彭貝 敬靜 楊敬林 湯峰

摘 要：冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)質(zhì)高效的新型建筑形式，尤其適合我國農(nóng)村低層住宅。本文通過數(shù)值模擬分析了一棟三層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，并結(jié)合調(diào)研探討我國部分農(nóng)村住宅應(yīng)用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，對該種結(jié)構(gòu)形式的住宅在農(nóng)村的推廣提出幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)；輕鋼住宅；村鎮(zhèn)建筑；抗震

中圖分類號：TU392.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0118-03

Application of Cold-formed Thin-walled Steel Structure in

Rural Housing Construction

PENG Bei1 JING Jing2 YANG Jinglin1 TANG Feng1

（1. College of Engineering， Hunan Agricultural University，Changsha Hunan 410128；2. Coal Geological Exploration Institute of Hunan Province， Changsha Hunan 410014）

Abstract： Cold-formed thin-walled steel structure is a new type of high-quality and efficient building， especially suitable for rural low-rise residential buildings in China. In this paper， the seismic performance of a three-storey cold-formed thin-walled steel structure was analyzed by numerical simulation， and the superiority of the structure was verified. Combined with investigation and study， the present situation of cold-formed thin-walled steel structure applied in some rural residential buildings in China was discussed， and some suggestions were put forward for the popularization of this structure in rural areas.

Keywords： cold-formed thin-walled steel structure；light steel residence；village and town building；earthquake resistance

1 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)演變而來，其是通過自攻螺釘將冷成型鋼立柱、托梁和導(dǎo)軌連接成輕鋼骨架，并將結(jié)構(gòu)墻板或樓板連接在骨架上形成主體結(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)體系，鋼構(gòu)件常用U形和C形冷彎薄壁型鋼，結(jié)構(gòu)和建筑板材常用OSB板、石膏板、玻鎂板、ALC板和壓型鋼板等建筑板材。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)自重輕、用材節(jié)能環(huán)保、施工周期短、產(chǎn)業(yè)化程度高，是一種非常優(yōu)越的結(jié)構(gòu)體系。

早在20世紀(jì)40年代，美國、歐洲等一些發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)將冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已具有相對完善的技術(shù)和比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)80年代，第一批冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅引入國內(nèi)，在此后的二三十年內(nèi)，國內(nèi)陸續(xù)出臺了冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的行業(yè)、企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于缺乏通用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，目前國內(nèi)設(shè)計(jì)院并未普及冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，各個廠家主要引進(jìn)國外軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)?？梢?，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在我國住宅產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用尚處于推廣初期，市場占有份額較小。

2 低層冷彎薄壁型鋼住宅抗震性能分析

本文以一棟三層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅為例，通過有限元分析軟件ANSYS分析其在7度多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能。該冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材為Q345鋼，梁柱間距一般為600mm，冷彎薄壁型鋼龍骨骨架主要承重構(gòu)件截面尺寸參見表1。樓面結(jié)構(gòu)板采用75mm厚蒸壓加氣混凝土板，并上澆注25mm厚自密實(shí)混凝土，屋面結(jié)構(gòu)板采用18mm厚OSB板，防水處理后，上掛彩鋼板波形瓦。內(nèi)墻選用雙面布置的12mm厚石膏板，外墻選用雙面布置的12mm厚OSB板。外墻外側(cè)進(jìn)行3mm聚合砂漿防水處理，并外掛PVC裝飾板材。

根據(jù)《North American Specification for the Design of Coldformed Steel Structural Members》（ AISI S100—2007）[1]和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50018—

2002）[2]驗(yàn)算豎向荷載下的構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性，均滿足規(guī)范要求。采用有限元軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，梁柱、屋架和檁條均采用梁單元Beam188模擬，結(jié)構(gòu)墻板采用殼單元Shell181模擬，結(jié)構(gòu)屋面板和樓面板采用殼單元Shell63模擬，連接墻板和立柱的自攻螺釘連接件采用Combin39模擬，有限元模型考慮主要承重和抗側(cè)力構(gòu)件，包括墻體板材、立柱、樓板、樓面梁、導(dǎo)軌、屋架、檁條和屋面板，忽略樓蓋中的吊頂、支撐、門窗上下部分墻體及裝飾性材料等對結(jié)構(gòu)的影響。梁柱桿件與地面、樓屋面鉸接，墻板與立柱在螺釘平面內(nèi)采用彈簧單元連接，平面外耦合一個平動自由度，結(jié)構(gòu)整體有限元模型如圖1所示。

通過模態(tài)分析得結(jié)構(gòu)特征周期為0.28s。本文選用2條實(shí)際強(qiáng)震記錄的地震波EL-centro波、Taft波和一條上海人工波圖進(jìn)行多遇和罕遇地震時程分析，并取地震波輸入全過程的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法分析結(jié)果進(jìn)行對比，得到結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下的各樓層最大位移曲線（見圖2）。

