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冷弯型钢范文

来源：火烈鸟

作者：开心麻花

2025-09-19

冷弯型钢范文（精选8篇）

冷弯型钢第1篇

1 发展情况

早在20世纪50年代我国就已经开始在鞍山、上海、重庆等地区进行冷弯型钢生产。当时冷弯型钢主要用于农机业。20世纪80年代随着我国改革开放政策的深入展开, 我过东北、华东、华北等地区建筑、交通运输、电器、汽车、货架等行业开始广泛使用冷弯型钢产品。时至今日我国已有冷弯型钢生产机组一千余套, 年生产能力可达到一千五百万吨, 基本可以满足国内市场需要, 出口量在总产量中的所占比重较小[1]。冷弯型钢的产品品种较多, 钢种涵盖了单一的普碳钢以及高强材料、耐火材料。冷弯型钢产品在我国已成为不可缺少的钢材产品。

2 理论发展

我国较美国、日本等国家对冷弯成型理论研究起步晚, 但是仍取得了较大成就。朱书栋教授通过对辊式冷弯成型基本成型理论的研究, 分析得出在四种基本变形方式下变形区内的变形功和应力、应变的表达式[2]。韩志武, 徐树成通过利用电阻应变片测量法和网格法对冷弯带材变形弹复进行了研究, 其实验出的带材在冷弯过程中弹复等数据, 为实际生产提供了宝贵的资料[3]。随着有限元理论和计算机技术快速发展, 冷轧过程有限元模拟得到了广泛的应用。夏雁宾等对冷弯成型中不同参数下的预冲孔工艺进行有限元模拟, 通过分析对比模拟结果, 优化了孔型设计和轧辊结构。学者郑军兴等人利用ANSYS对等边槽钢的辊式冷弯成型过程进行显式有限元模拟分析, 并采用隐式求解功能分析研究了槽钢的回弹过程, 得出了有价值的回弹值数据, 对冷弯型钢实际生产中轧辊的孔形设计具有普遍的指导意义。

3 CARD的发展

我国最早进行冷弯CARD的研究是始于80年代初期, 是由广州异性钢材厂和北京科技大学的金属压力加工系合作进行的。80年代后期我国东北、上海、北京等地高校、研究学院等开始对冷弯CARD的研究工作。例如:在开发传统的冷弯CARD软件的基础上, 北京科技大学在基于传统冷弯CARD系统上独立开发了冷弯CARD柔性系统和专家系统。CARD柔性系统把冷弯生产中的理论和实践相结合进行研究, 开创了国内先河。这套系统较传统系统在生产过程中极大的节省材料, 减少了换辊次数和换辊时间, 大大的提高了生产效率, 为实际生产带来了良好的经济效益[4,5]。北京科技大学开发的柔性系统中针对内外卷边槽钢、圆管、方管等简单断面的多规格产品设计, 其轧辊具有很好的通用性, 90%的轧辊可利用原有的辊片组合而成, 需要新加工轧辊很少, 大大减少了生产的成本。使用专家系统对复杂断面产品工艺的冷弯工具进行简化设计, 其生产效率可显著提高。主要因为专家系统的功能包括:一是可确定出轧件在成型过程中各道次变形形状即辊花图;二是系统根据已确定的辊花设计图进行配辊, 对轧辊的工程图纸进行优化。我国生产厂家所使用的COPRA软件, 大部分是由北方工业大学和date M公司合作引进。软件引进到国内以后, 由技术人员结合国内生产厂家的实际情况进行改进。石家庄轴承设备股份有限公司使用COPRA软件后产品种类涵盖了:圆管、异型管、冷弯型钢等多种型。并且在轧辊孔型设计方面, 缩短了设计周期, 减少了失误率, 大大提高了工作效率, 为生产厂家获得了更多的经济效益。

目前, 冷弯成型领域呈现蓬勃发展的态势。无论是在国内还是在国外, 冷弯产品的生产和消费比例都呈现出稳步增加的态势, 尤其是复杂断面的成型, 为企业创造了巨大的附加值。

4 我国冷弯型钢的生产现状

我国钢铁工业发张迅速, 在世界钢铁生产总量中所占比重日益增加, 见图1。我国冷弯型钢自20世纪60年代开始生产, 在发展史上曾一度因板带原材料的产量较低而受到制约, 随着现代钢铁产量的增加, 产品结构的调整, 板带比大大提高, 冷弯轧制技术、轧制理论的快速进步, 对弯型钢的发展起到积极的推动作用。在我国冷弯原材料的板带钢材主要来自河北、辽宁、湖南、四川等地, 随着科技的进步, 工业上对冷弯型钢提出了更高的质量要求, 我国较国外冷弯型钢产量大, 但是生产出的深加工产品规格和数量较国外有很大差距, 所以我国在生产技术和产品质量上仍需进一步发展。并且需要合理分析国情, 把握市场机遇。

我国是集装箱生产的世界最大国, 集装箱的生产原材料大部分是冷弯型钢。我国每年集装箱生产所需冷弯型钢可达到200万吨以上;近年来, 我国大规模进行基建施工, 建筑用钢需求量逐年增多, 几乎占到钢材总量的50%, 钢结构的主材梁柱, 大多选用冷弯型钢的方矩管。仅冷弯檀条的需求量就可达到180吨以上。造型材料多样化的冷弯型钢已替代传统的热轧角钢。在大连、广东等地, 开始投入使用由钢结构钢管制造的整体铁塔。用量预计会达到100万吨。大规模的基础假设中伴随着大量脚手架和模板的更新, 约为110万吨每年。并且我国正在进行钢板桩的开发, 前景可观, 未来将会在水利与土建上大规模的使用, 使用量预计将会达到300万吨;我国的汽车行业正处在蓬勃的发展阶段, 生产规模不断扩大。传统的冲压件已不能满足飞速发展的汽车行业。种类多、产率高的冷弯型钢将会逐步取代传统冲压件, 使用在汽车各部分零件上, 年需求量预计会达到150万吨。

5 冷弯行业发展中的问题

5.1 产量比重少, 使用比重低

直至去年年底, 我国冷弯型钢的产量已达7.17亿吨。冷弯型钢产量占粗钢产量的比重不足4%。而在欧美等发达国家冷弯型钢产量可达钢产量的10%~20%。我国冷弯行业市场开拓及产品开发落后于欧美等国家, 部分领域的潜力亟待开发。例如, 2011年冷弯型钢在钢结构上的使用量约为158万吨, 仅是钢结构用钢量的7%, 与国际15%使用量的平均水平相差甚远。美国冷弯型钢占钢结构用钢量更是达到70%。我国产业基础薄弱是制约着冷弯型钢行业发展的主要原因。

5.2 同质化竞争严重, 缺少优质产品, 自主创新能力不强

我国冷弯型钢品种少, 所以一出现某产品为企业获得了较好的效益后, 某些企业便纷纷效仿, 通过压低价格造成激励同质化的竞争, 缩减生产成本, 从而产品品质降低。但往往对于要求高、难度较大的综合性能优异的产品却又望而却步缺乏研究积极性。

5.3 冷弯型钢标准匮乏

在发达国家中, 不同国家都有其相对完善的冷弯型钢产品标准。产品标准和技术指标是根据多年的实际生产经验, 经多次修订后才形成较为完善的系统。所以不同国家之间冷弯型钢产品标准和水平也略有不同。例如:对于开口型冷弯型钢的标准要求最高的国家是英国;德国拥有最严格的闭口型冷弯型钢标准技术指标;日本的冷弯型钢品种分类最细。而在我国由于产品标准规范不完善, 一直制约着冷弯型钢行业的推广与发展。

5.4 专用钢材开发滞后

在我国专用钢材的开发由于种种原因不能满足用户的要求。例如:钢材尺寸公差过大、镰刀弯严重、材质不稳定、磷、硫杂质含量超标等, 都在制约着专用钢材的发展。高强塑性的细化晶粒钢、纯净钢、质量差距仍然存在。

5.5 地域分布不均

珠三角、长三角、渤海湾三个地区集中了80%的冷弯型钢生产企业。西部地区有极大的潜在市场, 但生产厂家很少, 西南地区已开始启动, 但西北地区还尚属空白。东北地区虽然是焊管和冷弯型钢发源地, 但是却处于封闭低迷的状态。亟待市场开发。

6 结语

纵观冷弯型钢的发展历程, 及新世纪的发展形势, 冷弯型钢的发展潜力很大。若想促进冷弯型钢生产的发展, 就必须拥有自主开发CAD软件, 要利用计算机技术解决国内冷弯型钢生产所存在的问题。冷弯型钢作为新兴的钢铁工业, 要抓住每一次的市场机遇, 稳步发展, 为我国国民经济的发展做出新的贡献。

摘要：介绍冷弯型钢发展、技术理论、成型工艺, 及冷弯成形计算机辅助设计等方面的国内外发展现状, 以及我国冷弯型钢产业存在的问题。对未来35年内我国冷弯型钢发展的展望。

