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。