型钢及厚度6mm以上的冷弯厚壁型钢的市场应用需求,国内在冷弯型钢材性方面做了大量的研究,包括为S280,S350,LQ550钢材基本构件设计可靠度分析开展的材料不定性统计和分析^{[13,14,15,16,17]}、针对Q235和Q345厚壁冷弯型钢构件设计中原有考虑冷弯效应的强度设计值计算公式合理性及残余应力分布模型开展相关材性研究^[12,18]等,为新技术、新版标准纳入这些“新”材料提供了研究基础。

　　 相对于热轧型钢,冷弯型钢构件设计需考虑:

　　 (1)屈曲后强度的利用。冷弯型钢截面板件的宽厚比较大,一般会利用板件屈曲后强度,这与热轧型钢一般通过限制板件宽厚比来避免板件的局部屈曲先于构件截面强度破坏或整体屈曲完全不同。因此,在承载力设计中需要采用考虑板件局部屈曲后的承载力计算理论,如广泛采用的有效截面法^{[19,20,21,22]}等。同时,如何在抗震设计中考虑局部屈曲对抗震性能的影响,目前还是一个非常具有挑战性的课题。

　　 (2)畸变屈曲影响。冷弯型钢多为开口截面,为保证翼缘板件的利用效率,常采用带卷边的截面形式。因此,在构件承载过程中可能会发生一种新的屈曲模式——截面的畸变屈曲,即截面翼缘绕腹板和翼缘的交线发生转动而失稳。发生畸变屈曲的构件承载力与它的截面形状和尺寸、畸变屈曲模式、受力状态、端部条件、加劲设置等众多因素有关,使得完整反映畸变屈曲性能的理论分析与计算相当困难^[23,24,25]。

　　 (3)冷弯型钢构件由于板件宽厚比较大,且一般为开口截面,受力过程中会发生构件整体失稳、畸变屈曲以及板件局部屈曲以及相关屈曲,为此针对冷弯薄壁型钢基本构件的研究主要集中在其稳定性和相关屈曲理论上。

　　 (4)由于冷弯薄壁型钢构件应用范围广泛、加工和制作简单、截面形式多样、可形成复杂和组合截面,此类复杂截面构件的受力性能和设计方法研究是目前冷弯薄壁型钢基本构件设计理论研究的重点和难点。

　　 目前研究热点主要集中在以下几个方面:

　　 (1)开孔截面构件。国外学者^[26,27,28]较早就对开孔轴压短柱承载力进行了相关研究,结果表明腹板开孔会降低构件极限承载力,基于板件局部屈曲和构件横截面强度的研究提出了相应的开孔构件承载力有效宽度法计算方法,并用于北美冷弯型钢结构构件设计规范AISI-S100-2015^[20]。Moen^[29]对于腹板开孔的轴压柱承载力进行了系列研究,结果表明腹板开孔截面构件对于较长构件的承载力以及屈曲模式有一定程度的影响,同时会降低构件的延性,提出了腹板开孔构件承载力计算的简化方法。国内学者何保康^[30]通过试验和计算分析表明当孔洞全部位于板件有效宽度之外时,其对构件极限承载力影响较小;而当孔洞进入板件有效宽度内时,随着孔宽的增大,承载力显著下降。赵金友^[31]通过试验和有限元分析得出,与未开孔梁相比,开孔梁承载力较低,但开孔数量对钢梁承载力影响不大。文双玲^[32]对多孔冷弯薄壁槽钢柱在轴心受压作用下的弯扭屈曲性能进行了理论分析和试验验证,提出了体积等效法以考虑孔洞影响。姚永红等^[33]对有中间加劲肋的腹板开孔冷弯薄壁卷边槽钢构件受压性能进行了试验和有限元分析。王春刚等^[34]对腹板开孔复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件稳定性进行了试验研究,表明开孔对于非纯弯构件的承载力降低比较明显,对构件刚度降低比较明显。目前,对于开孔构件受力性能的相关研究成果未提出同我国现行规范《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)^[19]相一致的基于有效宽度法的稳定承载力计算方法,且相关研究主要针对轴压构件,对受弯(剪)构件和压弯构件涉及较少,因此需要对复杂开孔构件受力性能和承载力计算方法进行试验和精细化分析,提出相应的设计分析理论。

