水利与建筑工程学报

Journal of Water Resources and Architectural Engineering

Vol.7No.2J un.,2009

收稿日期:2009201207　　　　　　　修回日期:2009201211

作者简介:南晶晶(1984—

),男(汉族),陕西礼泉人,硕士研究生,研究方向为钢结构。冷弯型钢在国内外的发展及其在建筑结构中的应用

南晶晶1,凌利改2,田国平1

(1.西安建筑科技大学,陕西西安710055;2.河南城建学院,河南平顶山467044)

摘　要:主要介绍了冷弯型钢在国内外的发展及其在建筑中的应用,比较了冷弯型钢与传统建筑材料的差异。最后介绍了我国目前的冷弯型钢建筑体系,指出其存在的现实问题。关键词:冷弯型钢;轻钢结构;工业化中图分类号:TG 142.14　　　　文献标识码:A 　　文章编号:1672—1144(2009)02—0117—03

Development of Cold Bending Steel at H ome and Abroad

and Its Application in Construction

NAN Jing 2jing 1,L IN G Li 2gai 2,TIAN Guo 2ping 1

(1.Xi ’an Scientif ic and Technical U niversity of A rchitecture ,Xi ’an ,S haanxi 710055,China ;

2.He ’nan U rban Const ruction Institute ,Pingdingshan ,He ’nan 467044,China )

Abstract :The development process of cold bending steel in China and other countries and its application in construction

are introduced ,and it is compared with the traditional building materials.Finally ,China ’s current cold bending steel building system is introduced ,and the practical problems in its application are pointed out.K eyw ords :cold bending steel ;light steel structure ;industrialization

　　近年来,随着人类文明和科技的不断发展,导致了自然资源的贫化和枯竭,而冷弯型钢作为一种环保、节能的新型建筑材料被人们广泛接受。冷弯型钢(cold 2formed steel )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。

1　冷弯型钢在国内外的发展概况

将冷弯型钢应用于建筑结构已有百余年的历史。自

1838年起,在俄、美、英等国先后采用压力机或冷拔机生产单

件冷弯型钢;1910年美国首创辊式冷成型工艺并建造了第一套辊式冷成型机组,开始批量生产冷弯型钢,冷弯型钢的发展和应用进入了新的发展阶段[1]。现代轻钢建筑体系诞生于20世纪20年代初,由于汽车工业的发展,最初被用于建造私人汽车库的简易房屋,在二战期间得到快速发展,其间多用于对施工速度要求很高的战地机库,军营等。20世纪

40年代出现了门式钢架结构,1940年冷弯型钢开始广泛地

应用于建筑领域。到20世纪60年代,开始大量应用由彩色压型钢板及冷弯薄壁型钢檩条组成的轻质维护体系,随即出现的H 型钢和冷弯型钢也极大的推动轻钢结构的发展。目前轻钢结构已成为发达国家的主要建筑形式之一,在英国新建的非居住类房屋建筑中90%的单层和60%的多层的建筑都采用轻钢结构,而欧洲其他国家由轻钢结构建造的非居住单层建筑物业也都达到了50%以上

[2～4]

。日本新建的1～4

层建筑大多都采用轻钢结构;美国在轻钢结构的体系分析、设计方法和制造上已经相当完善,并开发出了多种专利产品,其专用设计软件可在短时间内完成设计、绘图(包括结构及施工图)、工程量统计及工程报价,在制作上也实现了高度的标准化和工厂化。在美国常见的是1～2层的民用建筑,主要用于别墅、住宅、医院、学校、宿舍、商业建筑等,由于承重体系为薄壁构件,一般厚度较小,所以此类建筑的使用寿命一般规定为20a ,冷弯型钢已经占据美国建筑钢结构用钢量的45%以上。

我国的冷弯型钢生产始于20世纪50年代,第一台专业化辊式冷弯成型机组于1958年10月投产,主要服务于农机业。20世纪80年代以来,随着改革开放,我国冷弯型钢产量稳步增长,设备生产能力不断扩大,品种日益增多,冷弯型钢的生产业从20世纪50、20世纪60年代的鞍山、上海、重庆扩大到华东、华北、东北等地区,服务范围也扩大到货车、客车、建筑门窗、公路护栏、货架、电器等行业,但都限于中小型机组,品种规格较少,约2000种。到了2002年我国冷弯型钢年产量约为120×104t ,占当年轧制钢材总产量的1%～

