冷弯薄壁型钢的国内外研究现状.doc

冷弯薄壁型钢的国内外研究现状摘 要随着冶金技术的不断进步，近几年高强度冷弯薄壁型钢得到了大力的发展。由于冷弯薄壁型钢构件便于实现工业化生产并可以充分发挥钢材的性能，因此以冷弯薄壁型钢作为主要承重构件的轻型钢结构在国内外得到了较为广泛的应用。由于此类构件的壁厚大多不超过 6mm，因此构件的稳定性问题显得尤为突出，更是在设计中必须要攻克的难题。卷边薄壁 H 形截面型钢是近几年提出的新型截面形式，翼缘增加卷边的主要目的在于提高翼缘的屈曲后强度和侧向弯曲刚度。然而，目前关于此类截面形式的构件研究资料相对匮乏，各类卷边薄壁 H 形截面型钢构件的稳定性能还不明确，因此成为了此类构件得以应用和发展的桎梏。本文主要针对卷边薄壁 H 形截面梁在单向受弯情况下的稳定性能进行研究。 我国现行规范冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）采用有效宽度法对受弯构件进行稳定承载力的计算；澳洲规范COLD-FORMED STEEL STRUCTURES(AS/NZS 4600：2005)在附录中引入了直接强度法。对于卷边薄壁H形截面型钢而言，若采用直接强度法进行设计则会使稳定承载力的计算变得更加简洁准确。关键词：冷弯薄壁型钢，卷边薄壁 H 形截面，畸变屈曲，有限条法，直接强度法 稳定承载力第1章 绪 论1.1引言冷弯薄壁型钢是指由薄钢带通过辊弯成型、冷拔成型等冷加工的方法制成的各种截面形状的钢材。与截面面积相同的热轧型钢相比，冷弯薄壁型钢的回转半径可增大约 50%，截面惯性矩可增大 50%180%。由于加工时成型方便，冷弯型钢的截面形式可以多种多样，以便适应不同使用情况下的不同需求。常用的冷弯薄壁型钢截面主要有 C 型钢、Z 型钢、U 型钢、带钢、镀锌带钢、镀锌卷板、镀锌 C 型钢、镀锌 Z 型钢、镀锌 U 型钢等，截面形式如图 1-1 所示。图1-1常用的冷弯薄壁型钢截面形式目前世界各国生产的冷弯型钢的规格和品种已多达 11000 种，型钢壁厚的范围从 0.4mm到 25.4mm不等。截止到 2000 年时,美国轻钢结构住宅已经达到 20 万栋，占总建筑住宅数量的 20%；澳大利亚采用屈服强度高达 550Mpa、壁厚仅为0.481.0mm涂锌或涂铝锌冷弯薄壁型钢构件建成 12 层的别墅住宅，如图 1-2所示，并且各国政府也正在积极推进轻钢结构房屋的建设与发展1；瑞典更是生产出屈服强度高达 1100MPa的冷弯薄壁型钢产品。 我国现行规范，冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）中规定壁厚在6mm以下的冷弯型钢称为冷弯薄壁型钢，钢材以Q235、Q345为主，并且规定承重结构构件的壁厚不应小于2mm。轻型钢结构房屋建筑中使用的冷弯型钢板件的厚度为36mm ,围护结构用的冷弯型钢的板件厚度为0.30.8mm。此外，关于薄壁厚度的规定，我国规范与欧洲规范和美国规范有一些差别。欧洲规范中规定若构件的宽度在50mm-300mm之间，厚度则应在1.0-8.0mm之间；美国规范（BS5950-1998)规定厚度不超过8mm。近年来，随着我国住宅产业现代化的推进，各种相关配套技术的提高和应用，发展轻钢结构住宅成为一种势在必行的趋势。建设部提出“要大力发展节能与绿色建筑”的要求也促进了轻型钢结构的发展。冷弯薄壁型钢具有质量轻、强度高、便于工业化生产及现场安装等有优点，是发展绿色建筑的理 想建筑材料。以卷边薄壁H型钢为例。卷边薄壁 H 形截面的冷弯薄壁型钢构件作为一种新型的截面形式，可以作为檩条、墙架梁柱、龙骨等次要构件以满足更大跨度的实际工程需要，在此方面较传统的 C 形及 Z 形截面而言具有更明显的优势；还可以在轻型房屋钢结构中作为梁、柱等主要承重构件，使其具有更高的强度及稳定承载力。