文：虞 诚 张文莹（北德克萨斯大学工程技术系）
虞诚
博士，美国北德州大学教授，施工工程技术学科负责人。美国注册土木工程师，自2019年起担任美中钢结构协会会长。毕业于清华大学土木工程系，获工学学士。在美国约翰·霍普金斯大学土木工程系获得硕士、博士学位。主要研究方向是冷弯薄壁钢结构、BIM、模块装配化结构、地震工程和结构稳定。曾获得2010美国国家自然基金的杰出学术发展奖（CAREER award）。
张文莹
博士，北京工业大学建筑工程学院讲师。毕业于同济大学土木工程专业。研究方向为冷弯薄壁型钢结构。目前主持博士后面上基金1项，北京市教委基金1项，北京市青年基金1项，已发表论文25篇（SCI检索10篇，累积影响因子超过20),并担任《Journal of Structural Engineering》《Thin-Walled Structures》等国际学术期刊审稿人。
1 北德州大学冷弯钢结构实验室简介
北德州大学冷弯钢结构实验室（见图1）成立于2005年，位于北德州大学工学院Discovery Park校区，面积约1,000m²，由美国最大的钢铁生产商纽柯（Nucor）出资，重点研发用于中低层建筑的冷弯薄壁钢结构体系、部件、新材料，并协助美国钢铁协会等标准编撰机构更新维护北美冷弯钢结构设计规范和行业规程。
从实验室建立至今，已完成近50项科研项目，累计科研经费超过300万美元。合作和资助单位包括美国国家科学基金会、美国国防部、美国钢铁学会（American lron andSteel Institute，AISI）、美国钢框架行业协会（Steel Framing Industry Association，SFIA）、美国金属建筑制造商协会（Metal Building Manufacturers Association，MBMA)、美国龙骨制造商协会（Steel Studs Manufacturers Association，SSMA），和很多美国轻钢结构领域企业和设计咨询公司，其中包括Nucor、Clarkdietrich、Worthington Industries、CEMCO、FrameCAD、Keymark、Hilti、Simpson Strong Tie、BORM、BAC、Verco、Vulcraft。
图1 北德州大学冷弯钢结构实验室
2 实验室特色试验装置
北德州大学冷弯钢结构实验室针对冷弯钢结构特殊性，设计建造了一些有特点的实验设备。其中比较突出的是一面20m长、7m高的屋面桁架的加载反力架，如图2所示。该加载装置包括31个液压加载器，每个液压加载器可最大加载2t压力或张力。每个加载器可上下自由固定初始位置，以便于测试不同坡度和跨距的桁架结构。同时31个液压加载器可以独自或成组工作，多个点荷载、均布荷载和点－均布组合荷载都可以在这个桁架试验装置上实现。
针对墙体相关科研需求，实验室设计安装了可调节多功能墙体反力架（见图3），可对全尺寸剪力墙和承重墙进行单向和拟动力反复加载试验。实验室装备了多频道液压控制系统，可以同时控制两个液压加载器进行位移控制、加载力控制或两种控制方法组合的加载方式。
多功能反力架也可以进行大跨度梁、楼板系统受弯试验，如图4所示。三点、四点受弯试验是比较通用的加载方式。
图2屋面桁架试验加载装置 图3 墙体试验加载装置 图4 楼面梁、楼板系统试验装置
3 近期科研成果
北德州大学冷弯钢结构研究中心长期和美国钢铁学会合作，参与北美冷弯薄壁钢结构设计规范和行业规程的修订工作。下面介绍一些主要工作。
O畸变屈曲设计方法（AISI S100)
通过试验研究（图5）提出了受弯和受轴压杆件畸变屈曲的简化设计方法，该方法同时考虑非均匀弯矩对杆件承载力的影响，使畸变屈曲承载力计算便于实际工程设计计算。该方法被北美冷弯型钢结构构件设计规范采用（AISI S100）[footnoteRef:1][1]。
图5 Z型截面受弯构件畸变屈曲示意图
O大孔和长孔冷弯钢板螺栓连接设计方法（AISI S100）
该课题对采用超北美规范的大孔和长孔冷弯钢板螺栓连接，进行了大量的试验，并提出了连接件的受拉承载力计算理论，针对不同破坏模态给出了一系列设计方法。其中包括断裂破坏、剪切破坏和承压破坏。研究同时考虑了连接件过度变形的影响，提出了考虑变形控制的设计方法。大孔和长孔冷弯钢板螺栓连接设计方法被北美冷弯型钢结构构件设计规范采用（AISI S100）[footnoteRef:2][1]。
O厚钢板冷弯型钢龙骨剪力墙的强度（AISI S213，S240，S400）