　　 (2)复杂组合截面构件。随着冷弯薄壁型钢建筑层数的提高、建筑功能变化以及建筑构造要求,使得在冷弯薄壁型钢结构中复杂组合截面构件的应用逐渐增加,且截面形式也趋于多样性,对其受力性能的研究显得至关重要。Dabaon^[35]等对缀板连接的组合箱形截面轴压构件进行了非线性性能参数分析,并比较了构件承载力与规范计算结果,表明对于发生局部屈曲的轴压组合构件澳洲和欧洲规范计算方法是不安全的。Serrette^[36]对由两个 C 形截面构件和两个 U 形截面构件拼合而成的冷弯薄壁型钢拼合箱形梁在偏心边缘荷载作用下的受力性能进行了试验研究,结果表明:在偏心边缘荷载作用下,拼合箱形梁的主要破坏模式是扭转屈曲,拼合后构件的承载力小于单个构件承载力之和。Xu等^[37]对在北美大量应用于住宅中由单个 C 形和单个 U 形构件拼合而成的箱形截面梁在偏心荷载作用下的抗弯承载力进行了有限元分析。高婷婷^[38]对纯弯破坏时双肢、四肢和五肢拼合冷弯薄壁型钢箱形梁的受力性能进行试验研究,在数值分析基础上提出了计算拼合截面梁承载力的抗弯模量折减法,建立了相应的平面内整体弯曲变形的计算公式。石宇等^[39]在冷弯薄壁卷边槽钢组合工字梁试验和数值分析基础上提出了计算冷弯薄壁型钢梁极限承载力的折减强度法及其相应的计算公式。李英磊等^[40]对双肢拼合构件轴压承载力进行了试验和理论分析,提出了相应的承载力设计估计建议。由于复杂组合截面形式多样,研究者在研究中仅针对特定截面形式构件受力性能进行了相应的数值和理论分析,且研究成果应用于规范设计条文甚少,有必要对冷弯薄壁型钢结构中出现的典型复杂组合截面构件受力性能与设计方法进行精细化分析研究,给出能够应用于我国规范的具有普适效果的简化计算公式。同时,对实际工程常用的双肢以上多肢截面构件承载性能研究国内尚有限。

　　 (3)非纯弯构件。对于冷弯薄壁型钢受弯构件承载力的试验研究不多,Yu和Schafer针对冷弯薄壁型钢构件局部屈曲^[41]和畸变屈曲^[42]性能进行了试验研究,Maduliat^[43]研究了冷弯薄壁型钢构件非弹性屈曲性能,相关研究均采用了纯弯构件进行试验,而对于非纯弯构件受力性能的试验以及受力性能分析研究较少。为了研究不同加载模式对受弯(剪)构件受力性能的影响,必须对非纯弯作用下的受弯(剪)构件受力性能以及承载力计算方法进行试验和精细化的理论分析。

　　 (4)压弯构件直接强度法。目前针对轴压构件和受弯构件的直接强度法研究也相当完善,且我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)^[19]在相关研究的基础上拟引进这种计算方法。但目前对于压弯构件的直接强度法研究尚不够充分,Torabian和Schafer在冷弯薄壁型钢C形^[44]和Z形^[45]截面压弯构件承载力试验研究的基础上,对AISI-S100-2015规范^[20]中压弯构件直接强度法的线性相关方程进行了验证,表明线性相关计算方程非常保守。李英磊等^[46]对压弯构件受力性能进行了试验和理论研究,但未针对直接强度法设计理论进行深入分析。为此有必要对压弯构件承载力计算的直接强度法进行进一步的试验和理论分析研究。

