高强冷弯薄壁型钢在低层住宅中的应用研究
徐厚军郑进
（中南建筑设计院有限公司 武汉 430071）
介绍
随着我国经济的快速发展，住宅建设也得到了迅速的发展。传统的混凝土房屋、砖石房屋不仅建设速度慢、能耗高、舒适度差，而且浪费了大量的土地资源。为此，近年来，我国大力推广使用钢结构住宅系统。近年来，随着我国钢结构产量的不断增加和技术的快速发展，许多新型钢结构体系不断涌现。其中，冷弯薄壁钢结构住宅系统技术也发展迅速。冷弯薄壁钢结构住宅主要由屋面、楼板、组合墙体、连接件和维护结构等组成。组合墙体采用自攻螺钉将墙板与墙框柱连接，形成应力稳定的“板肋结构体系”。该系统具有较高的刚度，可以抵抗地震荷载、风荷载等水平荷载。与传统的钢混、砌体结构房屋相比，该建筑结构具有自重轻、强度高、抗震性能好、工业化程度高、建设周期短、适合工业化等一系列优点。此外，该结构体系中的钢材可以回收利用，使其成为绿色环保建筑。符合国家推进工业化、发展节能节地住宅的政策。
国外冷弯薄壁钢结构住宅已发展多年，并取得了一定的成果。在我国，冷弯薄壁钢结构广泛应用于单层工业厂房和低层钢结构，但在多层住宅建筑中的应用尚缺乏。本文结合国家住宅产业化的发展趋势冷弯型钢在建筑钢结构中的发展，总结了我国冷弯薄壁钢结构住宅的现状，并对其发展进行了展望。
1冷弯薄壁钢住宅体系的组成及特点
冷弯薄壁轻钢结构住宅的结构由上部主体结构和基础两部分组成。基础多为混凝土条形基础或整体混凝土基础。上部结构通过地脚螺栓与基础可靠连接。这种结构形式可以更好地承受地震和风等水平荷载，以及垂直荷载。上部主体结构由轻钢龙骨、墙体、屋顶和外墙板组成。外包面板通过自攻螺钉、各种紧固件和支撑件可靠连接，与框架共同承受竖向荷载。构件的截面形式有多种，但最常用的是U形（普通槽形）和C形（弯曲槽形）。其中，非承重构件（如墙体骨架的顶梁、底梁）多为U型截面；承重构件（如墙体骨架中的梁、柱）多为C形截面。构件之间的连接主要采用自钻自攻螺钉、自攻螺钉和螺栓。
图1 我国开发的冷弯薄壁型钢住宅
与传统建筑结构相比，冷弯薄壁钢结构具有以下特点：
(1)抗震性能好、重量轻
冷弯薄壁钢结构房屋的主要结构材料是钢材。其主要承重材料的厚度仅为1mm左右。楼板结构自重是传统混凝土楼板的1/6至1/4。整体结构自重仅为混凝土框架结构的1/1。 4至1/3，即砖混结构的1/5至1/4。对地基承载力的要求相应降低，地基造价可降低30%左右。房屋结构灵活，重量轻。在相同烈度水平下，其承受的地震作用也大大降低。房屋重量轻的同时，地基的建造成本也降低了。构件材料的高强度和构件之间可靠的连接保证了结构具有良好的整体性和抗震性能。
(2)设计施工方便
冷弯轻钢结构的基础多采用混凝土条形基础，施工简单。主体结构的施工基本上是构件的安装。湿作业少，施工方便快捷，工期大大缩短。比传统砖混结构、混凝土结构缩短1/3左右，从而最大程度缩短资金回收周期。 ，降低房地产开发投资风险，提高投资效益。施工现场噪音低，环境污染小。施工现场清洁，产生建筑垃圾少，大部分材料可回收利用，满足可持续发展要求；施工简单，减少人工成本。各部件之间采用自攻螺钉连接。无需焊接。完全干作业，施工现场干净整洁。
（三）环保节能
