文：虞 誠 張文瑩（北德克薩斯大學(xué)工程技術(shù)系）
虞誠
博士，美國北德州大學(xué)教授，施工工程技術(shù)學(xué)科負(fù)責(zé)人。美國注冊土木工程師，自2019年起擔(dān)任美中鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)會(huì)長。畢業(yè)于清華大學(xué)土木工程系，獲工學(xué)學(xué)士。在美國約翰·霍普金斯大學(xué)土木工程系獲得碩士、博士學(xué)位。主要研究方向是冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)、BIM、模塊裝配化結(jié)構(gòu)、地震工程和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。曾獲得2010美國國家自然基金的杰出學(xué)術(shù)發(fā)展獎(jiǎng)（CAREER award）。
張文瑩
博士，北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院講師。畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)土木工程專業(yè)。研究方向?yàn)槔鋸澅”谛弯摻Y(jié)構(gòu)。目前主持博士后面上基金1項(xiàng)，北京市教委基金1項(xiàng)，北京市青年基金1項(xiàng)，已發(fā)表論文25篇（SCI檢索10篇，累積影響因子超過20),并擔(dān)任《Journal of Structural Engineering》《Thin-Walled Structures》等國際學(xué)術(shù)期刊審稿人。
1 北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室簡介
北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（見圖1）成立于2005年，位于北德州大學(xué)工學(xué)院Discovery Park校區(qū)，面積約1,000m2，由美國最大的鋼鐵生產(chǎn)商紐柯（Nucor）出資，重點(diǎn)研發(fā)用于中低層建筑的冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)體系、部件、新材料，并協(xié)助美國鋼鐵協(xié)會(huì)等標(biāo)準(zhǔn)編撰機(jī)構(gòu)更新維護(hù)北美冷彎鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)規(guī)程。
從實(shí)驗(yàn)室建立至今，已完成近50項(xiàng)科研項(xiàng)目，累計(jì)科研經(jīng)費(fèi)超過300萬美元。合作和資助單位包括美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國國防部、美國鋼鐵學(xué)會(huì)（American lron andSteel Institute，AISI）、美國鋼框架行業(yè)協(xié)會(huì)（Steel Framing Industry Association，SFIA）、美國金屬建筑制造商協(xié)會(huì)（Metal Building Manufacturers Association，MBMA)、美國龍骨制造商協(xié)會(huì)（Steel Studs Manufacturers Association，SSMA），和很多美國輕鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域企業(yè)和設(shè)計(jì)咨詢公司，其中包括Nucor、Clarkdietrich、Worthington Industries、CEMCO、FrameCAD、Keymark、Hilti、Simpson Strong Tie、BORM、BAC、Verco、Vulcraft。
圖1 北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室
2 實(shí)驗(yàn)室特色試驗(yàn)裝置
北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室針對冷彎鋼結(jié)構(gòu)特殊性，設(shè)計(jì)建造了一些有特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其中比較突出的是一面20m長、7m高的屋面桁架的加載反力架，如圖2所示。該加載裝置包括31個(gè)液壓加載器，每個(gè)液壓加載器可最大加載2t壓力或張力。每個(gè)加載器可上下自由固定初始位置，以便于測試不同坡度和跨距的桁架結(jié)構(gòu)。同時(shí)31個(gè)液壓加載器可以獨(dú)自或成組工作，多個(gè)點(diǎn)荷載、均布荷載和點(diǎn)－均布組合荷載都可以在這個(gè)桁架試驗(yàn)裝置上實(shí)現(xiàn)。