　　 在建筑结构领域,目前冷弯型钢主要用在以下几个方面:1)建筑结构构件:包括各类冷弯型钢钢管柱(包括异形柱、拼合而成的短肢双层钢板剪力墙等)、钢管混凝土柱、拼合截面柱(图2);冷弯薄壁型钢龙骨式复合承重墙体或非承重隔墙(图3);冷弯薄壁型钢门式刚架厂房(图4);金属波纹拱形屋面(图5);作为次结构构件的屋面檩条、墙梁等(图6)。2)建筑围护构件:包括各类预镀锌或铝锌波形板的应用,如压型钢板组合楼盖(图7(a))、各类连接形式的屋面板(图7(b))、具有保温隔音功能的各类复合墙板和屋面板(图7(c))、天沟、落水管、卷帘门等预制配件(图8),各类金属饰面板等。3)其他特种结构构件:如公路防护栏及中央隔离带、用于水处理系统围栏或工程施工中的钢板桩(图9),等等。

　　 冷弯型钢结构体系的开发是推广冷弯型钢应用的前提。目前国内主要集中在低多层冷弯型钢龙骨体系、单层冷弯薄壁型钢门式刚架体系、模块化轻钢体系、冷弯型钢框架(含异形柱框架)体系、冷弯型钢框架-龙骨式复合剪力墙体系、冷弯型钢框架(含异形柱框架)-支撑/剪力墙体系等几种形式,部分结构体系的成套设计理论尚待进一步研究。

　　 考虑到发达国家冷弯型钢的应用主要集中在低多层建筑领域,对冷弯厚壁型钢结构的抗震研究文献^[47]不多,国内则相对迫切。目前的研究主要针对厚壁构件(柱、支撑)性能,主要思路是考虑材性及受力特点合理定义构件的延性类别,再基于与普钢标准^[48]相统一的思想进行结构的抗震设计。另外,冷弯型钢结构、特别是厚壁冷弯型钢结构合理连接构造及其设计方法也是厚壁型钢结构抗震研究的重点之一。

　　 对冷弯薄壁型钢房屋的抗震研究主要包括冷弯薄壁型钢结构体系抗震性能、设计方法的研究,以及对抗侧力单元冷弯薄壁型钢复合墙体抗震性能等。研究成果在北美、澳洲、日本及中国等地已经形成了相应的规范规程。北美规范AISI-S400-2015^[49]及我国低层规程JGJ 227—2011^[50]均以表格的形式提供了各类覆面板复合墙体的抗剪强度指标。

　　 冷弯薄壁型钢体系房屋是由屋面、楼面及墙体三部分组成的应力蒙皮板块体系。冷弯型钢组合墙体作为主要的承重结构之一,它不仅承担竖向荷载,也同时承受风载与地震荷载。组合墙体的抗侧能力主要源自墙面板的蒙皮效应,常见的结构面板有石膏板、胶合板、OSB板、薄钢板等。

　　 2014年,Liu等^[51]对覆OSB面板冷弯薄壁型钢组合墙体实际施工中的一些细节处理方法进行了试验研究,其中包括对内嵌石膏板和边导梁的研究。试验结果表明:对一侧覆OSB面板的冷弯薄壁型钢组合墙体,内侧石膏板和边导梁的设置使得组合墙体的抗剪承载力增加11%～20%。Liu等^[51]的研究针对的是覆OSB面板的情况,且没有单独考虑内嵌石膏板的影响。

　　 李元齐、苏明周等^{[52,53,54,55,56,57]}针对冷弯薄壁型钢结构体系抗震性能进行了系列研究,包括冷弯薄壁型钢龙骨墙体抗震性能试验研究、低层冷弯薄壁型钢结构房屋整体振动台试验研究,并在此基础上提出了此类结构房屋的抗震设计方法。同时基于螺钉连接滞回性能试验,提出了冷弯薄壁型钢复合墙体精细化分析模型及整体结构简化数值分析方法。