1.5%。最近几年由于我国钢铁工业的迅猛发展特别是板带

比重不断提高,已达41.46%,这为冷弯薄壁型钢的发展提供了充足的原料。截至目前,我国共有1000多条冷弯型钢生产线,生产能力达到每年1500×104t ,每年仅房屋建筑业的实际冷弯型钢用量2006年为600×104t ,2007年约为700×

104t ,2008年约为900×104t 。我国建筑业应用冷弯薄壁型

钢也始于20世纪50年代,因为当时钢材产量不高,致使工程应用时起时落,发展缓慢。20世纪90年代国外的轻钢生

产厂家(日本的新日铁、澳洲的博斯格、美国的华兴顿等企业)将整套的结构体系推向我国市场,同时随着我国钢产量的提高都极大地推动了轻钢结构在我国的发展[5]。特别是在1999年,经国家经贸委批准,将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为建筑用钢的突破点,并重点列入国家重点技术创新项目后,人们开始对轻钢结构有了新的认识,我国轻钢结构住宅也迎来了发展的春天。近几年来,我国轻钢结构建筑面积每年总体增长近200×104m 2[6],应用范围包括各类轻型工业厂房、体育场馆、娱乐场所等公共建筑、仓库及储运设备。

2　冷弯型钢在建筑中的应用及其特点

发达国家建筑业用冷弯型钢占冷弯型钢总量的70%以上。冷弯型钢产品应用于建筑业主要是结构用冷成型钢和建筑用冷弯薄壁型钢。

冷成型钢的基本形状为C 形槽钢、Z 形钢、角钢、方管、矩形管和冷弯波形钢板等。槽钢、角钢和方钢管主要用于门式钢架、厂房屋架以及一些联系构件,有些还可与混凝土浇筑在一起组成钢-混凝土组合构件应用于高层建筑,使其具有更好的抗震及防火性能。波形板则可用于屋面板、墙板等维护结构,在90年代初波形板曾被用于拱形波纹屋盖结构,大量应用于仓库和展馆等建筑,但是因为国内、外均没有统一的设计方法,使得此类建筑在设计和施工中都存在很多问题,工程事故时有发生[7],但考虑到其施工方便、施工进度快等优点,这类建筑仍可用于仓库等对生命安全危及较小的建筑中。

冷弯薄壁型钢主要由0.5～3.5mm 厚普通钢板或镀锌钢板经冷压或冷弯而成,基本形状为C 形、Z 形和帽形等,并可形成各种折皱和卷边、拼成I 形或T 形,在房屋建筑中,冷弯型钢可用作钢架、桁架、梁、柱等承重构件,也可被用作屋面檩条、墙架、梁柱、龙骨、门窗、屋面板、楼板等次要承重构件和维护结构[8]。近几年来,随着人们对建筑要求的不断提升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,可移动房屋,精致小巧的别墅都已成为一种时尚,而这类建筑,大多是用冷弯薄壁型钢建造的(见图1)

。

图1　冷弯型钢建成的3层以下民用建筑

冷弯型钢与传统建筑材料相比存在很大差别:

(1)冷弯型钢的自重轻,节约钢材。钢材经过冷加工处

理,在冷弯型钢的弯折区域出现冷弯效应现象,使得强度有所提高[9]。冷弯薄壁型钢与同等面积的热轧型钢相比回转半径可增大50%以上,其惯性矩可增大50%～180%左右[10],在同等负荷下,相对热轧型钢一般可节约钢材10%～

25%左右。冷弯型钢的自重轻,在完成相同功能的前提下,

质量只有混凝土结构的1/8～1/10,是普通钢结构的1/2～

1/3[11]。

(2)结构整体性好,安全可靠,抗震性能好。冷弯型钢

房屋的屋架、墙板、基础牢固的连成一体,此类结构房屋,特别是在墙板附有OSB 板、石膏板或波形板时,应考虑较强的蒙皮效应,使得构件的实际受力、变形均比平面体系设计的减小10%～15%左右[12],可作为房屋的安全储备。由于冷弯型钢的自重轻,设计中地震作用基本不起控制。

(3)冷弯型钢构件的残余应力、连接方式与热轧型钢不

同。冷弯型钢的残余应力是由于常温弯折形成的,而热轧型钢主要是由于冷却不均匀引起收缩变形的不均匀而产生的残余应力,二者的分布和影响均不相同[13]。热轧型钢构件主要通过焊接和螺栓连接,而冷弯型钢构件,因薄板焊接技术要求高,且损坏涂锌层,焊接形式有喇叭焊和电阻点焊等,且应用较少。涂锌冷弯薄壁型钢,主要采用自攻自钻螺钉、铆钉等连接方法,冷弯型钢压型钢板之间还采用无连接件机械式连接(如咬合、扣合式连接等)。

