冷弯型钢结构的应用、分析和设计进展

与钢筋混凝土结构相比，钢结构体系具有重量轻、安装快、施工周期短、抗震性能好、投资小、环境污染少等综合优势。从产品全生命周期看，钢结构建筑是一种节能环保、可循环利用的工程结构形式。在全球范围内，特别是发达国家和地区，钢结构在建筑工程领域中得到广泛的应用。在“双碳”目标引领下，我国钢结构建筑必将迎来新的发展机遇。为此，本报推出钢结构专题，对国内外钢结构现状和先进技术进行梳理，以飨读者。

近年来，冷弯型钢（CFS）结构在许多国家和设计规范中得到了广泛的应用。本文简要回顾了CFS结构应用领域、构件设计、系统设计和抗震设计等的进展。

承重CFS应用的三个主要领域是：框架、金属建筑和机架。本文简要回顾了这些领域，重点介绍了应用方面的进展，以及对这些应用的针对性研究。

1.1 框架

许多工程师对CFS框架的第一反应是它只能是低层的解决方案。从表面上看，CFS框架的低层结构与木结构类似，因此一般的假设是CFS框架只在具有木结构传统的国家具有竞争力，且只适用于一层或两层结构。然而，中高层CFS框架已经日益普遍的应用于中高层建筑，甚至可以用在地震活跃地区。

目前，北美已经制定了一整套专门用于框架的CFS标准，形成了建筑规范中采用这些系统的基础。此外，该市场许多公司都是面板制造商，因此存在大量的非现场施工。在北美，预制桁架行业为这种形式的施工提供了一种模式。预制金属桁架如今在北美已被广泛使用。

1.2 金属结构

在金属建筑中，CFS构件通常只用于二级系统：檩条、围板、薄板等。这些二级系统的研究工作仍然活跃（特别是檩条）。

CFS框架和承重CFS金属建筑不能完全区分开来，CFS建筑通常试图在内部创造明确的跨度空间，而CFS框架则不然。此外，CFS建筑使用钢板作为护套，而不是胶合板、石膏板等。再者，CFS金属建筑通常被设计为一个完整的系统。在某些情况下，预制CFS框架结构的使用扩展到了金属建筑物（例如，美国的Nunconsteel提供了这种系统）。各国开展了各种有益的研究，如在澳大利亚，框架只用在加筋板上；在匈牙利和波兰，框架使用了新的组合断面和连接；在英国，盒式墙结构被长期研究。

1.3 货架

CFS存储架是一种非常高效的结构，长期以来其设计使用了新颖的截面和连接。尽管构件和连接在过去并没有发生重大变化，但对走势的理解以及将这种理解转化为改进的设计一直非常积极。对立柱、立柱与架梁连接和底板进行了重要的新试验。测试条款很先进并规范化，分析条款也是如此，特别是在使用二阶分析方面。最新关注的问题如冲击力和渐进式崩塌，最近也有研究。辅助CFS货架行业的标准组织很积极，并且由于货架结构性能的复杂性，在许多情形下发展已很先进。例如，即将出台的澳大利亚货架标准（AS 4084）将对非完美结构（GMNIA）提供现成的几何和材料非线性分析的完整指导，在理念上类似于欧洲规范中的壳体结构。

在北美常用的CFS构件包括C型（带缘和不带缘），Z型（通常有斜缘），以及各种“帽形”断面。特殊截面也用于CFS货架行业的立柱和横梁。多年以来一直使用这些常规断面。现在已经开始更大程度地利用制造技术做截面创新，并开始认真推动现有设计方法的边界。

北美长期以来一直忽视横截面创新，但如图1所示，这种情况正在发生变化。例如已经使用的Σ截面（图1（a）），但仍未采用欧洲许多地方使用的大跨度截面。北美最重要的横截面创新式专利是预制系统的相关设计，特别是几家桁架公司使用了具有窄腹板、宽翼缘、中间加强筋和回边的新型截面作为弦杆（图1（b）和图1（c））。

