與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)體系具有重量輕、安裝快、施工周期短、抗震性能好、投資小、環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢。從產(chǎn)品全生命周期看，鋼結(jié)構(gòu)建筑是一種節(jié)能環(huán)保、可循環(huán)利用的工程結(jié)構(gòu)形式。在全球范圍內(nèi)，特別是發(fā)達國家和地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。在“雙碳”目標引領(lǐng)下，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑必將迎來新的發(fā)展機遇。為此，本報推出鋼結(jié)構(gòu)專題，對國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和先進技術(shù)進行梳理，以饗讀者。

近年來，冷彎型鋼（CFS）結(jié)構(gòu)在許多國家和設(shè)計規(guī)范中得到了廣泛的應(yīng)用。本文簡要回顧了CFS結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域、構(gòu)件設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計和抗震設(shè)計等的進展。

承重CFS應(yīng)用的三個主要領(lǐng)域是：框架、金屬建筑和機架。本文簡要回顧了這些領(lǐng)域，重點介紹了應(yīng)用方面的進展，以及對這些應(yīng)用的針對性研究。

1.1 框架

許多工程師對CFS框架的第一反應(yīng)是它只能是低層的解決方案。從表面上看，CFS框架的低層結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)類似，因此一般的假設(shè)是CFS框架只在具有木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的國家具有競爭力，且只適用于一層或兩層結(jié)構(gòu)。然而，中高層CFS框架已經(jīng)日益普遍的應(yīng)用于中高層建筑，甚至可以用在地震活躍地區(qū)。

目前，北美已經(jīng)制定了一整套專門用于框架的CFS標準，形成了建筑規(guī)范中采用這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)。此外，該市場許多公司都是面板制造商，因此存在大量的非現(xiàn)場施工。在北美，預(yù)制桁架行業(yè)為這種形式的施工提供了一種模式。預(yù)制金屬桁架如今在北美已被廣泛使用。

1.2 金屬結(jié)構(gòu)

在金屬建筑中，CFS構(gòu)件通常只用于二級系統(tǒng)：檁條、圍板、薄板等。這些二級系統(tǒng)的研究工作仍然活躍（特別是檁條）。

CFS框架和承重CFS金屬建筑不能完全區(qū)分開來，CFS建筑通常試圖在內(nèi)部創(chuàng)造明確的跨度空間，而CFS框架則不然。此外，CFS建筑使用鋼板作為護套，而不是膠合板、石膏板等。再者，CFS金屬建筑通常被設(shè)計為一個完整的系統(tǒng)。在某些情況下，預(yù)制CFS框架結(jié)構(gòu)的使用擴展到了金屬建筑物（例如，美國的Nunconsteel提供了這種系統(tǒng)）。各國開展了各種有益的研究，如在澳大利亞，框架只用在加筋板上；在匈牙利和波蘭，框架使用了新的組合斷面和連接；在英國，盒式墻結(jié)構(gòu)被長期研究。

1.3 貨架

CFS存儲架是一種非常高效的結(jié)構(gòu)，長期以來其設(shè)計使用了新穎的截面和連接。盡管構(gòu)件和連接在過去并沒有發(fā)生重大變化，但對走勢的理解以及將這種理解轉(zhuǎn)化為改進的設(shè)計一直非常積極。對立柱、立柱與架梁連接和底板進行了重要的新試驗。測試條款很先進并規(guī)范化，分析條款也是如此，特別是在使用二階分析方面。最新關(guān)注的問題如沖擊力和漸進式崩塌，最近也有研究。輔助CFS貨架行業(yè)的標準組織很積極，并且由于貨架結(jié)構(gòu)性能的復(fù)雜性，在許多情形下發(fā)展已很先進。例如，即將出臺的澳大利亞貨架標準（AS 4084）將對非完美結(jié)構(gòu)（GMNIA）提供現(xiàn)成的幾何和材料非線性分析的完整指導(dǎo)，在理念上類似于歐洲規(guī)范中的殼體結(jié)構(gòu)。

在北美常用的CFS構(gòu)件包括C型（帶緣和不帶緣），Z型（通常有斜緣），以及各種“帽形”斷面。特殊截面也用于CFS貨架行業(yè)的立柱和橫梁。多年以來一直使用這些常規(guī)斷面?，F(xiàn)在已經(jīng)開始更大程度地利用制造技術(shù)做截面創(chuàng)新，并開始認真推動現(xiàn)有設(shè)計方法的邊界。

北美長期以來一直忽視橫截面創(chuàng)新，但如圖1所示，這種情況正在發(fā)生變化。例如已經(jīng)使用的Σ截面（圖1（a）），但仍未采用歐洲許多地方使用的大跨度截面。北美最重要的橫截面創(chuàng)新式專利是預(yù)制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計，特別是幾家桁架公司使用了具有窄腹板、寬翼緣、中間加強筋和回邊的新型截面作為弦桿（圖1（b）和圖1（c））。

CFS框架還推出了各種新型變體，將典型的C型截面用于制作支柱、過梁、門框、配電構(gòu)件甚至斜撐。最受歡迎的先進截面之一是通過托梁的腹板中的加固孔提供維修空間，這種理念的演變創(chuàng)建了一種鋼筋網(wǎng)架和CFS樓板梁的混合體，如圖1（d）所示。對于非承重應(yīng)用，已經(jīng)開發(fā)了由花紋鋼冷彎成型的截面（圖1（e）），其主要優(yōu)點在于提高了防火、隔熱和聲學(xué)性能。

