近年來，隨著中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，與傳統(tǒng)軋制型材相比，冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉(zhuǎn)半徑大、抗彎和抗扭性能好等特點(diǎn)。它不是像熱軋型鋼以增加材料面積來提高其承載力，而是通過變化型鋼斷面形狀達(dá)到提高承載力和節(jié)約鋼材的目的。冷彎型鋼，指將薄鋼板或帶鋼在常溫狀態(tài)下通過輥軋或沖壓冷彎成各種形狀的截面型鋼，它用相對(duì)較少的材料承受較大的外載，不是單純用增大截面面積，而是通過改變截面形狀的方法獲得，稱之為高 效截面型，也稱為鋼制冷彎型材或冷彎型材。隨著在美國(guó)、澳大利亞等地的廣泛的應(yīng)用，使人們對(duì)如何使它變得更薄、強(qiáng)度更高給予了足夠的重視。

      近幾年來，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，建筑業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)材料的要求也不斷的提高，提高材料的有效強(qiáng)度和利用率也越來越得到了重視。作為低層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的重要形式之一，冷彎薄壁型鋼龍骨式結(jié)構(gòu)近年來在國(guó)外發(fā)展迅速，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上也有一定規(guī)模的應(yīng)用。另外，在上世紀(jì)80年代末期，有關(guān)科研單位就開始著手冷彎薄壁型鋼用于輸電鐵塔的可行性研究，但由于當(dāng)時(shí)冷彎型鋼的價(jià)格較高和技術(shù)手段不夠完善，加上早期的鐵塔規(guī)模都較小，已有的熱軋型鋼完全就可滿足使用要求，項(xiàng)目未能立項(xiàng)。隨著中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，這些經(jīng)濟(jì)型材用量在逐年增加，加工成本在降低，加上其自身截面的優(yōu)良性能，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。這為冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用提供了可能性。其中，高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼作為一種節(jié)能、環(huán)保、利用率高的材料也越來越引起了學(xué)者們的重視。

冷彎薄壁型鋼的優(yōu)勢(shì)

      1）可變的產(chǎn)品定尺。一座10噸重的鐵塔通常由近2000根構(gòu)件組成，鐵塔各構(gòu)件的長(zhǎng)短不一。當(dāng)前熱軋型鋼都是定尺產(chǎn)品，因此使用熱軋型鋼進(jìn)行塔材下料時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)材料余頭，這種由于材料定尺造成的材料損耗多達(dá)5%。而冷彎鋼產(chǎn)品可按用戶需要提供各種尺寸的型鋼，成材率高(達(dá)99%)，下腳余料少，可有效減少鐵塔加工中的材料損耗。

      2）多樣的形狀。冷彎薄壁型鋼截面形狀的多樣性，可以避免采用90度角鋼只能將鐵塔設(shè)計(jì)成方形或矩形以及塔身變坡引起連接構(gòu)件不共面的弊病，它為設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)新型、合理鐵塔開創(chuàng)了靈活條件。如可建立三立柱鐵塔，鐵塔腹桿體系也可進(jìn)行優(yōu)化，可設(shè)計(jì)出更合理的鐵塔腹桿布置，這為設(shè)計(jì)各種新型鐵塔體系，進(jìn)一步減輕鐵塔重量、節(jié)約材料、減少構(gòu)件數(shù)開創(chuàng)了新途徑。

      3）高強(qiáng)度的型材。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑采用的高強(qiáng)度材料型鋼，若采用冷彎型鋼產(chǎn)品，可有效避免熱軋型鋼供貨批量限制和軋制工藝?yán)щy等缺陷。

      4）防腐問題。由于輸電鐵塔和其他鋼結(jié)構(gòu)建筑長(zhǎng)期在暴露于大自然環(huán)境之中，為保證其安全，通常采用熱鍍鋅防腐。冷彎薄壁型鋼由于截面形狀多變、型鋼壁薄不太適宜熱鍍鋅。目前，一些先進(jìn)的防腐技術(shù)和工藝在不斷地出現(xiàn)，如采用耐候材料和新鍍層工藝，為冷彎薄璧型鋼的防腐提供了良好的解決措施。

      高強(qiáng)耐候鋼的生產(chǎn)工藝已經(jīng)日趨成熟，已廣泛用于鐵路系統(tǒng)。在輸電鐵塔上采用高強(qiáng)耐候冷彎型鋼材料，與制造鐵塔的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，雖材質(zhì)的一次性投資略高，但由于去掉了防腐工序，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，經(jīng)粗步測(cè)算，每噸成本可下降20%左右。