CFS框架还推出了各种新型变体，将典型的C型截面用于制作支柱、过梁、门框、配电构件甚至斜撑。最受欢迎的先进截面之一是通过托梁的腹板中的加固孔提供维修空间，这种理念的演变创建了一种钢筋网架和CFS楼板梁的混合体，如图1（d）所示。对于非承重应用，已经开发了由花纹钢冷弯成型的截面（图1（e）），其主要优点在于提高了防火、隔热和声学性能。

任何关于CFS构件的完整讨论都绕不开深入研究的莱特钢梁（LiteSteel Beam，图1（f））。将闭合的管状截面用在开口槽法兰上，该截面更常使用热轧钢而不是冷成型钢。然而，研究者们已经表明，法兰的高扭转刚度在整体上极具优势，确实有独特的性能和最明显的横向扭曲。澳大利亚冷弯钢结构规范提供了对这一独特CFS建筑产品的最新处理方法。

在产品开发阶段，结合多种制造技术，许多更独特的CFS横截面设计扩展了滚动成形截面的边界。人们希望实现更轻、更环保的结构，并将材料成本降至最低，这将有助于将这些理念推向市场。创新设计方法和设计规范仍然是研究人员面临的挑战，这种挑战是CFS应用新技术进步的动力而不是障碍。

CFS构件分析是土木工程不寻常的挑战之一。一方面，使用壳体有限元的GMNIA分析提供了一个令人信服的多用途模拟工具，但敏锐的觉知和所需知识的输入会是一个挑战。而在另一端，典型的CFS实践要么不使用正式的计算结构分析，要么在使用分析时，具有框架元素的线性弹性。框架单元的典型应用没有完全包括非对称构件（如CFS的C型截面）的扭转-弯曲耦合，并且无法涉及与局部或扭曲畸变相关的截面变形。然而，目前，框架单元是唯一一种计算效率足够高的解决方案，可以用于大型土木系统的线性和非线性分析，以及用在大量荷载情况下。

在这种情况下，CFS分析一直是传统土木工程分析领域强劲的替代。最值得注意的是，已经证明有限条法（特别是在构件水平上）在壳体有限元的功率和框架有限元所需的效率之间提供了有效的折衷。事实上，使用经典有限条法的稳定构件分析生成的特征曲线提供了过去三十年来许多设计进展所基于的组织原则。有限条法的最新进展包括开源工具的不断发展，扩展到用于稳定性分析的一般边界条件，约束有限条法（cFSM）能够进行模态分解和识别，以及用于通用壳体有限元分析的基于有限条的模态识别工具的发展。我们正在努力尝试用截面有限条分析来丰富框架有限元；但存在更巧妙的方法——广义梁理论（GBT）。

GBT基于丰富的弗拉索夫梁理论，非常适合框架单元的土木工程系统分析的需要。理论上，如果模型中只包含经典模态，会得到传统框架的有限元结果。然而，由于包含了局部腹板、扭曲、剪切和横向拉伸等截面变形模式，因此框架单元承担了典型壳体有限元的力学作用，但其优点是形变场是独立的，并且在分析时预先知道。cFSM方法是基于GBT的力学假设推导出来的，如图2所示，它们提供了类似的解决方案。最新GBT研究演示了构件水平的几何和材料非线性分析以及基于GBT的框架系统分析，甚至可以包括局部荷载和荷载高度效应分析。此外，已证实GBT及其识别和隔离给定变形模式的能力为CFS性能难题提供了新的见解。工程师甚至可以利用GBT分析工具自行进行试验。几乎所有适用于CFS结构的完全非线性GBT框架单元的研究都已完成，这一进展对CFS系统分析的潜在影响不容小觑（图3）。

