1.1 冷弯型钢的应用与发展

我国冷弯型钢的发展起始于20世纪50年代~60年代，由于受到板带原料制作技术与产量的制约，建国时期发展较为落后,只能在鞍山、上海、重庆等个别地区的个别城市生产，仅满足国内市场极少的需求，还需要大量进口。

80年代国内技术的突破和国家政策的扶持迎来冷弯型钢发展的第一次爆发，钢材原料的性能从单一的高强转变发展为耐火、耐腐蚀兼具的高性能产品。时至今日，我国坐拥冷弯型钢制造机组1000套。

生产地区也由鞍山、上海、重庆等部分地区发展到全国各地，每年生产的总量高达1500多万吨，占钢结构生产总量的4%，基本满足自给自足。但从世界层面上讲，还远远达不到欧美等发达国家冷弯型钢年生产建筑用钢量占总钢量的75%。

那么重视发展冷弯型钢的产量和技术对类似我们这样的发展中国家显得极其重要。冷弯型钢是由热轧或冷轧的带钢经过冲压、拉拔、弯折等工艺使用特定的机组制造而成，常见的截面类型有槽型钢（C型钢）、T型钢、角型钢、Z型钢、帽型钢等。

截面高度通常为51~305mm，厚度为1~3mm。冷轧型钢不仅具有与热轧型钢相似的性能，而且还具有以下特点： 冷弯型钢板件的宽厚比较大，构件的屈曲后强度较高，截面形式千姿百态，连接方便快捷，连接形式多种多样。

并且在单位质量下的截面性能优于热轧型钢，能节省10%~40%的原料，可最大化的提高钢材的使用效率；冷弯型钢采用冷弯成型的技术，制造速度快、过程绿色环保，成流水线加

工，工业化制造，可依据各种特殊工况形成特有截面和任意长度。

冷弯型钢绿色环保，可完全重复性利用，安装拆卸简单，安装方式多种多样，可实现装配化施工，节省人力物力，也响应国家的绿色智能建造和“绿水青山” 等政策； 冷弯型钢还可以依据建筑、水电、暖通各种专业的要求进行二次加工（开孔、切边等）。

方便后期处理更改，在现场就可自主加工，结构还可以进行防腐、防火处理，进一步的提高了冷弯型钢的利用效率。 时至今日，我国冷轧型钢行业的发展中的问题主要有以下几个方面： 每年产量比重小，使用比重低。

我国人口密度基数大，还是以高层建筑建造为主，在非一、二线发达城市的城乡镇地区，民用住宅的建造还是以采用混凝土、砖墙为主，而欧美等发达国家的私人住宅大多为冷弯型钢为主体建造。

这导致我国冷弯型钢年产量仅7.17亿吨，仅占建筑用钢的4%，与发达国家冷弯型钢占总用钢量75%仍有差距。自主创新能力不强，缺乏优质的产品。我国的冷轧型钢产品种类较少，大多数企业制造的产品类型一致。

竞争性严重，缺乏创新性和优质产品，新型截面拼合 方式和截面类型上研究还需深入，理论和受力性能上还需要较大突破。地区分布不均。珠三角、长三角和渤海湾三个地区生产总量占了全国总值的80%。

西部地区原材料资源充足，但缺乏加工制造企业，市场仍待进一步开发。（4）空间结构总体研究较少，大多为构件、节点、截面等类型，还需和空间结构进行系统研究。

1.2 研究课题的提出

针对目前冷弯型钢房屋体系在层高、平面布置、梁柱连接等方面的不足，通过国内外对冷弯型钢房屋体系的研究，结合目前课题组的研究经验，提出一种新型的冷弯型钢房屋体系，该房屋体系由立柱、横梁作为主要的承重构件。

通过新型的梁柱连接板件和梁、柱截面拼合的连接板件组合而成。该房屋体系积极响应了 国家对装配式建筑的号召，搭接灵活，截面形式和构造较为统一，预期可实现工业化制造，具有安装简单，无现场污染，施工速度快等特点。

新型的冷弯型钢房屋体系由于梁柱等均由垫板连接，能很好的实现立柱的贯通性。创新性将T形拼合截面作为结构体系中的“边柱”，十字形拼合截面作为结构体系中的“中柱”，L形拼合截面作为结构体系中的“角柱”。

通过设计和试验改变立柱的参数进行提高立柱的承载能力和抗震性能，从而提高房屋体系的抗震性能和承载能力，实现高层框架冷弯型钢房屋体系的建立。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 冷弯型钢屈曲性能研究现状

Winter、Pekoz等提出有效宽度法基本理论为指导的计算方法已引入美国、澳 洲、欧洲和我国规范，Schafer提出直接强度法屈曲理论不断被突破创新。 Fratamico等[ 9]通过量化两种腹板紧固件布局，研究构件端部约束。

观察畸变屈曲和畸变相关屈曲作用的影响，提出了适宜的设计方法，拓展了直接强度法（DSM）的应用范围。周绪红团队指出Kwon和Hancock提出的两条设计曲线对于畸变与整体相关屈曲和畸变屈曲的承载力计算公式不统一。

并在计算畸变半波长度和畸变屈曲性能 的试验中，对典型截面梁进行屈曲分析的基础上，提出了关于板件计算的折减强度法、有效宽厚法、抗弯模量折减法等一系列简化计算公式，并验证了其正确性和适用性。