　　 为了开发高强度的冷弯型钢剪力墙,张文莹等对波纹板冷弯薄壁型钢组合墙体进行了试验研究^[58],试验内容包括单侧覆波纹钢板、一侧波纹钢板一侧石膏板和单侧同时覆波纹钢板和石膏板三种墙体。试验结果表明,与单面波纹钢板剪力墙相比,同侧覆波纹板+石膏板的墙体抗剪承载力提高117%,初始刚度提高60%;双面覆波纹板+石膏板的墙体抗剪承载力提高19%,初始刚度提高70%。同时,石膏板的设置使得墙体延性性能得到很大提高。同时,为了研究竖向荷载对冷弯型钢剪力墙的影响并首次观测非剪力墙(承重墙)的抗震性能,对波纹板冷弯薄壁型钢组合墙体在恒定竖向荷载作用下进行单调和循环往复水平加载试验^[59],试验内容包括4片剪力墙和4片承重墙。试验结果表明:适量的竖向荷载使得波纹板冷弯薄壁型钢剪力墙抗剪承载力提高20%,初始刚度提高52%;承重墙的抗剪承载力约为同类剪力墙抗剪承载力的34%,其耗能为同类剪力墙的36%。该研究针对的是面板为波纹钢板的情况,并不能代表工程中常见面板的实际情况。

　　 因此,冷弯薄壁型钢房屋体系中非结构构件、非剪力墙(承重墙)的贡献不容忽视。为考察非结构构件和非剪力墙对以覆面板(OSB板、胶合板、平钢板)为工程常见材料剪力墙的影响,有必要进一步对冷弯薄壁型钢组合墙体的抗震性能进行研究。

　　 冷弯型钢由于冷加工,力学性能与冷弯前钢板有了显著区别。同时,冷弯型钢由于截面厚度小,热传导速率高,并且材料冷加工特性随温度升高逐渐消失,导致其高温力学性能降低程度快于热轧型钢。为此,冷弯型钢形成的构件和结构体系在高温下性能也与热轧型钢产生差异,对于冷弯型钢高温下性能需要进行系统研究。

　　 冷弯型钢钢材高温力学性能研究是整个冷弯型钢抗火研究体系的基础。目前,各国现行规范中均没有专门针对冷弯型钢的高温材性曲线。国内,现行《钢结构设计标准》(GB 50017—2018)^[48]和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)^[19]均没有规定钢材(包括热轧及冷弯型钢)的高温材性。国外,澳洲规范^[60]、北美规范^[61]仅给出热轧型钢高温材性曲线,对冷弯型钢并不适用;欧洲规范^[62]、英国规范^[63]虽然给出了冷弯型钢高温材性曲线,但却是基于热轧型钢的研究结果,缺乏合理性。因此,目前冷弯型钢高温材料特性大多通过试验获得。

　　 针对冷弯型钢高温下材性的研究始于20世纪80年代,芬兰学者Makelainen^[64]开启了对冷弯型钢板材高温下力学性能的研究工作,之后Makelainen与其他学者又针对不同强度与厚度冷弯型钢在高温下材性做了持续研究。近年来,澳大利亚昆士兰科技大学^[65]和香港大学^[66]在冷弯型钢钢材高温下力学性能研究方面较为活跃,获得了不少成果。国内叶继红等^{[67,68,69,70,71]}开展了一系列冷弯型钢钢材高温下力学性能试验研究。

　　 在获得了冷弯型钢高温材性数据后,即可在此基础上对构件高温性能展开高温试验,进而通过引入高温材性、初始缺陷、残余应力以及温度场等参数,可建立精细化的有限元模型进行数值模拟。国内外^{[72,73,74,75,76,77,78,79]}针对冷弯薄壁型钢构件高温下性能的研究主要从试验研究、数值模拟、理论分析(修正或评估已有计算公式)等方面入手开展了进一步研究。

