冷弯薄壁型钢：高效截面型材料的发展与应用

近年来，随着我国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材得到较快发展。冷弯薄壁型钢与传统轧制型钢相比，具有断面材料分布合理、转弯半径大、抗弯抗扭性能好等特点。它不像热轧型钢那样通过增加材料面积来提高其承载力，而是通过改变钢材的断面形状来达到提高承载力、节省钢材的目的。冷弯型钢是指在室温下通过轧制或冲压薄钢板或钢带，经冷弯而成的各种形状的断面型钢，它用相对较少的材料来承受较大的外荷载，不是简单地通过增加断面面积来获得，而是通过改变断面形状而获得，称为高效断面类型，又称型钢冷弯型材或冷弯型材。随着其在美国、澳大利亚等地的广泛应用，如何使其变得更薄、强度更高已引起人们足够的重视。

近年来，随着我国科技水平的不断进步和建筑业的不断发展，人们对材料的要求也不断提高，越来越重视提高材料的有效强度和利用率。冷弯薄壁型钢龙骨结构作为低层钢结构住宅建筑的重要形式之一，近年来在国外发展很快，目前在国内市场也有一定规模的使用。另外，20世纪80年代末，有关科研单位开始对输电塔采用冷弯薄壁型钢进行可行性研究，但由于当时冷弯型钢价格昂贵，技术手段不完善，再加上早期塔规模较小，现有的热轧型钢完全可以满足使用要求，项目未能立项。随着我国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材得到了迅速发展。这些经济型材的用量逐年增加，加工成本不断下降，加上其截面本身的优异性能，使得经济效益更加显著。这为冷弯薄壁型钢在输电杆塔上的应用提供了可能。其中，高强度冷弯薄壁型钢作为一种节能、环保、利用率高的材料也越来越受到学者们的关注。

冷弯薄壁型钢的优点

1）产品长度多变。一座10吨重的铁塔通常由近2000个构件组成，铁塔各构件的长度不一。目前热轧型钢均为定长产品，因此在用热轧型钢进行塔料切割时，经常会出现材料浪费，这种因材料长度而造成的材料损失高达5%。冷弯型钢产品可根据用户需求提供多种尺寸的型钢，成品率高（可达99%），废料少，可有效减少铁塔加工中的材料损耗。

2）形状多样。冷弯薄壁型钢截面形状的多样性，可以避免采用90度角钢将塔设计成方形或矩形的弊端以及塔身坡度变化引起的连接构件不共面的问题。为设计人员设计新型合理的塔架创造了灵活的条件。例如，可以建设三柱式塔架，还可以优化塔腹杆体系，设计出更加合理的塔腹杆布置。这为设计各种新型塔架体系创造了新的途径，进一步减轻了塔架自重，节省了材料，减少了构件数量。

3）高强度型材。对于钢结构建筑所用的高强度钢材，若采用冷弯型钢产品，可有效避免热轧型钢供应批次限制、轧制工艺困难等缺陷。

4）防腐。由于输电塔等钢结构长期暴露在自然环境中，通常采用热镀锌处理以保证其安全性。冷弯薄壁型钢由于截面形状多变，壁厚较薄，不宜采用热镀锌处理。目前，一些先进的防腐技术和工艺不断涌现，如采用耐候材料、采用新型涂装工艺等，为冷弯薄壁型钢的防腐提供了良好的解决方案。

高强耐候钢生产工艺日趋成熟，在铁路系统中得到广泛应用。与传统的制杆生产方式相比，在输电塔上使用高强耐候冷弯钢材料，材料一次性投入略高，但由于省去了防腐工序，经济效益和社会效益十分显著，粗略测算，每吨成本可降低20%左右。

高强度冷弯薄壁型钢的特点及存在的问题

冷弯型钢可作桁架、钢架、柱、梁等承重构件，也可作龙骨、墙架、屋面檩条、屋面板、楼板、门窗等次承重构件和围护结构。随着人们对材料要求的不断提高和建筑理念的不断发展，冷弯薄壁型钢建筑已成为一种新的建筑形式。在美国和欧洲，低层冷弯薄壁型钢结构住宅发展很快。基础构件主要有U型（普通槽型）和C型（卷边槽型）两种截面形式。高强度冷弯薄壁型钢构件采用高强度超薄板材制成，因此在受力方面有以下两个重要特点：

1）延展性较低。镀铝锌或高强度镀锌板由于经过反复冷压，获得了强度高、壁厚薄的特性，但同时材料的延展性也相应降低，使材料无明显的应力硬化阶段，抗拉强度fu与屈服强度fy变得十分接近，即强度屈强比fu/fy接近于1；

2）超薄。由于材料强度极高，高强度冷弯薄壁钢结构构件的板材厚度很小。如澳大利亚已建成的用高强度板材建造的冷弯钢别墅的墙柱等构件，其最小壁厚仅为0.42mm。板材越薄，截面板材的宽厚比b/t越大。因此，在构件发生整体屈曲之前，板材很容易发生局部屈曲。板材的局部屈曲与构件整体屈曲之间还存在着相关性，这会降低构件的极限承载力。

从以上特点可以看出，高强度冷弯薄壁型钢结构构件的受力性能、屈曲及破坏模式与普通冷弯薄壁型钢构件有较大的区别。正因为这些区别和特点，高强度冷弯薄壁型钢结构的应用将会出现许多传统低强度钢冷弯薄壁型钢结构所不具备的问题：