关键词：冷弯型钢,计算机辅助技术,发展

参考文献

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[2]崔高建, 吕相艳, 迟正洪.冷弯成形技术的发展现状[J].机械制造, 2005, 43 (44)

[3]韩志武, 徐树成.冷弯成型过程的实验研究[J].钢铁, 1999, 34 (11)

冷弯型钢第2篇

关键词：冷弯薄壁型钢；住宅；结构体系；性能

1引言

冷弯薄壁型钢结构体系近年来在欧美、澳洲、日本等国得到广泛的应用，主要用作三层以下别墅、公寓及其它民用房屋。其结构源于传统的木结构房屋，从住宅产业化、环保、抗震防灾、加速房屋建造周期等因素考虑，轻钢结构房屋住宅有广阔的市场和前景。如今大力推行的钢结构住宅中，不少都开始引进这类冷弯薄壁型钢结构体系。中国工程建设标准化协会（CECS）正在编制冷弯薄壁型钢结构体系的设计标准“低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程”。总体来讲，冷弯薄壁型钢房屋结构体系仍在起步和发展阶段。

2 结构体系

冷弯薄壁型钢结构作为承重体系应用于住宅建筑中，适用三层以下的独立或联排住宅，墙体立柱间距400～600 mm，上、下导轨与楼面之间设有抗剪连接件。它与同样截面积的热轧型钢相比，可提高截面力学特性指标。用冷弯薄壁型钢作承重骨架，用较少钢材可取得较大的承载力。构件强度高、自重轻，且截面尺寸小，有利抗震和增加房屋使用面积。组合墙体是承担竖向荷载和水平荷载的主要构件，型钢墙体骨架、外墙结构面板和内墙板；墙体骨架由上、下导轨和立柱，均通过自攻螺钉连接而成。边立柱下端设有抗拔锚栓连接件。低层冷弯薄壁型钢结构横向荷载主要来源于建筑物外表面风压力的水平分量和水平地震作用。在低层冷弯薄壁型钢住宅结构中，侧向力抵抗体系由屋面、楼面和墙体组成，即整个房屋各组合体均参与横向荷载的传递。横向荷载路径为：作用在外墙墙面上的风荷载与作用于整体房屋结构上的地震荷载通过屋面板和楼面板传给与荷载平行的墙体，最后由墙体传给基础。

3 关键技术问题

冷弯薄壁型钢是由屈服强度345 MPa以上、厚度2mm 以下的高强超薄钢板作新材料加工成型的。GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢设计规范》仅适用于承重构件板材厚度2mm以上的 Q235及Q345钢材，对强度更高且厚度在2mm以下的结构设计尚无条文可依。

1）结构抗风。低层冷弯薄壁型钢房屋结构的表面风荷载体系基本可采用 GB 50009—2006《建筑结构荷载规范》标准。轻型钢结构屋面的体型比较复杂，《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》中建议，对于轻钢结构的复杂体型房屋屋面，其风荷载体型系数可按照分区的规定确定，纵风向时屋顶（R）部分的风载体形系数取—0.8，其余部分应按 GB50009—2006 标准采用。对承重外墙体，横向风荷载可按 GB 50009—2006标准规定的风荷载取用；对承重内墙体，横向风荷载可取室内房间气压差（可参照澳大利亚规范可取0.2 kPa）。承重墙体的墙体面板、支撑和墙体立柱通过螺钉连接形成共同受力的组合体，墙体立柱不仅承受由屋盖桁架和楼盖梁等传来的竖向荷载，同时还承受垂直于墙面传来的风荷载引起的弯矩，其受力形式为压弯构件，应按压弯构件的相关规定进行强度和变形验算。

2）结构抗震。考虑其型钢板材高强度、低延性的特点，推广应用时整体结构的抗震性能是个关键性问题。冷弯薄壁型钢龙骨式结构体系抗震性能研究还较少，主要采取试验研究和理论分析相结合的方式。现还没有关于冷弯薄壁型钢整体结构公认的抗震设计方法，没建立精确完善的分析模型。正在编制的《低层冷弯薄壁型钢建筑结构技术规程》基于国内完成的足尺模型结构振动台试验研究，提出了水平荷载效应的分析方法。水平地震作用效应的计算采用底部剪力法，参考“盒子”式结构的分析，在建筑结构的2个主方向分别计算水平荷载的作用。地震作用下抗剪组合墙体的水平侧向刚度由试验荷载—转角滞回曲线的骨架曲线确定，多遇地震作用下抗剪组合墙体的水平侧向弹性变形限值取为1/300层高。结构抗震性能与结构布置的规则性有很大关系，住宅钢结构常见的布置不规则，主要是平面不规则。这样地震时易损坏，所以应尽量使结构布置符合规则性。

4 建筑问题

1）建筑性能。如今人们首先会关注结构的安全性，即是否坚固、是否足以阻挡外人入侵和自身财物的安全等。此外，轻型冷弯薄壁型钢住宅结构体系，其隔声效果较传统的砖混结构或钢筋混凝土结构差。①隔热保温。该型钢房屋的保温、隔热应满足相关现行国家标准的规定。各类建筑的节能设计，必须根据当地具体的气候条件，地区的经济、技术和建筑结构与构造的实际情况。外墙保温隔热可采用在墙体空腔中填充纤维类保温材料或在墙体外铺设硬质板状保温材料的方式。保温材料宽度应等于或略大于轻钢龙骨间距，厚度不宜小于轻钢龙骨高度。屋面保温隔热可采用保温材料沿坡屋面斜铺或在顶层吊顶上方平铺的方法。②防腐蚀、防潮。该型钢房屋的防潮设计，主要防止空气渗透、雨水渗透、水蒸气渗透及不良冷凝结露等造成的建筑物内部的不良水气积累，以确保建筑物达到预期的耐久年限，并提高内部的空气质量。外墙及屋顶的外覆材料应符合国家或行业标准规定的耐久性、适用性以及防火性能。在外覆材料内侧及结构覆面板材外侧，应设置防潮层，其物理性能、防水性能和水蒸气渗透性能应符合设计要求。轻钢住宅的骨架由薄壁构件组成，构件采用镀锌或镀铝锌薄钢板，防锈性能好，减少结构维修护理费用。③防火。按照防火规范，即使是低层住宅结构体系，也要求耐火极限达到 2.5 h 以上，而轻型钢结构房屋的耐火极限只有 1.5 h。所以为满足耐火极限的要求，采用防火涂料、发泡防火漆或外包防火板等措施，也有加厚墙体石膏板达到延长耐火极限的。

2）建筑造价问题。轻型冷弯薄壁型钢住宅结构体系与砖混结构和钢筋混凝土结构相比较，钢结构体系总体造价较高、综合经济效益高，整体性能优于其它结构体系，目前主要还是面对中、高收入阶层。轻钢结构住宅体系的开发刚起步，尚在摸索之中。随着构件的标准化、工程化的进程，单位面积的造价有望低于或等于砖混结构。

3）多层发展的可行性分析。冷弯薄壁型钢房屋体系采用的墙体构造，对承受和传递三层以下的住宅或公寓等房屋的水平荷载是可行的，但对 5～6 层是否可行，还是值得研究的。多层以下轻钢房屋体系的结构形式，最主要差别是抗侧力结构不同。房屋层数越多，作用的水平荷载越大，房屋的抗侧力结构要求越高。冷弯薄壁型钢房屋体系的墙体上、下是不连续的，各层楼板将墙体分成各层自身的墙体段，为了传递屋面、各层楼面传来的水平荷载，并由墙体一层层传至基础，在各层不连续墙体之间设置专门的附加连接件，使上、下不连续的墙体连接成整体。这是房屋结构体系由低层改为多层后，安全可靠与否的关键。

5 结束语

为加速推进冷弯薄壁型钢结构房屋的推广应用，提出以下几点建议：①大面积建立样本房，加大宣传力度，注重市场推广，使人们感受新型住宅的优势，转变观念。②积极引进国外技术，并经过研究适应中国地区的冷弯薄壁型钢构件体系和生产流水线，生产出质量轻、截面特性好的构件，在国内大规模推广。③积极开展冷弯薄壁型钢住宅各部分构件的理论和试验研究，吸收国外轻钢结构体系技术改进和发展经验，提高国内钢结构建筑技术水平。

参考文献：

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[2]周天华，石宇，何保康，等.冷弯型钢组合墙体抗剪承载力试验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2006（2）：83—88.