　　 目前,国内外针对冷弯型钢结构的抗火设计尚处于基于试验的构件抗火设计方法以及基于计算的构件抗火设计方法阶段,设计理论及方法在关注各类冷弯型钢高温材性的不同的基础上,基本均源于已有钢结构抗火设计方法,结合常温下冷弯型钢设计理论提出经过修正的构件承载力计算模型,但所涉及的材料及构件种类还不够全面。

　　 冷弯型钢结构建筑重量较轻、屋(墙)面构件相对薄柔,导致风荷载成为其设计的重要荷载之一乃至控制荷载。因此,合理考虑建筑表面风荷载分布(如表面分区)非常重要。这方面的研究较多,不再赘述。

　　 另外,冷弯薄壁型钢屋面系统中,冷弯薄壁檩条是轻钢屋面系统中的重要构件,且用钢量所占比重较大,因而,合理设计檩条是保证轻钢屋面系统安全性和经济性的关键所在。工程中常用的冷弯薄壁檩条为C形、Z形等开口截面,其抗扭能力及在弱轴方向的抗弯能力较差。屋面材料所具有的平面内抗剪能力及截面的抗弯能力可为檩条提供一定的侧向支撑和扭转约束作用,对檩条稳定承载力的影响较为显著。

　　 由于檩条与屋面系统的连接构造复杂多样,国外学者Pekoz和Soroushian^[80]很早就针对风吸力下覆面板的C形、Z形檩条开展了一系列大型足尺檩条覆面板系统试验和小规模构件试验,并在此基础上结合数值模拟和理论分析,提出了经典的简化分析模型和基于经验的设计公式,该方法随后被欧洲规范EC3所采用。LaBoube^[81,82]对25组简支檩条和19组连续三跨檩条开展了足尺试验,并与Pekoz^[80]的试验数据进行对比,提出了一种基于经验的设计方法,并被美国钢铁协会(American Iron and Steel Institute,AISI)规范AISI(1991)所采纳。

　　 Brooks和Murray^[83]针对屋面板板型、锁缝构造、支架细节等多变的直立锁缝屋面系统,开展了21组试验,每组试验包含一个两檩单跨试验和两个四檩三跨试验。试验证明,直立锁缝屋面系统中,可以通过常规的设计假定和单跨试验——“The Base Test”来预测C形和Z形檩条的强度。Fisher和Nunnery^84]针对AISI“Base Test Method”,主要考察了檩条同向布置和反向布置时的区别以及考虑屋檐约束条件时屋面对檩条的蒙皮效应,并提出了计算方法。

　　 Katnam等^[85,86,87]研究了跨中支撑和覆面板对檩条承载力的影响以及檩条的跨中最大应力,提出了一种非线性有限元模型来评估第一代(单层板)及第二代(复合板)压型钢板所提供给檩条的扭转约束。Vieira^[88]采取的数值模型考虑了材料及几何非线性、檩条与覆面板间的接触作用,运用该模型分析了檩条、屋面板及连接等变量对风吸力下檩条承载力的影响。Michael ^[89]对Z形檩条单跨、多跨、单檩、多檩体系受屋面系统约束的情况作了较全面的分析,并提出了两种有限元模型:第一种为对前人简化模型的修正,采用Frame Stiffness单元模拟檩条和屋面板,但对比试验结果仍不是特别理想;第二种为精细模型,檩条和屋面板采用Shell单元模拟,计算结果比较理想但计算耗时很久。Kachichian等^[90]对采用可滑动支架与屋面板连接的檩条开展了一系列简单构件试验,分析了檩条截面高度、可滑动支座上的桥接构造、竖向荷载等因素对檩条所受侧向约束刚度的影响,发现滑动片的滑动位移很难确定,且很多因素下的数据离散性较大。

