淺析冷彎型鋼在房屋建筑中的應(yīng)用與發(fā)展

沈源

云南省紅河州個(gè)舊云錫供水建筑安裝工程公司

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，冷彎型鋼系列建材越來(lái)越多的運(yùn)用到建筑市場(chǎng)中，其潛力也在不斷的被發(fā)掘和重視。本文對(duì)冷彎型鋼材的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并展望其發(fā)展前景，著力分析和研究冷彎型鋼材在房屋建筑中的應(yīng)用和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：冷彎型鋼；應(yīng)用；鋼結(jié)構(gòu)

一、冷彎型鋼的介紹及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

由于具備環(huán)保和節(jié)能的特性，冷彎型鋼越來(lái)越多的被廣泛應(yīng)用在民用建筑及工業(yè)制造等領(lǐng)域。什么是冷彎型鋼？冷彎型鋼就是在室溫條件下經(jīng)輥壓或沖壓成型的各種截面形狀的型材[1]（如圖1）。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家，冷彎型鋼建筑體系基本被建立起來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑也多以此種型材作為主要材料建設(shè)，在設(shè)計(jì)和制造上，都有了較高的技術(shù)水準(zhǔn)。我國(guó)由于起步晚，發(fā)展較發(fā)達(dá)國(guó)家落后，但也處于快速發(fā)展過(guò)程中。

說(shuō)起冷彎型鋼的應(yīng)用歷史，已有百余年，從美國(guó)首次發(fā)明了輥式冷成型工藝后，1910年建立了首套輥式冷成型機(jī)組，就開(kāi)始了批量生產(chǎn)冷成型鋼的歷史。其發(fā)展和應(yīng)用迅速被推廣，最初的建造簡(jiǎn)易房屋。二戰(zhàn)中，開(kāi)始被用于建造戰(zhàn)地設(shè)施，到20世紀(jì)40年代，冷彎型鋼開(kāi)始被應(yīng)用于建筑，60年代則出現(xiàn)了冷彎薄壁型檁條和彩色壓型鋼板，并構(gòu)成了輕質(zhì)維護(hù)體系，接著出現(xiàn)的H型鋼和冷彎型鋼，這對(duì)推動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展有革命性意義。國(guó)外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前英國(guó)在新建筑中90%單層使用輕鋼結(jié)構(gòu)，多層也超過(guò)60%使用輕鋼結(jié)構(gòu)。歐洲其他發(fā)達(dá)國(guó)家也大量使用輕鋼結(jié)構(gòu)，單層建筑超過(guò)50%使用輕鋼結(jié)構(gòu)。日本使用輕鋼結(jié)構(gòu)更加廣泛，1-4層的建筑大多使用。美國(guó)無(wú)疑是輕鋼結(jié)構(gòu)在分析、設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家，在應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了高度的標(biāo)準(zhǔn)化和工廠化，美國(guó)建筑鋼用量的45%以上都是使用冷彎型鋼。我國(guó)在50年代才有了第一臺(tái)制造冷彎型鋼的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，而且主要服務(wù)于農(nóng)業(yè)，發(fā)展非常緩慢。直到上世紀(jì)80年代，我國(guó)鋼產(chǎn)量穩(wěn)步提高，生產(chǎn)能力擴(kuò)大，鋼的種類(lèi)也日益增多，冷彎型鋼被迅速推廣至各地區(qū)和各領(lǐng)域，但是品種和規(guī)格還是受到技術(shù)的限制較多，直至到了新世紀(jì)，我國(guó)冷彎型鋼產(chǎn)量充足，才得以真正實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展，并逐步進(jìn)入房屋建筑領(lǐng)域，并以逐年遞增的速度在我國(guó)建筑領(lǐng)域推廣。

二、冷彎型鋼的特點(diǎn)[2]

（一）斷面形狀靈活

冷彎型鋼的斷面可以是任意形狀，靈活性較強(qiáng)。我們可以利用輥式冷彎成型技術(shù)根據(jù)建筑需要生產(chǎn)各種類(lèi)型的斷面型材。我們?cè)谌粘?yīng)用中常?？吹綀A形、矩形、方形和各種其他閉口形狀的斷面型材。還有一種類(lèi)型是開(kāi)口型鋼，包括復(fù)雜斷面型鋼、有角鋼、槽型鋼以及Z型鋼等各種類(lèi)型。優(yōu)化型材的截面形狀，而不是單純改變材質(zhì)特性，是冷彎型鋼在應(yīng)用中改善性能的主要手段。

（二）長(zhǎng)度任意選擇

使用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制在安裝了數(shù)控飛鋸機(jī)可以按照需要定制冷彎型鋼的長(zhǎng)度，隨時(shí)隨意跟蹤鋸切。

（三）質(zhì)量高且尺寸精確

以鋼板和鋼帶作為原料，輥壓后，截面形狀均勻、外形美觀，金屬分布合理，且冷彎型鋼表面潔凈平滑，尺寸精確。

（四）單位質(zhì)量小

冷彎型鋼在相同截面，并且斷面均勻，抗彎模量相同條件下，他的單位長(zhǎng)度重量相對(duì)較輕。冷彎型鋼型材比其他型材節(jié)約20%，所以冷彎型鋼是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的高效、經(jīng)濟(jì)斷面型材。