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冷弯型钢在线剪切数值模拟第3篇

电除尘器是一种高效除尘器,在中国的应用始于20世纪30年代。当前,电除尘器在电力、冶金、化工、建材等行业的应用十分广泛。电除尘器一般是利用直流负高压使气体电离、产生电晕放电,进而使粉尘荷电,并在强电场力的作用下,将粉尘从气体中分离出来的除尘装置。阳极板是电除尘器的重要组成部分,其质量的好坏直接影响到除尘的效果。目前企业生产中遇到的问题是剪切过程中两侧竖直壁部分由于产生压缩失稳导致其形状不良,剪切后靠人工修正,这样一来不仅产品质量不能够保证,而且也大大增加了生产成本。

传统的剪切过程研究方法都是依靠大量的实验和简单的力学分析,找出某种经验或者是半解析公式,用来计算力能参数[1]。塑性成形仿真技术的发展为研究型钢在线剪切机理和预测产品成形缺陷、优化工艺参数提供了新的途径。采用新的剪切方式后切断迅速、切口无毛刺、变形小,保证了产品端面的质量。

2 剪切分析

本文以电除尘器大C型阳极板(长度为15060mm)为例(图1)进行分析。

为解决生产中所出现的左右两侧竖直壁部分形状不良的问题,首先对板的剪切原理进行分析。目前所采用的剪切形式为一次性垂直剪切方式,上刀板刃口形状合理,变形较大的原因为当剪切到两侧竖直壁部分时发生压缩失稳导致局部变形过大。针对这种情况拟采用斜角剪切方式,首先对左右两边直壁部分进行剪切,然后再对中部水平部分进行切断。由于水平剪板工艺已经很成熟完善,故这里不再赘述。竖直壁部分的剪切原理见图2所示。

在定模和动模上均按型钢截面线切割加工出孔形型腔,当动模沿倾角α移动距离S时,将定模和动模上的型腔开口关闭,剪断型钢,然后动模迅速复位。这种切断方式使型钢垂直边和水平边同时切断,从而保证断面质量。设剪断型钢垂直边的错距为S1,剪断型钢水平边的错距为S2,则有:

式中:n型钢垂直边折叠层数;

δ型钢板厚度。

显然,当倾角α取某值时,必能使得剪切行程S最小。在本课题中型钢的局部尺寸如图3所示。

将数值代入后显然可知当α=45°时S最小,综合考虑剪切行程和剪切机结构,一般取α为30°~45°,因此,确定倾角α为45°。

设型钢板材展开长度为L,则有切断力为[2]:

式中:K安全系数,一般取K=1.3;

L冲裁周长;

τ型钢剪切强度;

δ型钢板厚度。

使用这种剪切方式切断型钢的最大优点是不产生切屑,收得率最高。另外,改进剪切方式后剪切行程很短,一般仅为几毫米,所以剪切时间短,剪切机随动行程短,可适应高速冷弯型钢机组生产要求。剪切后型钢断面无毛刺,剪切噪声低、振动小。但是这种剪切方法不适用于闭口断面的型钢剪切。

3 弹塑性有限元理论基础

由于近年来有限元模拟的飞速发展,采用软件方法验证该方案是否可行及合理就成为可能。由于型钢在线剪切过程中会出现大位移、大转动以及大应变,因此,使用大变形弹塑性有限元求解比较合适。更新的拉格朗日(U.L.)有限元方法,能够较准确地模拟精冲塑性大变形中应力、应变的分布及发展趋势。U.L.法将最后一个已知的平衡状态(t时刻)作为参考构形,去求解t+△t时刻物体的各个未知量。用U.L.表示的虚功方程为[3]:

式中:时刻参考于t时刻构形的Kirchhoff应力张量;

tt+△tEt+△t时刻参考于t时刻构形的Green应力张量;

δtt+△tW等效载荷矢量。

经过离散化,引入位移形函数,得到最终的平衡方程(U.L.方法描述的大变形弹塑性有限元方程):

4 弹塑性有限元模型的建立

零件三维模型如图4所示,材料厚度1.5mm,材质AISI-1008。

4.1 基本模型参数的设置

AISI-1008钢杨氏模量为2105,泊松比0.3,初始屈服极限700MPa,硬化指数0.15。由于零件模型较大,所以网格划分为150000个网格,剪切速度100mm/s。边界条件采用常规摩擦模型,即:

式中:摩擦剪切应力;

m剪切摩擦因子;

k剪切屈服强度。

在本课题中影响冲裁质量的关键因素首先是倾角α,其次冲裁间隙也是直接关系到冲件断面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗的重要工艺参数。冲裁间隙主要与材料牌号、供应状态和厚度有关。据间隙的经验计算公式,有:

式中:δ冲制材料的厚度。

因此,冲裁间隙取0.08mm。此外合适的小圆角更能增加光亮带的长度,凸、凹模的圆角可以抑制裂纹的产生,有利于金属材料的流动。

数值模拟使用的工艺参数如表1所示。

4.2 材料的断裂韧度与断裂判据

虽然断裂问题在金属塑性加工中是一种常见的现象,但是在早期的金属塑性加工数值模拟中,却很少涉及到断裂问题的模拟。对工件断裂的判断往往停留在强度理论上,以等效应力或等效应变作为是否出现断裂的判据,这实际上并不能满足加工工艺研究的需要。于是许多学者提出了各种延性断裂破坏的判断方法,这些方法分为两类:(1)第一类称为机遇试验的准则(Empirical criteria)法,它主要通过标准的常规试验来获取材料的试验数据,然后用于对材料成形过程中的延性断裂的判断上,它还可分为三种,即应力、应变和应变能准则。这类准则的代表是Cockroft-latham准则。从所分析的尺度和方法上讲它属于宏观断裂力学的范畴。这种方法的缺陷是简单的力学实验条件和金属成形过程中的条件相差甚远,由简单试验得出的经验值应用到复杂的成形分析中,是有很大的近似,很显然不能将镦粗试验破坏值应用到板料成形的断裂分析中。另外这些准则不能判断工件内部裂纹[4]。(2)第二类方法是基于微观组织的准则(Microstructure based criteria)。这种方法可以将空洞的几何参数在材料的本构方程中加以描述,可以分析断裂过程中裂纹的形成、发展的微观组织变化。这种准则的描述更为具体,它考虑了空洞的几何尺寸对断裂的影响,将各种影响断裂的因素考虑到材料的本构关系中。根据它分析的空间尺度和对象,属于连续损伤力学范畴。它旨在利用连续介质力学的方法研究具有微观结构固体变形及破坏行为[5]。具有代表意义的模型有Gurson、Lemaitre模型以及Rousselier模型等。

金属在加工过程中的断裂大多是延性断裂,很少发生脆性断裂。一般认为,金属中的延性断裂是由空洞(Void)的聚结和增长引起的。空穴理论属于损伤累积理论[5]。这些空洞是材料中由于位错堆积、第二相粒子或其他缺陷产生的。在金属塑性变形的作用下,空洞能够长大直至一定数量的空洞聚结起来形成裂纹。空洞长大聚结的程度与工艺参数、材料特性有很大的关系。

迄今为止,最有效的预测金属成形过程中延性断裂的方法,还是通过研究材料的应力应变历史,建立合理的局部断裂判断准则。

Freudenthal[6]以单位体积塑性功为参数,建立了判断材料发生大变形时的断裂准则。在这之后的10~20年时间内,许多学者都是在此基础上提出了其他准则。

C为应力强度因子临界值,是表征材料抗延性断裂的参数,通过试验获得。在此基础上,1968年McClintock[7]提出了材料延性断裂判断准则:

当模型应力强度因子C达到一个临界值时,裂纹就会失稳扩展,而后导致物体的断裂。这个临界值就称为断裂韧度。C值越大,裂纹越不容易失稳扩展。断裂韧度是材料的固有特性,与材料的几何尺寸及外力大小无关。

在本文的模拟中,采用了McClintock韧性断裂准则来判断裂纹是否出现,临界损伤值K的确定参考了文献[8]中精冲实验的结果,确定为0.2,能基本满足模拟的需要。在材料破坏准则选取之后,与之相配合的就是怎样在有限元程序中应用该准则,实现材料断裂分离的模拟[9]。裂纹扩展的表示方法有单元删除法、节点分离法和单元分裂法。DEFORM采用了单元删除法来处理失效破坏的单元[10],一旦某个单元形心处的损伤达到其临界值,就认为该单元已破坏,需将其取掉,并进行相应的结点处理,继续计算[11]。

5 模拟结果

首先我们可以直观的从模拟结果中看出零件的变形量较小,模拟后的横截面如图5所示。从图中可以看出,零件竖直壁部分形状变化量很小。图6中深色部分是未剪切前零件左端横截面形状,浅色部分为剪切后零件改变后的形状。

从图6中我们可以直观的看出零件的形状改变量很小,经测量最大变形量仅在0.6mm以内,而工艺要求为1.5mm,模拟结果证明剪切方式正确。其次,剪切行程较改进前有大幅度的减小,改进前,剪切总行程在100mm以上,改进后剪切两侧面的行程仅为14mm,加上剪切水平部分所需的行程5mm,总行程仅为改进前的1/5。由于截断的总行程只有19mm,因而剪切时间大大减少,使提高产品产量成为可能。因此,改进后的剪切方案合理、可行。