无论是壳体有限元分析还是基于cFSM或GBT的高级模型，都可以执行基于GMNIA的CFS流程。然而，在它们能够广泛使用之前必须认识到，CFS构件对几何缺陷、残余应力和应变以及建模参数非常灵敏。因此， GMNIA分析的表征输入仍然是CFS构件和结构研究的一个重要领域。虽然在制造缺陷的统计及辊压成形过程中的残余应力和应变方面取得了进展，但重要研究仍需继续。

由于存在局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲模式，CFS构件设计变得复杂。此外，基本模态可以相互作用，也可以与材料屈服相互作用。当然，构件-系统可通过次级支撑或主要框架（例如，二阶效应） 相互作用。CFS构件设计规范和标准中使用的主要设计理念是有效宽度法；但直接强度法（DSM）经全面审查后可作为替代。

DSM已被许多国家正式采用，如澳大利亚、美国、加拿大、墨西哥和巴西。根据欧洲规范，直接强度法被归为“通用方法”类。DSM结合了线性特征值分析（如弹性屈曲分析）和材料非线性分析提供强度预测。从用户的角度来看，DSM比欧洲规范的一般方法更加简化，因为它建立了强度曲线，在局部屈曲、畸变屈曲和全局屈曲方面将线性特征值分析与材料非线性分析联系起来。无论如何，理念和实施在本质上是相同的。现已完成DSM发展的重大新研究。

CFS构件通常都会有孔洞，DSM已提供关于这种情况的指导。最近的研究为理解和模拟孔洞对从板件到构件的截面屈曲模式的影响提供了工具，见图4（a）。采用新的试验坍塌的非线性有限元分析，实现了DSM强度曲线的正确实施；其中包括使用净截面屈服特性和对扭曲屈曲破坏的非弹性屈曲状态进行修正，以处理如图4（b）所示的过渡。

通用DSM方法在剪切、剪切和弯曲相互作用方面取得了额外的进展。目前的设计规定主要只包括腹板的剪切屈曲，并进一步假设腹板是平的。新提出的方法将剪切屈曲视为一种截面屈曲模式，类似于压缩和弯曲。明确考虑了翼缘对解决方案的影响，以及其他截面细节的影响，如辊压纵向加强筋。研究还在继续确定局部屈曲、变形屈曲和全局剪切屈曲的同型状态；与此同时，北美正在就整合已建立的改进措施的提案进行投票。

在北美，CFS的火灾分析通常是在给定的（墙壁或天花板）组合上通过试验完成的。然而，最近的研究表明，已有的DSM表达式可以正确预测构件的强度降低，甚至可以预测由于弹性屈曲和现场性随温度变化而发生的控制屈曲模式之间的切换。但是，将强度降级与真正的火灾分析相结合尚未完成，后期将会启动。

DSM明确涵盖了梁和柱，但依赖于梁柱的相互作用。这不符合通用方法或DSM要求。相反，截面局部、扭曲和整体稳定性应在实际施加的载荷（至少轴向加弯曲）下进行评估。截面屈服也可以在实际荷载作用下确定。初步工作表明，以这种方式扩展DSM是可能的，也是可取的——在许多情况下，大大改进了当前设计。

DSM的一个缺点是，所考虑的屈曲模态相互作用与截面无关。因此，例如在翼缘和腹板中具有中间加强筋的唇形通道已被试验证明具有有意义的畸变-全局相互作用，但DSM仅包括局部-整体相互作用，并假设畸变屈曲模态不与其他模态相互作用。这一假设在唇形通道中得到了验证，但人们对解释和确定未来处理这些相互作用的最佳方法有浓厚的兴趣。一种方法可能是进一步发展DSM，最近作者探索使用截面屈曲模态的应变能分布作为确定截面有效厚度的手段。此外，致力于真正的非线性分析（欧洲规范中的GMNIA分析）可能是CFS构件设计的最佳最终方向。事实上，Rasmussen的研究以及澳大利亚CFS货架标准（AS 4084）为在CFS构件设计中使用这种方法提供了开创性的案例。