姚行友等对比了各个国家中规范对有效宽度法的规定，重新计算了我国规范参考文献中100根卷边截面在轴向受压状态下构件的承载性能，说明了不同规范的安全和保守，利用有线条程序对弹性屈曲应力进行了预测，得到了屈曲系数的建议公式。

姚永红，武振宇提出了针对冷弯C形钢翼缘转动刚度的简化计算方法，发现C形钢截面的开孔影响其破坏模式，开孔周边有畸变屈曲的发生，开孔短柱受到的承载力影响幅度大于开孔中长柱。

李元齐团队根据现有规范中抗力分项系数的计算理论，计算各类基本构件 在不同荷载组合状态下的轴压承载性能，得到了可靠指标；对超薄壁高强冷弯型钢槽 型截面在轴向受压状态下进行承载力试验研究。

得到轴压、偏压受力状态下的各种试件的破坏模式，截面承载力影响参数因素，并结合各国规范对比构件承载力计算方法。 路延对双肢C型钢进行试验、数值模拟和理论分析。

建立了螺钉拼合板以及冷弯型钢双肢开口拼合柱局部屈曲、畸变屈曲和绕虚轴弯曲屈曲的临界荷载解析解 和极限承载力的计算方法。何子奇通过对单肢和双肢冷弯型钢进行试验与理论分析，研究了截面屈曲的单一屈曲和耦合屈曲的力学行为。

明确了失稳的力学机理，在此基础上剖析了现今计算公式的计算理论，并提出了轴压状态下的冷弯型钢在相应的局部、畸变、整体屈曲破坏下的承载力计算的失稳系数公式。

1.3.2 冷弯型钢拼合柱受压性能研究现状

杜兆宇等对C形和U形截面通过自攻螺钉组合而成箱形拼合截面长柱，进行了轴压试验和有限元分析，结果如下：所有试件为破坏位置在构件的中部附近的局部屈曲破坏，得到的承载力计算结果与国内外规范计算结果进行对比。

得出有效宽度法低于试验承载力的30%，直接强度法低于试验承载力的10%~35%的结果。

Craveiro等对冷弯型钢C形截面柱和双肢C形截面柱进行轴向受压试验研究，试验结果均为绕弱轴的整体屈曲破坏。

得到的承载力计算结果与各国规范进行对比，结果为规范对单截面柱的承载力预测较为准确，对拼合截面柱的预测则不安全。王春刚等对各种加劲情况下的卷边槽钢的稳定性能和承载能力进行了轴向 受压性能的试验及仿真分析。

发现腹板加劲使畸变屈曲代替局部屈曲成为影响试件破坏的主要因素，对整体、畸变、局部三类屈曲进行了总结分析。 周天华团队对C形和U形截面进行拼合而成的新型开口和箱形两种不同截面进行轴向受压状态下的试验和有限元分析。

明确影响拼合柱承载力的截面因素，得 到试件的破坏机理和破坏形态，对比了各种计算理论的计算结果，证明新型截面具有“1+1>2”的拼合效应；明确了螺钉间距、螺钉布置对受力性能的影响，利用现有理论对各类拼合柱的承载力进行了计算。

崔瑶等基于C形和U形拼合截面柱，对比了我国和美国的现行规范的不同，使用有限条方法简化了螺栓连接部分，提出了弹性屈曲临界应力计算时应对开口和闭口截面时连接部位在有线条分析中的最佳厚度比例。

Zhang等研究了边缘和腹板加劲肋在组合开放式截面中的作用，发现简单地背对背连接与传统的组合式I型截面相比，组合式I型截面具有更好的抵抗畸变屈曲和变形屈曲的性能。 李元齐团队对双肢拼合开口截面截面两端铰接柱进行了轴压试验和数值分析。

研究了螺钉间距对局部屈曲、畸变屈曲和整体稳定的影响，发现拼合截面和单肢 截面相比，可以有效的提高截面的整体屈曲和畸变屈曲承载力。缪其亮对冷弯型钢十字形截面柱进行了试验和数值分析，对长细比对拼合柱整体屈曲的破坏模式进行了分类，发现长细比影响试件的承载能力和破坏模式。

垫板间距影对试件的承载能力和破坏模式影响较小。王鹏鹏对双肢热轧槽钢的受力性能进行了轴向受压的有限元分析，通过改变长细比等参数发现，长细比在某个界限值时会改变试件的破坏模式，并提出了双肢热轧槽钢长细比的建议值。

吕蕴龙通过对冷弯型钢异形管在轴向受压状态下的试验及有限元分析，得到 试件的长细比对异形管的承载能力和破坏模式有较大影响，垫板间距、冷成效应等对试件刚度的影响不大，并提出了对规范设计公式相关参数的修正及调整。

李剑文对冷弯型钢拼合截面和焊接组合截面进行试验、有限元分析，通过对比 承载力结果发现，拼合截面产生了整体效应，承载能力大于单肢的简单叠加；对比相同惯性矩下的拼合截面和组合焊接截面，组合焊接截面承载能力更稳定。

乔文涛对多肢C形钢拼合十字形截面进行了试验及数值分析，发现多肢拼合截面的破坏形态较稳定，并且短柱、中柱、长柱的破坏模式均为靠近试件中部的局部破坏。