(4)可实现建筑结构的工业化生产,生产周期短。冷弯

薄壁构件基本可实现工厂标准化生产,保证其质量稳定可靠,有利于降低成本。工地现场拼接安装(见图2),安装方便,施工速度快,精度高,且不受季节。如30m 2墙体,其施工周期仅为混凝土墙体的1/8。其建设周期短、回收投资快的特点,能有效减少了前期投资的资金压力,受到广大业主欢迎

。

图2　工地现场拼接

(5)房屋的外形美观,空间布置灵活,使用空间大,综合

经济效益好。冷弯型钢房屋可根据需求做成各种坡度的彩色屋面和彩色墙体,色彩鲜艳、持久,建筑造型美观。建筑空间分割灵活。构件承载力高截面面积小,相对混凝土结构房屋可增大使用空间5%～10%[14]。材料不老化、不助燃、不霉变、不虫蛀、少维修。冷弯型钢房屋基本造价与混凝土房屋接近,但是考虑到基础造价和使用空间等相关因素,其综合经济效益优于混凝土结构。

(6)更环保、节能,建筑垃圾回收利用率高。轻钢结构

相对于混凝土而言,不会排除CO 2,而水泥在制作的过程中

8

11　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　水利与建筑工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第7卷

以及混凝土的成型养护过程都会排出大量的CO 2[15]。施工过程无湿作业,节约水资源[16]。不需模板,无需养护,噪声小,粉尘与垃圾少,可节约人工。轻钢结构房屋以镀铝锌板为建筑材料,建筑拆除后,所有废料均全部回收。

(7)抗风吸能力较弱。作为结构本身由于自重太小,在

沿海或空旷地区由于风速较大,结构不能通过自重来抵消向上的风吸力,以至引起建筑物的破坏。沿海地区曾发生轻钢厂房屋顶在台风中被吹走的事故。因此在设计中应该考虑风吸力大于屋盖自重时,屋架的下弦杆反向受力的稳定与强度计算,以及屋盖与下部墙体的连接是否满足要求。

(8)腐蚀破坏途径与普钢不同。镀铝锌板表面镀层较

钢铁活跃,镀铝锌板与铁直接接触,一旦遇到潮湿天气或铁有部分浸入水中时,就会发生局部锌层被腐蚀(发生吸氧腐蚀时,因为锌较铁为活泼元素,锌层被氧化而保留外部接触的铁),而引起构件破坏,更有甚者可能会导致建筑物整体的破坏。在建筑施工完成后,应及时清扫板材表面,防止铁钉等的残留。

3　我国的轻钢结构建筑体系

我国的轻钢建筑产业发展较晚,目前市场的建筑体系主要依照北美和澳洲的建筑体系。以镀锌冷弯薄壁型钢型材作为结构的承重部分(见图3),为墙板结构体系[17],设计中考虑冷弯型钢的屈曲后强度,以及蒙皮效应的影响[18]。常用于建造2～3层的低层住宅。镀锌冷弯薄壁型钢所使用材料的屈服强度为Q235或Q345。按照建筑要求布置墙体位置,竖向荷载一般由纵横墙体共同承受,墙体钢龙骨采用C 形截面,并按照一定的模数排列,一般中心距为400mm 或

600mm ,冷弯薄壁型钢截面在93～200mm 之间,钢板厚度

在0.85～2.0mm 之间。其楼层结构的梁有桁架梁式和C 形截面两类,桁架梁高度按照荷载、跨度计算得到,一般高度采用200mm 、300mm 、400mm ,C 形截面梁高度一般为235

mm ,主要用于跨度不大且荷载较小时,梁间距一般按照400mm 或600mm 的模数排列,钢板厚度在0.85～2.56mm 之

间,楼层最大跨度目前可达8～9m 。屋架可采用轻钢檩条直接搭接的方式,为了有效传递竖向荷载,屋架每榀间距也为400mm 或600mm ,且落在壁柱上或附近。

轻钢结构住宅

　　①屋架;②屋面板;③屋架上弦;④屋脊;⑤屋架下弦;⑥楼面板;⑦立柱;⑧内部非承重墙体;⑨墙体骨架;⑩墙板;l v 过梁;l w 底梁;l x 楼板梁;l y 柱间支撑填块;l z 基础;l {三向连接件;l |化学螺栓;l }墙体下轨;l ~防潮纸