当卷边薄壁 H 形截面型钢作为主要承受弯矩的构件时，由于卷边的存在一方面提高了截面绕弱轴的惯性矩，另一方面由于卷边的加劲或部分加劲的作用可以提高翼缘板屈曲后强度，进而可以提高受弯构件的稳定承载力。1.2卷边薄壁H形截面冷弯薄壁型钢构件的研究背景及意义稳定问题钢结构领域的核心问题。对于冷弯薄壁型钢而言，因其构件中板件厚度较薄、板件的宽厚比较大，且截面多采用开口形式，从而使其容易发生失稳破坏。但由于板件在屈曲后产生的薄膜效应，并且在其它未屈曲板件的协同工作下使其屈曲后强度可以得到利用，所以不至在板件发生屈曲后立即丧失承载能力。因此冷弯薄壁型钢在工程实践中可以得到较为广泛的应用。 我国行业标准结构用高频焊接薄壁 H 型钢（JGT137-2007）提出了一种新的截面形式卷边薄壁工形截面或者称为卷边薄壁 H 形截面（如图 1-3 所示）。这是一种特殊的卷边薄壁型钢，卷边薄壁 H 形截面型钢是一种优选截面形式，具有板件薄、抗弯刚度相对较大大、截面容易展开、两个主轴方向的惯性矩比较接近等优点。一方面可以有效提高钢结构构件的侧向刚度和钢结构构件的平面外稳定性；另一方面由于卷边对于翼缘板的加劲或部分加劲作用，使得翼缘的局部稳定性能提高；再者由于其自重比较轻，较普通钢结构在相同质量下抗弯和抗压承载能力都要大。卷边薄壁 H 形截面型钢将翼缘进行卷边，由于能供应整截面型材，从而减少了钢结构制造厂大量加工的工作量，进而可以提高工效并节约费用。第2章 国内外研究的现状及发展动态2.1 冷弯型钢结构近代发展冷弯型钢结构在国外已经存在了一个多世纪，然而其广泛推广和应用在轻型钢结构房屋的时间却是在上世纪 50 年代。美国、澳大利亚和英国是冷弯型钢结构研究和应用的先行者。美国冷弯型钢结构中心（CCFSS)在冷弯型钢结构研究的工作中起到了很大作用，在 1996 年到 1999 年三年期间，美国和一些欧洲国家2共同完成了有关冷弯型钢的材料及构件基本性能研究和结构体系性能研究的大量课题，并通过跟实际相结合，不断推进和改进生产，推动了冷弯型钢结构的应用和发展。2.1.1冷弯薄壁型钢国外研究冷弯薄壁型钢结构屈曲模式跟普通钢材的屈曲模式有些差别，各国对于屈曲模式的问题做了很多相关研究。对于开口截面的冷弯薄壁型钢结构的屈曲模式而言可以分为以下三种类型：局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲。其中整体屈曲也就是欧拉屈曲，其包括弯扭屈曲和弯曲屈曲。以卷边槽钢为例，屈曲模式及对应的截面变形如图 2-1 所示：图 2-1卷边槽钢的屈曲模式1978年，Hancock首次在文献3中提出畸变屈曲（Distortional Buckling）的概念；同年，Takahashi发表了有关畸变屈曲模式的论文；1987年，Hancock在文献4中推导了求解槽形受压构件弹性畸变屈曲应力的计算公式;Lau和Hancock在文献56中对帽形受压构件、槽形受压构件、货架柱进行了试验研究，发现当截面为一定的形状和尺寸时，畸变屈曲会对构件的失稳破坏起控制作用；1990年，Polyzois, D.和Sudharmapal7提出评估组成冷弯薄壁型钢截面中的部分加劲板件失稳后的承载能力的统一方法。部分加劲翼缘的截面设计标准，大都以研究处理垂直于翼缘的局部加劲为基础。通过对 46 根受压作用的Z型截面试验测试得到的试验数据进行比较，修订和评定美国钢铁协会中有关斜卷边加劲的冷弯截面设计标准。1992年1994年，Kwon 和Hancock 在文献8910中对高强卷边C形受压构件进行了试验研究，认为“畸变屈曲具有一定的屈曲后强度可以利用”；1995 年，Serrette和Pekoz在文献1112中研究简单卷边和复杂卷边的槽形截面受弯构件的畸变屈曲性能，并通过理论分析给出了设计上述两种卷边槽形截面的设计方法；1997年，Rogers和Schuster在文献13中对卷边C形截面受弯构件和卷边Z形截面受弯构件进行了大量的试验研究，通过分析研究得出结论，认为“局部屈曲和畸变屈曲存在一定的相关作用”；Davies等在文献14 15 