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来源：Xuhong Zhou. Research Progress on Cold-Formed Steel Structural Framing[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(1): 1-19. DOI: 10.13206/j.gjgSE20010804
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研究背景
冷弯型钢构件具有重量轻、强度高、易于预制和量产、安装快、可回收利用等优点。冷弯型钢结构体系主要由墙体系统、楼盖系统和屋面系统组成(图1）,已在美国、澳大利亚和新西兰等国广泛应用。而我国冷弯型转自：规范尚需完善,加之“人多地少” 的国情,发展多高层冷弯型钢结构体系势在必行。多年来，周绪红院士及其团队长期聚焦于冷弯薄壁型钢结构房屋关键技术及其应用的研究工作。他们的研究成果已被国内相关设计规范采用，用于指导实际工程设计，推动了装配式钢结构房屋在中国的应用。
图1 冷弯薄壁型钢(CFS)结构构造图
研究进展
作者及其研究团队通过理论分析和试验研究,对冷弯薄壁型钢(CFS)结构体系进行深入研究,研究方向涵盖冷弯薄壁型钢基本构件和拼合构件的受力性能、组合墙体的抗侧性能、组合楼盖的承载力、刚度和舒适度以及整体房屋的抗震性能。
1.基本构件的受力性能
构件的局部屈曲
早期，作者与其导师共同提出了半能量法，用于分析边缘加劲板件在压弯共同作用下的屈曲行为（图2）[18]，并得到了边缘加劲板件的弹性屈曲解。 通过能量原理建立了边缘加劲板件的弹性屈曲理论和冷弯型钢卷边构件的弹性相关屈曲理论，并采用50个冷弯型钢卷边柱试验结果进行了验证[20]。所有的研究成果在作者的专著中进行了汇总[21]。
图2 构件截面受非均匀压力作用
构件的畸变屈曲
自2009年以来，作者团队的研究主要集中在畸变屈曲和畸变与局部相关屈曲。建立了简支、固支轴压柱畸变屈曲临界荷载的统一分析方法,提出了临界荷载计算理论[22]，修正了澳大利亚标准AS / NZS 4600 ∶2005 和我国标准JGJ 227—2011 中畸变屈曲极限承载力的计算公式。修正后对比结果见图3。
修正的计算公式（一）
修正的计算公式（二）
图3 修正后结果对比
2.CFS拼合构件的受力性能
双肢拼合柱
对28根CFS箱形拼合截面柱进行了轴压试验研究，揭示了双肢拼合CFS轴压柱的破坏特征和受力机理,提出了CFS拼合截面柱极限承载力的简化计算方法。箱形拼合截面由单根C型截面构件和单根U型截面构件嵌套而成，并通过螺钉连接（图4）。试验及有限元模拟结果见图5。
图4 构件截面及几何尺寸
图5 CFS轴压柱破坏模式
双肢拼合梁
对10种不同构造的30个试件，绕主x轴进行了四点弯曲加载试验研究。图6a为自攻螺钉拼装的背对背C型钢组合工字梁截面，图6b为C型钢与U型钢拼装的组合箱梁截面。梁的受弯试验及有限元分析结果见图7。根据试验和有限元分析结果，提出了CFS双肢拼合工字梁的强度折减方法和有效宽度法[51-53]。
图6 试件截面形状
图7 CFS弯曲梁的破坏模式 MPa
3.CFS组合墙体的抗侧性能
作者及其团队对CFS剪力墙进行了大量的试验和理论研究[60-63]。通过对足尺CFS剪力墙进行抗侧性能试验（图8），确定了水平荷载作用下CFS剪力墙的受力机理、破坏模式和力学性能。探究了墙柱间距、墙柱尺寸、螺钉间距、面板类型、面板厚度、加载方式等对CFS剪力墙抗侧性能的影响规律。建立了CFS钢组合墙体的理论分析方法。
图8 CFS组合墙抗侧性能试验
4.CFS组合楼盖的受力性能
组合楼盖的抗弯性能
作者对采用C型钢楼面梁和OSB楼面板组合的CFS楼盖的抗弯承载力进行了试验研究和数值分析[65-67](图9)。楼面板与C型钢楼面梁之间的螺钉连接对楼盖的抗弯承载力有较大的影响。在此基础上，提出了考虑CFS组合梁与OSB板共同作用下的楼盖体系抗弯承载力简化计算方法。
图9 加载装置及楼盖破坏模式 MPa