三、冷彎型鋼的應(yīng)用及問(wèn)題

（一）房屋建筑中冷彎型鋼的應(yīng)用

冷彎型鋼可以制作成梁、柱及鋼架等承重部件，因此冷彎型鋼在房屋的建造中被廣泛應(yīng)用。在屋面的檁條、梁柱、門(mén)窗、墻面版等次要受力結(jié)構(gòu)中也被廣泛利用。鋼筋混凝土還可以與冷彎型鋼組合用作組合梁、組合柱和組合板，成為冷彎型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)，這也是房屋建筑領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展方向。在房屋建筑工程中使用的冷彎型鋼材都有一定的尺寸，一般板件厚度在0.3-0.6CM，用來(lái)制作墻面等構(gòu)件的板材厚度則為0.03-0.08CM。鋼材的利用率高，而且斷面的力學(xué)性能好是冷彎型鋼的突出特點(diǎn)，幾乎能比熱軋型材省大約四分之一。在建筑領(lǐng)域，冷彎型鋼根據(jù)使用的功能不同分為板材和型材兩種。型材類(lèi)又有開(kāi)口截面和閉口截面兩種類(lèi)型，依據(jù)需要的不同還可以制作成單支截面或格構(gòu)式截面。格構(gòu)式截面就是根據(jù)承重力需要由單支截面組合而成。圖1所示。檁條通常采用Z型或C型鋼；而墻梁多用帽型鋼；閉口截面構(gòu)件則多用于受力較大的柱子；C型鋼也常常用于壓力較小的立柱構(gòu)件。

除了用于輕型建筑的立體框架，冷彎型鋼在此要承重構(gòu)件的應(yīng)用更加廣泛。例如，房屋中的檁條、墻柱和圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，使用非常多。通過(guò)一些資料的數(shù)據(jù)顯示，一棟大型的門(mén)式鋼架房屋在建造時(shí)，據(jù)統(tǒng)計(jì)熱軋型鋼成本占31%，冷彎型鋼占成本約42%，其他材料占27%。因此，從花費(fèi)成本來(lái)看，冷彎型鋼比熱軋型鋼的花費(fèi)更大，在這類(lèi)輕鋼建筑中，冷彎型鋼的用量也勢(shì)必與日俱增。

（二）冷彎型鋼的幾個(gè)應(yīng)用問(wèn)題[1]

首先，對(duì)材質(zhì)的要求。冷彎型鋼的材料以低合金鋼和碳素結(jié)構(gòu)為主，常用型號(hào)為Q235、Q345等，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在選用鋼材時(shí)，應(yīng)充分考慮用途，在抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈強(qiáng)比等方面是否與構(gòu)件的工作條件、載荷特性等力學(xué)性能指標(biāo)方面符合，還要對(duì)化學(xué)成分的指標(biāo)認(rèn)真分析提出相應(yīng)要求。舉例如，如果用于焊接，Q235A級(jí)鋼不宜采用，因?yàn)楹附訉?duì)于鋼材的含碳量有要求，而Q235A不能保證這方面的要求。

其次，冷彎型鋼的具有冷彎效應(yīng)。冷彎效應(yīng)是冷彎型鋼在制造過(guò)程中，由于是常溫下冷彎成型，截面轉(zhuǎn)角會(huì)出現(xiàn)由于冷加工造成的塑形變形出現(xiàn)的冷作硬化，實(shí)際上是一種強(qiáng)度提高，塑形下降的現(xiàn)象，我們稱之為冷彎效應(yīng)。塑形變形引起的應(yīng)變硬化和應(yīng)變時(shí)效形成了這種特有的現(xiàn)象。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，利用這種效應(yīng)的強(qiáng)度增強(qiáng)現(xiàn)象設(shè)計(jì)構(gòu)件，可以節(jié)約大量鋼材，而如果，不考慮這個(gè)效應(yīng)增加的強(qiáng)度使用材料，則會(huì)提高冷彎型鋼材構(gòu)件更加安全可靠。

第三，具有局部屈曲和超屈曲現(xiàn)象。通常冷彎型截面由多塊板件構(gòu)成，當(dāng)在建筑構(gòu)件中處于受壓狀態(tài)，這類(lèi)受壓由于寬厚比b/t較大，在壓應(yīng)力作用下，就會(huì)出現(xiàn)正弦曲線狀變形（圖2），這種現(xiàn)象就叫做局部屈曲。在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中板件的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的核心，普通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制出現(xiàn)局部屈曲，但在冷彎型鋼結(jié)構(gòu)中卻可以允許發(fā)生，這是因?yàn)樵诶鋸澬弯摻Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)屈曲并沒(méi)有發(fā)生板件破壞，因?yàn)槠渚哂斜∧ば?yīng)，能夠承擔(dān)額外載荷，也就是板件的超屈曲強(qiáng)度。在實(shí)際的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，往往會(huì)使到冷彎型鋼的這一特性，進(jìn)一步擴(kuò)大冷彎型的使用范疇。如何增強(qiáng)這一特性也是有效增強(qiáng)冷彎型鋼材構(gòu)件的有效手段，我們目前主要采用在制作冷彎型鋼構(gòu)件是在冷彎時(shí)給板件加勁的方法，這樣能增強(qiáng)板件的局部屈曲效能，也就相應(yīng)增強(qiáng)了其超屈曲性能。