16 中等运用统一梁理论（Generalized Beam Theory, 简称GBT）分析研究了受压的畸变屈曲性能和受弯构件的畸变屈曲的畸变屈曲性能，并且利用GBT理论对构件的畸变屈曲荷载进行数值求解；Jin Tang和Ben Young分别对复杂卷边17和斜卷边18的两端固支柱进行了试验研究，发现畸变屈曲具有一定的屈曲后强度，而且畸变屈曲发生时会同局部屈曲和整体屈曲的发生存在着一定的相关作用； 2002年，Schafer通过大量理论分析和试验研究工作对受压构件和受弯构件的畸变屈曲性能进行了更为深入的研究，并且在文献 19 20 21 22中针对求解受压构件和受弯构件弹性畸变屈曲应力的方法做出了相应阐述。文中指出畸变屈曲的屈曲后强度小于局部屈曲，而且畸变屈曲和局部屈曲对于缺陷的敏感程度存在较大差异，畸变屈曲对缺陷的敏感程度较高”；J.Yan和B.Young进行的试验研究表明23，若在设计中不考虑畸变屈曲的发生，则其设计值将偏于不安全；2004年，文献24中指出在进行有复杂加劲的冷弯薄壁槽钢的设计中使用当前北美规范和澳大利亚/新西兰规范的设计规定中的有效宽度法计算构件截面的有效面积时计算过程相当复杂冗长。但如果将直接强度法在设计中进行应用，则不需要进行构件截面有效面积的计算。文章同时还对两端固定且有复杂边缘加劲的冷弯薄壁槽形截面钢柱的试验研究进行了阐述。将由试验得出的强度与由北美冷弯型钢结构规范和澳大利亚/新西兰冷弯型钢结构规范中的直接强度法的预估值进行了对比分析。将试验中得到的破坏模态与直接强度法中预估的破坏模态也进行了对比研究。结果显示，直接强度法预估的带有复杂边缘加劲的槽形钢柱的设计强度与试验结果相比较通常是偏于保守的。 2006年，文献25为带有复杂加劲的开口冷弯薄壁型钢构件的设计提供了建议。 指出当构件发生弹性屈曲时，具有复杂加劲的构件在局部屈曲方面的显示出的性能要明显优于具有普通加劲的构件在局部屈曲方面显示的性能。通过有限元法分析显示，带有复杂加劲构件的极限强度较普通加劲构件而言有明显的提升 ，但是在缺陷敏感性方面则略有降低。直接强度法可以对极限强度提供可靠的预测，因而直接强度法可以应用到构件设计和优化截面复杂加劲构件的实例中去。 2008 年文献26描述了十字形加强截面受压构件的设计和试验研究。其中构件均为由厚度为 0.42mm、屈服强度为 550MPa的冷弯薄壁高强钢材制成。将已纳入北美规范和澳大利亚冷弯型钢结构标准AS/NZS4600 的直接强度法与目前设计上采用的有效截面法进行对比分析研究。试验结果显示在中等长度和较长长度的试件中，局部屈曲和畸变屈曲的相关作用对截面的强度有明显的影响。文中还针对构件的几何缺陷和材料性能进行了试验研究。提出了局部屈曲DSM曲线以及畸变屈曲DSM曲线用以解释局部屈曲和畸变屈曲模式的相互作用效应。 2009 年文献27对在悉尼大学进行的I形截面柱的局部屈曲和整体屈曲的相互作用的研究进行了阐述。使用商用有限元分析软件ABAQUS建立模型并对对已完成的试验数据进行了对比验证，得到试验构件的性能和极限承载力的模拟结果。随后采用有限元模型对构件整体的截面变化和横截面的柔度值等的其它参数进行了模拟分析。对目前澳大利亚/新西兰,北美,和欧洲的设计规范中使用的无缺陷型钢的试验和数据进行了评估，结果显示目前的设计规范很难对I形截面柱的局部与整体相关作用的发生机理适当的解释。 2.1.2冷弯薄壁型钢国内研究1997 年，苏明周、陈绍蕃28在文献对冷弯薄壁型钢结构技术规范中常用的卷边槽钢截面尺寸进行了分析，给出了卷边对于翼缘的支承作用使之成为加劲板件时，翼缘板对应的长宽比限值； 2002 年，陈绍蕃 29教授对冷弯槽钢轴心受压构件在考虑局部屈曲和畸变屈曲具有相关作用和不考虑部屈曲和畸变屈曲具有相关作用的两种情况进行了对比分析研究。