　　 宋晓光等^[91]针对《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102∶2002)和文献[19]中风吸力作用下的计算差异提出了新的计算公式,并被相关规范^[92]采用。童根树等^[93]对28组压型钢板屋面檩条体系进行了足尺试验,并通过ANSYS模型,分析了屋面板、立缝支架和檩条三者的扭转刚度,发现体系总扭转刚度由屋面板、支架和檩条三者的扭转刚度串联而成,影响总扭转刚度最主要的因素是檩条厚度。李元齐等^[94,95]对轻型门式刚架结构的等效静力风荷载进行了试验以及理论研究,提出等效静力风荷载计算方法,同时在理论分析基础上给出了直立锁缝屋面体系固定支座的有效静力风荷载计算方法。

　　 因此,关于锁螺钉屋面系统对冷弯薄壁檩条的约束效应,国内外学者开展了大量较全面、系统的试验研究和数值模拟,提出了较为合理的设计理论。关于暗扣式和直立锁缝咬合式屋面系统对轻钢檩条的约束效应,国内外学者开展了部分测量扭转刚度的构件试验和探索性的数值模拟,但由于该类屋面体系与檩条的连接构造种类繁多,难以形成普遍适用的设计理论和方法。

　　 冷弯薄壁型钢结构在20世纪40年代欧美国家已有应用,如美国钢铁协会、北美、澳大利亚、日本等已制订了相关规范^[20,21,22],大力促进了冷弯型钢在建筑结构、特别是低多层工业化钢结构住宅和工业建筑等中的广泛应用。目前,这些国家或地区的冷弯型钢在厚度上薄至1mm以下,厚达25.4mm(1in),材料种类也较多,如澳洲规范中的高强薄板G550(屈服强度550MPa以上)。在设计理论方面,可以同时按照安全系数法、荷载响应分项系数法或极限状态设计法开展设计^[20],除常用的有效截面法外,还建议采用直接强度法等考虑畸变屈曲、局部屈曲和整体屈曲的相关作用^[20,21,22]。

　　 我国在20世纪60年代由于援外工程的需要,开始研究冷弯薄壁型钢结构的设计方法。当时,主要由同济大学建工系和北京金属结构设计室进行了大量的试验研究,研究内容包括轴心受压构件、受弯构件、偏心受压构件、檩条、屋架和刚架等。在此基础上,于1969年编制了《弯曲薄壁型钢结构技术规范》(草案),这是我国第一本冷弯薄壁型钢结构的设计规范^[96]。之后经过不断研究和发展,于1975年在对1969年《弯曲薄壁型钢结构技术规范》(草案)进行修订的基础上,正式批准出版了《薄壁型钢结构技术规范》(TJ 18-75),又于1987年批准颁布了规范的第二版《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GBJ 18-87),直到目前实施中的第三版《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)^[19]。该规范适用于主要承重构件壁厚2～6mm的冷弯薄壁型钢及较薄的压型钢板,材料仅包括Q235和Q345两种。在设计方法上,基于大量基础数据和系统深入的理论和试验研究成果,提出了具有我国特色、并能够和国外标准相媲美的考虑板组效应的“有效宽度法”^[19,20]。其中,87版规范曾获国家科技进步奖三等奖,2002版规范获华夏科学技术奖二等奖。

　　 目前,该技术标准第四版修编工作已完成,并已提交报批。主要修订内容包括:1)增加了厚度0.6～2mm的S280,S350及550MPa级高强钢材,以及厚度6～20mm的Q235,Q345及厚度2～20mm的Q390冷弯型钢的相关内容。2)改进和优化了有效截面计算公式,使之能够充分、简单地考虑畸变屈曲对构件承载力的影响;增加了中间加劲板件的相关计算内容;作为附录给出采用直接强度法来考虑畸变屈曲影响的轴压和受弯构件承载力计算内容。3)增加新型连接(如波峰采用自攻螺钉连接)等的计算方法及相应构造规定。4)增加了冷弯型钢构件抗震设计的内容,主要针对闭口截面的厚壁冷弯型钢构件,不涉及体系抗震设计。对厚度2.0mm以下超薄壁冷弯型钢龙骨体系,其结构抗震有赖于抗剪墙体的整体受力蒙皮作用,并不取决于龙骨本身的抗震能力。5)在檩条计算方面,增加了连续檩条计算的内容;对简支檩条的计算公式,补充考虑屋面实际构造对檩条的约束影响进行了改进和优化,特别是檩条在风吸力作用下整体稳定的计算方法;在檩条的构造方面,增加了连续檩条构造要求的内容,针对直立锁缝板对檩条稳定性的影响做进一步研究,并提出相关规定。6)根据目前的发展情况,将原规范“刚架”部分改为更常用的冷弯型钢“门式刚架”,并基于现有研究成果和工程实践经验,补充了相关设计内容和构造要求。

