钢结构钢结构快速入门教材(第五章--冷弯薄壁型钢)

1、第五章 冷弯薄壁型钢第一节 截面特性及用途冷弯薄壁型钢是型钢的一个品种，采用6mm以下的薄壁型钢板进行冷弯压制成形。一、冷弯薄壁型钢以截面形式分类1闭合截面如圆形、方形、长方形、三角形等。2开口截面如C型、Z型、槽型、型、L型。冷弯薄壁型钢都在弯板机上成型，其特点在折角处都形成一个弧形。二、冷弯薄壁型钢的机械力学性能1机械力学性能采用Q235或Q345钢材冷弯成形Q235冷弯薄壁型钢的力学特性屈服点（MPa）抗拉强度（MPa）应力比/伸长率薄形钢板44845755956279.781.82328冷弯型钢57559064166588.389.73134冷弯后的平均抗拉强度与原薄钢板之比抗拉强度：

2、 就是说抗拉强度可以提高15%18%，所以冷弯型钢在冷弯后强度可以提高，屈强比提高，韧性下降，塑性储备减少。这里要特别指出的Q235的冷弯薄壁型钢的设计强度，不得利用冷弯后的强度提高值，同时冷弯薄壁型钢作为檩条、墙梁不是强度控制，而是挠度控制。2型钢的截面的特性(1)截面计算假定杆件长度和截面的平均尺寸及杆壁的厚度属于不同等级，称为薄壁杆件。a.设计仍为平面假定，但截面上的应力是均布应力；b.抗弯抗扭应力水平较低，容易局部失稳；c.抗剪计算相当繁锁的腹板验算，容易局部屈曲及剪力滞后效应。(2)截面特性与一般截面同样，在x、y方向应具有的惯性矩，截面抗矩及回转半径处，因为开口薄壁杆件抗扭水平较低

3、，但结构抗扭是不可避免的，为了较正确的反应开口薄壁杆件在受扭时杆件的安全，利用维利沙金法求出扇性惯矩及最大扇性截面抵抗距来校核开口薄壁杆件的稳定性。三、冷弯薄壁型钢的用途当提到冷弯薄壁型钢似乎只有用在檩条和墙梁上，因为是薄壁就想到钢材易锈蚀，使用年限很短，其实冷弯薄壁型钢用途较广泛，使用年限也可达到25年以上。使用冷弯薄壁型钢时，业主和设计的工程师们应有一个价值观，使设计得到较佳的经济指标和合理的使用时效，这是设计工程师应具有的准则。冷弯薄壁型钢同样可以设计柱距为6.0m跨度到15m以下，三角形桁架和门式刚架（详见附图七十六），同时还可设计成二三层的住宅、别墅、中小型的商场，超市等。完全可以做

4、到建筑风格特异，美观大方的现代建筑风格。第二节 新规范修订的内容所谓新规范是按冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018-2002）版本而言。新规范共有11章25节与5个附录，共计156页，主要修订内容：一、新规范的主要修订内容原规范颁布执行后，规范管理组即针对前述有待进一步研究的主要问题，及时组织国内有关单位协同攻关，进行了系统的调查研究和必要的科学试验，在此基础上，制订新规范时，又认真总结了近年来国内外工程实践经验，对国外的相关标准和科研成果进行了全面的分析、比照，使新规范的规定更为科学、合理、可靠，更符合当前工程实践和技术进步的需要。新规范的主要修订内容如下：1.按国家标准建筑结构可靠度

5、设计统一标准（GB 50068）的规定，新规范第4.1.3条对设计冷弯薄壁型钢结构时采用的结构重要性系数作了调整，不但取决于结构的安全等级，尚应计及结构设计使用年限的影响。新规范规定对于安全等级为二级的一般工业与民用建筑的冷弯薄壁型钢结构，设计使用年限为50年，不应小于1.0，设计使用年限为25年时，不应小于0.95，以使设计更为安全、合理。此外，由于新修订的建筑结构荷载载规范（GB 50009）将住宅和办公楼楼面活荷载标准值由1.5提高到2.0，将风、雪荷载标准值的重现期由30年一遇改为50年一遇，以及取消遇风组合原则，均对新规范可靠度有较大的影响。新规范通过可靠度分析，其目标可靠度指标均有

