装配式冷弯薄壁型钢结构的应用研究

胡志明

(甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050)

现阶段，我国工业技术得到了全面的发展，这在建筑工程产业当中便有着突出的体现，其中冷弯薄壁型钢结构也逐步应用在民用建筑当中。相比较传统建筑结构形式，在装配式冷弯薄壁型钢结构下的建筑具有抗震性能好、施工速度快、经济性良好的特点。因此，相关工程建设行业也需要加强对装配式冷弯薄壁钢结构建筑进行研究分析，通过科学的手段提高该种结构的应用范围和应用效果，这也是建筑工程行业未来发展的主流趋势。

1 冷弯薄壁型钢结构

1.1 冷弯薄壁型钢结构概述

冷弯薄壁型钢结构是目前装配式钢结构建筑建设中最常见的一种结构形式，其指的是钢架梁、柱等通过冷弯成型，利用自攻自钻螺栓和高强度螺栓将其连接成新型刚架结构，作为建筑的主要承载框架。冷弯薄壁型钢结构体系具有施工便捷、施工周期短、抗震性能良好、节能环保的优点[1]。为了推动冷弯薄壁型钢结构在建筑方面的应用，国内外专家就该种结构进行了大量的实验研究和分析。

1.2 冷弯薄壁型钢结构的应用形式

就目前而言，冷弯薄壁型钢结构通常应用在3层以下的独立建筑当中，墙体立柱的间距设置为400～600mm，并且上下楼面之间设置有抗剪连接构件。与热轧型钢相比，冷弯薄壁型钢同等面积的承载力更强，并且构件重量更轻，能够有效提高房屋的抗震性能。在建筑当中，墙体是竖向和横向载荷的主要承载构件，而冷弯薄壁钢结构所构成的墙体骨架也是由型钢、外墙板和内墙板利用螺栓连接而成的。墙体上下道轨和立柱也都是由自攻螺钉进行连接[2]。为了提高墙体的承载力，立柱往往采用双柱的形式，并且在立柱下方设置有抗拔锚栓连接构件。通常情况下，装配式冷弯薄壁型钢结构建筑的建设主要应用于应急救灾建筑，该类建筑有着较大的地震抵抗能力。在地震发生过程中，对房屋结构破坏最为严重的是横向作用力，而建筑侧向力的抵抗体系主要是由框架及剪力墙所构成的，整个建筑结构都参与横向载荷的传递，传统的混凝土结构虽然具有较强的承载能力，但其自重大、韧性相对较差，横向载荷会对其产生严重的破坏。而冷弯薄壁型钢结构具有更强的韧性，在地震发生过程中也能更好的消除横向载荷对建筑所产生的破坏，进而提高建筑的安全性。

2 冷弯薄壁型钢结构在建筑中的应用优势

2.1 在结构方面的优势

传统的钢筋混凝土结构具有自重大、空间利用率低的特点。而目前部分工程项目建设的要求需要具有大空间、坚固耐用、易于拆除改建等特点，此种情况下传统结构便不能满足建筑工程项目的需求。将装配式冷弯薄壁钢结构应用于建筑工程项目中，能够满足该类工程项目的使用需求，通常情况下装配式冷弯薄壁钢结构建筑比传统钢筋混凝土结构建筑使用空间要高出6%～8%，同时在建设过程中工期能够缩短30%，成本也能降低5%左右。从建筑风格方面来看，装配式冷弯薄壁型钢结构建筑的建筑风格更加丰富，室内空间的划分也更加多元化，能够满足用户多样化的需求。除此之外，冷弯薄壁型钢结构建筑重量小，力学性能好，在出现地震时具有更高的安全性。

2.2 在绿色节能方面的优势

在冷弯薄壁型钢结构建筑建设当中，需要墙体内部敷设保温隔热材料，并且对于建筑内部的管路也需要进行保温处理，在后期应用过程中能够有效降低热能的逸散，同时也具有良好的隔音效果，符合现如今国家建筑节能标准，并且也能够满足用户的居住需求。相比较传统混凝土结构，保温隔热材料的应用也更加绿色化，所应用的材料数量也能够做出精确的计算，降低材料的浪费，这对自然生态环境的和谐发展也有着重要的意义[3]。

2.3 在经济成本投入方面的优势

冷弯薄壁型钢结构建筑在建设过程中是由工厂根据建筑设计图纸提前做好钢结构构件，之后将其运输至现场进行组装，此种施工形式下工程周期相对较短，并且人力、物力投入也相对较少，投资回报较快，从而使资金运转风险有所降低。除此之外，相比较传统建筑结构而言，装配式冷弯薄壁型钢结构建筑具有良好的抗震性能，因此所需的抗震措施简单，这也能够降低基础投入和抗震措施施工方面的资金投入。