通过对CFS组合梁弯曲性能的研究[74-75],结果表明：梁腹板的剪切屈曲是CFS组合梁试件的主要破坏形式，在极限荷载阶段发生螺钉倾斜和板材开裂(图10)。并通过有限元分析，确定了CFS组合梁的高度、厚度、楼面板上螺钉间距和冷弯型钢强度对组合梁抗弯承载力的影响。
图10 CFS组合梁的破坏模式
组合楼盖的振动性能
随着CFS体系在商业建筑中的快速发展，为探索开发具有更高可靠性和振动适用性的楼盖，作者及其团队对CFS楼盖体系的振动性能进行了深入系统的研究[82-85]。为了研究CFS-GSU楼盖的振动性能，分别对宽度为0.8m、长度为3.6m的复合楼盖和宽度为3.6m、长度为3.6m的组合楼盖进行了动态和静态测试(图11)。确定了组合楼盖的自振频率、阻尼比和中心挠度。对楼盖进行有限元分析，并与试验结果进行验证(图12)。最后，提出了CFS-GSU楼盖基频和中心挠度的理论计算方法，以辅助实际设计。
图11 CFS组合楼盖振动性能试验
图12 CFS组合楼盖振动性能的有限元分析结果 mm
5.CFS整体结构的抗震性能
为明确CFS房屋在地震荷载作用下的破坏特征、动力特性及地震响应，作者及其团队对一幢预制足尺的单层CFS房屋建筑进行了抗震性能试验[89]。图13为1.9 m×2.9 m×3.62 m的足尺单层CFS房屋建筑的振动台模型，包括附OSB板的剪力墙和屋顶桁架。试验结果见图14。采用ABAQUS软件，建立了低、多层冷弯薄壁型钢结构体系的有限元分析方法（图15、图16）。提出了CFS房屋的抗震设计计算方法和抗震构造措施。
图13 足尺CFS房屋振动台模型
图14 CFS房屋建筑的基频和阻尼比
图15 单层CFS房屋建筑的振动模态
图16 多层CFS房屋建筑的振动模态 mm
6.CFS拼合柱的抗火性能
由于钢材的高导热性，在火灾条件下，钢材的强度和弹性模量会显著下降。因此，CFS结构的防火安全性非常重要。作者对拼合箱形柱等新型CFS构件的耐火性能展开了研究，进行了足尺CFS拼合柱火灾响应下的轴向加载试验[97]。研究了升温速度、负荷率和温度分布规律对柱火灾响应的影响。建立了火灾作用下拼合截面柱的理论分析方法、简化力学模型和设计计算理论。柱截面的形状和尺寸见图17。研究结果见图18。
图17 CFS拼合柱截面及尺寸
图18 CFS拼合截面柱温度分布
研究展望
目前，冷弯薄壁钢在低层住宅建筑中得到了广泛的应用。然而，要将其推广到中高层建筑，还需要做进一步的研究，包括力学性能和抗震性能。现提出以下研究方向:
1）拼合截面柱和梁的极限承载力有待进一步研究。分析理论可以进一步简化，以适应实际需要。
2）将CFS剪力墙应用于多层CFS房屋建筑中，以达到更高的抗剪性能和更好的抗侧性能。中高层CFS建筑的抗震性能也有待进一步提高。
3）研发新型楼盖，以降低楼板重量，改善受力性能及舒适度。
4）对多层CFS房屋建筑进行振动台试验，研究其抗震性能。
5）CFS结构的耐火性能普遍较差，有必要寻找一种经济可行的防火方法。
周绪红
中国工程院院士 日本工程院外籍院士
重庆大学土木工程学院 教授 博士生导师
《钢结构（中英文）》Steel Construction 编委会主任委员
长期从事钢结构、钢-混凝土混合结构和桥梁结构等方向的教学与科研工作。在钢结构、钢-混凝土混合结构等新型结构体系的理论研究、工程应用与产业化发展方面取得了创新性成果。周绪红院士率领研究团队创建了钢管约束混凝土结构新体系，提出了巨型网格结构体系和钢管混凝土异形柱框架结构体系，创新发展了冷弯薄壁型钢结构体系和交错桁架结构体系，研发了新型混凝土叠合楼板体系和钢-混凝土组合索塔（或索梁）锚固体系，建立或发展了相应的结构分析理论、设计计算理论与方法，成果编制成国家、行业标准或被其采纳，并在高层钢-混凝土混合结构、大跨度房屋钢结构和桥梁结构等工程中广泛应用，促进了我国钢结构和钢-混凝土混合结构技术的发展，为推动我国建筑行业的科技进步作出了重要贡献。
先后获得国家科技进步一等奖、国家科技进步二等奖3项、省部级科技进步一等奖10项。获得国家教学成果二等奖2项，省级优秀教学成果一等奖3项；授权国家专利、软件著作权100余项。主编或参编国家与行业标准10部、国家与省级标准设计图集7部；主编国家和省级工法12本。出版专著2部，主编和参编教材9部，在国内外发表学术论文450余篇。
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