新日铁住金公司的NSHYPER BEAM^TM型钢应用技术

14钢铁译文集2018年第1期
水平校准
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E ：
度变连栈《板
图1 NSHYPER 型钢的特点
在钢材强度级方面，除JIS 标准的400N /
mm 2级和490N /mm 2级以夕卜,新日铁开发的
NSYP 345 使 JIS 标准 SN 490B (490N /mm 2 级)
的屈服强度得到加强，以提高设计强度F 值， 同时保持该标准的抗拉强度和其他性能不变， 如表1所示。

1前言
NSHYPER BEAM ™型钢是一种外形尺
寸一致的热轧H 型钢产品，首次出现于1989 年，此后生产总量不断扩大，其特征描述如下:
(1)
截面尺寸变动范围大，最大高度达
1 000mm ，最大宽度达 400mm ( NSHYPER
BEAM 有609种尺寸，而JIS 标准的内腹板高
度不变的中窄翼缘H 型钢只有35种尺寸）。

(2) 因H 型钢的高度一致，柱梁连接处隔
板数量减少。

(3)
外形尺寸精确度高，完全符合“日本建
筑标准JASS 6钢结构规范”的要求。

此外，当不同厚度的H 型钢连接到一个 立柱时，与JIS 标准内腹高H 型钢相比，外腹 板高度不变的NSHYPER 型钢具有减小加强 板(隔板)厚度的优势(图1)。

新日铁住金公司的NSHYPER BEAM ™型钢
应用技术
Application Tfechnology of NSHYPER BEAM™
Koji FUKUDA 等
(日本新日铁公司）
摘要本文介绍利用薄腹和窄翼缘NSHYPER BEAM ™型钢优势的应用技术。

薄腹和窄翼 缘H 型钢具有更加经济合理性的截面，在满足H 型钢性能要求的同时尽量做到钢材的轻量化。

但 是，这些H 型钢必须能够应对局部屈曲和侧向屈曲。

为解决这些问题，推出了“加劲薄腹钢梁设计和 施工方法”和“复合钢梁新型侧向扭转屈曲设计方法”。

“加劲薄腹钢梁设计和施工方法”是为薄腹截 面H 型钢新开发的应用技术，通过在梁端加设轻型加强筋限制过早腹板局部屈曲来保证H 型钢的 变形性能。

“复合钢梁新型侧向扭转屈曲设计方法”是窄截面H 型钢的应用技术，采用该设计方法在 满足一定条件下可省略侧向加强筋，即满足一个新创立的高精度保证应力公式的条件，该公式考虑 到了由地板约束效应引发的型钢上翼缘水平位移所提供的约束效应。

通过利用这些应用技术可实 现更为经济合理的设计。

这些技术已经过权威性能评估机构的评估，实际应用量正稳步上升。

2018年第1期钢铁译文集15
表1 NSYP345B的力学性能
屈服屈服强度抗拉强度屈强比
钢种强度范围范围范围
(N/m m2)(N/m m2)(N/m m2)(%)
NSYP345B345345〜465490〜610<80
SN490B325325〜445490〜610<8020 犯 H O S O
图2 NSHYPER型钢的宽高比和腹厚比因此,NSHYPER型钢以其丰富多样的截
面尺寸和强度级而获得用户的青睐，被越来越 多地用作钢结构中的梁构件。