針對墻體相關(guān)科研需求，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)安裝了可調(diào)節(jié)多功能墻體反力架（見圖3），可對全尺寸剪力墻和承重墻進(jìn)行單向和擬動(dòng)力反復(fù)加載試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室裝備了多頻道液壓控制系統(tǒng)，可以同時(shí)控制兩個(gè)液壓加載器進(jìn)行位移控制、加載力控制或兩種控制方法組合的加載方式。
多功能反力架也可以進(jìn)行大跨度梁、樓板系統(tǒng)受彎試驗(yàn)，如圖4所示。三點(diǎn)、四點(diǎn)受彎試驗(yàn)是比較通用的加載方式。
圖2屋面桁架試驗(yàn)加載裝置 圖3 墻體試驗(yàn)加載裝置 圖4 樓面梁、樓板系統(tǒng)試驗(yàn)裝置
3 近期科研成果
北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)研究中心長期和美國鋼鐵學(xué)會(huì)合作，參與北美冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)規(guī)程的修訂工作。下面介紹一些主要工作。
O畸變屈曲設(shè)計(jì)方法（AISI S100)
通過試驗(yàn)研究（圖5）提出了受彎和受軸壓桿件畸變屈曲的簡化設(shè)計(jì)方法，該方法同時(shí)考慮非均勻彎矩對桿件承載力的影響，使畸變屈曲承載力計(jì)算便于實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算。該方法被北美冷彎型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范采用（AISI S100）[footnoteRef:1][1]。
圖5 Z型截面受彎構(gòu)件畸變屈曲示意圖
O大孔和長孔冷彎鋼板螺栓連接設(shè)計(jì)方法（AISI S100）
該課題對采用超北美規(guī)范的大孔和長孔冷彎鋼板螺栓連接，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并提出了連接件的受拉承載力計(jì)算理論，針對不同破壞模態(tài)給出了一系列設(shè)計(jì)方法。其中包括斷裂破壞、剪切破壞和承壓破壞。研究同時(shí)考慮了連接件過度變形的影響，提出了考慮變形控制的設(shè)計(jì)方法。大孔和長孔冷彎鋼板螺栓連接設(shè)計(jì)方法被北美冷彎型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范采用（AISI S100）[footnoteRef:2][1]。
O厚鋼板冷彎型鋼龍骨剪力墻的強(qiáng)度（AISI S213，S240，S400）
該課題對厚鋼板冷彎型鋼龍骨剪力墻（0.838mm、0.762mm厚度鍍鋅鋼板，1.372mm厚度龍骨）進(jìn)行了系統(tǒng)的全尺寸試驗(yàn)（見圖6），得出了抗風(fēng)荷載和地震荷載的名義強(qiáng)度，科研結(jié)果被北美鋼框架標(biāo)準(zhǔn)－橫向系統(tǒng)（AISI S213）[footnoteRef:3][2]，北美冷彎型鋼結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)（AISI S240）[footnoteRef:4][3]，北美冷彎鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（AISI S400）[footnoteRef:5][4]所采用，為輕鋼龍骨剪力墻體系在中高層商業(yè)建筑里的應(yīng)用提供了實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)支持。
圖6 厚鋼板剪力墻抗震性能試驗(yàn) 圖7 有效帶法的力學(xué)模型
O鋼板冷彎型鋼龍骨剪力墻解析設(shè)計(jì)方法-有效帶法（AISI S240，S400）
美國規(guī)范關(guān)于冷彎輕鋼龍骨面板剪力墻的設(shè)計(jì)是基于設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果的查表法。本課題提出了一種分析模型——有效帶模型來描述鋼板冷彎輕鋼龍骨剪力墻承受側(cè)向載荷的承載機(jī)理?；谟行l帶的概念和假設(shè)，提出了一種被稱為——有效帶法的設(shè)計(jì)方法來計(jì)算剪力墻的名義強(qiáng)度（見圖7）。統(tǒng)計(jì)分析表明，所提出的設(shè)計(jì)方法可提供可靠、準(zhǔn)確的結(jié)果。通過對所提出的設(shè)計(jì)方程進(jìn)行可靠性分析，可以獲得均勻的LRFD電阻系數(shù)。提出的新設(shè)計(jì)方法為工程設(shè)計(jì)人員提供了一種解析的分析工具，無需進(jìn)行全面的剪力墻測試即可確定鋼板冷彎輕鋼龍骨剪力墻的名義強(qiáng)度。有效帶法已經(jīng)被收錄在北美冷彎型鋼結(jié)構(gòu)框架標(biāo)準(zhǔn)（AISI S240）[footnoteRef:6][3]和北美冷彎鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（AISI S400）[footnoteRef:7][4]中。