3 装配式冷弯薄壁型钢结构在建筑中的应用现状

3.1 科学的选择楼板

在建筑工程项目当中，楼板的类型多种多样，最常见的有压型钢板、蒸压加气混凝土板、预应力空心板以及新型钢筋衍架楼层板等。压型钢板作为工程项目中最常见的楼板，具有重量轻，承载力高、容易运输和安装的优点，能够有效缩短施工时间。相比较传统木模，压型钢板具有良好的抗火性能，能够有效降低火灾的发生概率。并且压型钢板由于其自身的强度较高，在运输和存储方面更加方便。在具体应用当中，压型钢板与混凝土相结合，形成组合楼板，压型钢板在楼板当中起到了受力钢筋的作用，并且在施工过程中钢板也能够为梁类构件提供一定的侧向支撑力，提高梁类构件的稳定性。但相比较传统楼板建设而言，由于压型钢板带有肋，这对管道敷设有着一定的影响，并且肋也会对吊顶产生影响，从而降低楼层高度。蒸压加气混凝土板不仅具有吸声和绝热的优势，并且自重较轻，具有良好的耐火性，目前常应用在楼板、外墙板、屋面板等方面。但相比较其他类型的楼板而言，蒸压加气混凝土楼板的重量较低，抗震性较差，在制造过程中影响因素较多，因此产品尺寸会出现一定的误差，对安装有着不利的影响。预应力空心板在实际应用当中具有防渗、隔音效果佳，承载力高，平整度好，施工周期短的特点，并且该类楼板的含钢量较低，在制造过程中所需要投入的成本较低，施工中影响工程质量的环境因素较少。目前常应用在楼面板、屋面板、墙板等方面，但在长时间的使用下容易出现开裂情况，甚至会影响到建筑工程项目整体结构强度，因此根据工程项目科学选取预应力空心板对提高工程质量有着重要的意义。新型钢筋衍架发泡水泥夹芯板是装配式钢结构建筑应用广泛的一种楼板结构，该种结构形式是根据传统建筑结构衍生出一种以钢筋衍架作为结构骨架，内部填充发泡水泥的楼板结构类型，通常情况下该种楼板是在工厂进行预制，之后运送到施工现场后进行安装，安装完成后在相应的位置处浇筑一层混凝土，这不仅不需要设置混凝土浇筑模板，还能够有效提升结构强度。在安装过程中主要将新型钢筋衍架发泡水泥夹芯板与钢梁类构件连接在一起，从而提高安装的有效性和可靠性，同时也能降低施工材料的浪费，减少现场钢筋的绑扎，从而缩短施工周期，提高劳动效率[4]。

3.2 科学选择结构体系

在多种建筑结构形式当中，薄壁轻钢结构体系也有多种结构形式，分别为钢框架结构、钢与混凝土混合框架结构以及轻钢龙骨结构体系等。其中钢框架结构在实际应用过程中具有便捷的安装方式，传力性能相对较好，室内空间、门窗布局等均具有更强的灵活性。在发生地震时，建筑在水平地震作用下所产生的形变主要集中在框架柱和梁、板的节点处，由于钢框架具有一定的韧性，如果层数(高度)较少时，水平力能够与框架的抗侧力构件承载力相互抵消；如果层数(高度)较多时，水平地震作用下框架会产生较大的弯曲变形，发生侧移，整体侧向变形也形成了弯剪型，这对建筑结构的强度有着较大的影响。因此，钢框架结构通常被应用在层数较少的建筑当中。如果想要在较高建筑方面应用钢框架结构，便需要提高梁、柱的横截面尺寸，此种方式便会提高建筑成本，进而对工程造价产生影响。因此，目前装配式冷弯薄壁型钢结构主要被应用于低层建筑结构当中。

3.3 科学选择节点连接方式

装配式冷弯薄壁型钢结构如果采用矩形截面柱，此时梁柱在横向和纵向两处的连接都应当采用刚性节点；如果采用单轴对称柱，如H型钢截面柱，此时腹板方向的力学性能相对较弱，因此需要在弱轴方向采用刚性连接。经过试验研究表明，在装配式建筑结构当中常规节点的弯矩与其转角处于一种非线性的变化形式，此种方式并不属于完全刚接也与完全铰接有一定的区别，为了便于力学性能的计算，一般情况下需要假设梁柱的连接方式为完全刚接或铰接，之后根据计算得出的力学模型选取合理的连接方式。