在缩短剪切行程和剪切时间的同时,剪切时所需的最大压力也有所降低。压力行程曲线如图7所示,从压力行程曲线中可以看出,冲裁力在剪切开始阶段变化较快,材料从弹性变形转入塑性变形。随着变形程度的不断加大,板料承受剪切力的有效面积在不断增大,材料硬化作用加强,冲裁力不断增大,直至达到最大剪切力,在行程为2.4mm处压力达到最大值69386N,随后由于承受剪切力的有效面积下降,所需压力也逐渐减小直至减小为零。

6 结论

针对生产中出现的问题提出使用倾角为45°的斜角剪切方式。通过使用DEFORM-3D软件,对AISI-1008冷弯型钢冲裁工艺进行了数值模拟,使用了McClintock韧性断裂准则。模拟结果证明剪切方式有效、可行,使用斜角剪切方式减小了零件形状改变量,缩短了冲裁时间。

摘要：本文针对目前辊压线机组生产出来的型钢两侧竖直壁部分形状改变大,断面毛刺多的问题,进行了研究和探索,提出了新型在线剪切方式。同时,基于剪切原理,使用DEFORM 3D软件进行了弹塑性大变形有限元数值模拟,得出了剪切力和剪切行程,减小了型钢断面变形,并提高了型钢的断面质量。经实践证明,原理正确,结构简单。

关键词：机械制造,剪切,冷弯型钢,数值模拟,有限元

参考文献

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[10]贾建军,彭颖红,阮雪榆.精冲过程的韧性断裂[J].上海交通大学学报,1999,33(2):181-183.

浅析冷弯薄壁型钢檩条设计方法第4篇

现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[1](以下简称《薄规》)和行业标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》[2](以下简称《门规》)都对冷弯薄壁型钢檩条设计计算的荷载、计算指标等规定了相关条款,但由于荷载取值、控制指标和计算方法等差异,导致檩条计算结果也有较大不同,经常引起设计人员概念上的混淆。本文以较常见的C型和Z型(直卷边)檩条为例,通过分析两规范(规程)中有关冷弯薄壁型钢檩条设计方法的异同,指出了正确理解和应用规范时应注意的问题,并提出了一些设计建议,供设计人员参考。

2 现行技术规范(规程)檩条设计公式理解

1)《薄规》第8.1.1条规定:当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时,实腹式檩条的强度可按式(1)计算,而整体稳定性可不做计算:

当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时,实腹式檩条应按式(2)计算稳定性:

式中的符号定义见《薄规》。

当风荷载使实腹式檩条下翼缘受压时,其稳定性可按式(2)计算。由此可见,在验算檩条在风吸力作用下的稳定性时,《薄规》没有考虑屋面对檩条的约束作用。

2)《门规》第6.3.7条规定:当屋面能阻止檩条侧向位移和扭转时,同式(1)计算;当屋面不能阻止檩条侧向位移和扭转时,同式(2)计算。檩条的有效净截面,应按《薄规》的规定计算。

《门规》附录E规定:当屋面能阻止檩条上翼缘侧向位移和扭转时,在风吸力作用下檩条下翼缘的受压稳定性可按式(3)验算:

式中的符号定义见《门规》附录E。

需要特别注意的是:

1)式(3)的适应范围为:紧固件连接的面板,单波翼缘宽度不得大于120mm;面板的基板厚度不得小于0.66mm;檩条紧固件至截面转动中心的距离不得小于25mm。

2)《薄规》详细阐明了可认为能阻止檩条侧向失稳和扭转的情况:只有屋面板材与檩条有牢固的连接,即用自攻螺钉、螺栓、拉铆钉和射钉等与檩条牢固连接,且屋面板材有足够的刚度(如压型钢板);不能阻止檩条侧向失稳和扭转的情况:对塑料瓦材料等刚度较弱的瓦材或屋面板材与檩条未牢固连接的情况,如卡固在檩条支架上的压型钢板(扣板),板材在使用状态下可自由滑动,即屋面板材与檩条未牢固连接。

3 两规范(规程)檩条设计的异同

1)从规范(规程)规定的设计公式及其适用条件可以看出:两标准在冷弯薄壁型钢檩条的强度和上翼缘受压的稳定验算方法上是相同的,唯有在风吸力作用下檩条下翼缘受压时的稳定验算方法不同。《薄规》认为实腹式檩条在风荷载作用下,下翼缘受压时受压下翼缘将产生侧向失稳和扭转,虽然与屋面牢固连接的上翼缘对受压下翼的失稳和扭转有一定的约束作用,但受力较复杂,为简化计算,在设计时不考虑屋面对檩条的约束作用;而《门规》附录E考虑了屋面的约束作用,并给出了其适用范围。

2)两种规范(规程)除了檩条在风吸力作用下的稳定验算方法不同,在风荷载取值及挠度限值上也有所不同。

(1)风荷载取值

《门规》专门根据门式刚架轻型低矮钢结构房屋的特点,针对风荷载设计制定了专门的规定:基本风压取值是《建筑结构荷载规范》[3](以下简称《荷载规范》)的1.05倍;风荷载高度变化系数按《荷载规范》取值,且《门规》规定当高度小于10m时,按10m处的数值采用;风荷载体型系数有了更严格细致的适用条件,即屋面坡度≤10°、屋面平均高度≤18m、房屋高宽比≤1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸,不符合该适用条件,的建筑类型和体型,风荷载体型系数及相应的基本风压和阵风系数可按《荷载规范》规定采用。而《薄规》是根据《荷载规范》的规定取值。风荷载取值最大的不同就是风荷载体型系数,这是因为《荷载规范》和《门规》分别采用了中国和美国低层建筑两种不同的风荷载计算体系,且《门规》中的风荷载体型系数中包含了阵风效应,考虑了内、外风压最大值的组合。

(2)挠度限值

《薄规》允许檩条的相对挠度为1/200,较《门规》限值1/150严了很多。而当跨度较大时,满足挠度要求往往会成为确定檩条截面的控制条件。这种限值的不同没有更多技术上的合理解释,只能说《门规》设计控制的限值比较松。但尚须注意,挠度除满足规范、规程的要求外,还应该控制一下绝对挠度,因跨度较大时,跨中挠度可能也会较大(如15m跨度,按《薄规》1/200控制时,跨中挠度可达75mm),对于较为平缓的屋面可能会有积水的问题,设计时应适当控制(如45mm)。

4 实例计算比较

本例的计算条件:某一封闭双坡厂房,地面粗糙度为B类,房屋高度为9m,屋面板采用压型钢板,檩条间距1.5m,跨中设一道拉条,屋面活载0.3kN/m2(大于当地雪荷载),基本风压0.5kN/m2,钢材Q235。计算檩条的风荷载体型系数时,统一采用屋面中间区檩条作为计算标准,局部风荷载体型系数考虑厂房内表面影响。

注:表中檩条截面规格的选用是依据风吸力稳定满足承载力设计值f=205N/mm2时的最小截面;檩条全截面有效时,采用按《薄规》附录C算得的考虑冷弯效应的强度设计值。

5 结论与建议

1)由表1可知:依据风吸力稳定满足承载力设计值f=205N/mm2时,C型和Z型的截面应力利用率大约在59%~89%。

2)当基本风压>恒载或其它活载值时(如本例),C型檩条的截面由负风压稳定应力来控制;Z型檩条的截面则不一定由负风压应力来控制,如表1中Z型檩条在《门规》附录E风吸力稳定验算下,明显可以看出截面规格由强度控制(218.6N/mm2>186N/mm2),且截面规格明显比按《薄规》或《门规》要小。故不能简单地认为基本风压比恒载或其它活荷载值大就认为风吸力验算起控制作用,应区分檩条类型后再进行验算。

3)《薄规》和《门规》关于冷弯薄壁型钢檩条的强度和上翼缘受压的稳定验算方法相同。

4)验算风吸力作用下檩条下翼缘受压时的稳定,《薄规》不考虑屋面板对檩条的约束作用,计算方法简单,结果偏于保守;《门规》考虑了屋面板对檩条的约束作用,计算方法较为复杂,但结果比较符合实际,要注意其适用范围。

5)对于符合《门规》及其附录E要求的冷弯薄壁型钢檩条,可采用《门规》规定的荷载取值和控制指标设计,计算方法应采用附录E。对于符合《门规》但不符合附录E要求的冷弯薄壁型钢檩条,宜采用《门规》公式(6.3.7-2)计算方法设计。其余情况的檩条均应按《薄规》规定的荷载取值、计算方法和控制指标设计。

6)对于挠度限值,应按照设计对象适用的规范和规程分别遵循不同的限值,且宜增加挠度绝对值的控制指标,建议值为45mm。

摘要：通过比较《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》有关檩条设计方法的异同和应注意的问题,提出了一些建议供设计参考。

关键词：冷弯薄壁型钢,檩条,风吸力,稳定性,建议

参考文献

[1]GB50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].