另一方面，随着 近年来用户对成本效益的日益重视，充分利用 NSHYPER型钢轻量化特性的经济性建筑施 工法正在开发中。

2 NSHYPER型钢应用技术遇到的问题
2.1薄腹截面和窄翼缘截面H型钢的有效性
具有最佳重量效率对弯矩配比的截面是 腹板厚度达到下限。

图2显示出N SH Y-P E R型钢的长细比d/t w与宽高比H/B之 间的关系；图中还示出了 J IS标准内腹高H 型钢的数值。

长细比d/tw定义为H型钢内 腹髙与腹厚之比，长细比越大，腹板厚度相对 越小。

宽高比为H型钢高度与翼缘宽度之 比，宽高比越大，截面越窄。

从图中可见，长 细比越大，截面越窄。

与J IS标准内腹高H 型钢（传统H型钢）相比，N S H Y P ER型钢的 腹板更薄更窄，因此其截面尺寸具有更高的 重量效率。

表2对腹板更薄的N S H Y P E R型钢与 传统H型钢进行了比较。

当截面模量Z和 面积惯性矩I相同时，N S H Y P E R型钢的截 面积比传统H型钢小约10%〜25%。

因此，N S H Y P ER型钢的外形更具重量效率，适当 地选择外形尺寸可提高工程设计的经济性。

此外，由于NSYP345的F值比SN490B高 20N/mm2,按F值提高的比例可节省钢材重 量约5%。

结合使用不同钢种，可提高使用 N S H Y P ER型钢的效果。

表 2 NSHYPER型钢与传统H型钢的比较
等值截面尺寸d/t H/B A比
I或
Z比
Z
HY700X200X9X2272.9 3.50. 89 1.05
H582X300X12X1745.7 1.9 1.00 1.00
HY700X200X9X1973.6 3.50.740,99
H588X300X12X2045.1 2.0 1.00 1.00 HY:NSHYPER型钢，H:传统H型钢，Z:截面模量, I:面积惯性矩，A:截面。

2.2应用技术问题
如2.1节中所说，虽然N S H Y P ER型钢 具有合理的经济性外形和钢种，但是，从结构 力学角度出发，早期因薄腹引起的局部屈曲 和因较小宽度引起的侧向屈曲受到关注（图3)。

例如，在表2中的N S H Y P E R型钢中，由于其长细比该H型钢被相关建筑标准划 归到F D级结构件材料，即被判断为在变形 强度上较弱，一般不宜用作结构件材料。

而 且，由于翼缘宽度为200mm，弱轴处的屈曲 强度较低，有必要设置较之传统结构更多的 横向支撑。

后文中介绍的“加劲薄腹钢梁设 计和施工方法”和“复合钢梁新型侧向扭转屈 曲设计方法”，即是针对上述应用技术问题的 解决措施。

(a)场師嗶丨11|(岭蜊肉岛M
图3屈曲模型示
例
16钢铁译文集2018年第1期
3提高薄腹H型钢变形能力的
“加劲薄腹钢梁设计和施工方法”
为将薄腹板N S H Y P E R型钢应用于结
构建筑的钢梁，建立了切实可行的设计方法
和施工方法。

2012年12月，通过了日本建
筑中心(一个综合性财团法人）的总体评级。

3.1梁端加强板详情
在抗震结构建筑施工中，追求通过梁端
塑性变形来吸收地震能的性能。

这一方法旨
在通过使用加强板加强H型钢的薄腹板，来
提高梁端的变形能力，从而在实现钢梁轻量
化的同时确保抗震能力。

作为设置加强筋用
以有效抑制局部屈曲和切向屈曲的建筑施工
方法，采用了格式加强筋，即在水平加强筋的
前端布置一个垂直的加强筋（图4和图5)。

在该方法中，通过加强筋防止发生早期腹板
屈曲，便可根据翼缘而非腹板的长细比选择
和确定钢梁材料(表3)。

图4加强梁端腹板施工法
t
Hfl
i ；f H i ff
f
Hfl
1
h—^
图5梁端腹板加强筋
3.2加强板的设计
为了防止在梁端屈服并施展变形度之前 因局部屈曲或切向屈曲导致的强度下降，需 要设计截面加强筋，设计中应考虑到钢材不可避免的缺陷和屈服强度变量、焊接残余应 力等因素。

为应对这些因素，该方法根据试 验和分析结果设定了加强筋的面积惯性矩 Ih，使加强腹板的局部屈曲应力强度和切向 屈曲应力强度计算弹性值比原腹板的压缩屈 服应力强度和切向屈服应力强度高两倍以上 (图 6)。

