钢结构专题
与钢筋混凝土结构相比，钢结构体系具有自重轻、安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资小、环境污染少等综合优势。从整个产品生命周期来看，钢结构建筑是一种节能、环保、可回收的工程结构。在世界范围内，特别是在发达国家和地区，钢结构在建筑工程领域得到广泛应用。在“双碳”目标指引下，我国钢结构建筑必将迎来新的发展机遇。为此，本报特推出钢结构专题，梳理国内外钢结构现状及先进技术，以飨读者。
近年来，冷弯型钢（CFS）结构已在许多国家和设计规范中得到广泛应用。本文简要回顾了CFS结构应用领域、构件设计、系统设计和抗震设计的进展。
01
结构
承重CFS应用的三个主要领域是：框架、金属建筑和机架。本文简要回顾了这些领域，重点介绍了应用的进展以及针对这些应用的针对性研究。
1.1 框架
很多工程师对CFS框架的第一反应是它只能是一个低级的解决方案。从表面上看，CFS框架的低层结构与木结构相似，因此一般的假设是，CFS框架只有在具有木结构传统的国家才有竞争力，并且仅适用于一层或两层结构。然而，中高层 CFS 框架在中高层建筑中越来越普遍，甚至在地震活跃地区也是如此。
目前，北美已经制定了一套完整的CFS框架标准，为建筑规范中采用这些系统奠定了基础。另外，这个市场的很多企业都是面板制造商，因此异地建设的情况也很多。在北美，预制桁架行业为这种建筑形式提供了典范。预制金属桁架现已在北美广泛使用。
1.2 金属结构
在金属建筑中，CFS 组件通常仅用于辅助系统：檩条、围板、板材等。对这些辅助系统（特别是檩条）的研究工作仍然活跃。
CFS框架和承重CFS金属建筑不能完全区分。 CFS 建筑通常试图在内部创建明确的跨度空间，而 CFS 框架则不然。此外，CFS建筑使用钢板作为护套，而不是胶合板、石膏板等。此外，CFS金属建筑通常被设计为一个完整的系统。在某些情况下，预制CFS框架结构的使用延伸到金属建筑（例如，美国的Nunconsteel就提供了这种系统）。各国开展了各种有益的研究。例如，在澳大利亚，框架仅用于加固面板；在匈牙利和波兰，框架采用新的组合截面和连接；在英国，人们对箱壁结构进行了很长时间的研究。
1.3 货架
CFS 存储架是极其高效的结构，长期以来一直采用新颖的横截面和连接方式进行设计。尽管组件和连接在过去没有发生重大变化，但对趋势的理解以及将这种理解转化为改进的设计一直是非常积极的。对柱、柱梁连接和底板进行了重要的新测试。测试规定是先进和标准化的，分析规定也是如此，特别是在二阶分析的使用方面。最近还研究了冲击力和渐进式倒塌等新问题。由于货架结构性能的复杂性，协助 CFS 货架行业的标准组织非常活跃，并且在许多情况下处于领先地位。例如，即将推出的澳大利亚货架标准 (AS 4084) 将为不完美结构 (GMNIA) 的几何和材料非线性分析提供现成且完整的指导，其概念与欧洲规范中的壳结构类似。
02
成员
北美常用的CFS构件有C型（有轮缘和无轮缘）、Z型（通常有斜边）以及各种“帽形”截面。 CFS 货架行业中的柱和梁也采用特殊型材。这些传统截面已使用多年。现在更多地利用制造技术进行横截面创新，并认真突破现有设计方法的界限。
北美长期以来一直忽视跨部门创新，但如图 1 所示，这种情况正在发生变化。例如，已经使用了Σ截面（图1（a）），但欧洲许多地方使用的大跨截面尚未采用。北美最重要的横截面创新专利与预制系统的设计有关。特别是，一些桁架公司使用了具有窄腹板、宽翼缘、中间加强筋和返回边缘的新截面作为弦杆（图1（b））和图1（c））。
