1.五冶集团上海有限公司，上海 201999；
2.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124
摘要：冷弯薄壁型钢组合柱是通过自攻螺钉连接2个或多个冷弯薄壁C型、U型钢而形成的组合立柱。本文介绍了国内外冷弯薄壁型钢组合柱的设计规范，总结了国内外对冷弯薄壁型钢组合柱受力性能的理论研究成果，最后在分析的基础上总结了冷弯薄壁型钢组合柱受力性能研究目前急需解决的问题。
关键词：冷弯薄壁型钢；组合柱；受力性能
Research Progress on the mechanical performance of cold-formed thin-walled steel composite columns
ZHANG Ningmei1，KANG Yitao2
（1.MCC No.5 Group Shanghai Co.Ltd.，Shanghai 201999，China；
2．College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）
Abstract：The cold-formed thin-walled steel composite column is a composite column formed by connecting 2 or more cold-formed thin-walled C and U steel through a self tapping screw.This paper introduces the design and specification of cold-formed steel columns，summarized the cold-formed steel column stress performance theory research results，on the basis of the analysis of the stress of cold-formed steel columns on the urgent.
Key words：Cold-formed thin-walled steel，Composite column，Mechanical performance
1 前言
近年来，冷弯薄壁型钢构件得到了大力发展，充分发挥了冷弯薄壁型钢体系的用钢量低，自重轻，工业化程度高，施工周期短等优点。但是随着冷弯薄壁型钢体系的结构形式越来越复杂，单个基本构件难以满足设计和使用要求，尤其暴露出承载力低和抗扭刚度低的缺陷。而广泛应用于独立的柱或者门窗洞边框等受力集中的地方的冷弯薄壁型钢组合构件，就很好的解决了这一问题。冷弯薄壁型钢组合构件是由冷弯薄壁C型、U型钢通过加入连接钢板，采用自攻螺钉的连接的方式拼合成如图一所示的I 形、L 形、T 形或十字形等组合截面，从而使构件呈现出抗弯性能强，抗扭能力好，结构强度高，整体性好的优势。
我国GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[3]中，对组合截面构件的计算没有明确规定，但是JGJ227-2001《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》[4]中对组合截面构件的轴压承载力做出了如下规定：组合截面构件对X轴的稳定承载力可取单个开口截面稳定承载力乘以截面的个数；对抱合箱形截面，当截面拼合连接处有可靠保证且构件长细比大于50时，对绕Y轴稳定承载力可取单个开口截面对自身形心Y轴的弯曲稳定承载力乘以截面的个数后的1.2倍。
根据北美和澳洲规范中提到的对2根构件组成的组合截面构件采用修正长细比进行设计稳定承载力的方法，得到的承载力偏于保守，其中对板件较厚的构件尤为突出。同时我国行业规范中的计算方法过于粗糙。对由多个冷弯薄壁C型和U型钢组合成的柱截面的承载力计算方法，各国规范均未提及。总体来说，目前各国对组合柱设计规定较为简单。
3 国内外研究现状
3.1国外研究现状
Peters[5]研究了由螺钉连接的双肢组合截面柱的承载力试验，结果表明螺钉间距对立柱轴压承载力影响较大，螺钉间距过小或者过大都会使立柱轴压承载力有所降低，所以应该将螺钉间距控制在合理范围之内。