并指出当卷边薄壁的屈曲系数为3.0且卷边宽度足够大时,畸变屈曲不控制设计并可归并到局部屈曲计算之中； 2006 ，蒋路、何保康年30313233等对高强冷弯薄壁槽钢轴压柱的畸变屈曲性能进行了试验研究和理论分析，并指出局部屈曲和畸变屈曲存在着相关作用，这种相关作用将降低畸变屈曲构件的极限承载力； 2008年武胜和张素梅34采用ANSYS非线性有限元分析方法建立了有效的分析模型, 得到各参数对构件力学性能的影响规律。研究结果表明, 新型截面轴压构件板件的局部屈曲不易出现, 对于中、小长细比构件的极限应力常可达到材料的屈服强度。2009年郭彦林和张婀娜35将卷边薄壁工形截面构件的翼缘屈曲系数、腹板屈曲系数与普通工形截面构件的翼缘屈曲系数、腹板屈曲系数进行了对比研究。并认为卷边薄壁工形截面构件具有更好的经济适用性。在文献36中指出由于普通工字型截面构件的翼缘板截面形式的不足使其容易发生局部屈曲。在板组效应的影响下翼缘板发生屈曲后会导致构件稳定承载力急剧下降,。因此设计时必须严格限制翼缘板的宽厚比以防止翼缘板发生局部屈曲。卷边薄壁工字型截面构件是一种冷弯薄壁截面构件, 可以在轻型房屋门式刚架结构、跨度超过12m的檩条构件中得到广泛的应用。文中在分析研究卷边薄壁部分的屈曲模态、屈曲荷载和构件的几何参数( 如卷边宽度系数、卷边宽厚比、构件长宽比等) 的关系时采用了特征值屈曲分析法。主要针对均匀受压卷边薄壁的局部屈曲性能进行了研究，并对跳跃点进行拟合，提出了确定卷边发挥加劲作用的计算公式。在文献37中采用大挠度弹塑性分析方法对卷边薄壁工形构件在轴心压力作用下的稳定承载力进行了研究，并采用无量纲的研究方法得到构件的稳定承载力计算公式。在文献38中指出卷边工形构件破坏模型是常伴随板件的局部屈曲的整体失稳，并通过大量数据分析得到构件整体稳定承载力，建立了压弯构件的稳定承载力的建议设计公式。文献33中对550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压柱发生畸变屈曲，考虑材料和几何双重非线性的有限元法分析，并与由直接强度法计算得到的畸变屈曲轴压柱极限承载力比较。指出可用Ansys分析畸变屈曲，用直接强度法分析畸变屈曲的极限荷载是偏于安全的。在文献34中采用有限条程序CUFSM对受弯构件局部屈曲应力进行分析,利用有限条程序对一些参数进行计算分析,表明腹板翼缘宽度比对帽形截面构件局部屈曲稳定系数的影响很明显。2010年，姚行友、郭彦利在文献35中采用有限条程序 CUFSM 对截面形式为TS40 和 TS61 的 19 根 550MPa 高强冷弯薄壁型钢帽形截面檩条构件的局部屈曲应力进行分析，结果表明腹板翼缘宽度比是影响帽形截面简支檩条受压翼缘局部屈曲稳定系数的重要因素；2.1.3现有研究工作的不足国内外展开的相关研究工作仅仅是针对冷弯薄壁型钢的传统截面展开的，对于新型的截面形式的研究尚处在起步阶段。在文献2935中分别对轴心受压构件、受弯构件、压弯构件的稳定性能进行了有限元的分析，得到了一些初步结论及建议公式。但是关于卷边薄壁 H 形截面型钢的性能分析还不够完善，并没有采用目前国际上对于研究此类问题普遍采用的有限条法进行分析，也没有进行直接强度法方面的适用性研究。 参考文献1 弓晓芸.浅谈轻钢结构低层住宅.钢结构.2001,16(6):27-29. 2 袁婷，杨清丽.冷弯型钢在国内外建筑业中的应用与研究情况.建材世界2010,31(2):120-122. 3G.J. Hancock. Local，Distortional and Lateral Buckling of I-beams. Journal ofStructural Division, ASCE, 1978,104(11): 17871798 4 S.C.W. Lau, G.J. Hancock. Distortional Buckling Formulas for Channel Columns.Journal of Structural Engineering. 