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

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。

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

水平校准

1 000

mm

，最大宽度达 400

mm

(

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)

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)。

因

H

型钢的高度一致，柱梁连接处隔

CC

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400

N

/

mm

2级和490

N

/

mm

2级以夕卜,新日铁开发的

NSYP

345 使

JIS

标准

SN

490

B

(490

N

/

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。

2018年第1期

钢铁译文集

15

表1

NSYP

345

B

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

/

mm

2)(

N

/

mm

2)

(

N

/

mm

2)

(%)

NSYP

345

B

345

345〜465

490〜610

<80

SN

490

B

325

325〜445490〜610<80

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

NSHY

-

PER

型钢的长细比

d

/

tw

与宽高比

H

/

B

之

间的关系；图中还示出了

JIS

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

JIS

标准内腹高

H

型钢（传统

H

型钢）相比，

NSHYPER

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

NSHYPER

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，

NSHYPER

型钢的截

面积比传统

H

型钢小约10%〜25%。因此，

NSHYPER

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

NSYP

345的

F

值比

SN

490

B

高

20

N

/

mm

2,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

NSHYPER

型钢的效果。

20 犯

HO

SO

图2

NSHYPER

型钢的宽高比和腹厚比

表2

NSHYPER

型钢与传统

H

型钢的比较

等值

截面尺寸

d/t

H/BA

比

I

或

Z

比

Z

HY

700

X

200

X

9

X

2272.9

3.5

0. 89

1.05

H

582

X

300

X

12

X

17

45.7

1.91.001.00

HY

700

X

200

X

9

X

1973.6

3.5

0.74

0,99

H

588

X

300

X

12

X

2045.1

2.0

1.001.00

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

NSHYPER

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

NSHYPER

型钢中，

由于其长细比该

H

型钢被相关建筑标准划

归到

FD

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200

mm

，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

NSHYPER

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

i

Hfl

t

ff

i

；

f

Hfl

f

H

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

翼缘

b/tf

腹板

b/tw

分级

i

tf

I

<9

V

235

/F

FA

H

<84 7235

/F

n

<11 ^235

/F

FB

jr^-S

(flj

£2

f

(

b

>

r

图6梁端腹板加强筋设标准

即：

卜

2F

(i)

9.34+2

n2E

I

t^z

1 ^

(

2

)

Ih

I

〇

(3)

th

•

bs

tw

•

d

(4)

tw

•

d

24(

l

-

v

2)

(5)

Ih

=

E

thj

_

b

[

12

(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

MPa);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

NSHYPER

型钢均使用由

PL

-9-75(

SS

400)扁钢条制成的加强筋。

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

HY

-1000

mmX

400

mmX

16

mm

X

32

mm

薄腹

NSHYPER

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 7

mm

，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(

JASS

6”

髙度

f

AH

i

1.1 <3. 0

」

_ [

■〜丨

方正度

y

门

0. 6 <3. 0

扭转度

办■

e2

1.7 <4.0

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

HY

-1000

mm

X

400

mm

X

16

mm

X

32

mm

(

SN

490

B

)薄腹

NSHYPER

型钢进行了一次

梁弯曲试验。试验中将

PL

-9-75(

SS

400)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

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

-_

JtOcL

—~

J

&

G

0-*

*

-----------------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

rjmax

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

rjmax

模式

HY

-1000

X

400

X

16

X

32

(

SN

490)

1.15 6.1

局部

屈曲

Max

为最大承载量；

Mp

为完全塑性时

刻；

rjmax

为塑性延展率

rjmax

= 0

max

/0

p

—

l

;0

max

为最大载荷变形的能力；0

p

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

HSHYPER

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

(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

•

BV

12

);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

为了验证公式（7)，用

FEM

技术进行了

弹性屈曲分析（图12)。在分析中，用11¥-

700

mm

X

200

mm

X

12

mm

X

22

mm

窄截面

NSHYPER

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。

Me

— 2.3

/

tt

4

E

2

I

v

I

w

,

jtzEITGJ

/ (0.751)4

H

l

2

(

8

)

式中，

Iy

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

Me

/

Mp

= 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

/

Me

(9)

式中，

Mp

表示

H

型钢的整体塑性抗弯强度。

图14中示出了

FEM

弹性一塑性分析

结果，显示出窄截面

HY

-700

mmX

200

mmX

12

mmX

22

mm

(

SN

490

B

)薄腹

NSHYPER

型

钢的

Xb

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

Xb

<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

/

MP

= 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-

500

mmX

150

mmX

9

mmX

12

mm

(

SN

490

B

)

H

型

钢(表6和图15)。地板采用厚度70

mm

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（6

mm

0>@

lOO

)。上翼缘地板使用

的栓钉共享连接器直径为10

mm

、长度50

mm

，

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18

N

/_2)。

表

6

试样描述

标志

截面尺寸(钢种）

Xb

地板

1

号

BH

-500

X

150

X

9

X

321.03

无

2

号

(

SN

490

B

)

0. 55

RC

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

4. 4试验结果

钢铁译文集

2018年第1期

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

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

RC

立柱和型钢结构，是一个总使用面积4

万

m

2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

NSYP

345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. 9

m

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

m

2，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

*

替代

HY900X250

X14X19

61. 6 NSYP345B 0. 88

原始

H-900X250

X16X22

53.5 SM490A 1.00

替代

HY900X250

X16X22

53. 5 NSYP345B 0. 84

原始

H-900X300

X19X22

45.1 SM490A 1.00

*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

NSHYPER

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

NSHYPER

型钢优势的应用技术。

刘友存译自

《NIPPON

STEEL

TECHNI

­

CAL

REPORT

》2016 (12): 106 〜

113

刘成校对