Young等[6]对由G450和G550级的高强度冷弯薄壁Σ型钢，通过自攻螺钉连接两翼缘而组成的闭合截面立柱（图2），进行了两端固接轴压试验研究，试件两端与支座焊接连接并测量了试件的几何初始缺陷和残余应力。与直接强度法的结果进行比较，并进行可靠度分析评估方法的可行性，结果发现直接强度法中利用单截面获得的屈曲应力计算的柱承载力比较保守。
图2双Σ形组合截面
Stone等[7]对32根，由长为2.1m的两个卷边槽形截面基本构件，背靠背通过自攻螺钉相隔一定间距连接而形成的工形截面，进行了两端铰接柱轴压试验，试验结果与根据北美规范AISI S100-2007中组合构件修正长细比法的计算结果进行比较，结果显示规范设计值较为保守，尤其对于较厚构件（厚1.372mm）更为保守，试验值比计算值超过近60%。尤其是试验构件的铰接方式与实际情况存在差异，端部和顶部相连，使得采用未修正长细比的计算结果也较为保守。
Whittle等[8]对153根由2个卷边槽钢，面对面焊接而组成的闭合箱形截面立柱进行额轴压试验，试件焊接方式分为两面焊接、单面焊接、等间距间断焊接等形式，试验结果与北美规范AISI S100-2007中修正长细比法的计算结果进行比较，结果显示规范计算结果非常保守，试验值平均超过计算值70%以上，对于长构件和板件较厚的构件更加保守，同时认为不采用修正长细比的计算结果也是保守的。当焊点间距小于600mm时，焊点间距对试件承载力影响力较小，可以采用构件的真实长细比计算承载力。
Georgieva[9]等对8根长4.45m由2根Z形截面（图3）冷弯薄壁型钢基本构件组成的组合截面构件进行了轴压试验，在欧洲规范EN1993基础上进行承载力预测并进行详细讨论，并对设计方法提出建议。
图3双Z形组合截面
3.2国内研究现状
姚兆宇[10]等针对由2个C形截面和2个U形截面冷弯薄壁型钢基本构件通过自攻螺钉拼合而成的组合截面柱（图4）的轴压承载力，进行了12根（共3种截面）两端铰接冷弯薄壁型钢箱形组合截面柱轴压承载力试验，通过有限元方法进行数值模拟，并对构件长度进行了参数化分析。分析表明：在修正长细比的基础上，有效宽度法计算的承载力比数值解偏低的范围在0%～30%之间，直接强度法计算的承载力比数值解偏低10%～35%。
图4基本构件截面形式和几何参数定义
李元齐[11]等研究了40根高强冷弯薄壁型钢组合箱形截面柱的受力特征和破坏特征，发现按简单叠加单肢截面计算承载力不能反映组合截面柱的实际承载力，比实测值降低10%~20%左右。
周天华[12]等研究了不同长细比的8根四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱（图5）的轴压性能，建立了考虑材料、几何和接触非线性的有限元模型。分析了影响四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱轴压性能的因素，包扩长细比、截面翼缘宽厚比和连接螺钉间距。结果表明：四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱的轴压性能具有“1×4≥4”的拼合效应；四肢拼合立柱的最大承载力和刚度随着长细比的增大而降低；减小四肢拼合立柱截面的翼缘宽厚比，可以显著提高其最大承载力；当螺钉间距在150～450mm之间变化时，四肢拼合立柱的最大承载力和刚度变化不大。
图5试件尺寸及构造图
彭雄[13]等深入分析了组合截面构件的屈曲行为和破坏机理，发现组合作用会明显提升其静力性能；组合形式会影响构件的屈曲形式；板件侧向支撑的诗文导致了构件破坏；过早发生的塑性局部屈曲造成了滞回性能逐渐降低。
黄骥辉[14]等发现传统冷弯薄壁型钢房屋在传力机制、受力构件截面种类等方面的不足，提出了新型组合截面的冷弯薄壁型钢“非盒子”式的框架结构体系，总结了该体系中受力构件、节点以及整体框架受力性能的研究进展，给出了组合柱稳定承载力、节点极限弯矩和初始刚度的计算公式。
陈明[15]等通过试验和有限元分析对7个带垫板的双肢背靠背C型钢的短柱进行承载力分析，发现该类型短柱的失稳形式为绕弱轴的弯曲失稳，同时伴随着局部屈曲。冷弯薄壁C型钢的型号对短柱的极限承载力的影响最大，垫板的间距和厚度对其影响有限。