1）由于高强度薄板钢在屈服后几乎没有应力强化，其屈服后的刚度和强度储备将明显低于传统低强度钢，使得构件在弹塑性工作阶段的稳定性和安全性也低于传统低强度钢；

2）由于应力强化很小，应变硬化程度也很低，所以高强度薄板钢板冷弯型钢的冷弯效应也很小，几乎可以忽略不计；

3）由于塑性变形能力差，为保证结构有足够的变形能力满足设计要求，不能依靠构件本身的变形，而必须采取其他有效措施，使结构获得变形能力；另外，高强度薄板冷弯型钢的成形工艺要求较传统低强度钢材高；

4）由于高强度冷弯薄壁型钢截面宽厚比较大，构件不同屈曲模式之间的相关性不容忽视。基于高强度冷弯薄壁型钢上述特点，必须对其力学性能、屈曲性能及失效模式进行深入细致的分析和研究。

目前，屈服强度550MPa级高强度冷弯薄壁型钢的生产和使用在国内才刚刚起步，但市场应用前景十分广阔，但目前国内冷弯薄壁型钢设计规范GB50018-2002仅限于Q235、Q345钢材，对于屈服强度更高的钢材尚无相应规定。

高强度冷弯薄壁型钢研究现状

冷弯薄壁型钢的研究主要集中在三个方面：

①在保证强度的前提下，使构件壁厚变薄。目前主要研究集中在2mm以下的壁厚；②高强度冷弯薄壁型钢，屈服强度可达550MPa；③采用新的截面形式（见图1），如在腹板中部增加加劲肋，使其成为U型、V型等新的截面形式，以提高其强度。以上三种方法近年来国内外学者对此进行了深入研究，并取得了成功，也为进一步的研究奠定了良好的基础。

图1 复杂加劲截面形式

近年来，陈少帆、沈祖彦、何宝康、李元琪等教授对高强度冷弯薄壁型钢进行了深入研究，对屈服强度550 MPa级、壁厚小于2 mm的钢材进行了试验研究，进一步提供了较为实用的算法。目前针对高强度冷弯薄壁型钢的算法主要有Shafer和Pek z提出的有效截面法和直接强度法，但也存在不少不足。新的截面形式也是提高强度和稳定性的有效途径，改变卷边形式、角度、长度等都会提高构件的强度。近年来，学者们对新的截面形式也进行了深入研究，包括对腹板加劲，使其成为U型或V型截面，以提高构件的强度和稳定性，并进行了大量试验。在大量试验的基础上，对有效截面法和直接强度法作了进一步的修正，不断完善。

一般来说，开口薄壁构件会出现三种屈曲模式：板的局部屈曲、扭曲屈曲和构件的整体屈曲。在一定条件下，三种屈曲模式还会有关联。局部屈曲时，板绕板的交点转动，交点保持平直；整体屈曲时，整个横截面发生转动或侧移，横截面形状不变；而扭曲屈曲时，板绕板的交点转动，板的某些交点不再保持平直，横截面形状和轮廓尺寸发生变化（见图2）。

图2 发生扭曲屈曲时的变化

随着冷弯薄壁型钢构件所用材料的屈服强度越来越高，板材越来越薄，加上截面形式越来越复杂，畸变屈曲在某些情况下可能成为影响构件承载力的重要因素。冷弯薄壁型钢规范中对此尚无明确规定。我国对畸变屈曲的研究起步较晚，在20世纪90年代。苏明舟、陈少帆等对卷边槽钢梁的畸变屈曲进行了分析，提出了压翼缘屈曲系数kf的计算公式。并结合我国常用卷边槽钢截面尺寸，提出了压翼缘屈曲系数kf大于4时板材长宽比的限值和板材长宽比超过此限值时kf的最小值。陈少帆通过对我国常用截面冷弯卷边槽钢承载力的分析指出，畸变屈曲可看作是一种特殊的局部屈曲处理，翼缘屈曲系数可取3，当卷边宽度足够大时，畸变屈曲并不控制设计。同时指出畸变屈曲的本质是卷边过窄而倾向于在其平面内屈曲，进而带动相关板件共同屈曲。随着研究的深入，近年来国内学者对轴心受压、偏心受压和受弯构件的畸变屈曲性能进行了系统的试验和理论研究，并对防止畸变屈曲的措施进行了相关的试验研究和数值分析。姚建教授对卷边槽钢截面压弯构件畸变屈曲进行了试验研究，将试验结果与按标准GB 50018-2002计算的值进行比较，发现标准偏差不安全。随后他通过有限元模拟提出了在冷弯薄壁卷边槽钢纵向设置隔板来增大畸变屈曲荷载的措施。何宝康教授对带加劲腹板翼缘的卷边槽钢截面构件进行了试验研究，指出畸变屈曲存在屈曲后强度，畸变屈曲翼缘出现3种屈曲模式，存在局部、畸变与整体屈曲的相关性，并给出了计算公式。

结论

现行的冷弯薄壁型钢规范GB 50018-2002不适用于高强度冷弯薄壁型钢，同时新型冷弯薄壁型钢的有效截面法和直接强度法也需要进一步验证和完善。同时，为了进一步扩大市场，研发更加高效的高强度冷弯薄壁型钢形式、连接结构和合理的结构体系也是亟待解决的重要问题。这些问题是我们冷弯型钢行业同仁面临的，需要尽可能地加以解决。只有解决这些突出问题，高强度冷弯薄壁型钢才能应用到更广泛的领域。

实践证明，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增长模式是不可持续的，必须尽快扭转。使用冷弯薄壁型钢可以有效节约资源和能源，既可以减少钢材消耗，又可以降低加工成本，避免环境污染，是一项具有重大经济效益和环保意义的工作，因此要及时开展高强度冷弯型钢特别是新型高强度冷弯薄壁型钢在国民经济各领域的应用研究，大力推进能源资源的高效利用和循环利用。