1987,113(5): 10631078 5S.C.W. Lau, G.J. Hancock. Distortional Buckling Tests of Cold-Formed Channel Sections. Ninth International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, St Louis, Missouri, 1988: 4573 6S.C.W. Lau, G.J. Hancock. Inelastic Buckling of Channel Columns in the Distortional Mode. Thin-Walled Structures. 1990,8(10): 5984 7Polyzois, D. and Sudharmapal, A.ColdFormed Steel ZSections with Sloping Edge Stiffness Under Axial Load.Journal of Structural Engineering .1990, 116( 2): 392-406 8 Y.B. Kwon, G.J. Hancock. Strength Tests of Cold-Formed Channel Sections Undergoing Local and Distortional Buckling. Journal of Structural Engineering. 1992,117(2): 17861803 9Y.B. Kwon, G.J. Hancock. Design of Channels against Distortional Buckling.Eleventh International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, St.Louis, Missouri, 1992: 323352 10G.J. Hancock, Y.B. Kwon, E. S. Bernard. Strength Design Curves for Thin-Walled Sections Undergoing Distortional Buckling. Journal of Constructional Steel Research. 1994,31(2-3): 16918611R.L. Serrette, T.Pekoz. Distortional Buckling of Thin-Walled Beams/Panels,:Theory. Journal of Structural Engineering. 1995,121(4): 757766 12R.L. Serrette, T. Pek z. Distortional Buckling of Thin-Walled Beams/Panels,: Design Methods. Journal of Structural Engineering. 1995,121(4): 767776 13C.A. Rogers, R.M. Schuster. Flange/Web Distortional Buckling of Cold-Formed Steel Section in Bending. Thin-Walled Structures. 1997,27(1): 1329 14C. Jiang, J.M. Davies. Design of Thin-Walled Purlins for Distortional Buckling. Thin-Walled Structures. 1997,29(1-4): 189202 15J.M. Davies, C. Jiang. Design for Distortional Buckling. 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