图3　冷弯薄壁型钢建筑体系详图

的外墙常采用节能、轻质复合夹芯墙,内墙可采用石膏板,厨房及卫生间墙面采用防水石膏板或水泥加压板,楼板采用轻质结构板材,屋面可采用彩钢瓦、彩板瓦等屋面材料。墙体龙骨与基础通过拉脚螺栓和化学螺栓连接。

冷弯型钢建筑在使用过程期间,承受永久荷载和可变荷载。永久荷载包括各种结构构件、维护结构的自重,以及管线和固定设备的自重。可变荷载主要包括屋面活载、雪载、风载、楼面活载和地震力的作用。荷载按照作用方向可分为竖向荷载和水平荷载两类。竖向荷载当合力向下时通过屋架和墙板、墙板与基础之间的接触进行传递,当荷载作用向上时,通过各处的连接件传递拉力[19],保证建筑结构的安全可靠。水平荷载传递比较复杂,但一般认为水平剪力由外墙传到楼板,认为楼板在平面内刚度无限大,各处的水平位移均相等,然后根据与荷载方向垂直的墙体刚度,按照位移等效原则分配楼板传来的水平剪力,再由墙体与基础的连接螺栓将水平力传至基础。设计中为防止拉脚螺栓被剪断而无法传递竖向拉力,认为其不受剪,则其在计算墙体与基础的抗剪能力时,不予考虑。

从目前的发展情况看,此类结构仍存在许多不利的因素:

(1)构件和配件不完善、不齐全,还没有形成完善的生

产链,各个公司生产的构件差异大,不能统一管理,没有形成统一的标准体系。

(2)设计规范和施工规程的进步跟不上轻钢结构实际

发展的要求。

(3)材料本身和建筑技术体系开发不够完善,目前此类

结构仅限于低层(1～3)住宅,中低层(8层以下)住宅。

(4)轻钢结构还没达到或最终也不可能达到通用设计

和优化设计,使得结构体系造价较高,在目前的状况下,经济竞争力不强。

(5)部分专业,如防火、结构等的施工与验收规程,与国家

或行业现行标准不符,使得轻钢建筑在该部分缺乏依据[20]。

(6)人们缺乏对钢结构特别是轻钢结构的正确认识,因

此轻钢结构在民用领域的市场还有待开发[21]。

4　结　语

(1)从发达国家轻钢结构的发展历程以及中国轻钢结

构的发展现状来看,我国在不久的将来终将迎来一个轻钢结构大发展的时代。随着人们对居住条件的要求不断提高,而土地的不断减少和森林等自然资源的不断消耗,使得人们对轻钢建筑的需求不断加强,又由于我国钢铁产量连年增加,使我国以具备发展冷弯型钢建筑的条件。冷弯薄壁型钢建筑的推广应用将有利于我国住宅产业的发展,有利于改造传统建筑结构体系也能够为环保节能作出贡献,对推动钢铁企

业向高层次发展具有重大的意义。

(2)根据其特点,冷弯薄壁型钢建筑的发展,必然走上

工业化、商品化、产业化的道路。但是目前我国仍没有统一的标准对冷弯型钢建筑的市场加以规范,企业与企业之间产品通用性不强,且配套设施不完善。

(下转第135页)

9

11第2期　　　　　　　　　南晶晶,等:冷弯型钢在国内外的发展及其在建筑结构中的应用

5.3　流速分布

图8为计算所得的泄洪深孔洞体中剖面流速云图,图中用不同的颜色代表不同的流速值,左侧标出了流速与颜色的对应关系;图9为试验测出的几个断面的流速值,对比两图可发现,计算与试验吻合良好

。

图8　流速云图(计算

)图9　流速分布(试验)

6　结　语

通过本文的数值计算表明,采用分区网格划分使网格的

划分简单,网格质量提高,其计算所得的流量、压力、流速与试验结果吻合良好,建议对于体型复杂的计算域可采用此方法。参考文献:

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　　(上接第119页)

目前我国对冷弯型钢材料及建筑体系的研究还不够,许多技术问题仍需要深入研究,应该加强高校科研单位与企业的联合,使得实际设计中的问题得以解决。结合我国国情发展轻钢结构的组合结构,加强研究的广度和深度。参考文献:

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5

31第2期　　　　　　　　　　　涛,等:分区结构网格在泄洪深孔数值模拟中的应用下载本文