表3带梁端腹板加强筋的H型钢分级
组
宽一厚比i 翼缘b/tf腹板b/tw
分级tf
I<9V235/F FA
H
<84 7235/F
n<11 ^235/F FB jr^-S
(flj£2f(b>r
图6梁端腹板加强筋设标准
即：
卜2F(i)
9.34+2
n2E I t^z1^
(2)
Ih
I〇
(3)
th •bs
tw •d
tw •d
24(l-v2)
Ih=E
th j_b[
12
(4)
(5)
(6)式中，&为加劲腹板的局部屈曲应力强度;
为加劲腹板的切向屈曲应力强度；F为腹板 材料的标准强度；E为钢材的杨氏模量（= 205 000 M P a);v为泊松比（=0. 3);bs
为加
2018年第1期钢铁译文集17
强筋的宽度；th为加强筋的厚度；t…为腹板 厚度;d为上下翼缘厚度中心间距。

此外，上述设计加强筋的截面积很小，事 实上所有尺寸的N S H Y P E R型钢均使用由 PL-9-75(SS400)扁钢条制成的加强筋。

3.4梁弯曲试验
取决于局部屈曲的梁端变形度受到材料 缺陷、焊接残余应力等因素的影响。

为此用 H Y-1000mm X 400mm X16mm X 32mm (SN490B)薄腹N S H Y P ER型钢进行了一次
3.3焊接试验
将加强板焊接到钢梁的薄腹板上时，应 注意到因焊接热量造成的钢梁截面形状的变 形。

为此，用 H Y-1000m m X400m m X16mm 梁弯曲试验。

试验中将PL-9-75(SS400)扁钢条制成的加强筋焊接到试样腹板上，焊接 条件与前文焊接试验中采用的相同。

试验中 试样两端均由滚柱支持，用油压千斤顶以单
X32m m薄腹N S H Y P E R型钢实施了焊接 试验（图7)。

试验中将加强板(扁钢条PL-9- 75) 填角焊接到腹板上，焊脚长度为 7m m，通 过测量焊接前后钢梁的截面形状测定并研究 焊接热量应变效应。

证实了在用角钢夹持住 腹端后腹板弯曲受到焊接的抑制，且焊接后 钢梁的截面形状符合《日本JASS 6钢结构 建筑标准》规定的控制公差(表4)，于是该焊 接试验结果成为该施工法的标准焊接操作程序。

饵接辑（b)噼接后
图7梁端加强筋全尺寸焊接试验
表4焊接后试样的实际尺寸mm
测量项测得值公差(JASS6”髙度f
A H i
」_ [
1.1 <3. 0
方正度y
门■〜丨
0. 6 <3.0
扭转度
办■e21.7 <4.0
调力加载集中荷载的方式将单调荷载施加到
试样的中心位置（图8)。

—2900^«—~i-_J t O c L—~J&G0-*
*-----------------12_----------------»
图8全尺寸梁弯曲试验设置
3.5试验结果
图9示出了梁端力矩与试验获得的试样
转角之间的关系，图10则示出了试验后的变
形情况。

当试验中梁端局部屈曲变得明显时
测定了最大强度。

梁端屈服后确定了翼缘与
水平加强板之间梁腹的局部屈曲，然后形成
了翼缘的局部屈曲，整个梁腹的屈曲受到加
强筋约束。

图9梁端力矩L旋转关
系
18钢铁译文集2018年第1期
图10试验后试样的变形情况
如表5所示，从试验中最大强度点下的
旋转角计算出的塑性延伸率rjm ax超出了目
标值6.0,即使在最大强度后仍获得了强度
无快速下降的平稳的荷载一变形关系。

