【钢结构▪探讨】新型高强冷弯薄壁型钢的研究现状

      近年来，随着中国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快，与传统轧制型材相比，冷弯薄壁型钢具有断面材料分布合理、回转半径大、抗弯和抗扭性能好等特点。它不是像热轧型钢以增加材料面积来提高其承载力，而是通过变化型钢断面形状达到提高承载力和节约钢材的目的。冷弯型钢，指将薄钢板或带钢在常温状态下通过辊轧或冲压冷弯成各种形状的截面型钢，它用相对较少的材料承受较大的外载，不是单纯用增大截面面积，而是通过改变截面形状的方法获得，称之为高 效截面型，也称为钢制冷弯型材或冷弯型材。随着在美国、澳大利亚等地的广泛的应用，使人们对如何使它变得更薄、强度更高给予了足够的重视。

      近几年来，随着我国科学技术水平的不断进步，建筑业的不断发展，人们对材料的要求也不断的提高，提高材料的有效强度和利用率也越来越得到了重视。作为低层钢结构住宅建筑的重要形式之一，冷弯薄壁型钢龙骨式结构近年来在国外发展迅速，目前在国内市场上也有一定规模的应用。另外，在上世纪80年代末期，有关科研单位就开始着手冷弯薄壁型钢用于输电铁塔的可行性研究，但由于当时冷弯型钢的价格较高和技术手段不够完善，加上早期的铁塔规模都较小，已有的热轧型钢完全就可满足使用要求，项目未能立项。随着中国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快，这些经济型材用量在逐年增加，加工成本在降低，加上其自身截面的优良性能，经济效益更为显著。这为冷弯薄壁型钢在输电铁塔上的应用提供了可能性。其中，高强冷弯薄壁型钢作为一种节能、环保、利用率高的材料也越来越引起了学者们的重视。

冷弯薄壁型钢的优势

      1）可变的产品定尺。一座10吨重的铁塔通常由近2000根构件组成，铁塔各构件的长短不一。当前热轧型钢都是定尺产品，因此使用热轧型钢进行塔材下料时，经常出现材料余头，这种由于材料定尺造成的材料损耗多达5%。而冷弯钢产品可按用户需要提供各种尺寸的型钢，成材率高(达99%)，下脚余料少，可有效减少铁塔加工中的材料损耗。

      2）多样的形状。冷弯薄壁型钢截面形状的多样性，可以避免采用90度角钢只能将铁塔设计成方形或矩形以及塔身变坡引起连接构件不共面的弊病，它为设计者设计新型、合理铁塔开创了灵活条件。如可建立三立柱铁塔，铁塔腹杆体系也可进行优化，可设计出更合理的铁塔腹杆布置，这为设计各种新型铁塔体系，进一步减轻铁塔重量、节约材料、减少构件数开创了新途径。

      3）高强度的型材。对于钢结构房屋建筑采用的高强度材料型钢，若采用冷弯型钢产品，可有效避免热轧型钢供货批量限制和轧制工艺困难等缺陷。

      4）防腐问题。由于输电铁塔和其他钢结构建筑长期在暴露于大自然环境之中，为保证其安全，通常采用热镀锌防腐。冷弯薄壁型钢由于截面形状多变、型钢壁薄不太适宜热镀锌。目前，一些先进的防腐技术和工艺在不断地出现，如采用耐候材料和新镀层工艺，为冷弯薄璧型钢的防腐提供了良好的解决措施。

      高强耐候钢的生产工艺已经日趋成熟，已广泛用于铁路系统。在输电铁塔上采用高强耐候冷弯型钢材料，与制造铁塔的传统生产方式相比，虽材质的一次性投资略高，但由于去掉了防腐工序，其经济效益和社会效益显著，经粗步测算，每吨成本可下降20%左右。