该课题对厚钢板冷弯型钢龙骨剪力墙（0.838mm、0.762mm厚度镀锌钢板，1.372mm厚度龙骨）进行了系统的全尺寸试验（见图6），得出了抗风荷载和地震荷载的名义强度，科研结果被北美钢框架标准－横向系统（AISI S213）[footnoteRef:3][2]，北美冷弯型钢结构框架标准（AISI S240）[footnoteRef:4][3]，北美冷弯钢结构系统抗震设计标准（AISI S400）[footnoteRef:5][4]所采用，为轻钢龙骨剪力墙体系在中高层商业建筑里的应用提供了实际标准支持。
图6 厚钢板剪力墙抗震性能试验 图7 有效带法的力学模型
O钢板冷弯型钢龙骨剪力墙解析设计方法-有效带法（AISI S240，S400）
美国规范关于冷弯轻钢龙骨面板剪力墙的设计是基于设计试验结果的查表法。本课题提出了一种分析模型——有效带模型来描述钢板冷弯轻钢龙骨剪力墙承受侧向载荷的承载机理。基于有效条带的概念和假设，提出了一种被称为——有效带法的设计方法来计算剪力墙的名义强度（见图7）。统计分析表明，所提出的设计方法可提供可靠、准确的结果。通过对所提出的设计方程进行可靠性分析，可以获得均匀的LRFD电阻系数。提出的新设计方法为工程设计人员提供了一种解析的分析工具，无需进行全面的剪力墙测试即可确定钢板冷弯轻钢龙骨剪力墙的名义强度。有效带法已经被收录在北美冷弯型钢结构框架标准（AISI S240）[footnoteRef:6][3]和北美冷弯钢结构系统抗震设计标准（AISI S400）[footnoteRef:7][4]中。
O L型冷弯型钢连接件设计方法
L型冷弯型钢连接件是轻钢体系里常用的构件连接方法，如图8所示。受美国钢铁学会（American lron and Steel Institute，AISI）委托和资助，北德州大学冷弯钢结构研究中心对L型冷弯型钢连接件受压、受拉和受剪承载力设计方法进行了大量的试验和理论推导，提出了基于直接强度法的一系列计算方法，这些方法被收录在美国钢铁学会报告里。目前北德州大学冷弯钢结构研究中心和AISI规范委员会合作，把L型冷弯型钢连接件设计方法引入到北美规范中。
图8 L型冷弯型钢连接件在楼面系统的应用
4 国家自然科学基金资助项目相关研究
4.1波形板高效剪力墙体系
在冷弯薄壁型钢结构的各类面板中，波形板由于其独特的截面形状增大了钢板的抗弯刚度，致使波形板剪力墙体具有较高的承载能力和稳定性，是一种高效剪力墙体系。同时波形板剪力墙属于全钢结构，具有不可燃性，可用在中低层甚至多高层建筑当中。在国家自然科学基金资助下，课题组针对波形板高效剪力墙体系进行了系列研究，主要结构形式包括：波形板覆面剪力墙体系、内嵌波形板剪力墙体系、面板开孔剪力墙体系，如图9所示；研究了不同结构形式、开孔形式、孔洞数量和尺寸及加载方式对波形板高效剪力墙抗震性能的影响。同时，利用有限元分析软件Abaqus建立了波形板剪力墙体系的非线性有限元分析模型，根据试验和有限元分析结果，给出了风荷载作用下和地震荷载作用下波形板剪力墙的抗剪承载力建议值，并通过对试验数据的回归分析，提出了波形板剪力墙在面内水平荷载作用下的变形计算公式。此外，课题组利用非线性有限元分析软件在OpenSees中建立了波形板剪力墙结构的整体房屋模型，通过对各原型建筑进行静力推覆分析和增量动力时程分析，并参照 FEMA P695[footnoteRef:8][7]量化建筑抗震性能系数的方法，对其进行抗震性能评估，提出了适用于该结构体系的抗震设计方法。图10为典型五层办公楼建筑的整体分析模型及IDA分析结果。为推动研究成果向实际建筑应用转化，课题组依据提出的设计方法建造了一栋波形板高效剪力墙单层示范房屋。
（a）波形板覆面剪力墙体系 （b）内嵌波形板剪力墙体系 （c）面板开孔剪力墙体系
图9 波形板剪力墙抗震性能试验
IDA分析模型
（b）IDA曲线 （c）易损性曲线
图10 五层办公楼建筑整体分析模型及IDA分析结果
图11 桁架系统试验
4.2 结构体系系统效应和整体可靠度
典型的冷弯钢结构系统（墙体、楼板、屋顶桁架系统等）包含许多重复的构件并行，但设计规范是基干单个构件的可靠性并没有考虑重复构件带来的潜在利益。本课题提出了一个旨在促进屋顶桁架中冷弯型钢（CFS）结构可靠性的处理的研究项目。当今的结构设计几乎完全依赖于组件级设计，因此通过限制单个组件的失效概率来确保结构安全，通常不评估整个系统的可靠性。因此，在最坏的情况下，系统可靠性可能小于组件的可靠性，或者在最坏的情况下，系统可靠性可能比组件的可靠性大得多，这些桁架由CFS构件构成，它们在桁架节点处相互嵌套，并通过钻孔紧固件穿过配对表面进行连接，并且钢护套固定在顶部弦上以进行侧向支撑。本文介绍了一系列在单个冷弯型钢屋架上的全面静态测试，并采用了独特的试验装置（见图11）。仔细监测测试样本以解决多种失效模式：上弦屈曲、桁架腹板屈曲以及任何连接失效。通过试验结果，本课题计算得出了桁架系统可靠性以及它们之间的关系。