陈明[16]等针对带垫板的双肢背靠背冷弯薄壁C型钢组合柱（图6），通过试验和有限元模拟分析，发现了C型钢腹板和受压翼缘在整体失稳之前出现了严重的局部屈曲，组合柱的破坏模式均为弯矩作用平面内的弯曲失稳。长细比、偏心距和垫板间距对组合柱受力性能的影响较大，垫板厚度的影响有限。并结合GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定的柱承载力的计算方法，对该类组合柱的承载力计算给出了承载力计算的修正系数。
a.试验装置
b.有限元建模示意
图6带垫板的双肢背靠背冷弯薄壁C型钢组合柱
Liu和Zhou[17]对18个3肢冷弯薄壁型钢组合柱T形截面进行了单轴压缩实验，研究了试件的破坏模式、极限强度和荷载单轴位移曲线。试验结果表明：长柱、短柱和中长柱的主要失效模式分别为弯扭屈曲、畸变屈曲和弯扭屈曲模式。采用中国规范和美国规范修正长细比法计算的长柱、中长柱和短柱90型样本相当保守，而短柱140型样本，通过采用中国和美国规范的计算方法可以将实验结果和计算结果之间的预测差控制在15%之内。
Liao[18]等对九种不同截面形式的三肢冷弯薄壁型钢短柱进行了轴心受压承载力试验和有限元分析，对板的最大宽厚比和螺旋间距进行了参数分析。结果表明：由若干基本构件组成的多肢冷弯型钢短柱，工作协调，整体性能良好。多肢组合截面短柱的轴向承载力随着板厚比的增大而增大，而螺旋间距对多肢冷弯薄壁型钢短柱的极限轴压承载力和屈曲承载力影响不大。
综上所述，国外学者对双肢冷弯薄壁型钢组合柱截面研究较为充分，但是研究的截面形式单一。在考察了不同修正长细比法对双肢冷弯薄壁型钢组合柱截面的适用性的基础上，结合直接强度法和有效宽度法，提出了多种冷弯薄壁型钢组合柱设计方案。而国内学者研究的截面形式较为多样化，结合了试验研究和数值模拟方法，在现有规范中的相关规定的基础上，进行了一定的修正，但这些修正公式主要是针对构件的长细比对整体稳定性系数进行了修正，而组成冷弯薄壁型钢的板件宽且薄容易发生局部屈曲，这就使得已有的修正公式不能普遍适用于冷弯薄壁型钢组合柱的局部屈曲、畸变屈曲等复杂截面形式失稳问题。
4 问题和讨论
从国内外的研究现状中，我们不难发现，国外学者侧重对双肢冷弯薄壁型钢组合柱截面的研究，国内学者侧重对修正公式中长细比进行修正，都为组合柱的设计应用提供了参考，虽然取得了一定结论，但并未取得普适性的成果，要促进冷弯薄壁型钢组合柱的应用和发展，还需要解决下面几个问题。
1）由于冷弯薄壁构件截面形式多样，本文的研究还有一定的局限性，应该对不同截面形式的组合构件进行试验和分析，同时加强对截面形状、材料强度、加劲情况等诸多因素的影响的研究。
2）冷弯薄壁型钢组合柱的受力性能规律，主要研究都集中在受压承载力方面，通过大量的试验研究和数值模拟的方法，对螺钉间距、布置和截面构型等基本参数对组合柱承载力的影响有了初步了解。但却忽略了冷弯薄壁型钢组合柱最显著的特点：稳定问题。只有明确冷弯薄壁型钢组合柱失稳机理，才能为该类结构或构件的设计提供理论依据。
3）冷弯薄壁型钢组合柱与整体立柱最大的区别在于截面中的螺钉连接钢板，其中，连接钢板有别与整体板的最显著特点是剪切滑移效应，所以组合柱中传统力学中经典的伯努利假设不再成立。但目前该方面的研究仍未空白。应该加大对剪切滑移效应的研究力度，才能为该类构件稳定分析和承载力设计的奠定坚实基础。
4）现有规范的设计方法并不能完全满足该类框架的结构的设计计算，需要加大研究的样本数量，为规范制定提供依据，同时注重连接构造要求的分析。
5 结论
冷弯薄壁型钢组合柱是通过自攻螺钉连接2个或多个冷弯薄壁C型、U型钢而形成的组合立柱。本文针对国内外的设计规定和受力性能的研究现状进行了阐述。得到以下结论：（1）国内外学者已经针对冷弯薄壁型钢组合柱进行了一系列的试验和理论研究，但并未取得普适性的成果；（2）稳定问题和连接钢板剪切滑移效应是冷弯薄壁型钢组合柱稳定分析和承载力设计的关键；（3）应大量对不同截面形式的组合柱进行研究，从而为现有规范修正提供依据。
参考文献：
[1]AISI S100-2007 North American specification for the design of cold-formed steel structural members [S].Washington DC：American Iron and Steel Institute，2007.