CFS 框架还有新的变体，其柱子、门楣、门框、分布构件甚至对角支撑均使用典型的 C 形截面。最受欢迎的高级部分之一是通过托梁腹板上的加固孔提供维修空间。这一想法的演变创造了钢网和 CFS 地板梁的混合体，如图 1(d) 所示。展示。对于非承重应用，已经开发了冷弯型钢（图1（e）），其主要优点是提高了防火、隔热和声学性能。
对 CFS 组件的任何完整讨论都无法避免对 LiteSteel Beam 的深入研究（图 1（f））。封闭管状截面用于开槽法兰，这种方式更常用于热轧钢而不是冷弯型钢。然而，研究人员表明，法兰的高扭转刚度是一个整体优势，并且确实具有独特的特性，最显着的是横向变形。澳大利亚冷弯型钢结构规范为这种独特的 CFS 建筑产品提供了最新的处理方法。
在产品开发阶段，结合多种制造技术，更多独特的CFS截面设计扩展了滚压成型截面的边界。实现更轻、更环保的结构和最大限度地降低材料成本的愿望将有助于将这些概念推向市场。创新的设计方法和设计规范仍然是研究人员面临的挑战，而这种挑战是CFS应用新技术进步的动力而不是障碍。
03
分析
CFS 组件分析是土木工程中不寻常的挑战之一。一方面，使用壳有限元的 GMNIA 分析提供了令人信服且多功能的仿真工具，但对所需知识的敏锐认识和输入可能是一个挑战。另一方面，典型的 CFS 实践要么不使用正式的计算结构分析，要么在使用分析时具有框架元素的线性弹性。框架单元的典型应用并不完全包括非对称构件的扭转弯曲耦合（例如 CFS 的 C 形截面），并且不能涉及与局部或扭转变形相关的截面变形。然而，目前框架单元是计算效率足以用于大型土木系统和大量载荷工况下的线性和非线性分析的唯一解决方案。
在这种情况下，CFS 分析已成为传统土木工程分析的有力替代方案。最值得注意的是，有限条法（特别是在构件层面）已被证明可以在壳有限元的功率和框架有限元所需的效率之间提供有效的折衷。事实上，使用经典有限条法分析稳定构件所生成的特性曲线提供了过去三十年许多设计进步所依据的组织原理。有限条带方法的最新进展包括开源工具的持续开发、稳定性分析通用边界条件的扩展、支持模式分解和识别的约束有限条带方法 (cFSM) 以及通用壳有限元分析。基于模态识别的工具。我们正在努力通过截面有限条分析来丰富框架有限元；但还有一种更优雅的方法——广义束理论（GBT）。
GBT基于丰富的Vlasov梁理论，非常适合框架单元土木工程系统分析的需求。理论上，如果模型中仅包含经典模态，则可以获得传统框架的有限元结果。然而，由于包含局部腹板、扭转、剪切和横向拉伸等截面变形模式，框架单元承担了典型壳有限元的力学作用，但其优点是变形场独立，可以在分析过程中进行分析。提前知道。 cFSM方法是基于GBT的力学假设推导出来的，如图2所示，它们提供了类似的解决方案。最新的 GBT 研究展示了构件级几何和材料非线性分析以及基于 GBT 的框架系统分析，甚至可以包括局部载荷和载荷高度效应的分析。此外，事实证明，GBT 及其识别和隔离给定变形模式的能力为 CFS 性能难题提供了新的见解。工程师甚至可以使用GBT分析工具自己进行实验。几乎所有适用于 CFS 结构的全非线性 GBT 框架单元的研究都已完成，这一进展对 CFS 系统分析的潜在影响不可低估（图 3）。