O L型冷彎型鋼連接件設(shè)計(jì)方法
L型冷彎型鋼連接件是輕鋼體系里常用的構(gòu)件連接方法，如圖8所示。受美國鋼鐵學(xué)會(huì)（American lron and Steel Institute，AISI）委托和資助，北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)研究中心對L型冷彎型鋼連接件受壓、受拉和受剪承載力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論推導(dǎo)，提出了基于直接強(qiáng)度法的一系列計(jì)算方法，這些方法被收錄在美國鋼鐵學(xué)會(huì)報(bào)告里。目前北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)研究中心和AISI規(guī)范委員會(huì)合作，把L型冷彎型鋼連接件設(shè)計(jì)方法引入到北美規(guī)范中。
圖8 L型冷彎型鋼連接件在樓面系統(tǒng)的應(yīng)用
4 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目相關(guān)研究
4.1波形板高效剪力墻體系
在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的各類面板中，波形板由于其獨(dú)特的截面形狀增大了鋼板的抗彎剛度，致使波形板剪力墻體具有較高的承載能力和穩(wěn)定性，是一種高效剪力墻體系。同時(shí)波形板剪力墻屬于全鋼結(jié)構(gòu)，具有不可燃性，可用在中低層甚至多高層建筑當(dāng)中。在國家自然科學(xué)基金資助下，課題組針對波形板高效剪力墻體系進(jìn)行了系列研究，主要結(jié)構(gòu)形式包括：波形板覆面剪力墻體系、內(nèi)嵌波形板剪力墻體系、面板開孔剪力墻體系，如圖9所示；研究了不同結(jié)構(gòu)形式、開孔形式、孔洞數(shù)量和尺寸及加載方式對波形板高效剪力墻抗震性能的影響。同時(shí)，利用有限元分析軟件Abaqus建立了波形板剪力墻體系的非線性有限元分析模型，根據(jù)試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果，給出了風(fēng)荷載作用下和地震荷載作用下波形板剪力墻的抗剪承載力建議值，并通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，提出了波形板剪力墻在面內(nèi)水平荷載作用下的變形計(jì)算公式。此外，課題組利用非線性有限元分析軟件在OpenSees中建立了波形板剪力墻結(jié)構(gòu)的整體房屋模型，通過對各原型建筑進(jìn)行靜力推覆分析和增量動(dòng)力時(shí)程分析，并參照 FEMA P695[footnoteRef:8][7]量化建筑抗震性能系數(shù)的方法，對其進(jìn)行抗震性能評(píng)估，提出了適用于該結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計(jì)方法。圖10為典型五層辦公樓建筑的整體分析模型及IDA分析結(jié)果。為推動(dòng)研究成果向?qū)嶋H建筑應(yīng)用轉(zhuǎn)化，課題組依據(jù)提出的設(shè)計(jì)方法建造了一棟波形板高效剪力墻單層示范房屋。
（a）波形板覆面剪力墻體系 （b）內(nèi)嵌波形板剪力墻體系 （c）面板開孔剪力墻體系
圖9 波形板剪力墻抗震性能試驗(yàn)
IDA分析模型
（b）IDA曲線 （c）易損性曲線
圖10 五層辦公樓建筑整體分析模型及IDA分析結(jié)果
圖11 桁架系統(tǒng)試驗(yàn)
4.2 結(jié)構(gòu)體系系統(tǒng)效應(yīng)和整體可靠度
典型的冷彎鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（墻體、樓板、屋頂桁架系統(tǒng)等）包含許多重復(fù)的構(gòu)件并行，但設(shè)計(jì)規(guī)范是基干單個(gè)構(gòu)件的可靠性并沒有考慮重復(fù)構(gòu)件帶來的潛在利益。本課題提出了一個(gè)旨在促進(jìn)屋頂桁架中冷彎型鋼（CFS）結(jié)構(gòu)可靠性的處理的研究項(xiàng)目。當(dāng)今的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾乎完全依賴于組件級(jí)設(shè)計(jì)，因此通過限制單個(gè)組件的失效概率來確保結(jié)構(gòu)安全，通常不評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。