CFS的许多创新是针对系统的，而不是针对孤立构件。因此，设计方法需要向结合系统分析的方向发展。这种趋势在抗震设计中是最普遍的，但在墙壁和屋顶等基本CFS系统中也很重要。例如，一项针对仅由外部护套支撑的CFS螺柱的轴向承载力设计规范。如图5所示，即使是名义上具有相同墙骨柱的墙体，护套在强度、刚度、延性和观察到的极限状态中也起着至关重要的作用。文献提供了将系统行为整合到DSM设计方法中的关键步骤，即如果测试或计算支柱到护套紧固件刚度和护套隔膜刚度，则可以将其集成到截面稳定性分析中（作为弹性约束），从而得到反映系统级支撑行为的构件局部、扭曲和整体屈曲载荷。当适当校正弹性屈曲载荷以囊括系统级支撑时，用于强度预测的传统DSM表达式与试验结果一致。

作为系统级设计演变的另一个例子，DSM方法也被扩展到连续屋面檩条的设计中，其中整个多跨梁及其所有可能的极限状态一起用来进行稳定性分析和强度预测，而不是像传统设计那样只局限在截面。像这样的系统级分析方法很有希望用来预测重复框架结构（如CFS框架中常用的结构）的效率。

抗震工程与设计是贯穿整个结构工程的研究热点，CFS也不例外。在北美，CFS抗震设计并没有统一的标准，这就迫使工程师们跨越多个标准来实现他们的设计。非线性时程分析是现代抗震设计理念（如基于性能的设计）的计算引擎，但由于建模的限制，必须对CFS结构进行大规模简化。CFS的系统级抗震设计仍处于起步阶段，目前的主导理念是将所有能量耗散驱动到预先识别的离散单元中，例如规范设计的剪力墙。

过去各国家和地区都对CFS框架剪力墙进行过测试。意大利对木护墙板进行了测试，加拿大对拉杆支撑墙进行了测试，加拿大和美国对钢板剪力墙进行了测试，中国对波纹钢板剪力墙进行了测试，美国对带销钉和粘合剂的木护墙板进行了测试。将剪力墙试验数据转化为抗震设计的研究也在世界范围内持续进行。在北美，CFS剪力墙设计标准被整合为一个统一的设计规范。

在地震工程界，研究工作人员投入大量精力开发将非弹性能量耗散集中到可替换的“熔断器”元件中的系统。最近，日本研究人员将这一概念扩展到CFS剪力墙，采用了一种非常创新的系统，将延性熔断器集成到固定装置中。试验表明，所得到的剪力墙系统在循环测试中具有稳定的循环，几乎没有退化。分析模型表明，能量耗散性能远远高于目前可用的CFS剪力墙。

作为剪力墙的替代方案，美国成功开发了一种新型的用热轧钢管柱螺栓连接CFS梁的抗震体系。该系统最初用于工业建筑的夹层结构，但在美国，该系统催生了用于住宅市场的商业框架产品。

CFS抗震研究项目也在研究，具体包括CFS构件的循环试验，多层剪力墙、隔板甚至全尺寸建筑的振动台试验。  

本文综述了冷弯型钢结构应用、构件、分析和设计的最新进展。冷弯型钢广泛应用于许多重要的结构领域，并向中高层建筑领域扩展。冷弯型钢构件已经得到明确的发展，包括许多优化形状超越传统的横截面。有限条法和广义梁理论的分析进展为薄壁构件的模态分解和识别提供了有力支撑。直接强度法中计算截面稳定性的直接集成，促使构件设计取得了显著的进步。在冷弯型钢抗震设计方面进行了大量的研究。

总的来说，冷弯型钢结构的最新进展表明，这种多功能薄壁建筑材料仍然存在着巨大的潜力。