浅谈冷弯薄壁结构的屈曲模式

浅谈冷弯薄壁结构的屈曲模式

张辉

天津国土资源和房屋职业学院天津300270

摘要：冷弯薄壁型作为一种常用的绿色环保建筑材料，其构件轻质高强、施工速度快、制作安装方便，并且在北美、欧洲、日本、韩国等地已经形成规模化、产业化、现代化发展。但是冷弯薄壁型钢构件在使用时也会产生一些由于延展性比较低、截面形式复杂，从而造成冷弯薄壁型钢构件出现屈曲现象，严重影响了构件的承载力和正常使用。冷弯薄壁型钢在我国的应用前景很大，因此，对冷弯薄壁型钢结构屈曲模式的研究应不断深入。

关键词：冷弯薄壁型钢；屈曲模式；绿色建筑

一、引言

近几十年来，建筑垃圾造成的环境污染已经十分严重，解决这类问题迫在眉睫。适应绿色、环保、可循环利用、能到达节能减排目的的绿色建筑已经成为当今建筑业研究的热门课题，也是未来建筑业发展的主流趋势[1]。绿色建筑，指建筑物在整个寿命期内，尽可能地节约资源（包括节水、节电、节材、节地等），减少建筑物对环境的影响，提供高效实用、安全舒适、能够与自然和谐共处、永续发展的建筑，冷弯薄壁型钢结构就符合绿色建筑的各项要求。

冷弯薄壁型钢，是指在常温状态下，将冷轧、热轧形成的带钢或者钢板，通过冷加工手段将钢板或钢带弯曲形成的具有不同截面类型的型钢。其冷加工工艺主要包括有：弯折、拉拔、冲压等。

二、冷弯薄壁构件的屈曲模式

冷弯薄壁型钢的具有强度高、截面形式多样、构件的厚度比较薄等诸多优点，但是同时也会产生一些不利因素。例如冷弯薄壁型钢的延展性比较低、截面形式复杂，从而造成冷弯薄壁型钢构件出现屈曲现象。目前，常见的冷弯薄壁型钢构件的屈曲[2-4]模式主要为：整体屈曲、局部屈曲和畸变屈曲，如图1.1所示。整体屈曲的类型有很多种，主要包括的类型有弯扭屈曲、扭转屈曲、弯曲屈曲。其屈曲特点是构件在不发生截面形状和尺寸变化的条件下会产生侧移或者扭转。存在几何缺陷的冷弯薄壁型钢构件易发生整体屈曲。

（1）弯曲屈曲，常发生于双轴对称的轴心受压杆件，当杆件的抗扭刚度较大时，发生整体失稳时主要绕截面的两个对称轴发生弯曲失稳或者称为弯曲屈曲。此外，冷弯薄壁型钢梁一般状态下是属于压弯构件，如果侧向有足够的支撑，杆件不会发生弯矩作用平面外的弯扭失稳，而只能发生弯矩作用平面内的弯曲失稳。

（2）弯扭屈曲，梁作为受弯构件，在弯矩作用平面内的弯曲刚度通常比侧向弯曲刚度和扭转刚度大，梁在荷载作用下侧向失稳时，既产生侧向弯曲，又产生扭转变形。由于梁的受压部分在竖向受到腹板的连续支撑，因此压杆屈曲时必然是向侧向弯曲；又由于梁的受拉部分不会失稳；所以梁的受压部分屈曲时，必然又会引起整个截面的扭转，最终梁发生的就是弯扭屈曲。弯扭屈曲主要发生在单轴对称受压杆件，如角形、T形、槽形截面杆件，由于截面形心与截面剪切中心不重合，往往发生扭转时总是伴随着弯曲。

图1.2局部屈曲图1.3畸变屈曲图图1.4剪切屈曲

扭转屈曲，对于开口冷弯薄壁型钢杆件的壁厚较薄，抗扭性能比较差，在荷载作用下有可能扭转，从而丧失承载能力，即发生扭转屈曲。扭转屈曲的发生与杆件的截面形状、几何尺寸、杆件长度以及杆端支撑有关。

（4）局部屈曲，指构件的变形只发生在板件自身截面上，而板件与板件的交线不发生变形和移动，属于截面上独立的板件屈曲。局部屈曲是冷弯薄壁型钢构件发生一种常见的屈曲模式，在受压构件中，腹板的宽厚比比较大，因此受压腹板可能发生局部屈曲，在受弯构件中，整个截面应力呈梯度分布，因此局部屈曲可能发生在受压腹板处，也可能发生在受压翼缘处。局部屈曲的主要特点是屈曲半波长比其他屈曲模式的波长较短，和独立板件的尺寸是一个量级。目前我国规范通过有效宽度法来考虑构件的局部屈曲问题。

（5）畸变屈曲，发生畸变屈曲后，构件的截面形态会发生一定的变化，构件的翼缘部分会绕着翼缘与腹板的交线位置处发生扭转变形。因此，发生畸变屈曲的构件的截面尺寸和截面形状会发生改变。

（6）剪切屈曲，是指构件变形发生在板件自身截面上。一般地，受弯构件由于腹板是主要的受剪部分，剪切屈曲主要发生在梁的腹板上。

三、结论

本文对绿色建筑方面以及钢结构建筑未来前景做简要介绍，同时介绍了冷弯薄壁型钢结构的特点。总结了冷弯薄壁型钢常见的屈曲破坏模式，屈曲性能事关冷弯薄壁型钢结构承载力和正常使用性能，因此，对于冷弯薄壁型钢结构的屈曲破坏的研究和应用应当不断深入。

参考文献

[1]田敏，张甲.冷弯薄壁型钢结构在绿色建筑中的应用[J].城市建设理论研究，2016，6（8）.

[2]周绪红等.低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系[J].建筑科学与工程学报，2005，22（2）：1-14.

[3]徐磊.加拿大轻钢结构住宅体系[R].加拿大信贷及房屋集团研究报告，2001

[4]胡杰文.冷弯薄壁型钢受弯构件的屈曲模态研究及其在稳定承载力设计方法中的应用[D].重庆大学，2015.