4 冷弯薄壁型钢结构建筑的具体设计应用与未来发展

4.1 结构体系的设计

冷弯薄壁型钢结构建筑墙体通常是由轻钢密肋梁柱以及绿色环保型维护构件所构成，该种结构形式不仅具有良好的物理力学性能，而且符合当前建筑行业的节能环保发展。目前，冷弯薄壁型钢结构体系主要应用在1～3层建筑当中，例如住宅、会所、别墅等建筑。而随着科学技术的不断发展，钢框剪结构体系也被逐步的应用于建筑工程当中，该种结构体系是通过钢框架结合填充轻钢剪力墙形成的，其具有更强的稳定性，因此抗震性能相对较高。现阶段，钢框剪结构体系主要被应用于多层建筑当中，但都是集中在12层以下的多层建筑中，例如公寓、学校、小高层住宅等。

4.2 基础设计

基础设计是建筑工程稳定性和安全性的保障。在冷弯薄壁型钢结构建筑设计当中最常见的基础形式为由轻钢结构所构成的柱下独立基础，不同的基础由连系梁连接，进而确保建筑基础的稳定性，同时也能够有效改善基础在后续使用过程中沉降的均匀性[5]。对于地质条件不佳的工程可以选用柱下条基的基础设计形式，此种基础主要应用在软土地基或上部结构较大(承受荷载较大)的情况下。在基础的设计当中，柱脚连接方式可以选用铰接或刚接，在承载相同荷载的情况下，柱脚刚接形式下基础用钢量较大，上部结构用钢量较小；如果柱脚采用铰接的方式连接则相反。

4.3 防火设计

冷弯薄壁型钢结构耐火性较差，根据我国建筑防火规范要求，结合冷弯薄壁型钢结构耐火性能情况来看，其楼层建造高度应当控制在3层以下。因此常规装配式冷弯薄壁型钢结构主要应用在低层建筑中。根据我国冷弯薄壁型钢结构建筑的设计、施工技术规程和标准来看，该类型的建筑檐口高度要小于12m。但随着技术的不断发展，在冷弯薄壁型钢结构建筑设计和施工过程中，很多工程在外围应用了防火隔热材料，这也使冷弯薄壁型钢结构建筑的高度逐步提升，但同时在建设过程中也需要根据国家制度和行业标准进行科学的消防设计，确保防火间距、防火设施的合理性，同时保障建筑耐火等级符合建筑工程要求，进而确保建筑后期施工及使用的安全性。

4.4 防腐性能

相比较混凝土材料，钢材的防腐性能较差，因此在装配式冷弯薄壁型钢结构建筑建设过程中，冷弯薄壁型钢需要镀锌或镀铝锌，以此来提高钢结构的防腐性能，这不仅能够有效提高钢结构的整体强度，还能够降低其在后期的维护保养费用。在镀锌、镀铝锌等防腐工艺处理当中，不同地区有着不同的要求，例如在腐蚀性较低的非工业区域当中，钢结构表面镀锌层量需要高于180g/m2，镀铝锌量要高于100g/m2；在一些沿海城市、工业较为发达的区域当中，腐蚀性相对较强，钢结构表面的镀锌量、镀铝锌量需要有所提升，分别需要大于275g/m2、150g/m2。

4.5 冷弯薄壁型钢结构建筑的发展前景

现阶段，伴随全球经济飞速发展，资源枯竭的问题也日益严重，绿色环保、节能降耗已经成为未来社会发展的大势所趋。相比较传统混凝土结构的建筑形式，装配式冷弯薄壁型钢结构建筑体系不仅资源利用率较高，而且还具备环保、高效的特点，是未来建筑产业发展的重要方向。与此同时，在部分地质条件欠佳的情况下，气候温度寒冷的情况下，混凝土结构建筑在施工过程中困难重重，这也会对工程建设周期和建设成本产生不利的影响，而冷弯薄壁型钢结构建筑能够有效解决这些问题，打破环境对建筑工程施工的制约和影响，进而开拓更加广阔的市场前景。

5 结语

综上所述，装配式冷弯薄壁型钢结构建筑由于其绿色环保、施工效率高、抗震性能好等特点成为了建筑工程产业未来发展的重要方向。但从目前装配式冷弯薄壁型钢结构的设计施工过程中发现，其主要应用于低层建筑当中。为此，相关建筑工程单位需要加强对该结构体系的研究，通过科学的手段扩大装配式冷弯薄壁型钢结构的应用范围，提高该种结构形式在高层建筑中的安全性和可靠性，这也是建筑工程行业未来发展的必行之路。