作为结构材料的冷弯薄壁钢架和结构板，以及作为辅助材料的石膏板和木龙骨，都是可回收或可再生的材料。冷弯薄壁轻钢结构采用轻钢龙骨作为基本骨架。当房屋过了使用寿命后，钢材可以100%回收利用，符合建筑的环保节能政策。墙体采用特殊保温处理，保温性能优良。
（四）促进住宅产业化
冷弯轻钢结构体系在发达国家已经实现了系统化、标准化、工业化的生产体系。利用计算机及相关软件，可以实现快速生产和施工。住宅产业是我国国民经济的重要支柱产业，住宅的建设和消费对各行各业有着巨大的带动作用。我国冷弯薄壁钢结构的发展也取得了一定的进展，这必将对我国住宅工业化起到巨大的推动作用。
2国内外冷弯薄壁钢结构应用现状
2.1 国外申请情况
随着钢结构行业的快速发展，冷弯薄壁钢结构系统已成为一个独立的新兴产业。在北美、欧洲等发达国家，该体系是低层住宅广泛采用的结构形式。美国和加拿大是冷弯薄壁轻钢结构体系的发源地。 1946年，美国钢铁学会根据Winter教授的研究成果，发布了第一个冷弯轻型钢结构系统的设计规范——《冷弯型钢结构构件设计规范》。该规范的出台极大地加速了冷弯轻型钢结构的发展。钢结构体系在美国的推广应用。随后，美国钢铁协会多次对该规范进行修订，2005年公布的最终版本成为冷弯型轻钢设计国家标准，包括：《冷弯型钢结构通用原则》、《指定标准》加拿大《低层轻钢住宅施工方法》、《冷弯型钢桁架设计标准》、《冷弯型钢过梁设计标准》、《冷弯型钢抗侧力系统设计标准》。 2007年颁布了相关规定。如加拿大薄壁钢建筑结构协会CSSBI颁布了《轻钢住宅结构施工规范》、《轻钢住宅构件选用标准清单》、《轻钢住宅设计导则》美国和加拿大成立北美钢结构联盟（NASFA），最终统一北美冷弯钢结构设计标准。 20世纪70年代以来，欧洲许多国家对冷弯轻钢结构体系进行了系统、深入的研究和开发。英国、法国、德国、捷克等国家已形成冷弯轻钢结构体系的设计标准。同时，欧洲钢协还通过了一些关于冷弯轻钢结构体系构件的相关测试和设计文件。
目前，轻钢结构已成为发达国家的主要建筑形式之一。 2000年，美国有20万套轻钢结构住宅，占住宅建筑总数的20%。目前，美国住宅建筑市场十分发达，住宅建筑所使用的构件已达到标准化、系列化、专业化、社会化水平，商品化程度已达40%。澳大利亚轻钢结构住宅占住宅总数的15%以上，并呈逐年增长趋势。
由于冷弯薄壁钢结构住宅良好的抗震性能，日本近50年来大力发展冷弯薄壁钢结构。日本新建的1-4层建筑大多采用轻钢结构。轻钢结构的系统分析、设计方法和制造已相当完善，并开发了多种专利产品。其专用设计软件可在短时间内使用。完成设计、制图、工程量统计和工程报价，在生产上也实现了高度的标准化、工厂化。迄今为止，日本拥有数量最多的冷弯薄壁钢结构住宅。近年来，日本每年新建约20万套低层冷弯薄壁钢结构住宅，建筑面积约300万平方米。新建住宅中20%为工业化住宅。
2.2 国内申请现状