[2]CECS102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

冷弯薄壁型钢轴心受压构件计算方法第5篇

冷弯薄壁型钢是指由钢带或钢板经冷加工而成的型材, 它通常通过改变截面形状来增大截面惯性矩和截面抵抗矩以承受较大的荷载, 而不是单纯依靠增大截面面积来获得, 因此被称为高效截面钢[1]。

冷弯薄壁型钢轴心受压构件承载力计算基本理论

1. 有效宽度法的计算原理[2]。

对于冷弯薄壁型钢轴压构件, 板件发生局部屈曲后, 受压构件并未因此而破坏, 而是通过应力重分布, 可以继续承受附加的荷载, 这就是利用薄板屈曲后强度。

屈曲后强度的计算应考虑的因素很多:冷弯后强度的提高、残余应力、初始缺陷、板组效应、板件变形的高阶效应等。这些影响因素对冷弯薄壁型构件的计算过于复杂, 通常是采用大变形的原理, 通过求解板大变形屈曲微分方程来确定构件承载力, 但在工程设计中这一过程很难实现。因此, 在设计中采用一种比较实用的方法, 即有效截面法。

所谓有效截面是指在构件整体承载能力计算中, 取部分有效截面代替原构件截面以考虑截面板件出现局部屈曲对整体构件刚度削弱影响, 冷弯型钢构件在压力作用之下, 由于板件截面上应力重分布, 有效截面假定有部分有效截面承受外力, 构件的整体承载力计算时应取截面的有效部分计算, 只要有效截面取得正确, 可正确确定构件的承载能力。因此如何确定有效截面是解决构件承载力的关键问题。

1932年Von Karman, T, Shechler, E, E和Donnell, 提出了“有效宽度”的概念依此来计算有效截面。

各国冷弯型钢设计规范均采用简便实用的半理论、半经验的有效宽度法计算公式, 应用较多的是美国康奈尔大学G.Winter教授于二十世纪四十年代在大量试验研究的基础上提出的Winter有效宽度公式, 即

其中钢材的弹性模量;k板件屈曲系数, 与板件支承条件和受力状态有关;b、t板件的宽度和厚度;fy材料屈服强度, 得到有效宽厚比的计算公式式中屈服强度fy可由板件实际边缘最大应力fmax代替, 用式 (1) 计算的板件和构件的极限强度, 与试验结果比较符合, 至今仍被各国冷弯型钢设计规范所采用。

2. 直接强度法的计算原理。

近年来, Schafer和Pekoz[4]提出了一种新的计算方法-直接强度法 (Direct Strength Method, 简称DSM) 。它克服了有效宽度法的缺点, 无须计算截面中各板的有效宽度及有效截面特性, 只需要根据毛截面特性来确定构件的各种弹性屈曲荷载, 包括构件整体屈曲荷载、弹性局部屈曲荷载和弹性畸变屈曲荷载, 其中整体屈曲荷载是整体弯曲屈曲、弯扭屈曲、扭转屈曲中的较小值, 再根据一系列函数关系来确定构件的极限承载力。而且直接强度法考虑了局部屈曲的相关作用, 并将畸变屈曲模式作为独立的影响因素加以考虑。

我国规范GB50018-2002[3]所采用的计算方法实质就是有效宽度法。

3. GB50018-2002计算方法分析。

我国规范GB50018-2002[3]规定轴心受压构件极限承载力按N=φAef计算, 计算承载力关键是确定试件的整体稳定系数φ及有效截面面积Ae, 以下分别介绍φ和Ae的计算。

(1) 稳定系数φ的计算

对于稳定系数φ, 规范GB50018-2002提供了相应的稳定系数φ表。在查φ表之前, 必须先知道构件可能的失稳模式及其对应的构件长细比。

对于单轴对称截面立柱除可能发生绕弱轴的弯曲失稳破坏外, 还可能发生绕对称轴的弯扭失稳破坏。究竟由哪种失稳模式起控制作用取决于其对应的长细比哪个大哪个小, 较大的那个长细比起控制作用。下面将分别计算弯扭长细比λw及绕弱轴的弯曲长细比λy。

规范GB50018-2002对压杆弯扭屈曲的处理办法为:通过换算长细比λw将其转化为弯曲屈曲来计算对待, 弯扭换算长细比λw的计算公式如下:

Lw=βL。其余各指标见GB50018-2002。

绕弱轴的弯曲长细比其中为构件在垂直于截面主轴y轴的平面内的计算长度, iy为构件毛截面对其主轴y轴的回转半径。

在通过上述方法计算得到λw及λy后, 便可选择大的作为试件控制长细比。

(2) 有效截面面积Ae的计算

规范GB50018-2002对有效宽度的计算采用下面所示的三段式计算公式:

当时:

式中:a计算系数, a=1.15 0.15φ, 当φ<0时, 取a=1.15;k为受压板件稳定系数, k1为板组约束系数, σ1=φfy

GB50018-2002对受压板件的板组约束系数1采用下面所示的公式计算:

当ξ1.1时:

当ξ>1.1时:

小结

本文主要介绍了国内外冷弯薄壁型钢轴心受压构件稳定承载力的计算方法, 分析了各种方法的不同和计算中应注意的问题。现阶段, 对于冷弯薄壁型钢构件屈曲之后, 各个板件之间的相关作用研究较少, 缺乏相关的理论分析和试验研究, 有待于进一步研究。

摘要：介绍了冷弯薄壁型钢结构的一系列优点, 对外冷弯薄壁型钢轴心受压构件稳定承载力的计算原理进行了简单的总结, 并详细说明了我国规范关于冷弯薄壁型钢轴心受压构件稳定承载力的计算方法。

关键词：冷弯薄壁型钢,轴心受压,计算方法

参考文献

[1]蒋路, 何保康, 张伟.冷弯薄壁型钢构件畸变屈曲试验和理论研究综述及分析[J].钢结构, 2006 (5) .

[2]周丽红.高强冷弯薄壁型钢轴压短柱试验与理论研究[D].西安, 长安大学, 2007.

[3]GB50018-2002, 中华人民共和国标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》[S], 中国计划出版社, 2002.

冷弯薄壁型钢的应用与研究现况第6篇

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。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。伴随着钢结构的广泛应用, 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[1,2,3]。

冷弯薄壁型钢是制作轻型钢结构的主要材料, 它主要是用普通碳素钢板或钢带在室温条件下经辊压或冲压成型的各种截面形状的型材 (如图1) 。其基本形状为C形、Z形和方管 (矩形) , 并可形成各种折皱和卷边、拼成I形和T形, 以提高截面刚度和承载力。

1. 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。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) 型钢壁厚较薄, 截面板件宽厚比较大, 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矩及抵抗矩相对较高。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。

2. 冷弯型钢的工艺特点决定了其金属在断面上分布合理, 产品质量好, 能源消耗少, 应用于建筑结构中, 概括地讲冷成型钢结构构件特点可概括如下[1,2,3]:

(1) 与较厚的热轧型钢相比, 冷成型钢构件可加工成适用相对较小的荷载或较短的跨度。

(2) 通过冷成型加工可经济地得到不同寻常的截面形状, 进而能获得令人满意的强度重量比。

(3) 考虑包装和运输的紧密性, 可生产可嵌套的截面。

(4) 承重板能为屋顶、楼顶及墙板提供有用的表面。另外, 能为电力和其他管道提供密封式部件。

(5) 承重板不仅能承受垂直于板表面的荷载, 而且当相互之间及与支承构件可靠连接时, 板还可作为剪力蒙皮抵抗自身平面内的荷载。

3. 与木材和混凝土等其他材料相比, 冷成型钢结构构件具有以下特性:

(1) 质量轻。

(2) 强度高、刚度大。

(3) 易于实现配件预制并大量生产。

(4) 建造及安装迅速、便利。

(5) 真正消除了天气原因引起的延误。

(6) 细部设计更精确。

(7) 环境温度作用下无收缩、无徐变。

(8) 无需支模。

(9) 防白蚁及腐蚀。

(10) 质量均匀。

(11) 运输、管理经济。

(12) 具有不燃性。

(13) 材料可回收。

上述优点的结合能节省建设造价。

二、冷弯型钢在各发达国家和我国的应用

由于冷弯型钢有以上诸多优点, 在建筑业中发展极其迅速[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。冷弯型钢构件在建筑中的应用始于19世纪五十年代的美国和英国。冷弯型钢在房屋建筑中主要用于框架、刚架、桁架、网架、梁、柱等主要承重构件, 也用作檩条、墙体梁、柱、屋面板、墙板、龙骨、门窗等次要受力构件和围护结构。若全部构件均采用冷弯型钢, 建成的建筑一般在4层以下, 在美国常见的为1~2层的民用建筑, 主要用作别墅、住宅、学校、医院及商业建筑等 (见图2, 3) 。若主要承重结构为轻型门式刚架 (见图4) , 其它构件采用冷弯型钢构件的建筑, 通常用作单层工业与民用建筑。由于这类建筑跨度可做到60m (常用30~40m) , 使用空间很大, 工艺布置方便, 因此轻型门式刚架房屋体系是国内外近几年发展较快、应用较多的一类建筑, 主要用于无吊车或吊车起重量不大于30t的工业厂房、仓储建筑、商业超市等。此外, 由普通钢结构建成的高层、超高层建筑中, 也大量采用冷弯型钢作次要构件, 如压型钢板组合楼板等。冷弯型钢在国外发达国家建筑业中已占据其建筑用钢的40-70%。由于冷弯型钢成型方便, 构件自重轻, 运输、安装轻便, 施工周期短, 综合经济效益高等优点, 无疑将被大量用于房屋建筑中。

