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冷弯薄壁C型钢的结构形式及设计问题

发布者:鑫诺压瓦机 发布时间:2019-06-21 08:47
钢结构通常可分为两大类:一类是由热轧H字钢、钢板或其它型钢制成的构件,这类钢结构被称为热轧钢结构或普通钢结构;另一类是由薄钢板冷弯成型后制成的轻型构件,被称为冷弯薄壁C型钢结构;相对普通钢结构而言,它又被称为轻型钢结构。

钢结构通常可分为两大类:一类是由热轧H字钢、钢板或其它型钢制成的构件,这类钢结构被称为热轧钢结构或普通钢结构;另一类是由薄钢板冷弯成型后制成的轻型构件,被称为冷弯薄壁C型钢结构;相对普通钢结构而言,它又被称为轻型钢结构。由于历史原因,钢结构过去在我国一直被认为是工程造价高,设计和施工复杂的建筑结构体系,除特别重要的大型结构外,普通建筑很少采用钢结构。我国大面积应用轻型钢结构是从二十世纪八十年代初开始,九十年代国外的轻钢生产厂家将整套的结构体系推向我国市场,加之我国钢产量的提高,极大地推动了轻钢结构在我国的发展。自1996年我国钢铁产量突破亿吨大关,成为世界第 一大钢铁生产国,开始鼓励民用设施使用钢材,其中建筑业用钢成为消化多余钢材的主要渠道之一,钢结构建筑开始越来越多地占领了建筑市场。另一方面,随着人民生活水平的不断提高及住房分配制度的改革,住宅消费口益成为热点,住宅产业成为拉动居民消费需求、推动国民经济发展新的增长点。研究发展钢结构住宅既消化了钢材市场的过剩产品,又推动了住宅产业化的进一步发展,可谓一举两得,因而得到部门的大力支持与推广。

以冷弯薄壁C型钢为原材料的轻型钢结构是国内外目前应用和发展较快的新型结构形式。其具有施工速度快,建筑造型美观、用钢量少、造价低廉等优点,同时又是可重复利用的绿色环保材料。在北美及欧洲冷弯薄壁轻钢龙骨结构体系是低层住宅建筑中被广泛采用的一种结构形式,与传统住宅结构相比,具有标准化程度高、空间布置灵活、抗震性能好、可工业化生产、建设周期短等特点,因而得到许多开发商的认同。但我国对轻钢住宅结构体系的研究和应用起步较晚,目前还处于研究和试点阶段。因此加大冷弯薄壁C型钢结构的研究具有重要的意义。

自1838年在俄、美、英等国先后采用压力机或冷拔机生产单件冷弯C型钢始,冷弯C型钢的生产和应用已有一百余年历史,而我国冷弯C型钢的生产和应用始于20世纪50年代后期,虽然目前已具相当规模,国内也逐渐开始钢结构住宅的建造,但基本都是国外技术。冷弯C型钢系在常温下加工成型,这种成型方式有很大的灵活性,能根据需要生产出材料分布较优的合理截面形状;因此,冷弯C型钢的问世及应用,开拓了主要靠优化截面形状而不是单纯依赖增加材料用量及改善材料性能来提高材料利用率的新途径;这对于节约能源和资源具有十分重要的作用,特别是对于像我国这样一个能源及原材料的供需矛盾,在今后相当长一个时期内都将显得十分突出的发展来说,重视冷弯C型钢这种经济型材的开发,推广和应用尤为重要,统计资料表明,同样面积的冷弯C型钢和热轧型钢相比,回转半径可增大50%以上。惯性矩和面积矩约可增大50%、180%。故若以同样质量制成的冷弯C型钢结构构件和热轧型钢结构构件相比,前者承载力较高,整体刚度较大,受力性能较好,可以节约材料,减轻结构重量,制作、施工、运输、安装均较方便,宜于组织工业化,商品化生产,有利于改善劳动条件,缩短建设周期,取得较好的经济效益。冷弯薄壁C型钢结构一般是以经济型材构件冷弯C型钢为承重骨架,以轻型墙体材料为围护结构所构成,与传统结构相比,具有明显的综合经济效益,所以发展冷弯薄壁C型钢结构,不但可以解决我国传统建筑建设效率低,质量差的问题,而且有利于促进我国建设行业的产业化。

冷弯薄壁C型钢结构体系以冷弯薄壁轻钢龙骨结构体系及框架结构体系为主要代表。连接不同于一般的理想刚接和铰接情况,同时,由于结构体系的特殊构造,如果按节点刚接的框架提取力学模型,将高估结构的承载能力,而如果按节点铰接的排架提取力学模型,当柱脚也采用此种构造形式时(北美地区的通常做法),又会形成机构,使计算无法进行;因此,为了合理正确地预测此种体系的实际受力性能,应在结构的分析和设计中考虑真实连接的非线性即半刚性连接的影响。

冷弯C型钢垫板式组合体系的优点

(1)结构合理:主要承重结构采用Q345材料制作,凛条置于钢架的内侧,提高了整个结构的承载力和稳定性;

(2)自重轻:承重结构采用冷弯薄壁C型钢机,结构重量轻,用钢量省,对基础的处理要求低;

(3)建设周期短:采用标准化连接方式,实现了机械化、大规模生产,缩短了加工周期,现场通过专用型钢和连接件用高强螺栓连接,使得安装简便、快捷,可多次拆装、移动便利、重复利用率高;

(4)造价经济:结构合理,用钢量省,在相关参数一定的情况下,比焊接H钢门式钢结构主钢架部分造价可降低20%~40%(鹰式钢结构宣传数字);

(5)加工变形小,无应力集中:主体结构连接完全采用螺栓连接,避免了因焊接造成的变形、易生锈、应力集中等问题;

(6)造型美观,使用期长:该结构整体美观大方,主要承重结构采用热镀锌材料制作,提高了结构的抗腐蚀性,使用寿命长。

冷弯C型钢抗弯节点设计的问题

现在,大多数设计规范只提供单个紧固件如螺栓、螺钉的承载力的计算方法,而很少提供结构中整个节点的受力性能的计算方法。虽然保证单个紧固件的承载力非常重要,但是连接件如腹板、螺栓和节点板的受力性能以及冷弯C型钢结构在有较大局部荷载和弯矩作用时连接部位的受力性能的计算是十分重要,而在现行的设计规范中就缺少对冷弯C型钢结构抗弯节点的设计条文。采用螺栓连接的冷弯C型钢抗弯节点具有强度高、刚度大的特点,这对于有凛屋盖体系经济设计与施工都是有效益的,因此在现在文献中,有许多关于新型屋盖体系中凛条抗弯节点研究的报道,这种梁一梁连接具有一定程度上的连续性,有助减少跨中的弯矩及挠度。但是现在大多数设计规范没有提供冷弯薄壁C型钢节点的抗弯性能计算方法,许多冷弯薄壁C型钢产品是根据试验研制而成,而并非依据规范开发。当然,由于荷载在冷弯C型钢截面翼缘中传递的路径并非连续,这种节点也不会有冷弯C型钢截面的抗弯性能。由于螺栓连接的构造及施工方法不同,节点的承载力和刚度变化很大,具体问题都有待于深入研究。

钢结构节点的设计原则

结构的抗震设计原则为大震不倒、中震可修、小震不坏。对于抗弯钢框架,为了做到大震不倒,要求梁柱连接具有一定耗散地震能的能力,因此应尽量避免使用延性较低的材料,也应该尽量避免采用降低材料延性的施工方法,如焊缝、工地焊接等,以保证塑性铰发生在梁截面或节点域。


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