高强冷弯薄壁型钢的特点及存在的问题

      冷弯型钢可用作桁架、钢架、柱、梁等承重构件，也可被用作龙骨、墙架、屋面檩条、屋面板、楼板、门窗等次要承重构件和围护结构。随着人们对材料要求的不断提高和建筑理念的不断发展，冷弯薄壁型钢建筑已经成为了一种新的建筑形式。在美国和欧洲等地，低层冷弯薄壁型钢结构住宅得到了快速的发展。基本构件主要有U 形(普通槽形) 和C 形(卷边槽形) 两种截面形式。高强冷弯薄壁型钢构件由于用高强超薄板材弯制造而成，因此在受力方面具有以下两个重要特点：

      1）低延性。镀铝锌或高强镀锌板材因反复冷压而达到高强和薄壁之特点，但与此同时也相应地降低了材料的延性，使材料没有明显的应力硬化阶段，抗拉强度fu 和屈服强度fy 变得很接近，即强屈比fu/fy 接近于1；

      2) 超薄。由于材料强度特别高，所以高强冷弯薄壁型钢结构构件的板材厚度很小，如澳洲在已经建成的房屋中采用高强板材的冷弯型钢别墅房屋的墙体立柱等构件，壁厚仅为0.42 mm。板件薄、截面板件的宽厚比b/t 随之变大，因此，在构件整体屈曲发生之前，板件很易发生局部屈曲，板件局部屈曲与构件整体屈曲之间还存在相关作用，这种相关作用会降低构件的极限承载力。

      从以上特点可以看出，高强冷弯薄壁型钢结构构件的受力性能、屈曲和破坏模式与普通冷弯薄壁型钢构件有较大差别。因为这些差别和特点，使得高强冷弯薄壁型钢结构的应用将产生诸多传统低强度钢材冷弯型钢结构所没有的问题：

      1) 由于高强薄板钢材在达到屈服后几乎无应力强化的阶段，导致其屈服后的刚度和强度储备将明显低于传统低强度钢材，使得在弹塑性工作阶段构件的稳定性和安全性也将低于传统低强度钢材；

      2) 由于应力强化很小，应变硬化的程度也很低，所以高强薄板钢材冷弯型钢的冷弯效应也很小，几乎可以忽略不计；

      3) 由于塑性变形能力较差，为保证结构有足够的变形能力以满足设计要求，不能依靠构件自身的变形，而必须采取其他有效措施使结构获得变形能力；此外，高强薄板冷弯型钢的成型工艺要求较传统低强度钢材高；

      4) 由于高强冷弯薄壁型钢截面宽厚比较大，所以构件不同屈曲模式之间的相关作用不能忽略。基于高强冷弯薄壁型钢的以上特点，对于其力学性能、屈曲性能及破坏模式等性能必须做深入、细致的分析研究。

      目前，屈服强度550 MPa 的高强冷弯薄壁型钢在国内的生产和使用才刚刚起步，但市场应用前景非常广阔。但是，国内现行冷弯薄壁型钢设计规范GB50018—2002仅限定适用于Q235 和Q345钢材，对更高屈服强度的钢材尚无相应条文可依。

高强冷弯薄壁型钢的研究现状

      冷弯薄壁型钢的研究主要集中在3 个方面：

      ①在保证强度的前提下使构件的壁厚更薄，现在主要的研究集中在壁厚2 mm 以下的；②高强度的冷弯薄壁型钢，屈服强度已经可以达到550 MPa；③采用新型的截面形式(见图1)，例如在腹板中间加劲使其变成U 型、V 型等新型的截面形式，用来提高它的强度。以上3 种方法近年来得到了国内外学者的深入研究，获得了成功，也为大家的进一步研究做好了基础。