在过去冷弯薄壁型钢多用于次要受力构件, 只有少量作为构件在中、小跨度门式刚架 (无吊车) 、货架中使用。而今在许多国家和地区采用冷弯薄壁型钢作为承重骨架的结构被越来越多的应用于单层、多层住宅, 别墅建筑中形成了冷弯薄壁新型结构体系。目前轻型钢结构体系在西欧、美国、英国等发达国家低层住宅建筑中得到大量的应用[9,10,11,12,13]。在美国轻钢结构体系的分析、设计理论和方法及制造工艺上已经非常完善, 开发了多种专利产品, 其专用设计软件可在短时间内完成设计、绘图、工程量统计及工程报价, 在制作上也实现了高度的标准化及工厂化。冷弯型钢结构构件已经走向专业化、产业化的生产模式。英国建成的冷弯型钢建筑也比较多。其生产的镀锌冷弯薄壁型钢别墅, 在完全手工安装的条件下施工仅需一个星期, 并通过了保温、隔声、温湿度、耗能等建筑物理性能的长期观测检测。冷弯薄壁型钢住宅建设已列入欧洲重点研究项目, 并陆续开发了各种样品房, 目前已进入批量化商品生产阶段。我国冷弯型钢生产起始于20世纪50~60年代, 在鞍山、上海、重庆等地区, 以服务于农机业为主。20世纪80年代, 是第一次发展高潮。在全国遍地开花, 集中于华东、华北、东北, 服务于汽车、客车、建筑门窗、交通运输、货架、电器等行业。到目前为止, 生产机组达到1000多套, 较大的200mm以上机组, 现有和在建的42套。最大管径达到660mm。全国冷弯型钢生产能力达到1500万t/年, 基本满足市场需求量438万t/年。冷弯产量占钢产量的2.4%。产品品种达到2000多种。钢种从单一的普碳钢向高强、耐候、耐火等钢种发展。冷弯型钢已成为钢材品种中不可缺少的后起之秀, 得到广大用户的青睐。从现在到2010年, 由于钢产量的提高和产业结构的变化、市场的需要, 冷弯型钢正面临二次发展机遇。我国建筑业应用冷弯型钢始于20世纪50年代, 但工程应用时起时落, 发展比较缓慢。60年代在上海等地兴建了约10104m2轻钢房屋试点工程, 70年代在湖北十堰二汽近20104m2厂房屋架采用了管形冷弯型钢屋架。1976年建工出版社出版了《薄壁型钢结构技术规范》 (TJ 18-75, 试行) , 1979年修订为《薄壁型钢结构技术规范》 (草案) 。此后, 国内一批高校、科研机构进行大量冷弯型钢结构的研究, 并修订了国家设计规范, 1987年正式出版了国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 (GBJ 18-87) 。目前使用的GB50018-2002的新规范是根据建设部建标[1998]94号文件的要求, 由中南建筑设计院会同全国有关设计、科研、施工和高校等14家单位对GBJ 18-87规范加以全面修改而成。改革开放后, 特别是20世纪90年代后, 人们开始对轻钢结构有了新的认识, 在北京、上海、南方沿海等地建造了不少以门式钢架为主要形式的轻型钢结构房屋建筑。近几年, 香港已建成多栋全部采用高强镀锌冷弯薄壁型钢的四-六层住宅。在我国大陆冷弯薄壁型钢结构体系的发展刚刚起步, 目前各地采用镀锌C型钢建造了一批1~3层的冷弯薄壁型钢结构样品房, 并进行了各种荷载条件下的结构试验, 对楼 (屋) 盖和墙板的振动与隔声、保温与结露等建筑的物理性能进行了综合测试。冷弯型钢在建筑业中的应用比例, 我国与世界发达国家占40%~70%相比差距很大, 我国目前冷弯型钢产品还主要用于汽车业、机械制造等行业, 因此, 随着轻型钢结构的发展, 大跨、轻型新结构的不断出现, 冷弯型钢在建筑业中的应用市场将十分宽广。

三、冷弯型钢的研究情况

冷弯型钢的问世及应用, 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, 重视冷弯型钢这种高效经济型材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[3,14]。除了研究各种结构构件的承载能力, 最近的研究工作主要集中于: (1) 连接方法; (2) 墙板、屋面及楼面系统的吸声、隔热性能; (3) 钢楼板与楼面梁的振动反应; (4) 基础墙板; (5) 桁架; (6) 节能问题。

冷弯型钢在我国的发展刚刚起步, 其现阶段的设计依据主要GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》。此规范尚有许多需要完善的地方。有待于进一步探索和研究的问题如下[15]: (1) 要大力发展冷弯薄壁型钢的专用钢材。这种钢材应具有较高的强度、良好的展延加工性能和耐久性, 特别是应有超强的耐大气腐蚀性能。 (2) 要大力研制、开发各种冷弯薄壁型钢结构构件的专用型钢系列, 逐步实现冷弯薄壁型钢结构的标准化、商品化生产。 (3) 厚壁冷弯型钢结构构件性能的试验研究。 (4) 冷弯型钢的残余应力、冷弯效应的试验研究, 冷弯型钢结构构件几何缺陷的统计分析, 以及上述因素与各类结构构件极限承载力的关系的研究。 (5) 关于设计及各类受压板件局部屈曲影响的冷弯型钢结构构件极限承载力实用计算方法的研究。 (6) 新型冷弯型钢空间结构体系的研究。 (7) 冷弯型钢结构疲劳性能、动力性能的研究。 (8) 建立并逐步完善冷弯型钢结构试验数据库。 (9) 冷弯薄壁型钢结构设计专家系统及各类设计、施工、制作适用软件的开发。 (10) 冷弯型钢耐久性能的研究。

谈冷弯薄壁型钢结构的应用与前景第7篇

随着社会的进步, 可持续发展成为当今的主题, 对建筑行业的环保要求越来越高。钢结构体系在国家提倡绿色环保经济建设背景下, 已成为一种绿色环保的新型结构体系。

1.1 国外研究状况

冷弯薄壁型钢是指用钢板或带钢在室温下弯曲成的各种断面形状的成品钢材, 具有良好的延性和结构性能, 被广泛用于围护结构、屋盖中的檩条、墙板中的内柱、框架、桁架等。20世纪40年代, 美国、欧洲等一些发达国家就已经将冷弯薄壁型钢结构应用于建筑领域, 美国钢铁协会也制定了相关规范。目前在英国新建的90%的单层和60%的多层非居住类房屋建筑中均采用轻钢结构[1]。在美国用冷弯薄壁型钢作为原材料的建筑已经占美国建筑类钢结构用钢量的45%以上, 主要应用于1层~2层的民用建筑, 如别墅, 学校, 医院, 商业建筑等。承重体系为薄壁构件, 厚度较小, 故此类建筑的使用寿命一般定为20年[2]。

日本是个地震多发国家, 为了减少地震带来的人员伤亡以及经济损失, 这种轻型钢结构在日本民用建筑中广泛应用。日本的冷弯薄壁型钢虽然起步相对欧美较晚, 但是在引进和吸收欧美的经验基础之上, 对冷弯薄壁型钢住宅体系有全面系统的研究。目前日本有专门的企业去进行冷弯薄壁型钢的研发、设计、构件加工、施工安装及售后服务等。

1.2 国内研究状况

20世纪60年代由于援外工程的需要, 我国才开始研究冷弯薄壁型钢结构的设计方法。70年代初上海交通大学, 湖南大学进一步对其进行研究, 在这期间我国建造了一大批冷弯薄壁型钢的仓库和单层厂房, 为我国冷弯薄壁型钢研究积累了宝贵的经验。20世纪90年代, 冷弯薄壁型钢作为主要构件被引入房屋建筑中, 如中低层住宅结构, 中等跨度的门式钢架[3]。我国在2002年引进了北美冷弯薄壁型钢结构体系, 并且制定了相应的标准, 先后开发建设了北京纳帕溪谷、昆山纳帕尔湾等知名项目, 并且取得了良好的成果[4]。但是目前, 我国建筑行业还没有推出完整的冷弯薄壁型钢结构体系, 也没有统一的设计标准, 个别的工程实例仍需单独设计, 所以, 对冷弯薄壁型钢结构的研究十分必要。