高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼的特點(diǎn)及存在的問題

      冷彎型鋼可用作桁架、鋼架、柱、梁等承重構(gòu)件，也可被用作龍骨、墻架、屋面檁條、屋面板、樓板、門窗等次要承重構(gòu)件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著人們對(duì)材料要求的不斷提高和建筑理念的不斷發(fā)展，冷彎薄壁型鋼建筑已經(jīng)成為了一種新的建筑形式。在美國(guó)和歐洲等地，低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅得到了快速的發(fā)展?；緲?gòu)件主要有U 形(普通槽形) 和C 形(卷邊槽形) 兩種截面形式。高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件由于用高強(qiáng)超薄板材彎制造而成，因此在受力方面具有以下兩個(gè)重要特點(diǎn)：

      1）低延性。鍍鋁鋅或高強(qiáng)鍍鋅板材因反復(fù)冷壓而達(dá)到高強(qiáng)和薄壁之特點(diǎn)，但與此同時(shí)也相應(yīng)地降低了材料的延性，使材料沒有明顯的應(yīng)力硬化階段，抗拉強(qiáng)度fu 和屈服強(qiáng)度fy 變得很接近，即強(qiáng)屈比fu/fy 接近于1；

      2) 超薄。由于材料強(qiáng)度特別高，所以高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的板材厚度很小，如澳洲在已經(jīng)建成的房屋中采用高強(qiáng)板材的冷彎型鋼別墅房屋的墻體立柱等構(gòu)件，壁厚僅為0.42 mm。板件薄、截面板件的寬厚比b/t 隨之變大，因此，在構(gòu)件整體屈曲發(fā)生之前，板件很易發(fā)生局部屈曲，板件局部屈曲與構(gòu)件整體屈曲之間還存在相關(guān)作用，這種相關(guān)作用會(huì)降低構(gòu)件的極限承載力。

      從以上特點(diǎn)可以看出，高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能、屈曲和破壞模式與普通冷彎薄壁型鋼構(gòu)件有較大差別。因?yàn)檫@些差別和特點(diǎn)，使得高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將產(chǎn)生諸多傳統(tǒng)低強(qiáng)度鋼材冷彎型鋼結(jié)構(gòu)所沒有的問題：

      1) 由于高強(qiáng)薄板鋼材在達(dá)到屈服后幾乎無應(yīng)力強(qiáng)化的階段，導(dǎo)致其屈服后的剛度和強(qiáng)度儲(chǔ)備將明顯低于傳統(tǒng)低強(qiáng)度鋼材，使得在彈塑性工作階段構(gòu)件的穩(wěn)定性和安全性也將低于傳統(tǒng)低強(qiáng)度鋼材；

      2) 由于應(yīng)力強(qiáng)化很小，應(yīng)變硬化的程度也很低，所以高強(qiáng)薄板鋼材冷彎型鋼的冷彎效應(yīng)也很小，幾乎可以忽略不計(jì)；

      3) 由于塑性變形能力較差，為保證結(jié)構(gòu)有足夠的變形能力以滿足設(shè)計(jì)要求，不能依靠構(gòu)件自身的變形，而必須采取其他有效措施使結(jié)構(gòu)獲得變形能力；此外，高強(qiáng)薄板冷彎型鋼的成型工藝要求較傳統(tǒng)低強(qiáng)度鋼材高；

      4) 由于高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼截面寬厚比較大，所以構(gòu)件不同屈曲模式之間的相關(guān)作用不能忽略?；诟邚?qiáng)冷彎薄壁型鋼的以上特點(diǎn)，對(duì)于其力學(xué)性能、屈曲性能及破壞模式等性能必須做深入、細(xì)致的分析研究。

      目前，屈服強(qiáng)度550 MPa 的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼在國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)和使用才剛剛起步，但市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊。但是，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行冷彎薄壁型鋼設(shè)計(jì)規(guī)范GB50018—2002僅限定適用于Q235 和Q345鋼材，對(duì)更高屈服強(qiáng)度的鋼材尚無相應(yīng)條文可依。

高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼的研究現(xiàn)狀

      冷彎薄壁型鋼的研究主要集中在3 個(gè)方面：

      ①在保證強(qiáng)度的前提下使構(gòu)件的壁厚更薄，現(xiàn)在主要的研究集中在壁厚2 mm 以下的；②高強(qiáng)度的冷彎薄壁型鋼，屈服強(qiáng)度已經(jīng)可以達(dá)到550 MPa；③采用新型的截面形式(見圖1)，例如在腹板中間加勁使其變成U 型、V 型等新型的截面形式，用來提高它的強(qiáng)度。以上3 種方法近年來得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究，獲得了成功，也為大家的進(jìn)一步研究做好了基礎(chǔ)。

圖1 復(fù)雜加勁截面形式

        陳紹蕃、沈祖炎、何?？怠⒗钤R等教授近年來對(duì)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼進(jìn)行了深入的研究，對(duì)屈服強(qiáng)度550 MPa 的、壁厚2 mm 以下的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，也進(jìn)一步的給出了更加切合實(shí)際的算法，現(xiàn)階段對(duì)于高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼的算法主要是有效截面法和Shafer 和Pek z提出的直接強(qiáng)度法，但其中也有許多不足的地方。新型的截面形式也是一種提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的有效方法，可以改變卷邊的形式、角度、長(zhǎng)度都會(huì)使構(gòu)件的強(qiáng)度得到提高。近些年來，學(xué)者們對(duì)新型截面形式也進(jìn)行了深入的研究，有在腹板處加勁，使其成為U 型、V 型截面，用來提高構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，也對(duì)有效截面法和直接強(qiáng)度法進(jìn)行了進(jìn)一步的修正，使其不斷的完善。

