冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件应用现状
摘要：钢结构的应用越来越广泛，其中冷弯薄壁型钢-混凝土组合结构是轻钢结构的一个新的研究方向。本文介绍了冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件的材料和基本构件形式，总结了国内外冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件的研究成果，分析了型钢-混凝土组合构件的作用特点，探讨了当前冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件应用现状。最后，展望了冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件应用的广阔前景。 关键词：冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件 研究 应用
前言
冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件是一种近年来在工程中应用的新型组合构件形式，主要有薄壁型钢构件和混凝土组合而成。其常见的应用形式是由冷弯薄壁型钢及其拼接而成的构件与混凝土组合而形成的梁、柱和节点等。混凝土抗压强度较高而抗拉强度很低，即使是钢筋混凝土板受拉后也很容易开裂，宜用于受压状态；钢材的抗拉、抗压强度都很高，钢结构构件截面一般较小而且常采用宽而薄的板材，受压时易屈曲，因此钢构件的设计必须考虑稳定问题。把两种材料组合起来则可以避免各自的缺点，充分发挥两种材料的优势，形成强度高、刚度大、延性好的构件1。与混凝土结构相比，它可以减少自重，减轻地震作用，同时构件的截面尺寸变小，有效使用空间增大，降低造价；与钢结构相比，可以减少用钢量，增加刚度，增加稳定性和整体性。近年来，组合构件在我国的应用实践表明，它不仅能够很好的满足结构的功能要求，还具备良好的技术经济效益，加之目前钢材价格较低，组合构件将会有更加广阔的发展前景。
1冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件的结构特点
科学技术的发展,推动着建筑行业和建筑材料不断地进行革命。钢结构作为一种结构形式，从1889年至今一个多世纪的时间里,在世界各国的工业建设中得到广泛的应用。由于钢结构的结构形式日趋广泛，其设计理论、机制工艺亦日趋完善，作为一种被誉为高效、经济型材—冷弯型钢已受到国内外工程界的普遍关注，它在建筑行业尤其轻钢房屋的建设中应用已日益广泛。冷弯薄壁型钢一般是
在常温条件下由小于6mm厚的镀锌钢板或普通钢板经冷压或冷弯加工制成的各种截面形状的型材，其基本形式有C形、Z形和方管、矩形管、圆管，并可能形成各种折皱和卷边，截面转角部分在冷加工过程中强度会得以提高，截面承载力也会提高。冷弯薄壁型钢结构构件的壁厚不宜大于6mm，也不宜小于1.5mm（压型钢板除外）。国外规范规定的冷弯薄壁型钢厚度要小于3mm，而国内规范定义的冷弯薄壁型钢厚度一般小于6mm。冷弯型钢与一般的热轧型钢的主要区别有: （1）在室温下弯曲成型，截面弯角部分由于钢材的冷弯效应即强度提高、塑性下降，其强度高于平板部分。冷弯效应现象是由于塑性变形引起的应变硬化和应变时效形成的。冷弯薄壁型钢与同等面积的热轧型钢相比回转半径可增大50%以上,其惯性矩可增大50%-180%左右2，在同等负荷下，相对热轧型钢一般可节约钢材10%-25%左右。冷弯型钢的自重轻，在完成相同功能的前提下，质量只有混凝土结构的1/8-1/10，是普通钢结构的1/2-1/33。一般情况下，如利用冷弯效应提高后的强度进行设计则可节省约10％－15％的钢材，如不计冷弯效应仍按原材料强度设计，则相当于提高了冷弯型钢的安全储备。