6、不同程度的提高，也改善了原规范某些构件（如受弯杆件）可靠度偏低的现象，使所有构件的可靠度指标均达到了新修订建筑结构可靠度设计统一标准（GB 50068）要求各种安全等级下各种破坏形式的可靠度指标不得小于标准的规定，使设计更为可靠。2.新规范增列的第4.1.10条中规定，当采用不能滑动的紧固件连接压型钢板及其支承构件形成屋面和墙面等围护体系时，可在单层房屋设计中考虑受力蒙皮作用。众所周知，自20世纪50年代初，在对钢制山形门式刚架结构的试验实测中已发现，带有可靠连接的围护体系的这类结构的应力和变形均较裸骨架的相应值为小，随后英、美等国又对此进行了较为全面、深入地试验研究，结果表明，围护结构自身平

7、面内的抗剪能力可增强结构的整体工作性能，这种效应通常被称为受力蒙皮（STRESSED SKIN）作用，考虑这种效应可节省材料和工程造价的10%左右，且可大大提高结构的整体工作性能和可靠程度。由于受力蒙皮效应与围护结构所采用的板型、尺寸、连接件的类型、尺寸、间距以及围护结构与支承结构之间、板件之间的连接方式、可靠程度等诸多因素有关，不少设计参数的确定尚有赖于特定的试验，无法简单套用。因此，原规范颁布后，规范管理组组织了国内有关单位依据我国的实际情况对此类结构体系的受力蒙皮效应进行了系统的试验研究和理论分析，历经10载，取得了不少有价值的成果，并拟在此基础上编制相关的设计标准，以供工程实际参照采用

8、。新规范则在基本设计规定中增列了第4.1.10条提请设计人员注意，在条件具备时宜考虑受力蒙皮作用，以收节约用材、降低造价和提高结构可靠性之利，详细的设计方法、试验要求则留待专门的设计标准加以规定。3.近年来，国内有关单位先后分别对冷弯薄壁型钢轴心受压构件、压弯构件及受弯构件的整体稳定性和构件中受压构件的局部稳定性的相关作用问题进行了较为深入的理论分析和系统的试验研究，使我们对此类构件整体局部相关屈曲的认识更为深刻，上述一系列的理论分析和试验研究结构指出，原规范内所列基本构件设计公式中引用有效截面特性替代全截面特性来考虑受压板件的局部屈曲及构件整体屈曲间的相关性和互动作用的方法具有足够的工程精度

9、，在目前尚无更好的替代方案的情况下，沿用此法是可行的。故新规范中仍采用有效宽厚比法来处理冷弯薄壁型钢结构种类基本构件整体屈曲和受压板件的局部屈曲之间的相关影响。4.新规范对受压板件屈后强度（POSTBUCKLING STRENGTH）及有效宽厚比的计算方法作了全面的修订，与原规范的有关规定相比，计算更为方便、准确、物理概念更为合理、明晰。(1)新规范依国际惯例，将原规范中的两边支承板件，一边支承、一边卷边板件和一边支承、一边自由板件分别改称为加劲板件、部分加劲板件和非加劲板件，使含义更为明确，便于与国际接轨。(2)新规范对于上列三类受压板件规定统一的有效宽厚比计算公式，便于编程电算。(3)新规

10、范给出的受压板件有效宽厚比的计算公式是以板组（而不是单板）作为分析单元的，考虑了相邻板件对计算板件的约束影响，以板组受压的理论分析和试验结构为依据制订的，分析比较表明，按此法所得之计算值和相应试验值的吻合程度更好，更能反映冷弯薄壁型钢结构构件中受压板件的实际工作性能。(4)新规范对非均匀受压板件有效宽度的分布图形作为调整，明确规定此类板件的受拉区全部有效，板件的有效宽度按一定的比例分配于其受压区两端，此分配比例取决于板件类别及板件所承受的应力大小及应力比值。新规范的这项规定与原规范相比，物理概念更为明确、合理，更可杜绝在某些情况下按原规范的规定可能会出现的受拉区板件部分无效的弊病。5.新规范完