图1 复杂加劲截面形式

        陈绍蕃、沈祖炎、何保康、李元齐等教授近年来对高强冷弯薄壁型钢进行了深入的研究，对屈服强度550 MPa 的、壁厚2 mm 以下的进行了实验研究，也进一步的给出了更加切合实际的算法，现阶段对于高强冷弯薄壁型钢的算法主要是有效截面法和Shafer 和Pek z提出的直接强度法，但其中也有许多不足的地方。新型的截面形式也是一种提高强度和稳定性的有效方法，可以改变卷边的形式、角度、长度都会使构件的强度得到提高。近些年来，学者们对新型截面形式也进行了深入的研究，有在腹板处加劲，使其成为U 型、V 型截面，用来提高构件的强度和稳定性，进行了大量的实验，在大量实验的基础上，也对有效截面法和直接强度法进行了进一步的修正，使其不断的完善。

        一般而言开口薄壁构件会出现3 种屈曲模式：板件局部屈曲、畸变屈曲和构件整体屈曲。在一定条件下还会出现3 种屈曲模式的相关作用。当发生局部屈曲时板件围绕板件交线转动、交线仍保持直线；当发生整体屈曲时整个横截面发生转动或侧移、截面形状不发生变化；而畸变屈曲发生时板件围绕板件交线转动，其中的部分板件交线不再保持直线、截面形状和轮廓尺寸发生变化(见图2)。

图2 畸变屈曲发生时产生的变化

       由于冷弯薄壁型钢构件所用材料屈服强度越来越高，板件越来越薄，截面形式也越来越复杂，从而畸变屈曲在某些情况下可能成为构件承载力大小的重要因素，冷弯薄壁型钢规范中并未对此作出明确的规定。国内对于畸变屈曲的研究起步较晚，始于20 世纪90 年代。苏明周、陈绍蕃通过对卷边槽钢梁的畸变屈曲进行分析，并提出了受压翼缘屈曲系数kf 的计算公式，并结合我国常用卷边槽钢的截面尺寸，提出了在受压翼缘屈曲系数kf 大于4 时，板件长宽比的限值以及在板件长宽比超过此限值时kf 的低值。陈绍蕃通过对我国常用截面的冷弯卷边槽钢承载力分析指出，可把畸变屈曲看做特殊的局部屈曲处理，翼缘屈曲系数可取3，且卷边宽度足够大时，畸变屈曲就不控制设计了。同时指出了畸变屈曲的实质是卷边过窄而趋于在其平面内屈曲，进而带动相关板件一起屈曲。随着研究的深入，国内学者近几年来对轴压、偏压、受弯构件的畸变屈曲性能进行了系统的试验与理论研究，并对防止畸变屈曲发生的措施进行了相关试验研究与数值分析。姚谏教授对卷边槽形截面压弯构件进行了针对畸变屈曲的试验研究，试验结果与按规范GB 50018—2002 计算值的比较表明:规范偏不安全。之后他又通过有限元模拟提出沿冷弯薄壁卷边槽钢纵向设置隔板用来提高畸变屈曲荷载的措施。何保康教授对腹板翼缘均加劲的卷边槽形截面构件进行了试验研究，指出畸变屈曲有屈曲后强度，畸变屈曲翼缘出现了3 种屈曲模式，局部、畸变和整体屈曲之间存在相关作用，并给出了计算公式。

结语

        现行冷弯薄壁型钢规范GB 50018—2002 还不能适用于高强冷弯薄壁型钢，同时有效截面法和直接强度法对于新型的冷弯薄壁型钢还有待于进一步的验证和完善。同时，为了进一步的开拓市场，更与效的高强冷弯薄壁型钢形式，连接构造及合理的结构体系等方面的研究和开发也是重要而亟待解决的问题，这些问题是我们冷弯型钢业界同仁所共同面对和需尽力解决的，只有解决好这些突出的问题，才能将高强冷弯薄壁型钢应用于更广阔的领域。

        实践证明，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增长方式难以为继，必须尽快加以扭转。使用冷弯薄壁型钢可有效地节约资源和能源。它不仅可减少耗钢，还能降低加工成本，避免环境污染。是一项有显著经济效益和环保意义的工作，所以应及时开展高强冷弯型钢，尤其是新型高强冷弯薄壁型钢在国民经济各领域的应用研究，大力促进能源资源的有效利用和循环利用。