无论是壳有限元分析还是基于cFSM或GBT的高级模型，都可以执行基于GMNIA的CFS过程。然而，在广泛使用之前，必须认识到 CFS 构件对几何缺陷、残余应力和应变以及建模参数非常敏感。因此，GMNIA 分析的表征输入仍然是 CFS 组件和结构研究的重要领域。尽管在滚压成型过程中的制造缺陷以及残余应力和应变的统计方面已经取得了进展，但重要的研究仍然需要继续。
04
设计：组件
由于局部屈曲、扭曲屈曲和全局屈曲模式的存在，CFS 构件设计变得复杂。此外，基本模式可以彼此相互作用并与材料屈服相互作用。当然，成员系统可以通过次要支持或主要框架进行交互（例如，二阶效应）。 CFS成员设计规范和标准中使用的主要设计概念是有效宽度法；然而，经过彻底审查后，直接强度法 (DSM) 可以用作替代方法。
DSM已被澳大利亚、美国、加拿大、墨西哥、巴西等多个国家正式采用。根据欧洲规范，直接强度法被归类为“通用方法”。 DSM 结合线性特征值分析（例如弹性屈曲分析）和材料非线性分析来提供强度预测。从用户的角度来看，DSM 比欧洲规范的一般方法更加简化，因为它建立了将线性特征值分析与局部屈曲、扭曲屈曲和全局屈曲方面的材料非线性分析联系起来的强度曲线。无论如何，概念和实现本质上是相同的。关于DSM发展的重大新研究已经完成。
CFS 成员经常存在漏洞，DSM 已针对这种情况提供了指导。最近的研究提供了工具来理解和模拟孔对从板到构件的截面屈曲模式的影响，见图 4(a)。采用新的非线性有限元实验倒塌分析来实现 DSM 强度曲线的正确实现；这包括使用净截面屈服特性以及对扭转屈曲损伤的非弹性屈曲状态进行修正，如图 4(b) 所示的过渡所示。
通用 DSM 方法在剪切、剪切和弯曲相互作用方面取得了额外的进展。目前的设计规定主要仅包括腹板的剪切屈曲，并进一步假设腹板是平坦的。新提出的方法将剪切屈曲视为一种截面屈曲模式，类似于压缩和弯曲。明确考虑了法兰对解决方案的影响，以及其他截面细节（例如轧制纵向加劲肋）的影响。研究继续识别局部屈曲、变形屈曲和全局剪切屈曲的同构状态；与此同时，北美正在对整合既定改进的提案进行投票。
在北美，CFS 的火灾分析通常是在给定的（墙壁或天花板）组合上通过实验进行的。然而，最近的研究表明，现有的DSM表达式可以正确预测构件的强度降低，甚至由于现场温度随温度变化而发生的弹性屈曲和受控屈曲模式之间的切换。然而，强度降级与真实火灾分析的整合尚未完成，将在稍后阶段启动。
DSM 明确涵盖梁和柱，但依赖于梁与柱的相互作用。这不符合通用方法或DSM要求。相反，应在实际施加的载荷（至少轴向加弯曲）下评估截面的局部、扭转和整体稳定性。截面屈服强度也可根据实际荷载确定。初步工作表明，以这种方式扩展 DSM 是可能且可取的——在许多情况下，可以显着改进当前的设计。
DSM 的一个缺点是所考虑的屈曲模式相互作用与横截面无关。因此，例如，翼缘和腹板中具有中间加强筋的唇形通道已被实验证明具有有意义的扭曲全局相互作用，但 DSM 仅包括局部全局相互作用，并假设扭曲屈曲模式与其他模态相互作用无关。这一假设在唇部通道中进行了测试，但人们对解释和确定未来处理这些相互作用的最佳方法有浓厚的兴趣。一种方法可能是进一步开发 DSM，最近的作者探索使用截面屈曲模式的应变能分布作为确定截面有效厚度的方法。此外，致力于真正的非线性分析（欧洲规范中的 GMNIA 分析）可能是 CFS 组件设计的最佳最终方向。事实上，Rasmussen 的研究以及澳大利亚 CFS 货架标准 (AS 4084) 为在 CFS 组件设计中使用这种方法提供了开创性案例。
