新型冷弯厚壁型钢构件设计基本理论研究

冷弯型钢作为建筑钢结构主要用材之一，具有截面高效、经济性好和制作工业化程度高、绿色环保等特点，在发达国家应用广泛，适用厚度已达25.4mm。但我国现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的适用厚度不超过6mm，导致其应用范围相对非常有限。近年来我国冷弯型钢行业发展迅猛，已能生产加工壁厚20mm左右的冷弯型钢，并在低多层和小高层住宅等建筑领域呈现广阔应用前景。本文拟针对6mm以上新型冷弯厚壁型钢基本构件设计中相关基础理论进行系统研究，主要内容包括：①典型成型工艺下代表性截面冷弯效应及残余应力分布模式研究；②基本构件承载力设计理论及设计可靠度分析；③基本构件抗震性能及抗震设计方法研究。研究成果将为6mm以上新型冷弯厚壁型钢构件承载力设计和抗震性能设计提供系统的试验数据和理论基础，为完善我国冷弯厚壁型钢设计相关技术标准提供支撑，推进其在我国建筑钢结构领域的广泛应用，具有重要理论意义和实用价值。

冷弯型钢作为建筑钢结构主要用材之一，具有截面高效、经济性好和制作工业化程度高、绿色环保等特点，在发达国家应用广泛，适用厚度已达25.4mm。但我国现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的适用厚度不超过6mm，导致其应用范围相对非常有限。近年来我国冷弯型钢行业发展迅猛，已能生产加工壁厚20mm 左右的冷弯型钢，并在低多层和小高层住宅等建筑领域呈现广阔应用前景。本项目针对6mm 以上新型冷弯厚壁型钢基本构件设计中相关基础理论进行系统研究，主要工作和成果包括：1）完成了5种开口截面150根材性试验和5根相应短柱、46种闭口截面932根材性试件和38根相应短柱试验，基于试验结果，提出了闭口截面的截面强度及延性的分布规律模型。在此基础上，将各国规范考虑冷弯效应的屈服强度计算公式进行了对比，表明我国薄钢规范中考虑冷弯效应的屈服强度计算公式在计算结果偏于安全的同时变异系数小，我国薄钢规范（2-6mm）中的公式仍然适用于厚壁冷弯型钢（6mm以上）。2）通过切割法，完成了由母材卷板直接成方冷轧成型、单缝高频对焊而成的9种截面空心钢管的全截面残余应力测量，得到冷弯厚壁型钢中残余应力分布基础数据。结合数值模拟和已有研究，提出用于冷弯厚壁型钢的实用分布模式。为构件层次的进一步研究提供了数据和理论基础。3）完成了开口截面和闭口截面轴压构件试验18根、偏压试件8根。基于本文的试验结果和相关文献，结合数值模拟分析，以设计可相对较低的轴压构件为对象，进行了设计可靠度分析，提出了Q235和Q345厚壁冷弯型钢的抗力分项系数及设计强度取值建议。4）完成了开口截面构件10根轴压及12根偏压构件滞回试验、闭口截面21根短柱及30根轴压和24根偏压构件滞回试验，得到不同参数下构件的破坏模式、耗能性能。在此基础上，提出了不同典型破坏模式的构件几何参数的范围，以及典型构件的抗震设计基本参数。5）开展了一些拓展研究。包括厚壁冷弯型钢退火构件的残余应力及抗震性能研究、冷弯型钢框架的承载性能、节点合理构造和抗震设计方法前期研究，为本项目的后续研究奠定了基础。研究成果将为6mm 以上新型冷弯厚壁型钢构件承载力设计和抗震性能设计提供系统的试验数据和理论基础，为正在修编的国家标准《冷弯型钢结构技术规范》纳入壁厚6mm以上冷弯厚壁型钢设计提供了试验和理论支撑。