11、善了受弯构件整体稳定系数的计算公式。原规范附录三之（二）中列出的受弯构件整体稳定系数的计算公式适用于截面强轴是对称轴或非对称轴的情况，使用时容易混淆。规范中未列出绕截面弱轴弯曲时的计算公式，需由设计者自行按前述公式代换相应几何特性，使用不便，亦易出错。新规范在附录A.2中分别列出上述3种情况的计算公式，避免了上述弊端，方便使用。此外，近年来对受弯构件整体稳定性的进一步的理论分析和试验研究表明，承受横向荷载作用的受弯构件，原规范算式中的计算系数的值均不大于1.0，故在新规范的算式中偏安全地取=1.0，简化了计算，其所致误差在实际工程的允许偏差范围之内。6.补列了弯矩作用于非对称平面内的单轴对称开

12、口截面压弯构件稳定性的计算公式。原规范中规定了双轴对称截面压弯构件及弯矩作用于对称平面内的单轴对称开口截面压弯构件的稳定性计算方法，却未给出弯矩作用于非对称平面内的单轴对称开口截面压弯构件的稳定性计算公式，而工程中常可能用到此类构件，因此，新规范根据与轴心受压构件的稳定性计算公式及受弯构件整体稳定性计算公式自然衔接协调的要求，并与有限试验结果作了分析比较后，增列了2个半经验公式来计算此类构件弯矩作用于平面内、外的稳定性。7.增列了几种近年来在冷弯薄壁型钢结构中广泛使用的新颖连接设计的有关规定。根据对近年来国内设计制造的和自国外引进的已建成的及在建的冷弯薄壁型钢结构的调查发现，在这此结构中除习用

13、的传统连接方式（如焊接、螺栓连接等）外，一些新型连接件如拉铆钉、自攻（自钻）螺钉、射钉、喇叭形焊缝、化学螺栓等的应用已日趋普遍，但缺乏统一的设计指南。新规范在分析、研究国内外有关试验研究成果及工程实践验的基础上，参照、借鉴了国外相关标准的有关规定，在第6章增列了喇叭形焊缝连接、拉铆钉连接、自攻（自钻）螺钉连接和射钉连接的计算方法和构造要求，试验研究表明，新建议的构造要求是可靠的，对于促进冷弯薄壁型钢结构的推广使用和发展是十分必要的。8.对应用最广泛的冷弯薄壁型钢结构构件（如压型钢板、檩条、墙梁、刚架等）的计算方法和构造要求作了全面修改与补充。在总结近年来冷弯薄壁型钢结构工程实践经验和工程事故教

14、训的基础上，参照国外有关标准的规定，放宽了对压型钢板和檩条的容许挠度的限制，增列了山形门式刚架梁的容许挠度和刚架柱顶容许侧移值的规定，以在保证结构安全和正常使用前提下，适度降低冷弯薄壁型钢结构构件的材料用量，使之与国外同类型产品的经济指标较为接近，以提高我国冷弯型钢结构的市场竞争力。近年来，在多跨门式刚架体系中不少都采用了中间摇摆柱，作为中间支承它受力合理，构造简单，省工省料，故新规范中增列了确定中间柱为摇摆柱或非摇摆柱的多跨门式刚架柱计算长度的条款，以供设计采用。新规范增列了当刚架梁为变截面构件时，刚架柱计算长度的计算方法，并根据不同的柱脚构造规定了相应的调整系数，以使计算结果更为合理、准确