我国冷弯型钢结构技术的发展起步较晚。 20世纪80年代初，国外先进的冷弯型钢结构技术被引进我国。 1987年，我国颁布了第一部冷弯型钢结构设计标准《冷弯薄壁钢结构技术规范》（GBJ18-87）。 2002年，修订后的《冷弯薄壁钢结构技术规范（GB50018-2002）》发布。 》，新规范还增加了单层住宅设计中考虑表皮作用的设计原则。一些企业结合自身业务考虑，编制了企业标准《薄板钢框架建筑系统技术规程》，并在全国各地备案实施CFSF住宅建设项目。上海绿建公司编制了企业标准《低层冷弯薄壁钢结构施工质量验收规范》（2005年）； 2005年建设部颁布了《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求》，中国工程建设标准化协会（CECS）编制了行业标准《低层冷弯薄壁型钢技术规程》建筑施工（JGJ227-2011）”。
冷弯薄壁轻钢结构的市场应用滞后于技术研究，市场一直没有大的发展。我国冷弯薄壁型钢的应用始于20世纪60年代中期。 20世纪80年代，我国从日本进口了数百套冷弯薄壁钢结构低层别墅。直到20世纪90年代末才开始应用于工业厂房，形成了工业厂房门式钢架的热潮。由此，冷弯轻钢结构体系开始在我国大量投放市场。 20世纪90年代，国外钢结构公司在国内建造了一些冷弯薄壁钢结构别墅。上海美建、杭萧钢构、长江精工等沿海钢结构企业也开始建设低层冷弯薄壁钢别墅。近年来，我国从澳大利亚、加拿大引进轻钢龙骨系统住宅构件进行国内组装。在建设部编制的《钢结构住宅产业化技术导则》的指导下，多家科研单位和钢结构企业在冷弯薄壁钢结构住宅体系的研究方面进行了有益的探索。目前，我国冷弯薄壁钢结构住宅的研究和应用还处于试验和初级阶段，尚未得到广泛推广和应用。但由于这种结构形式工业化程度高，未来发展前景广阔，提高市场份额对于我国建筑、冶金及相关行业的发展具有重要意义。
3冷弯薄壁型钢底层建筑的抗震性能
盖德等人。采用由单墙无面板墙框架和四块组合墙组成的单间住宅模型，研究了冷弯薄壁钢组合墙的抗震性能。研究表明，有角墙、挑挑、裙板的墙体的剪力承载力是相同结构但无角墙、挑挑、裙板的墙体的3倍以上。墙长与其抗剪承载力之间的关系取决于边界条件。吉道等人。对某低层冷弯薄壁钢结构住宅组合墙体进行了振动台试验，并通过试验导出了组合墙体的恢复力模型。研究表明，低层冷弯薄壁钢结构层间最大旋转角度极限在频繁地震下为1/300，在罕见地震下为1/50；此类结构在地震作用下的阻尼比为6%。 Dan（2007）对一栋两层冷弯薄壁钢结构房屋在施工阶段进行了现场测量，跟踪记录房屋在不同施工阶段的动态性能。整理振动记录数据后，对冷弯薄壁钢结构房屋的自振周期、振动变形和阻尼比进行了分析，提出合理的阻尼比取值为5%。
国内学者也开展了相关研究工作。叶红等. (2005)对新型轻钢龙骨系统进行了振动试验研究和动态分析。通过试验，获得了房屋的频率、阻尼、加速度响应、位移响应等抗震性能指标。研究表明，新型轻钢龙骨系统具有良好的抗震性能。张雪娇等. (2005)基于性能化抗震设计思想，研究了多层轻钢龙骨体系住宅建筑的抗震设计方法。对多层轻钢龙骨系统在“频繁、偶发、罕见、极罕见”地震作用下进行基于位移的抗震设计分析。分析表明，在7度抗震设防地区建造4至5层轻钢龙骨系统住宅是完全可行的。刘峰等. (2006)研究了新型轻钢龙骨系统的受力特性。他们建立了两层钢结构的有限元模型，并分析了该结构在不同输入波激励下的动力响应。