2 冷弯薄壁型钢结构的优点

1) 结构自重轻。

冷弯薄壁型钢结构的自重为钢筋混凝土结构的1/3~1/4。由于结构整体自重小, 为基础减轻负担, 减少了基础的沉降, 可以降低基础处理费用, 也使得冷弯薄壁型钢可以更好地应用于软土地基等。

2) 抗震性好。

冷弯薄壁型钢结构一般采用焊接连接, 钢框架受力, 结构整体性较好。钢材本身具有的均匀性和强韧性, 可以有较大的变形, 且其自身刚度较大, 地震作用下产生的水平作用力较小, 能很好的承受动力荷载, 有利于抗震。良好的抗震性能, 能有效的保证人们的生命财产安全[5]。

3) 经济性好。

钢材是100%可回收再利用的材料, 属于绿色环保节能材料, 符合可持续发展的理念, 目前的钢管和C型钢的价格在4 000元/t~4 500元/t, 回收价格在2 500元/t, 具有巨大的潜在经济效益。钢材本身的保温, 隔热性能良好, 建筑过程中无需提供保温结构, 节约资源。冷弯薄壁型钢结构的施工周期短, 故相应的工程贷款利息和管理费用大大降低, 节约成本。

4) 工厂化生产及施工。

冷弯薄壁型钢结构的构件, 都是提前在工厂预制好的, 在施工时直接由工厂运到施工现场, 在施工现场直接进行安装, 钢结构施工简单, 施工速度快, 施工现场整洁, 产生的建筑垃圾少, 施工过程中产生的噪声也小, 有利于环境保护。

3 冷弯薄壁型钢在建筑工程中的应用

冷弯薄壁型钢结构用于低层住宅起源于北美, 并已经形成了经典的体系。早在19世纪30年代, 日本阪神淡路地震时, 美国向日本捐赠了300套钢构房。而如今在日本、澳大利亚等地区也都已形成各自的结构体系, 广泛运用于居民住宅建设中。我国低层冷弯薄壁型钢住宅发展较为缓慢, 但也开始大量从国外引入, 并逐渐投入研究使用。北京纳帕溪谷别墅区、昆山纳帕尔湾别墅区都是典型的北美体系低层冷弯薄壁型钢住宅房。

昆山纳帕尔湾项目在昆山市建设冷弯薄壁型钢结构联拼住宅278套, 结构主体为冷弯薄壁型钢结构, 采用的是Q345钢, 外墙龙骨为550C20 (140 mm厚) , 内墙龙骨为350C20 (89 mm厚) , 墙体龙骨间距、楼面梁间距和屋面梁间距均为610 mm, 门窗洞口、结构柱部分采用组合柱用螺钉连接, 进行局部加强。冷弯薄壁型钢的运用减少了结构自重, 增强了抗震性。而且结构墙板附有OSB板、石膏板和波纹板, 使构件的实际受力、变形均比平面体系设计减少10%~15%。这样的结构体系减少了施工的复杂性, 节约了时间, 还节省了钢材, 增大了住宅的使用面积 (见图1) 。

位于山东阴蒙县的蒙山会馆是冷弯薄壁型钢应用于公共建筑的一个典型实例 (见图2) 。该会馆是地下两层、地上两层的酒店综合楼, 建筑高度为9.20 m。地上两层均采用冷弯薄壁型钢龙骨结构, 以轻型冷弯型钢作为承重骨架, 轻型墙体材料作为围护结构, 构件之间用自攻螺钉来连接。冷弯薄壁型钢龙骨结构自重轻、经济性好、施工方便快捷的优点在低层建筑结构中得到充分的发挥[6]。

工业建筑用冷弯薄壁型钢建设厂房厂棚也更加常见, 我国很早就有这方面的实践。峰峰集团的万年煤矿, 位于河北邯郸市。该矿区36.8 m跨度的机厂设备棚采用的是平面拱结构, 主要承力的构件拱和拉杆, 以及次要构件檩条和支撑结构均采用的是冷弯薄壁型钢结构。由于拱主要受轴向压力和平面弯矩作用, 所以拱架和拉杆加设了缀板, 构成主要承力构件, 两拱之间架设冷弯薄壁型钢檩条, 同样也减轻了自重[7]。

4 发展前景及展望

由于经济建设和可持续发展的要求, 社会发展越来越需要绿色环保的建筑技术。冷弯薄壁型钢具有截面合理、用量经济、自重小、模板成型、施工简便、抗震性好、力学性能良好等特点, 恰恰可以满足经济发展需求。而它在与其他材料组合后, 体现出更加优越的性能, 适用范围更加广阔。例如冷弯薄壁型钢—混凝土组合构件, 更好的稳定性和强度可以运用于桥梁工程、多层住宅和高层楼盖结构[8]。轻型冷弯型钢的研究会成为今后建筑技术的发展热点。

5 结语

冷弯薄壁型钢结构具有良好的建筑综合效益和独特的优点, 相比普遍的钢筋混凝土结构, 冷弯薄壁型钢结构减轻了自重, 抗震性好, 提高了建筑的经济效益, 节约资源, 符合国家可持续发展的战略, 并且因冷弯薄壁型钢预制程度较高, 对促进建筑产业预制化发展有着重大意义。目前在住宅建筑、公共建筑和工业建筑已有较广泛的应用, 未来应以科技进步推动冷弯薄壁型钢在有更高要求的桥梁工程、高层建筑等领域广阔发展。

摘要：阐述了冷弯薄壁型钢结构在国内外的研究状况, 介绍了冷弯薄壁型钢结构所具有的结构自重轻、抗震性好、节约成本等优势, 并结合实例分析了冷弯薄壁型钢在建筑工程中的应用前景, 以供参考。

关键词：冷弯薄壁型钢,轻型钢材,结构,建筑工程,环保

参考文献

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[3]钟国辉.冷弯薄壁型钢在房屋建筑中的研究与发展[J].建筑钢结构进展, 2002 (4) :31-38.

[4]郭晓炜.低层冷弯薄壁型钢住宅体系的应用[J].浙江建筑, 2014 (8) :5-7.

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[6]孙同丽.冷弯薄壁型钢龙骨结构体系应用中若干问题的分析与研究[D].上海:同济大学, 2007:61-64.

[7]曹宏.冷弯薄壁型钢结构在建筑工程中的应用[J].煤炭工程, 2004 (11) :58.

冷弯薄壁型钢门式刚架应用现状第8篇

门式刚架轻型钢结构在我国已广泛运用在工业厂房领域, 具有跨度大, 经济性强, 安装快速便捷等优点, 一般采用变截面焊接H型钢作为刚架梁柱构件。但考虑到目前焊接H型钢一般最薄采用5mm板件、加工需要构件详图、加工工艺工序多等因素, 对于小跨度的单层工业房屋, 特别是跨度小于15m、不带行车的厂房建筑, 其经济性难以保证, 故而采用冷弯薄壁型钢构件作为承重梁柱构件不失为更经济、更快捷的选择。澳洲Ranbuild公司在冷弯薄壁型钢门式刚架结构运用上, 有着成熟的产品和多年的经验, 他们采用标准化设计、标准化制造的模式把冷弯薄壁型钢广泛用于小型工业仓储房屋以及一些农业鸡舍类房屋, 其最大跨度可以达到36m。

1 冷弯薄壁型钢门式刚架结构

1.1 刚架形式

典型的冷弯薄壁型钢门式刚结结构的形式如图1所示。冷弯薄壁型钢门式刚架一般用于没有行车的单层工业房屋, 局部可以有夹层。根据澳洲Ranbuild公司的技术资料[5,6]显示, 其单跨最大跨度可以达到36m, 当跨度大于13.8m时应采用图1中的类型c, 即屋脊处应设置有水平拉杆;最大柱顶高度可以达到7.3m;最大柱距可达到9m;屋面坡度范围为10～27度, 最通常采用的屋面坡度为10度。

用于刚架梁、柱构件一般为冷弯薄壁C型钢, 截面高度为C200～C350, 材料厚度1.5mm～3.0mm, 材料强度为340MPa和450MPa, 材料通常为连续热浸镀锌表面处理, 镀锌量通常为Z275, 截面型式可为单根构件截面或两根构件背靠背截面, 如图2所示, 采用组合截面时, 构件间连接采用高强螺栓。

特别要注意的是, 为了减小冷弯薄壁型钢门式刚架的屋面梁饶度偏大, 影响正常使用, 澳洲Ranbuild公司采取了一些预起拱的措施, 当跨度超过12m时考虑预起拱, 柱顶向内偏移, 屋脊向上偏移, 具体详表1所示。

