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冷弯薄壁型钢组合墙体承载力的多维度探究与实践应用

一、引言

1.1研究背景与意义

在建筑领域，随着城市化进程的加速和建筑技术的不断进步，对建筑结构的性能和安全性提出了更高的要求。冷弯薄壁型钢组合墙体作为一种新型的建筑结构形式，因其具有诸多独特优势，在现代建筑中得到了日益广泛的应用。

冷弯薄壁型钢是在室温条件下将较薄的钢带通过辊轧或冲压弯折成各种截面的型钢。其成型方式灵活，能生产出多种截面形状的产品，如常见的压型钢板、闭口方管、矩形管、槽钢、卷边槽钢、Z型钢、角铁及各种组合型钢等，能满足不同建筑墙体对承载力的多样化需求。并且，冷弯薄壁型钢构件的壁厚通常在1.5mm-6mm之间（压型钢板除外），相较于传统热轧型钢，在同样面积下，其回转半径可增大50%以上，惯性矩及面积矩可增大50%-180%，这使得冷弯薄壁型钢受力性能良好，材料利用率高，在节约能源和资源方面意义重大。

冷弯薄壁型钢组合墙体一般由冷弯薄壁型钢骨架与各种面板材料（如石膏板、纤维水泥板、OSB板等）组合而成。这种组合墙体在国外的住宅建筑中已有二、三十年的应用历史，如在美国、日本、澳大利亚等国家，应用非常普遍。近年来，在我国，尤其是三层以下的住宅建设以及一些临时性建筑、轻型商业建筑等领域，冷弯薄壁型钢组合墙体也开始试点并逐步推广。它具有众多优点，例如保温、隔热和隔声性能在设计阶段可预先按照国家相关住宅和节能标准进行合理设计；结构用钢材能够100%回收利用，符合绿色建筑理念；所采用的建筑材料多为绿色建材，且可全部实现工厂化生产，建筑分部体系能在工厂预拼装，施工精度高，建设周期短，还能节省水、电及人工等资源。

然而，在实际工程应用中，冷弯薄壁型钢组合墙体的承载力研究还存在一些不足。墙体作为承受建筑物自重和外部荷载（如风力、地震力、楼面传来的竖向荷载等）的主要承重构件之一，其承载力的可靠性直接关系到建筑结构的稳定性和安全性。在震动和风载作用下，冷弯薄壁型钢组合墙体容易出现失稳问题，这严重影响了其承载性能和建筑的安全使用。由于冷弯薄壁型钢组合墙体的结构较为复杂，涉及到钢材的冷弯效应、构件的局部屈曲和畸变屈曲、面板与骨架之间的协同工作以及初始几何缺陷、残余应力等多种因素，使得其承载力的确定难度较大。当前，虽然已经有一些关于冷弯薄壁型钢组合墙体承载力的研究成果，但在不同工况下的承载力分析还不够全面和深入，设计规范中相关条文也不够成熟完善，无法充分满足实际工程的设计和应用需求。

因此，深入开展冷弯薄壁型钢组合墙体承载力的研究，探究其在不同工作状态下的受力性能，具有极其重要的现实意义。一方面，这有助于提高建筑结构的抗震性和抗风性，保障建筑物在各种复杂环境和荷载作用下的安全性，减少因墙体承载力不足导致的建筑安全事故，保护人民生命财产安全。另一方面，通过对其承载力的精确研究，可以为冷弯薄壁型钢组合墙体的设计提供更科学、更合理的依据，优化结构设计，提高材料利用率，降低建筑成本，推动建筑结构及钢结构领域的发展，促进冷弯薄壁型钢组合墙体在建筑工程中的更广泛应用，为实现建筑行业的可持续发展做出贡献。

1.2国内外研究现状

国外对于冷弯薄壁型钢组合墙体承载力的研究起步较早，成果较为丰富。在理论研究方面，学者们深入分析了冷弯薄壁型钢组合墙体的受力机理。如Smith等通过理论推导，建立了考虑面板与骨架协同工作的力学模型，详细阐述了在不同荷载作用下，组合墙体内部的应力分布和传递规律，为后续的研究奠定了理论基础。在试验研究上，大量的试验针对不同的结构形式、材料特性和荷载工况展开。加拿大的研究团队进行了一系列足尺试验，研究了不同面板材料（如OSB板、石膏板）与冷弯薄壁型钢骨架组合墙体的抗压、抗剪和抗弯性能，明确了面板类型和厚度对墙体承载力的显著影响。美国的学者通过试验分析了墙体立柱的屈曲模式与承载力之间的关系，发现初始几何缺陷和残余应力会对墙体立柱的屈曲荷载产生较大影响。在数值模拟领域，有限元软件被广泛应用。英国的研究人员利用ABAQUS软件对冷弯薄壁型钢组合墙体进行模拟分析，模拟结果与试验结果吻合较好，验证了数值模拟方法在研究组合墙体承载力方面的有效性，并且通过数值模拟，进一步探究了复杂应力状态下组合墙体的破坏机制。

国内在冷弯薄壁型钢组合墙体承载力研究方面，近年来也取得了一定的进展。理论研究中，一些学者结合我国的建筑规范和实际工程情况，对国外的理论模型进行了修正和完善。清华大学的研究团队通过理论分析，提出了适合我国国情的冷弯薄壁型钢组合墙体承载力计算公式，考虑了我国常用的建筑材料和施工工艺等因素。在试验研究方面，许多高校和科研机构开展了相关试验。西安建筑科技大学进行了冷弯薄壁型钢住宅墙体立柱在轴心荷载作用下的承载力试验研究，分析了导梁板件厚度、梁柱线