因此，在最壞的情況下，系統(tǒng)可靠性可能小于組件的可靠性，或者在最壞的情況下，系統(tǒng)可靠性可能比組件的可靠性大得多，這些桁架由CFS構(gòu)件構(gòu)成，它們在桁架節(jié)點(diǎn)處相互嵌套，并通過鉆孔緊固件穿過配對表面進(jìn)行連接，并且鋼護(hù)套固定在頂部弦上以進(jìn)行側(cè)向支撐。本文介紹了一系列在單個(gè)冷彎型鋼屋架上的全面靜態(tài)測試，并采用了獨(dú)特的試驗(yàn)裝置（見圖11）。仔細(xì)監(jiān)測測試樣本以解決多種失效模式：上弦屈曲、桁架腹板屈曲以及任何連接失效。通過試驗(yàn)結(jié)果，本課題計(jì)算得出了桁架系統(tǒng)可靠性以及它們之間的關(guān)系。
試驗(yàn)結(jié)果分析后，發(fā)現(xiàn)單榀桁架的系統(tǒng)可靠性不高于大多數(shù)組件的可靠性，并且略低于?=2.5的目標(biāo)可靠性指標(biāo)。但是，從通過使用瓦楞B型屋面板連接的桁架系統(tǒng)的測試獲得的數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)效應(yīng)的有益效果明顯，桁架系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)超過?=2.5的目標(biāo)可靠性指標(biāo)。
5新產(chǎn)品新技術(shù)相關(guān)科研
北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室成立以來，與很多冷彎鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家合作，幫助工業(yè)界的新產(chǎn)品研發(fā)。
5.1 新型剪力承重墻體系
冷彎輕鋼龍骨面板剪力墻的研發(fā)重點(diǎn)在于提高面板材料的剛度、塑性性能和螺釘連接的抗拔能力。實(shí)驗(yàn)室參與研發(fā)的面板材料包括輕質(zhì)纖維水泥板、纖維增強(qiáng)鎂復(fù)合板、玻璃纖維增強(qiáng)陶瓷水泥板、鋼石膏復(fù)合板等，如圖12所示。
圖12 新型面板材料剪力墻
圖13 Keymark 桁架研發(fā)項(xiàng)目
圖14 CF Steel 桁架研發(fā)項(xiàng)目
圖15 有限元、BIM相關(guān)課題
5.2 桁架體系
冷彎輕鋼桁架的研發(fā)重點(diǎn)在于桿件的截面形式和節(jié)點(diǎn)的連接，截面對稱和主軸抗彎是目前專利輕鋼桁架的研發(fā)趨勢。同時(shí)輔助設(shè)計(jì)冷彎輕鋼桁架的軟件也是目前比較需要完善的一個(gè)開發(fā)重點(diǎn)。圖13和14分別為課題組完成的Keymark桁架研發(fā)項(xiàng)目和CF Steel桁架研發(fā)項(xiàng)目示意圖。
5.3 有限元和BIM相關(guān)課題
北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)研究中心還參與了多個(gè)有限元分析和BIM產(chǎn)品開發(fā)科研項(xiàng)目，如圖15所示。其中包括特殊抗震耗能構(gòu)件、高效多孔支撐、中低層輕鋼房屋結(jié)構(gòu)的增量動(dòng)力學(xué)分析等課題。
6結(jié)語
北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)研究中心自成立以來，一直專注冷彎鋼結(jié)構(gòu)的新體系研究和北美規(guī)范新設(shè)計(jì)方法研究，并和很多北美鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)和各相關(guān)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)保持持續(xù)的科研合作機(jī)制。特別協(xié)助企業(yè)冷彎鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品獲得ICC[footnoteRef:9][8]認(rèn)證提供試驗(yàn)和分析報(bào)告支持。
近幾年來，北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)研究中心特別加強(qiáng)了和中國冷彎鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)和工業(yè)界的交流與合作，先后有超過10位中國研究生和教授來中心進(jìn)行最短6個(gè)月、最多2年的訪問交流。北德州大學(xué)冷彎鋼結(jié)構(gòu)研究中心的科研人員將會(huì)為冷彎鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的更廣的應(yīng)用和科研教學(xué)人才的培養(yǎng)，持續(xù)不懈的努力工作。
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