这样采用冷弯薄壁型钢作为梁柱承重构件, 具有以下的特点和优势:

1.1.1 在适合的项目类型中, 相比焊接H型钢具有更好的用钢量经济性。

特别是当跨度小于15m时, 其用钢量相比焊接H型钢可以节省20%。

1.1.2 项目运作更快更便捷。

其详图设计过程相比变截面焊接H型钢更简单更省设计工时, 同时冷弯成型的加工工艺比焊接更省人工更快捷。

1.1.3 更标准化的设计更好的质量。

这样的结构形式一般都采用标准化设计, 包括构件截面标准化、连接节点标准化, 从而使得加工的质量更容易保证。

1.1.4 更好的耐腐蚀性能。

冷弯薄壁型钢一般采用Z275镀锌表面处理, 相比油漆处理的焊接H型钢有着更好的耐腐蚀性能。

1.2 支撑形式

典型的屋面及柱间支撑型式包括钢拉带和圆钢两种形式, 钢拉带的常规厚度为1.5～2.5mm, 与梁、柱的外翼缘连接, 且与屋、墙面檩条的翼缘连接, 连接均采用自攻钉连接方式, 拉带端部的连接自攻钉的数量由计算决定。圆钢支撑通常采用M16～M20的圆钢, 通常是侧向荷载较大时作为柱间支撑使用, 连接采用高强度螺栓与柱的翼缘连接, 可仅设置在柱的外翼缘侧, 若需要更大的承载力, 可在柱的内、外翼缘双侧同时设置圆钢支撑。柱间支撑形式详见图3所示。

1.3 连接形式

冷弯薄壁型钢门式刚架的连接主要采用高强度螺栓承压型连接的方式, 也会采用自攻钉连接的形式作为补充, 高强度螺栓均采用双垫片, 连接处的连接件多为标准化连接件。对于图1中类型a的刚架形式, 梁柱连接节点和屋脊梁梁连接节点均为半刚性连接节点, 刚度系数由实验得出。连接形式详见图4～图5所示。对于图1中的类型b和类型c的刚架形式, 由于增加了柱顶斜撑杆及屋脊水平拉杆, 梁柱连接及屋脊梁梁连接均采用铰接连接节点, 连接形式详见图6～图7所示。柱脚一般考虑为铰接连接, 常见的连接形式详见图8～图9所示。事实上, 根据澳洲Ranbuild公司的实验结果, 这样的连接依然有一定的转动刚度。

2 项目案例

2.1 工程概况

博思格钢铁-蓝璀建筑钢结构 (上海) 有限公司在国内已有冷弯薄壁型钢门式刚架结构的实际项目运用, 以下作一案例介绍。某单层门式刚架厂房结构, 建筑总长度91.95m, 总宽度23.15m, 柱顶高度为4.46m, 屋面坡度10度, 结构横向为单跨, 跨度20.75m, 纵向柱距6m, 整个建筑的施工过程中的照片及平面布置图和刚架立面图如图10～图12所示。

2.2 荷载取值及计算模型

考虑以下荷载条件:

▲屋面采用120mm厚夹芯彩钢板, 恒载0.3kN/m2, 结构自重由程序自动计算;

▲设备管线吊挂荷载由相关设备方提供, 相当于均布荷载0.10KN/m2, 实际分析时按集中荷载的形式计算;

▲屋面活荷载0.5KN/m2, 用于设计刚架时折减为0.3 KN/m2;

▲基本风压0.65 KN/m2, 地面粗糙度B类;

▲基本雪压0.35 KN/m2;

▲抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度值为0.05g。

结构计算简图如图13所示, 采用的构件截面详见表2所示。

结构设计采用PKPM-STS软件设计。

主要的刚架连接节点详见图14所示。

2.3 分析结果

主要分析计算结果为:

▲风荷载作用下的柱顶侧移为6.1mm;

▲在屋面恒、活荷载组合工况下, 屋脊处最大竖向位移为47mm;其中恒载作用下的屋脊处竖向位移为24.6mm, 活荷载作用下的屋脊处竖向位移为22.4mm;

▲最大应力比:柱0.87 (强度应力比) , 梁0.85 (强度应力比) 。

具体数据详见图15所示。

2.4 设计及施工中的问题

2.4.1 变形问题

由于镀锌表面摩擦系数较低, 所以螺栓连接处都会有一定的滑移和转动, 这造成了额外的刚架变形, 主要反映在屋脊处的竖向位移。根据计算分析的结果, 在恒载作用下的屋脊处竖向位移为24.6mm, 但根据现场实测, 此处在恒载作用下的位移约50～60mm, 这与计算值之间存在了巨大的差异。分析下来, 有两个因素:一是制作误差;二是构件间滑移造成的。后来采取了一些措施弥补:首先, 所有连接处的构件表面采取了现场清洗以去除油污的措施, 从而增大表面间的摩擦系数;另外, 将屋脊处竖杆替换为更短的竖向杆件, 从而把这个位移差弥补回来了一些。对于设计工作而言, 目前根据《钢结构设计规范》 (GB50017-2003) , 承压型连接的设计不再要求摩擦系数, 但如果摩擦系数太低也会对正常使用带来一定的不便, 现有的规范《钢结构设计规范》 (GB50017-2003) 和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 (GB50018-2002) 中还没有镀锌接触面的摩擦系数数据, 为此应有必要进行相关的实验测试补充此类数据。

2.4.2 制作问题

冷弯薄壁型钢门式刚架需要用到350高的C型檩条, 同时孔位种类较多, 最多时同一截面上需要四组钻头钻孔, 就目前国内的檩条加工厂加工能力而言, 还有一些差距。同时, 加工精度也存在问题, 目前檩条的制作标准主要依据《门式刚架轻型房屋钢构件》 (JGJ144-2002) 执行, 其中对檩条的孔位尺寸的误差要求偏低, 这主要是因为目前的檩条都是用作次要结构构件, 如屋面檩条和墙面檩条, 但作为主结构梁柱构件时, 孔位的精度要求应有所提高。这样的加工精度要求, 再结合镀锌构件表面摩擦系数较低, 从而产生了上述的刚架额外变形, 这对实际工程项目的验收也产生了一定难度。

2.4.3 防火问题

上述的这个项目实例没有防火的要求。但如果碰到有防火要求的建筑, 特别是二级耐火等级以上要求的建筑, 可能会有一定问题。目前镀锌檩条涂刷防火涂料, 考虑到涂料附着力的因素, 一般只能涂刷薄型防火涂料。曾有钢结构公司做过实验, 采取了先涂刷特定的底漆后涂刷薄型防火涂料的做法, 最多能达到1.5小时耐火极限, 这是一种比较好的方法, 但这依然不能满足二级耐火等级时单层房屋的柱子2.0小时的耐火极限要求。另外一方面, 檩条截面有卷边, 这对于涂刷防火涂料有一定难度, 同时其涂刷面积会因为钢板薄而变的较大, 经济型较难保证。

3 结语

本文系统的介绍了冷弯薄壁型钢门式刚架结构, 同时结合实际的工程案例对所碰到的一些设计及施工中的问题进行了讨论。关于冷弯薄壁型钢门式刚架结构, 国内已有多篇文献[7,8]讨论, 在此笔者提出以下几点, 会是今后需进一步研发的方面:

3.1 半刚性连接节点。

对于冷弯薄壁型钢构件间的连接, 很难做到完全刚性连接, 更趋向半刚性的特征, 澳洲Ranbuild公司做了很多相关的实验, 总结出了相关的节点刚度系数, 用于指导设计。

3.2 柱子计算长度系数。

目前的规范中规定的柱子计算长度系数没有计及半刚性连接节点的影响, 由于半刚性连接节点虚弱了框架的抗侧刚度, 所以现有的柱子计算长度系数可能偏不安全。

3.3 彩钢板的蒙皮效应。

冷弯薄壁型钢门式刚架的抗侧刚度比较小, 因而设计中考虑彩钢板维护系统的蒙皮效应会对抗侧刚度有较大提高。澳洲Ranbuild公司的设计中考虑了维护系统的蒙皮效应, 其蒙皮效应的承载力数据主要来源于实验结果。

3.4 抗震性能。

目前关于冷弯薄壁型钢门式刚架结构的抗震性能的研究不多, 但对于设计而言仍然需要有这方面的数据给予指导。特别是除了弹性阶段抗震计算之外, 对于高烈度区, 是否需要进行一些构造措施以保证抗震性能。

摘要：本文首先简要介绍了冷弯薄壁型钢门式刚架轻型钢结构体系的特征, 然后介绍了具体的工程实例, 最后提出了尚有待研究的几个问题, 希望能对冷弯薄壁门式刚架的推广和运用起到作用。

关键词：门式刚架,冷弯薄壁型钢,半刚性节点