　　 为配合采用冷弯薄壁型钢龙骨式复合墙体的低层龙骨体系房屋在国内的推广应用,国家行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(JGJ 227—2011)2011年实施^[50]。该标准为这类新型冷弯薄壁型钢体系在国内的推广应用提供了重要技术支撑。另外一本重要的标准是国家行业标准《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》(JGJ/T 421—2018),其实施将有力推动轻钢龙骨体系在多层建筑中的应用。

　　 为推动轻钢龙骨体系建筑的工业化建造,国家行业产品标准《轻钢龙骨式复合墙体》(JG/T 544—2018)^[97]于2018年实施。

　　 同时,近年来,根据冷弯型钢在不同地区的发展和应用需要,国内也相继完成了一些相关协会及地方技术标准^{[92,98,99,100]}的制定。

　　 综上所述,今后冷弯型钢结构的研究可能重点关注如下几个方面:

　　 (1)冷弯型钢结构新体系开发及其成套设计理论研究。新的体系是推动冷弯型钢应用及研究的重要前提,而新一轮的建筑工业化国家和地方政策将有力推动各种冷弯型钢产品化建筑的开发与应用。

　　 (2)新型冷弯型钢的开发。包括新材料,特别是更高强度的钢板材应用,新的高效截面型钢开发,各类组合截面的开发等。

　　 (3)复杂冷弯型钢截面构件的设计方法。包括各种新截面、新拼合截面、新组合截面、开孔截面构件等,特别是针对复杂截面构件的有效宽度法的发展。

　　 (4)直接强度法的发展和应用。直接强度法具有较明确的物理意义,在计算精度、对异形截面的实用性方面具有优势,但计算相对复杂,对计算机依赖大,这也是本次修编仅作为备选设计方法的原因,另外,直接强度法目前在受弯构件方面仅考虑纯弯构件,对偏压构件还有待进一步的研究。

　　 (5)檩条的精细化设计。对屋面系统对檩条的约束作用影响,目前的考虑还相当粗糙。有必要开展国内典型屋面系统构造对檩条的实际约束作用性能和典型约束参数及取值研究,以提出更精细化的檩条,包括屋面系统的抗风吸及竖向承重设计方法。

　　 (6)抗震设计方法。冷弯型钢结构的抗震设计思路可参考普钢的考虑,对厚壁截面目前仅考虑了闭口截面框架柱和中心支撑,对开口截面柱和支撑、冷弯型钢梁的延性类别对应的宽厚比限值,以及合理节点构造及性能等尚需进一步研究。另外,对低多层龙骨体系和门式刚架体系的抗震问题,还可通过补充抗震设计构造要求来提升结构体系整体的延性类别,进行更精细化的抗震设计。

　　 (7)冷弯型钢抗火设计。目前国内相关规范只有防火设计,针对抗火设计尚需进一步研究。基于冷弯型钢成型工艺影响提出其不同于普钢材料的高温性能参数,进而采用与普钢相一致的抗火设计分析方法是较为现实可行的思路。

　　 (8)冷弯型钢直接承受动力荷载的性能。新一轮《冷弯型钢结构技术标准》修编中明确说明,对壁厚6mm以下的冷弯型钢未考虑直接承受动力荷载的承重结构的特殊要求。因此,对直接承受动力荷载时冷弯型钢的承载性能、特别是疲劳性能等尚需开展进一步研究。