（2）冷弯型钢壁厚较薄，截面板件宽厚比大容易出现局部屈曲，设计中通常采用有效宽度设计方法利用其屈曲后的强度。板件的稳定问题历来是建筑刚结构设计中的核心问题，普通碳素钢结构设计中通过板件宽厚比限值等方法限制板件出现局部屈曲。而冷弯型钢结构却允许发生局部屈曲，因为板件局部屈曲并不意味着板件的破坏。由于其存在薄膜效应，可以继续承受外荷载，这就是板件的超屈曲，超屈曲的利用扩大了冷弯型钢的使用范围。
（3）截面成型灵活，规格多达千余种，截面材料分布合理，截面特性系数如惯性及抵抗矩相对较高。由于冷弯型钢主要用于优化截面形状而不是增加材料用量来提高构件的承载能力，因此冷弯型钢也被称为高效型材。冷弯型钢被广泛应用于建筑、交通运输、汽车及拖拉机制造、机械制造、造船、电力等行业。建筑业应是冷弯型钢最主要的用户。
（4）结构整体性好，安全可靠，抗震性能好。冷弯型钢房屋的屋架、墙板、基础牢固的连成一体，此类结构房屋，特别是在墙板附有OSB板、石膏板或波形板时，应考虑较强的蒙皮效应，使得构件的实际受力、变形均比平面体系设计的减
小10%～15%左右4，可作为房屋的安全储备。由于冷弯型钢的自重轻，设计中地震作用基本不起控制。
(5）冷弯型钢构件的残余应力、连接方式与热轧型钢不同。冷弯型钢的残余应力是由于常温弯折形成的，而热轧型钢主要是由于冷却不均匀引起收缩变形的不均匀而产生的残余应力，二者的分布和影响均不相同5。热轧型钢构件主要通过焊接和螺栓连接，而冷弯型钢构件，因薄板焊接技术要求高，且损坏涂锌层，焊接形式有喇叭焊和电阻点焊等，且应用较少。涂锌冷弯薄壁型钢，主要采用自攻自钻螺钉、铆钉等连接方法，冷弯型钢压型钢板之间还采用无连接件机械式连接(如咬合、扣合式连接等)。
（6)腐蚀破坏途径与普钢不同。镀铝锌板表面镀层较钢铁活跃，镀铝锌板与铁直接接触，一旦遇到潮湿天气或铁有部分浸入水中时，就会发生局部锌层被腐蚀(发生吸氧腐蚀时，因为锌较铁为活泼元素，锌层被氧化而保留外部接触的铁)，而引起构件破坏，更有甚者可能会导致建筑物整体的破坏。在建筑施工完成后，应及时清扫板材表面，防止铁钉等的残留。
由于冷弯型钢的厚度较薄，因而在其截面承载力设计时局部屈曲成主要控制因素。此外，通常因其抗扭刚度小，以致柱常发生弯扭屈曲，梁则发生侧扭屈曲。所以利用冷弯型钢与钢筋混凝土形成组合梁、板、柱的冷弯型钢-混凝土组合结构可以解决工程中局部屈曲的问题，这也是冷弯型钢混凝土组合构件一个新的研究方向。
2.冷弯型钢-混凝土组合构件的研究
冷弯型钢-混凝土组合构件的问世及应用，开拓了主要借助优化截面形状而不单纯依赖增加材料用量及改善材料性能来提高材料利用率的新途径，这对于节约能源和资源具有十分重要的意义，特别是对于像我国这样一个发展中的国家而言，重视冷弯型钢-混凝土组合这种高效经济结构的开发和推广应用尤为重要。冷成型钢用于低层建筑和住宅钢框架日益增多。国外众多组织和钢结构公司持续不断地进行了广泛研究和实践工作。除了研究各种结构构件的承载能力，最近的研究课题主要集中在如下6：（1）连接方法：空压钻钉连接件在剪力和风吸力组合作
用下的性能；螺栓和焊缝连接在剪力和风吸力组合作用下的性能；低韧性轻型钢结构的连接。（2）薄壁板件:中间多加劲受压板件和带纵向加劲的腹板性能；填充混凝土的冷弯型钢截面的局部屈曲；斜卷边加劲板的屈曲性能。（3）剪力蒙皮:不同连接形式的铝和钢剪力蒙皮的试验研究。（4）墙体立柱:冷成型立柱和石膏板组成的墙体性能；冷成型立柱和石膏板组成的墙体在侧向荷载下的试验研究；冷成型立柱和石膏板组成的墙体极限高度、跨中变形和立柱承载能力。（5）组合结构:压型钢板和混凝土的组合墙体结构；梁和楼板组合体系研究；薄壁轻型截面和混凝土组合构件的性能。（6）动力和抗震性能:蒙皮结构刚架的抗震、抗风性能；轻型刚架的抗震性能；DuraGal楼面系统的动力性能；冷成型矩形钢管在高循环荷载作用下的性能。（7）基本数据和数据库:欧洲规范Eurocode 3中的稳定曲线用于冷弯型钢构件初始缺陷系数的修正；冷弯型钢截面的试验数据。（8）疲劳强度:冷弯型钢结构构件和连接在反复荷载作用下的疲劳设计；疲劳荷载作用下冷成型钢管的连接性能。