表5完全尺寸横染弯曲测试结果
断面尺寸最大承载量塑性延展率失效Max/Mp rjm ax模式
HY-1000X400X16X32局部
1.15 6.1
(SN490)屈曲(受到双曲弯力矩)建立了新的弹性侧向抗弯 强度公式：
(7)式中，E为钢材的杨氏模量;G为剪切模量；1£为翼缘区二次矩（=tf •B V12);J为H型 截面的圣维南扭力常数;1为钢梁长度；d b为 上、下翼缘厚度中心之间距。

公式(7)是弹性侧向抗弯强度的近似表 达式，建立于图11所示的假设屈曲模式上，弯曲矩和剪力施加于H型钢两端，其上翼缘 的侧向位移受到两力矩之任一的约束，而且 两力矩以相反方向相互作用。

图11上翼缘侧摆受限H型钢的侧向屈曲模式
M a x为最大承载量；M p为完全塑性时
刻；rjm ax为塑性延展率rjmax=0max/0p—l;0m ax为最大载荷变形的能力；0p为全塑 性弯矩变形。

4窄截面H型钢“复合钢梁新 型侧向扭转屈曲设计方法”
“复合钢梁新型侧向扭转屈曲设计方法”是一种提高窄截面H S H Y P E R型钢使用性 的方法。

2014年7月该方法获得了日本建 筑综合试验所(一综合性法人）的建筑技术性 能认证。

4.1新型侧向扭转屈曲设计方法
在用共享连接器(栓钉)安装地板的钢结 构梁中，侧向抗弯强度得到上翼缘受限侧向 位移的加强。

那么，该方法中考虑到这种约 束效应，为两端刚性连接到立柱上的H型钢
为了验证公式（7)，用F E M技术进行了 弹性屈曲分析（图12)。

在分析中，用11¥- 700mm X 200mm X 12mm X 22mm 窄截面 N S H Y P E R型钢研究了弹性侧向抗弯强度 与H型钢长度之间的关系，H型钢上翼缘的 侧向位移受到约束。

如图13所示，对比传统 弹性侧向抗弯强度公式（钢结构极限状态设 计准则，公式(8))提供的保险评估结果(未考 虑地板产生的约束效应），公式（7)与FEM 分析结果精确一致。

M e—2.3
/t t4E2I v I w,jtzE IT GJ
/ (0.751)4H l2
(8)式中，I y为弱轴处H型钢截面积的二次矩; I™为瓦格纳扭弯刚度。

4.2提出了新的侧向屈曲曲线
由于材料中缺陷、残余应力等因素的影响，H型钢的实际侧向抗弯强度从M e/M p=0.
6
2018年第1期钢铁译文集19
I/H
图13 M/M^/H关系
附近表现出非线性行为，落在弹性屈曲曲线 之下。

而且，通过对该方法的试验和数值分 析，已证实当h低于0.6范围时即使在未形 成侧向屈曲的情况下梁端仍能够达到完全塑 性弯矩。

基于此，图14中所示屈曲曲线被用 作设计的终极强度。

图中，由下式定义；旨在:U越小，H型钢的侧向抗弯强度和塑性 变形能力变得越大。

Xb=-\/Mp/M e(9)式中，M p表示H型钢的整体塑性抗弯强度。

图14中示出了 F E M弹性一塑性分析 结果，显示出窄截面H Y-700m m X200mmX 12m m X22mm(SN490B)薄腹 NSHYPER型 钢的X b与变形度之间关系的研究结果。