通過分析可知，以O(shè)SB板和石膏板作為結(jié)構(gòu)墻板的低層冷成型鋼住宅結(jié)構(gòu)在7度多遇地震下的最大層間變形2.24mm（h/1 339），在7度罕遇地震下的最大層間變形16.18mm（h/185），均滿足規(guī)范限值并具有較大安全儲備。結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)墻板可以替代傳統(tǒng)的支撐系統(tǒng)。經(jīng)查看模擬結(jié)果，7度多遇地震和罕遇地震下龍骨立柱的最大軸向應(yīng)力分別為74MPa和190.5MPa，且立柱應(yīng)力由底層至三層逐層減少，立柱尚處于彈性階段，說明墻體骨架完好，結(jié)構(gòu)無倒塌危險(xiǎn)。由此說明，在保證施工質(zhì)量即連接件可靠連接的前提下，低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)可達(dá)到7度設(shè)防的抗震要求，且結(jié)構(gòu)具有較高的安全儲備。

3 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在我國農(nóng)村住宅中的應(yīng)用現(xiàn)狀

通過對湖南婁底、懷化、邵陽、郴州和衡陽等地區(qū)的農(nóng)村進(jìn)行走訪調(diào)研可知，村鎮(zhèn)住宅形式以低層磚混結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)居多，相比之下，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系則鮮為人知。雖然部分鄉(xiāng)村中人們的生活方式逐漸向城市生活轉(zhuǎn)化，但鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的住宅主要還是傳統(tǒng)建筑形式，除部分較富裕的農(nóng)村房屋以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主外，其他房屋仍以小開間的低層磚混住宅為主，并且后期改建、擴(kuò)建情況繁多，缺乏規(guī)劃和質(zhì)量監(jiān)督。這種房屋抗震性能差、使用功能單一、建設(shè)速度慢，且使用的建材如磚、石等的生產(chǎn)會給生態(tài)環(huán)境帶來較大負(fù)面影響，不利于我國現(xiàn)代化的建設(shè)，阻礙了社會的發(fā)展。

經(jīng)過調(diào)研得知，冷彎薄壁型鋼住宅在農(nóng)村難以推廣的主要原因有以下幾點(diǎn)。①思想觀念上缺乏全面的認(rèn)識。在傳統(tǒng)觀念中，鋼結(jié)構(gòu)建筑主要用作臨時建筑，而輕鋼結(jié)構(gòu)造型簡潔、質(zhì)量輕巧，給人一種“不穩(wěn)固”“不耐用”的錯覺。同時，農(nóng)村居民對鋼結(jié)構(gòu)的防火性能持懷疑態(tài)度。②缺乏成熟的農(nóng)村產(chǎn)業(yè)鏈。目前，國內(nèi)較成熟的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅企業(yè)有北新集團(tuán)、遠(yuǎn)大住工集團(tuán)、寶鋼集團(tuán)和賽博思公司等，這些企業(yè)主要的業(yè)務(wù)范圍是度假酒店、休閑山莊、高檔別墅等。為了控制質(zhì)量，從設(shè)計(jì)到施工、從人力到材料等過程，均由企業(yè)負(fù)責(zé)，使得造價較高。在我國農(nóng)村地區(qū)，大部分住宅是由技術(shù)人員出具圖紙，業(yè)主自購建材，再由當(dāng)?shù)厥┕り?duì)建設(shè)而成的，這既能節(jié)約建設(shè)成本，又能在一定程度上控制房屋質(zhì)量。而目前，農(nóng)村尚未推廣輕鋼住宅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鮮有懂輕鋼住宅技術(shù)的設(shè)計(jì)施工人員，輕鋼房屋所需的型鋼、墻板和圍護(hù)材料在建材市場難以購得，市場上的輕鋼住宅廠家技術(shù)水平良莠不齊，從而加大了其在農(nóng)村的推廣難度。③后期維護(hù)成本較高。鋼結(jié)構(gòu)房屋需要定期進(jìn)行除銹、防腐和防潮處理，而傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)建成之后幾乎無需維護(hù)，加之輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)成本略高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]，因此，老百姓傾向于選擇傳統(tǒng)住宅。

4 結(jié)語

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系生產(chǎn)施工高效、建筑環(huán)保節(jié)能，且結(jié)構(gòu)抗震性能好，是一種優(yōu)越的住宅體系，應(yīng)在我國特別是農(nóng)村地區(qū)大力推廣。但由于傳統(tǒng)觀念根深蒂固、缺乏成熟的農(nóng)村產(chǎn)業(yè)鏈和較高的建設(shè)、后期維護(hù)成本，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在農(nóng)村應(yīng)用較少?；诖?，國家應(yīng)在大力推廣宣傳的同時，加強(qiáng)農(nóng)村地區(qū)技術(shù)人員的培養(yǎng)，扶持輕鋼建筑相關(guān)行業(yè)的經(jīng)營和發(fā)展，并適當(dāng)對采用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅形式的老百姓給予經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼，讓部分地區(qū)先行先試起來。

參考文獻(xiàn)：

[1]North American Specification for the Design of Cold-formed Steel Structural Members：AISI S100-2007[S]. Washington： American Iron and Steel Institute，2007.

[2]中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范：GB 50018—2002[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]郭小燕，姚勇，王欣.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑技術(shù)，2011（5）：455-458.