3.冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件的应用 3.1冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁
冷弯薄壁型钢-混凝土组合构件主要有梁、板和柱。其中组合梁应用的最为广泛。组合梁是由冷弯薄壁型钢和混凝土组成整体而共同工作的一种结构形式。钢梁在施工阶段可代替模板，混凝土结硬后可代替受拉钢筋，这种组合梁充分发挥了混凝土和钢材各自的力学性能，具有承载力高、刚度大、抗震性能和动力性能好等优点，而且可降低梁高度以增加房屋空，减少模板的施工量，具备良好的发展前景。钢-混凝土组合梁作为结构中重要的横向承重构件，在我国多、高层民用建筑、工业建筑及桥梁结构等领域已经得到越来越多的应用，并取得了显著的技术经济效益和社会效益7。组合梁中的钢梁和混凝土板能够共同工作，是由于剪力连接件传递了钢梁-混凝土界面的剪力，而采用栓钉等柔性抗剪连接件的型钢-混凝土组合梁在荷载作用下，连接件会产生变形，导致混凝土翼板与钢梁的交界面出现相对滑移8。
清华大学土木工程系的聂建国教授和课题组对冷弯薄壁型钢-混凝土组合梁
进行试验研究，对组合梁试件简支施加静力荷载，测得其应力、变形和支座的沉降，分析得出通过栓钉抗剪连结件将冷弯薄壁箱型钢梁和混凝土翼缘连成整体而形成的新型钢一混凝土组合梁具有良好的整体工作性能和延性。作者结合试验和理论发现，冷弯薄壁型钢一混凝土组合梁的正截面极限抗弯强度可以按照等效矩形应力图方法即按照现行规范方法进行计算，大大简化了推导公式。研究还发现在钢与混凝土交界面的自然粘结破坏之后,滑移效应对冷弯薄壁型钢一混凝上组合梁在使用荷载下变形的影响不能忽略不计。作者也提出计算变形的一种方法，即考虑滑移效应的变形可以按照折减刚度法进行计算9。这项研究成果已经应用到高层建筑的楼盖设计。
3.2冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖
冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖是通过自攻螺钉将混凝土组合楼板的压型钢板与冷弯薄壁型钢梁连接而成来共同受力、协调变形的一种新型组合楼盖结构。一般由楼盖梁、边梁、支座加劲件、压型钢板、自攻螺钉、混凝土翼板等组成，其中楼盖梁采用壁厚较薄的冷弯薄壁型钢( C形截面)。冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖有较高的承载力和较小的变形，它的破坏主要表现为楼盖梁发生弯扭屈曲的同时，受压区翼缘、卷边及毗邻腹板出现相关屈曲破坏，屈曲波长为压型钢板与楼盖梁的螺钉间距；支座附近混凝土翼板与压型钢板为脱离、掀起粘结破坏；集中荷载作用点处楼盖梁为折曲破坏。减小压型钢板与楼盖梁连接的螺钉间距和增加楼盖梁的数量都能提高组合楼盖极限承载力。而且螺钉间距的改变对组合楼盖弹性刚度的影响较小，而楼盖梁数量的增减却影响较大10。
研究表明冷弯薄壁型钢梁与混凝土组合的结构，其受剪承载力与抗剪连接件的构造方式、类型等因素有关11。但是对于采用自攻螺钉作为连接件的冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖，目前关于组合楼盖受弯承载力的研究成果并不多见，且国内相关规范尚无有关冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖的设计条文。因此，研究冷弯薄壁型钢-混凝土组合楼盖受力性能和破坏模式具有重要意义，能为其推广、应用提供理论基础。
3.3钢管混凝土
文献综述-冷弯薄壁型钢组合构件