同济大学与上海钢之杰钢结构建筑有限公司、博思格建筑系统住宅部合作，开展冷弯薄壁钢结构底层建筑抗震性能研究。他们设计并建造了一座LQ550和两座S350冷弯薄壁钢结构二层房屋的全尺寸模型。模型平面尺寸为4m×6m，高度为6.915m，住宅楼面活荷载为2.0kN/m2。在抗震分析时结构重力荷载代表值计算中，楼板活荷载合值系数为0.5，因此本次试验施加的楼板配重为100kg/m2。试验选取了3条实测地震波记录和1条人工合成波进行试验，加载条件考虑从7度多到9度罕见。图2所示为测试模型图。测试过程中，出现螺钉连接损坏，主要发生在内墙石膏板的拼接部位。石膏板的损坏主要发生在门框、窗框的角部以及墙板与楼板的交接处。龙骨无明显失稳损伤，截面无变形。试验中观察到的现象多为连接破坏（螺钉松动或脱落）、石膏板局部裂纹或拼接缝错位、带肋波纹钢板脱落等，而内部承重主钢龙骨为基本没有损坏。在7、8度罕见地震作用下，结构刚度没有明显下降。在一次罕见的9度地震中，自攻螺钉因地震力增大而脱落，导致覆面板与龙骨分离，导致结构刚度迅速下降。但结构并没有倒塌，说明该结构可以满足“大地震不倒塌”的要求。抗震设防要求。从地震响应和白噪声扫频结果来看，该类结构的整体阻尼比可建议弹性阶段为0.03，非线性阶段为0.05。
图2 测试模型图
4、冷弯薄壁型钢住宅发展趋势
冷弯薄壁型钢住宅虽然具有一系列优点，但现阶段其推广应用仍面临一些问题。
（一）传统结构形式占主导地位
住宅钢结构体系所使用的地板、墙体等支撑材料与传统住宅不同。人们理解和接受这些新结构和材料的可用性和耐用性有一个时间过程。因此，传统住宅钢结构体系在很长一段时间内仍然是住宅结构的主体。我国传统的结构体系是砖石结构和钢筋混凝土结构。由于砖石、钢筋混凝土结构多年来得到广泛应用，消费者对其有很强的认可感。冷弯薄壁住宅钢结构大量使用轻质屋面材料和墙体材料。该建筑的突出特点是“轻”，因此人们可能非常关心该类型结构的施工安全问题。
（二）建设成本问题
轻钢结构具有许多传统结构形式所不具备的优点，其综合性能远远优于砖混结构。它们缩短了建设周期，增加了有效使用面积，适应了现代生活的需要，减少了污染。具有较好的综合经济效益。与砖石结构和钢筋混凝土结构相比，钢结构系统的造价更高。虽然钢结构的综合经济效益好，综合性能优于其他结构体系，但根据我国人民目前的收入水平，此类住宅体系主要面向中高收入群体。随着构件标准化和工程化的进展，单位面积造价有望低于或等于砌体结构造价。
（三）施工安全问题
钢结构的主要缺点是防火性能较差。因此，与混凝土结构体系和砖混结构体系相比，住宅钢结构体系的防火设计更为重要。根据我国消防法规，即使是低层住宅结构体系，也要求耐火极限在2.5小时以上冷弯型钢在建筑钢结构中的发展，而一般冷弯薄壁轻钢结构房屋的耐火极限仅为1.5小时。因此，为了满足消防法规的要求，必须设定建筑物的耐火极限。根据要求，钢结构表面必须涂覆防火涂料，其施工成本几乎占钢结构成本的1/4。这就导致住宅钢结构体系的成本高于混凝土结构或砖混结构。
5结论
本文总结了我国冷弯薄壁型钢房屋的现状并对其发展进行了展望。首先介绍了冷弯薄壁钢住宅体系的组成和特点，并介绍了冷弯薄壁钢结构的优点。然后介绍了国内外冷弯薄壁钢结构的应用现状。在此基础上，介绍了目前国内外关于冷弯薄壁钢底建筑抗震性能的研究进展。最后探讨了冷弯薄壁型钢住宅的发展趋势。