05
设计：壁厚和系统设计
CFS 中的许多创新都是特定于系统的，而不是孤立的组件。因此，设计方法需要向纳入系统分析的方向发展。这种趋势在抗震设计中最为普遍，但在墙壁和屋顶等基本 CFS 系统中也很重要。例如，仅由外部护套支撑的 CFS 螺柱的轴向负载能力的设计规范。如图 5 所示，即使对于名义上具有相同螺柱的墙壁，护套在强度、刚度、延展性和观察到的极限状态方面也起着至关重要的作用。该文献提供了将系统行为集成到 DSM 设计方法中的关键步骤，即如果测试或计算了支柱至护套紧固件刚度和护套隔膜刚度，则可以将其集成到截面稳定性分析中（作为弹性约束），从而获得反映系统级支撑行为的构件的局部、扭转和整体屈曲载荷。当弹性屈曲载荷被适当校正以包括系统级支撑时，强度预测的传统 DSM 表达式与实验结果一致。
作为系统级设计演变的另一个例子，DSM方法也被扩展到连续屋面檩条的设计中，将整个多跨梁及其所有可能的极限状态一起用于稳定性分析和强度预测，而不是与传统设计相比，该设计仅限于横截面。像这样的系统级分析方法对于预测重复框架结构（例如 CFS 框架中常用的框架结构）的效率具有很大的前景。
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设计：抗震
抗震工程和设计是整个结构工程的研究热点，CFS也不例外。在北美，CFS抗震设计没有统一的标准，迫使工程师跨越多种标准来实施他们的设计。非线性时程分析是现代抗震设计概念（例如基于性能的设计）的计算引擎，但由于建模限制，CFS 结构必须大规模简化。 CFS 的系统级抗震设计仍处于起步阶段，当前的主导理念是将所有能量耗散到预先确定的离散元素中，例如代码设计的剪力墙。
CFS框架剪力墙过去已在多个国家和地区进行过测试。意大利测试了木质壁板，加拿大测试了拉杆墙，加拿大和美国测试了钢剪力墙，中国测试了波纹钢剪力墙，美国测试了木质壁板的销钉和粘合剂。将剪力墙测试数据转化为抗震设计的研究也在全球范围内继续进行。在北美，CFS剪力墙设计标准被合并为统一的设计规范。
在地震工程领域，研究人员投入了大量精力来开发将非弹性能量耗散集中到可更换“熔断器”元件中的系统。最近，日本研究人员将这一概念扩展到 CFS 剪力墙，使用了一种非常创新的系统，将延性熔丝集成到固定装置中。测试表明，所得剪力墙系统表现出稳定的循环，在循环测试中几乎没有退化。分析模型表明，其能量耗散性能明显高于现有的 CFS 剪力墙。
作为剪力墙的替代方案，美国成功开发了一种采用热轧钢管柱螺栓连接CFS梁的新型抗震系统。该系统最初用于工业建筑的夹层结构，但在美国钢结构檩条和墙梁，该系统催生了住宅市场的商业框架产品。
CFS地震研究项目也在研究中，包括CFS构件的循环测试、多层剪力墙、隔板甚至全尺寸建筑的振动台测试。
07
综上所述
本文回顾了冷弯钢结构的应用、组件、分析和设计的最新进展。冷弯型钢广泛应用于许多重要的结构领域钢结构檩条和墙梁，并已扩展到中高层建筑领域。冷弯型钢构件已明显发展为包括传统横截面之外的许多优化形状。有限条法和广义梁理论的分析进展为薄壁构件的模态分解和识别提供了有力的支持。将计算出的截面稳定性直接集成到直接强度法中，使构件设计取得了重大进展。人们对冷弯型钢的抗震设计进行了广泛的研究。
总体而言，冷弯型钢结构的最新进展表明，这种多功能薄壁建筑材料仍然具有巨大的潜力。
《世界金属导报》
2024年第34期B12、B13