15、。为方便叠置运输及堆放，减少相关费用，新规范增列了斜卷边Z型钢的截面特性的近似计算公式，以适应实际工程需要。由于在冷弯薄壁型钢结构中，墙梁的应用十分广泛，故新规范第8章中增列了关于墙梁设计的规定，主要内容包括单侧、双侧挂墙板的墙梁的强度和稳定性的计算公式、构造要求两个主要受力方向墙梁的容许挠度以及为保证墙梁整体稳定性所应采取的构造措施等。近年来，压型钢板不仅被广泛用作屋面和墙面的围护结构，还大量用于高层建筑中的组合楼板及非组合效应的楼板，故在新规范第7章中增列了压型钢板用作非组合效应楼板，的计算方法及构造要求方面的规定。此外，用作屋面板或墙板的长尺压型钢板往往连续跨越若干根檩条和墙梁，故新规范

16、中亦相应增列了这方面的有关规定。主要内容包括：(a)增列了在集中力或支座反力作用处的压型钢板腹板局部折曲（CRLPPLING）承载力的计算公式；增列了同时承受弯矩和集中力（或支座反力）或同时承受弯矩和剪力作用的压型钢板的强度计算公式，以供设计采用。(b)增列了相应在构造措施。(c)增列了压型钢板用作非组合效应楼板的容许挠度。二、需进一步研究的问题无疑，新规范凝聚着我国在冷弯薄壁型钢结构领域内近十年来的科研成果和工程实践经验，对原规范的内容作了较为全面的修订与补充，能比较充分、科学地体现当前国内这类结构的设计、制作及施工的水平。但仍有不少总是有待今后进一步探索和研究。（1）要大力发展冷弯薄壁型钢

17、的专用钢材。这种钢材应具有较高的强度、良好的展延加工性能和耐久性，特别是应有超强的大气腐蚀性能。（2）要大力研制、开发各种冷弯薄壁型钢结构构件的专用型钢系列，逐步实现冷弯薄壁型钢结构的标准化、商品化生产。（3）厚壁冷弯型钢结构构件性能的试验研究。（4）冷弯型钢的残余应力，冷弯效应的试验研究，冷弯型钢结构构件几何缺陷的统计分析，以及上述因素与各类结构极限承载力的研究。（5）关于计及各类受压件局部屈曲影响的冷弯钢结构构件极限承载力实用计算方法的研究。（6）新型冷弯型钢空间结构体系的研究。（7）冷弯型钢结构疲劳性能、动力性能的研究。（8）建立并逐步完善冷弯型钢结构试验数据库。（9）冷弯薄壁型钢结构设

18、计专家系统及各类设计、施工、制作适用软件的开发。（10）冷弯型钢耐久性能的研究。在新规范执行过程中，希望各单位注意积累资料，总结经验，随时把发现的问题和相关建议寄交规范管理组，以便今后对新规范进一步的修订，以适应我国冷弯薄壁型钢结构和社会主义建设事业蓬勃发展的需要。第三节 檩条和墙梁的设计与构造一、截面选型和构造要求轻钢结构的C形和Z形冷弯薄壁檩条和墙梁是首先的主要构件。一般设计根据金属屋面板的刚度确定檩距，它的跨度可以由49m不等，其用钢指标可以看出7.5m左右比较经济，当跨度更大时可设计成格构式檩条。C形檩条和墙梁一般设计成简友形式，Z形檩条和墙梁可以设计成简支或一定程度的连续形式，可以减小檩条的挠度。构造要求如下图示：1C型檩条或墙梁简支檩条（详见附图七十七）2Z形檩条或墙梁简支连续布置形状（详见附图七十八）构造要求（详见附图七十九）二、设计时风载取值1风载的体型系数（无女儿墙时）(详见附图八十)檩条和墙梁的风载荷体型系数结构构件分 区封闭式建筑部分封闭式建筑檩条中间区边缘带角部-1.2-1.4-1.4-1.6-1.8-1.8墙梁中间区边缘带-1.1+1.0-1.1+1.0-1.5+1.1-1.5+1.1山墙墙架构件的风荷载体型系数结构构件分 区封闭式建筑部分封闭式建筑抗风柱中间区-1.1 +1.0-1.4 +1.1边缘带-