與鋼筋混凝土結構相比，鋼結構體系具有重量輕、安裝快、施工周期短、抗震性能好、投資小、環境污染少等綜合優勢。從產品全生命周期看，鋼結構建筑是一種節能環保、可循環利用的工程結構形式。在全球范圍內，特別是發達國家和地區，鋼結構在建筑工程領域中得到廣泛的應用。在“雙碳”目標引領下，我國鋼結構建筑必將迎來新的發展機遇。為此，本報推出鋼結構專題，對國內外鋼結構現狀和先進技術進行梳理，以饗讀者。

近年來，冷彎型鋼（CFS）結構在許多國家和設計規范中得到了廣泛的應用。本文簡要回顧了CFS結構應用領域、構件設計、系統設計和抗震設計等的進展。

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

1.1 框架

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

目前，北美已經制定了一整套專門用于框架的CFS標準，形成了建筑規范中采用這些系統的基礎。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場施工。在北美，預制桁架行業為這種形式的施工提供了一種模式。預制金屬桁架如今在北美已被廣泛使用。

1.2 金屬結構

在金屬建筑中，CFS構件通常只用于二級系統：檁條、圍板、薄板等。這些二級系統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分開來，CFS建筑通常試圖在內部創造明確的跨度空間，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金屬建筑通常被設計為一個完整的系統。在某些情況下，預制CFS框架結構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）。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，盒式墻結構被長期研究。

1.3 貨架

CFS存儲架是一種非常高效的結構，長期以來其設計使用了新穎的截面和連接。盡管構件和連接在過去并沒有發生重大變化，但對走勢的理解以及將這種理解轉化為改進的設計一直非常積極。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貨架行業的標準組織很積極，并且由于貨架結構性能的復雜性，在許多情形下發展已很先進。例如，即將出臺的澳大利亞貨架標準（AS 4084）將對非完美結構（GMNIA）提供現成的幾何和材料非線性分析的完整指導，在理念上類似于歐洲規范中的殼體結構。

在北美常用的CFS構件包括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貨架行業的立柱和橫梁。多年以來一直使用這些常規斷面。現在已經開始更大程度地利用制造技術做截面創新，并開始認真推動現有設計方法的邊界。

北美長期以來一直忽視橫截面創新，但如圖1所示，這種情況正在發生變化。例如已經使用的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新式專利是預制系統的相關設計，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，這種理念的演變創建了一種鋼筋網架和CFS樓板梁的混合體，如圖1（d）所示。對于非承重應用，已經開發了由花紋鋼冷彎成型的截面（圖1（e）），其主要優點在于提高了防火、隔熱和聲學性能。

任何關于CFS構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，研究者們已經表明，法蘭的高扭轉剛度在整體上極具優勢，確實有獨特的性能和最明顯的橫向扭曲。澳大利亞冷彎鋼結構規范提供了對這一獨特CFS建筑產品的最新處理方法。

在產品開發階段，結合多種制造技術，許多更獨特的CFS橫截面設計擴展了滾動成形截面的邊界。人們希望實現更輕、更環保的結構，并將材料成本降至最低，這將有助于將這些理念推向市場。創新設計方法和設計規范仍然是研究人員面臨的挑戰，這種挑戰是CFS應用新技術進步的動力而不是障礙。

CFS構件分析是土木工程不尋常的挑戰之一。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。而在另一端，典型的CFS實踐要么不使用正式的計算結構分析，要么在使用分析時，具有框架元素的線性彈性。框架單元的典型應用沒有完全包括非對稱構件（如CFS的C型截面）的扭轉-彎曲耦合，并且無法涉及與局部或扭曲畸變相關的截面變形。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分析一直是傳統土木工程分析領域強勁的替代。最值得注意的是，已經證明有限條法（特別是在構件水平上）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，使用經典有限條法的穩定構件分析生成的特征曲線提供了過去三十年來許多設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展，擴展到用于穩定性分析的一般邊界條件，約束有限條法（cFSM）能夠進行模態分解和識別，以及用于通用殼體有限元分析的基于有限條的模態識別工具的發展。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分析的需要。理論上，如果模型中只包含經典模態，會得到傳統框架的有限元結果。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作用，但其優點是形變場是獨立的，并且在分析時預先知道。cFSM方法是基于GBT的力學假設推導出來的，如圖2所示，它們提供了類似的解決方案。最新GBT研究演示了構件水平的幾何和材料非線性分析以及基于GBT的框架系統分析，甚至可以包括局部荷載和荷載高度效應分析。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結構的完全非線性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構件對幾何缺陷、殘余應力和應變以及建模參數非常靈敏。因此， GMNIA分析的表征輸入仍然是CFS構件和結構研究的一個重要領域。雖然在制造缺陷的統計及輥壓成形過程中的殘余應力和應變方面取得了進展，但重要研究仍需繼續。

由于存在局部屈曲、畸變屈曲和整體屈曲模式，CFS構件設計變得復雜。此外，基本模態可以相互作用，也可以與材料屈服相互作用。當然，構件-系統可通過次級支撐或主要框架（例如，二階效應） 相互作用。CFS構件設計規范和標準中使用的主要設計理念是有效寬度法；但直接強度法（DSM）經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。根據歐洲規范，直接強度法被歸為“通用方法”類。DSM結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測。從用戶的角度來看，DSM比歐洲規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系起來。無論如何，理念和實施在本質上是相同的。現已完成DSM發展的重大新研究。