H 型钢长度变短时，;U变小，同时H型钢的变 形能力得到提高。

在这一施工方法中，为保 证塑性延伸率大于4.0的目标性能设定了 h<〇. 45,为保证塑性延伸率大于2. 0的目 标性能设定X b<0. 60。

图中还示出了过去 钢结构极限状态设计原则所规定的屈曲曲 线。

在新屈曲曲线中，M/M P=1(M:侧向抗 弯强度）的长细比上限值约为传统值的两倍，所以更具经济性的合理设计成为可能。

4.3梁一柱组合加载试验
为了验证地板对钢梁上翼缘的约束效 应，对装配了地板的梁柱组合进行了加载试验。

试样为1/2尺寸模型，均采用焊接组装的811- 500mmX150mmX9mmX12mm(SN490B)H型 钢(表6和图15)。

地板采用厚度70m m的RC 扁平波纹钢板(模压钢板），在上下两阶布置有 焊接金属网（6mm0>@lOO)。

上翼缘地板使用 的栓钉共享连接器直径为10mm、长度50mm，为钢梁上翼缘共布置27颗,各间距200_。

采 用普通混凝土（目标强度为18N/_2)。

表6试样描述
标志截面尺寸(钢种）X b地板
1号BH-500X150X9X32 1.03无
2号(SN490B)0. 55RC
立柱头部和脚部由销钉支持，每个立柱 头部均通过测力传感器连接到一台水平安装 的油压千斤顶上。

销钉支持的一侧柱脚受到 柱脚之下的水平滚柱支撑并连接到测力传感 器上。

每个立柱均安装一台缩放仪，以防立 柱变形超出试验范围之外。

通过控制油压千 斤顶提供合适的水平加载，使左侧和右侧立 柱的变形角度相等。

当在一个弹性范围内重 复了两个循环后，以单一方向（千斤顶施压方 向）施加水平加载（图
16)。

20
钢铁译文集2018年第1期
4. 4
试验结果
图17中示出了试样梁端弯矩与转角之 间的关系，图18中则示出了试样的断裂条 件。

在无地板的1号案例中，侧向屈曲占主 导地位，而在有地板的2号案例中，梁端附近
的局部屈曲成为主导，从而确定了试验中的 最大强度值。

在无地板的1号案例中，当梁 端达到整体塑性弯矩强度后，强度伴随着上、下 翼缘的侧向偏转而快速下降，与此相比，在有地 板的2号案例中表现出平稳的负荷变形曲线。

图15试样
图16半尺寸框架试验配
置
2018年第1期钢铁译文集21
(»)«0.] (b)Nn.：
图18试验后试样的变形情况
5应用技术的效果
给出了应用技术的实例，主题建筑为四 层R C立柱和型钢结构，是一个总使用面积4 万m2的仓库（图19)。

表7中列出了大型钢 梁的截面尺寸，图20则示出了基本平面网格 布局。

为大截面钢梁采用了 NSYP345薄腹 窄翼缘H型钢。

通过应用“加劲薄腹钢梁设 计和施工法”，实现了钢材减重10%以上。

此外，通过应用“复合钢梁新型侧向扭转屈曲 设计法”，使X结构平面上的大型钢梁的内 梁跨长10. 9m以下无须设置侧向支撑，从而 省略了侧向支撑。

虽然这些技术的应用效果 评估结果出来未久，但其应用总数已达17 个，总面积达63万m2，主要是仓储工程。

图19应用实例
Y向钢梁采用省略侧向加强筋施工法，X向钢梁则采用梁端腹板加劲施工法。

表7钢梁的截面尺寸
方向截面尺寸d/t… 钢种重量比*
HY900X250
替代61. 6 NSYP345B 0. 88
X14X19
H-900X250
原始53.5 SM490A 1.00
X16X22
HY900X250
替代53. 5 NSYP345B 0. 84
X16X22
H-900X300
原始45.1 SM490A 1.00
X19X22
*替代H型钢重量与原H型钢重量的比率。

6总结
概括介绍了利用薄腹和窄翼缘H型钢 轻量化优势的“加劲薄腹钢梁设计和施工方 法”和“复合钢梁新型侧向扭转屈曲设计方 法”。

这些应用技术使利用更具经济合理性 的N S H Y P ER型钢成为可能。

为应对市场 对日益高强的建筑材料成本效益方面的需 求，作者们将继续努力开发出更多的利用N S H Y P ER型钢优势的应用技术。

刘友存译自《NIPPON STEEL TE C H N I­CAL REPORT》2016 (12): 106 〜
113
刘成校
对。