任何關(guān)于CFS構(gòu)件的完整討論都繞不開深入研究的萊特鋼梁（LiteSteel Beam，圖1（f））。將閉合的管狀截面用在開口槽法蘭上，該截面更常使用熱軋鋼而不是冷成型鋼。然而，研究者們已經(jīng)表明，法蘭的高扭轉(zhuǎn)剛度在整體上極具優(yōu)勢，確實有獨特的性能和最明顯的橫向扭曲。澳大利亞冷彎鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范提供了對這一獨特CFS建筑產(chǎn)品的最新處理方法。

在產(chǎn)品開發(fā)階段，結(jié)合多種制造技術(shù)，許多更獨特的CFS橫截面設(shè)計擴展了滾動成形截面的邊界。人們希望實現(xiàn)更輕、更環(huán)保的結(jié)構(gòu)，并將材料成本降至最低，這將有助于將這些理念推向市場。創(chuàng)新設(shè)計方法和設(shè)計規(guī)范仍然是研究人員面臨的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)是CFS應(yīng)用新技術(shù)進步的動力而不是障礙。

CFS構(gòu)件分析是土木工程不尋常的挑戰(zhàn)之一。一方面，使用殼體有限元的GMNIA分析提供了一個令人信服的多用途模擬工具，但敏銳的覺知和所需知識的輸入會是一個挑戰(zhàn)。而在另一端，典型的CFS實踐要么不使用正式的計算結(jié)構(gòu)分析，要么在使用分析時，具有框架元素的線性彈性。框架單元的典型應(yīng)用沒有完全包括非對稱構(gòu)件（如CFS的C型截面）的扭轉(zhuǎn)-彎曲耦合，并且無法涉及與局部或扭曲畸變相關(guān)的截面變形。然而，目前，框架單元是唯一一種計算效率足夠高的解決方案，可以用于大型土木系統(tǒng)的線性和非線性分析，以及用在大量荷載情況下。

在這種情況下，CFS分析一直是傳統(tǒng)土木工程分析領(lǐng)域強勁的替代。最值得注意的是，已經(jīng)證明有限條法（特別是在構(gòu)件水平上）在殼體有限元的功率和框架有限元所需的效率之間提供了有效的折衷。事實上，使用經(jīng)典有限條法的穩(wěn)定構(gòu)件分析生成的特征曲線提供了過去三十年來許多設(shè)計進展所基于的組織原則。有限條法的最新進展包括開源工具的不斷發(fā)展，擴展到用于穩(wěn)定性分析的一般邊界條件，約束有限條法（cFSM）能夠進行模態(tài)分解和識別，以及用于通用殼體有限元分析的基于有限條的模態(tài)識別工具的發(fā)展。我們正在努力嘗試用截面有限條分析來豐富框架有限元；但存在更巧妙的方法——廣義梁理論（GBT）。

GBT基于豐富的弗拉索夫梁理論，非常適合框架單元的土木工程系統(tǒng)分析的需要。理論上，如果模型中只包含經(jīng)典模態(tài)，會得到傳統(tǒng)框架的有限元結(jié)果。然而，由于包含了局部腹板、扭曲、剪切和橫向拉伸等截面變形模式，因此框架單元承擔了典型殼體有限元的力學(xué)作用，但其優(yōu)點是形變場是獨立的，并且在分析時預(yù)先知道。cFSM方法是基于GBT的力學(xué)假設(shè)推導(dǎo)出來的，如圖2所示，它們提供了類似的解決方案。最新GBT研究演示了構(gòu)件水平的幾何和材料非線性分析以及基于GBT的框架系統(tǒng)分析，甚至可以包括局部荷載和荷載高度效應(yīng)分析。此外，已證實GBT及其識別和隔離給定變形模式的能力為CFS性能難題提供了新的見解。工程師甚至可以利用GBT分析工具自行進行試驗。幾乎所有適用于CFS結(jié)構(gòu)的完全非線性GBT框架單元的研究都已完成，這一進展對CFS系統(tǒng)分析的潛在影響不容小覷（圖3）。

無論是殼體有限元分析還是基于cFSM或GBT的高級模型，都可以執(zhí)行基于GMNIA的CFS流程。然而，在它們能夠廣泛使用之前必須認識到，CFS構(gòu)件對幾何缺陷、殘余應(yīng)力和應(yīng)變以及建模參數(shù)非常靈敏。因此， GMNIA分析的表征輸入仍然是CFS構(gòu)件和結(jié)構(gòu)研究的一個重要領(lǐng)域。雖然在制造缺陷的統(tǒng)計及輥壓成形過程中的殘余應(yīng)力和應(yīng)變方面取得了進展，但重要研究仍需繼續(xù)。

由于存在局部屈曲、畸變屈曲和整體屈曲模式，CFS構(gòu)件設(shè)計變得復(fù)雜。此外，基本模態(tài)可以相互作用，也可以與材料屈服相互作用。當然，構(gòu)件-系統(tǒng)可通過次級支撐或主要框架（例如，二階效應(yīng)） 相互作用。CFS構(gòu)件設(shè)計規(guī)范和標準中使用的主要設(shè)計理念是有效寬度法；但直接強度法（DSM）經(jīng)全面審查后可作為替代。

DSM已被許多國家正式采用，如澳大利亞、美國、加拿大、墨西哥和巴西。根據(jù)歐洲規(guī)范，直接強度法被歸為“通用方法”類。DSM結(jié)合了線性特征值分析（如彈性屈曲分析）和材料非線性分析提供強度預(yù)測。從用戶的角度來看，DSM比歐洲規(guī)范的一般方法更加簡化，因為它建立了強度曲線，在局部屈曲、畸變屈曲和全局屈曲方面將線性特征值分析與材料非線性分析聯(lián)系起來。無論如何，理念和實施在本質(zhì)上是相同的?，F(xiàn)已完成DSM發(fā)展的重大新研究。