试验结果分析后，发现单榀桁架的系统可靠性不高于大多数组件的可靠性，并且略低于ß=2.5的目标可靠性指标。但是，从通过使用瓦楞B型屋面板连接的桁架系统的测试获得的数据来看，系统效应的有益效果明显，桁架系统的系统可靠性指标超过ß=2.5的目标可靠性指标。
5新产品新技术相关科研
北德州大学冷弯钢结构实验室成立以来，与很多冷弯钢结构生产厂家合作，帮助工业界的新产品研发。
5.1 新型剪力承重墙体系
冷弯轻钢龙骨面板剪力墙的研发重点在于提高面板材料的刚度、塑性性能和螺钉连接的抗拔能力。实验室参与研发的面板材料包括轻质纤维水泥板、纤维增强镁复合板、玻璃纤维增强陶瓷水泥板、钢石膏复合板等，如图12所示。
图12 新型面板材料剪力墙
图13 Keymark 桁架研发项目
图14 CF Steel 桁架研发项目
图15 有限元、BIM相关课题
5.2 桁架体系
冷弯轻钢桁架的研发重点在于杆件的截面形式和节点的连接，截面对称和主轴抗弯是目前专利轻钢桁架的研发趋势。同时辅助设计冷弯轻钢桁架的软件也是目前比较需要完善的一个开发重点。图13和14分别为课题组完成的Keymark桁架研发项目和CF Steel桁架研发项目示意图。
5.3 有限元和BIM相关课题
北德州大学冷弯钢结构研究中心还参与了多个有限元分析和BIM产品开发科研项目，如图15所示。其中包括特殊抗震耗能构件、高效多孔支撑、中低层轻钢房屋结构的增量动力学分析等课题。
6结语
北德州大学冷弯钢结构研究中心自成立以来，一直专注冷弯钢结构的新体系研究和北美规范新设计方法研究，并和很多北美钢结构企业和各相关协会、学会保持持续的科研合作机制。特别协助企业冷弯钢结构产品获得ICC[footnoteRef:9][8]认证提供试验和分析报告支持。
近几年来，北德州大学冷弯钢结构研究中心特别加强了和中国冷弯钢结构学术和工业界的交流与合作，先后有超过10位中国研究生和教授来中心进行最短6个月、最多2年的访问交流。北德州大学冷弯钢结构研究中心的科研人员将会为冷弯钢结构在建筑领域的更广的应用和科研教学人才的培养，持续不懈的努力工作。
参考文献
[1] AISI(2007)"Cold-Formed Steel Design Guide-Second Edition"，AISI D110-07，American Ironand Steel Institute，Washington DC.
[2] AISI(2007)"Cold-Forming Steel Framing-Lateral Design"，AISI S213-07,American lron and SteelInstitute,Washington DC.
[3] AISI(2015)"North American Standard for Cold-Formed Steel Structural Framing"，AISIS240-15，American lron and Steel Institute，Washington DC.
[4] AISI(2015)"North American Standard for Seismic Design of Cold-Formed Steel StructuralSystems"，AISI S400-15,American lron and Steel Institute，Washington DC.
[5] AISI(2015)“Load Bearing Clip Angle Design"，AISI RP15-2，American lron and Steel
[6] AISI(2018)"Load Bearing Clip Angle Design-Phase II"，AISI RP18-4，American lron and SteelInstitute，Washington DC.
[7] FEMA(2009)“Quantification of building seismic performance factors"，FEMA P695，Federal Emergency Management Agency，Washington，D.C.，2009.
[8] ICC(2004)"Acceptance Criteria for Prefabricated Wood Shear Panels"，ICC-ES AC 130，ICCEvaluation Service，INC.Whittier，CA，2004.