        一般而言開口薄壁構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)3 種屈曲模式：板件局部屈曲、畸變屈曲和構(gòu)件整體屈曲。在一定條件下還會(huì)出現(xiàn)3 種屈曲模式的相關(guān)作用。當(dāng)發(fā)生局部屈曲時(shí)板件圍繞板件交線轉(zhuǎn)動(dòng)、交線仍保持直線；當(dāng)發(fā)生整體屈曲時(shí)整個(gè)橫截面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或側(cè)移、截面形狀不發(fā)生變化；而畸變屈曲發(fā)生時(shí)板件圍繞板件交線轉(zhuǎn)動(dòng)，其中的部分板件交線不再保持直線、截面形狀和輪廓尺寸發(fā)生變化(見圖2)。

圖2 畸變屈曲發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的變化

       由于冷彎薄壁型鋼構(gòu)件所用材料屈服強(qiáng)度越來越高，板件越來越薄，截面形式也越來越復(fù)雜，從而畸變屈曲在某些情況下可能成為構(gòu)件承載力大小的重要因素，冷彎薄壁型鋼規(guī)范中并未對(duì)此作出明確的規(guī)定。國(guó)內(nèi)對(duì)于畸變屈曲的研究起步較晚，始于20 世紀(jì)90 年代。蘇明周、陳紹蕃通過對(duì)卷邊槽鋼梁的畸變屈曲進(jìn)行分析，并提出了受壓翼緣屈曲系數(shù)kf 的計(jì)算公式，并結(jié)合我國(guó)常用卷邊槽鋼的截面尺寸，提出了在受壓翼緣屈曲系數(shù)kf 大于4 時(shí)，板件長(zhǎng)寬比的限值以及在板件長(zhǎng)寬比超過此限值時(shí)kf 的低值。陳紹蕃通過對(duì)我國(guó)常用截面的冷彎卷邊槽鋼承載力分析指出，可把畸變屈曲看做特殊的局部屈曲處理，翼緣屈曲系數(shù)可取3，且卷邊寬度足夠大時(shí)，畸變屈曲就不控制設(shè)計(jì)了。同時(shí)指出了畸變屈曲的實(shí)質(zhì)是卷邊過窄而趨于在其平面內(nèi)屈曲，進(jìn)而帶動(dòng)相關(guān)板件一起屈曲。隨著研究的深入，國(guó)內(nèi)學(xué)者近幾年來對(duì)軸壓、偏壓、受彎構(gòu)件的畸變屈曲性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)與理論研究，并對(duì)防止畸變屈曲發(fā)生的措施進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究與數(shù)值分析。姚諫教授對(duì)卷邊槽形截面壓彎構(gòu)件進(jìn)行了針對(duì)畸變屈曲的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果與按規(guī)范GB 50018—2002 計(jì)算值的比較表明:規(guī)范偏不安全。之后他又通過有限元模擬提出沿冷彎薄壁卷邊槽鋼縱向設(shè)置隔板用來提高畸變屈曲荷載的措施。何?？到淌趯?duì)腹板翼緣均加勁的卷邊槽形截面構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出畸變屈曲有屈曲后強(qiáng)度，畸變屈曲翼緣出現(xiàn)了3 種屈曲模式，局部、畸變和整體屈曲之間存在相關(guān)作用，并給出了計(jì)算公式。

結(jié)語

        現(xiàn)行冷彎薄壁型鋼規(guī)范GB 50018—2002 還不能適用于高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼，同時(shí)有效截面法和直接強(qiáng)度法對(duì)于新型的冷彎薄壁型鋼還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善。同時(shí)，為了進(jìn)一步的開拓市場(chǎng)，更與效的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼形式，連接構(gòu)造及合理的結(jié)構(gòu)體系等方面的研究和開發(fā)也是重要而亟待解決的問題，這些問題是我們冷彎型鋼業(yè)界同仁所共同面對(duì)和需盡力解決的，只有解決好這些突出的問題，才能將高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。

        實(shí)踐證明，傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增長(zhǎng)方式難以為繼，必須盡快加以扭轉(zhuǎn)。使用冷彎薄壁型鋼可有效地節(jié)約資源和能源。它不僅可減少耗鋼，還能降低加工成本，避免環(huán)境污染。是一項(xiàng)有顯著經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義的工作，所以應(yīng)及時(shí)開展高強(qiáng)冷彎型鋼，尤其是新型高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用研究，大力促進(jìn)能源資源的有效利用和循環(huán)利用。