[2]中南建设研究院.GB50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].北京：中国计划出版社，2002.
[3]中国建筑标准设计研究院.JGJ227-2011低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程[S].北京：中国计划出版社，2011.
[4]AS/NZS4600：2005 cold-formed steel structures[S].Sydney：Australian and New Zealand Standards，2005.
[5]Peters G K.An investigation of the effects of fastener spacing in built-up cold-formed steel compression members[D].Halifax：University of Dalhousie，2003.
[6]Young B，Chen J.Design of Cold-Formed Steel Built-up Closed Sections with Intermediate Stiffeners[J].Journal of Structural Engineering，2008，134（5）：727-737.
[7]Stone TA，Laboube RA.Behavior of cold-formed steel built-up I-sections[J].Thin-Walled Structures，2005，43（12）：1805-1817.
[8]Whittle J，Ramseyer C.Buckling capacities of axially loaded，cold-formed，built-up C-channels[J].Thin-Walled Structures，2009，47（2）：190-201.
[9]Georgieva I，Schueremans L，Lincy Pyl.Composed columns from cold-formed steel Z-profiles：experiments and code-based predictions of the overall compression capacity[J].Engineering Structures，2012，37（2）：125-134.
[10]姚兆宇，赵一婕，张其林.冷弯薄壁四肢组合柱轴压承载力研究[J].建筑结构学报，2014，35（12）：104-113.
[11]李元齐，姚行友，沈祖炎，等.高强冷弯薄壁型钢抱合箱型截面受压构件承载力试验研究[J].建筑结构，2011，41（6）：36-41.
[12]周天华，杨东升，聂少峰，等.四肢拼合冷弯薄壁型钢截面立柱轴压性能试验研究及数值分析[J].土木工程学报，2012，34（1）：77-85.
[13]彭雄，杨娜，孟庆桐.冷弯薄壁型钢组合截面构件试验研究与数值模拟[J].工程力学，2012，29（9）：272-277.
[14]黄骥辉，陈明，赵根田.组合截面冷弯薄壁型钢结构研究进展[J].工程力学，2016，33（12）：
[15]陈明，边伟，孙芳芳，等.带垫板双肢背靠背C型钢轴压短柱承载力分析[J].建筑结构，2013，43（增刊1）：1447-1450.
[16]陈明，芦文文，刘凯.带垫板双肢背靠背C型钢组合柱承载力分析[J].工业建筑，2014，44（1）：124-127.
[17]Xiangbin Liu，Tianhua Zhou.Research on axial compression behavior of cold-formed triple-lambs built-up open T-section columns[J].Journal of Constructional Steel Research，2017，134：102-113.
[18]Fangfang Liao，Hanheng Wu，Ruizhi Wang，Tianhua Zhou.Compression test and analysis of multi-limbs built-up cold-formed steel stub columns[J].Journal of Constructional Steel Research，2017，128：405-415.
作者简介：
张宁美（1980.3），性别：女，江苏泰兴人，现职称：高级工程师。学历：本科
论文作者:张宁美1,康轶涛2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：组合论文; 薄壁论文; 截面论文; 型钢论文; 承载力论文; 构件论文; 冷弯论文; 《基层建设》2018年第5期论文;