CN1371444A - 接合结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种接合结构体,该结构体能使板状构件终端部的应力集中和焊接热残留应力获得缓和,从而大幅度地提高结构件的屈服强度和疲劳强度。根据本发明,在结构构件1的表面上沿着主应力方向呈T字型突起地设置有加强筋等的板状构件3,通过使板状构件3的端部4沿着从主应力方向偏离的方向弯曲,就能使端部4的刚性降低,从而使应力集中得以缓和。使板状构件3的端部4呈曲线状缓和地弯曲并优选是相对于主应力方向弯曲至直角的程度。板状构件可以呈平板状,也可以使其整体呈U字形或V字形弯曲。另外,该板状构件可以焊接,也可以整体成形。

Description

接合结构体
技术领域
本发明涉及一种在各种结构构件上设置加强筋等板状构件或地脚螺栓的接合结构体。
背景技术
例如，在钢铁制的脚柱结构体与基础之间的接合部，传统上可以使用象图22或图23中所示那样的接合结构体。这种传统上的接合结构体的结构是在结构构件10的端部焊接一块用于与螺栓连接的基板11，同时，在结构构件10与基板11之间用加强筋12来加强。加强筋12是一个沿着结构构件10的主应力方向延伸的板状构件，它相对于结构构件10的表面是T字型突起地设置。
然而，对于上述传统上的接合结构体来说，在结构构件10受到弯曲力矩的作用时，在加强筋12终端部附近的结构构件10处产生较大的朝外弯曲的应力集中，从而使结构强度降低，这是存在的问题。另外，在将加强筋12焊接到结构构件10上的情况下，在加强筋12上端的周边焊接部由于受到焊接热残留应力和焊接终端部受热的影响所导致的构件材质劣化的双重作用，容易导致结构缺陷，从而产生使结构体的屈服强度或疲劳强度降低的问题。这类问题对于那些在结构构件10上按T字型焊接加强筋12的大多数接合结构体来说都是共同的，在日本钢结构协会的“钢结构物的疲劳设计指南和解释”中也指出，按角焊缝或按坡口焊方式焊接有角撑板的连接部会使钢结构件的屈服强度或疲劳强度降低，因此在设计时必须加以考虑。
发明内容
本发明的目的是要提供一种用于使结构构件与板状构件或地脚螺栓相连接的接合结构体，该结构件应能解决上述的各种问题，能够使在加强筋等板状构件的终端部的应力集中获得大幅度的缓和，另外在焊接板状构件的情况下能够使焊接热残留应力获得大幅度的缓和，结果使得接合结构体的屈服强度和疲劳强度都比过去有大幅度的提高。
也就是说，本发明是一种在结构构件的表面上突起地形成有其他板状构件的接合结构体，其特征在于，该板状构件的端部是弯曲的。应予说明，所谓板状构件的端部就是指板状构件与作为母材的结构构件相连接的端部。另外，本发明优选是这样一种结构体，其中，所说的板状构件是沿着结构构件的主应力方向延伸并呈T字型突起的加强筋，并且该加强筋的端部沿着从上述主应力方向偏离的方向弯曲。
另外，优选是使板状构件的端部呈曲线状缓和地弯曲，并且优选使板状构件的端部相对于主应力方向弯曲至成为直角的程度。该板状构件可以是只在其前端部发生弯曲，也可以是其整体呈U字形或呈V字形弯曲。
将上述的结构构件设计成具有接合用法兰或基板的构件，所说的板状构件可以设置在结构构件与接合用法兰之间或结构构件与基板之间，或者，也可以将该板状构件设计成要装连接器用的构件。另外，也可以将该板状构件设计成安装副构件用的构件。
另外，本发明是一种接合结构体，其中，地脚螺栓焊接在结构构件的表面上并且沿着结构构件的主应力方向延伸，而且，该地脚螺栓的端部沿着从上述主应力方向偏离的方向弯曲的形式也适合使用。
如上所述，根据本发明，优选是使加强筋等的板状构件的端部(终端部)沿着从结构构件的主应力方向偏离的方向弯曲，这样可以使板状构件端部的刚性降低。其结果，当结构构件受到荷重的作用时，在板状构件端部附近的应力集中可以大幅度地缓和，另外，当板状构件是焊接起来的情况下，可以大幅度地缓和在板状构件端部附近的焊接热残留应力。其结果，可以使作为接合结构体的屈服强度和疲劳强度都比过去有大幅度的提高。关于具体的数据将在下文描述。
对附图的简要说明
图1是表示第1实施方案的立体图。
图2是表示第2实施方案的立体图。
图3是表示第3实施方案的立体图。
图4是对第2实施方案的接合结构体进行FEM解析的应力集中图。
图5是传统的具有平板状加强筋的接合结构体的应力集中图。
图6是表示第4实施方案的立体图。
图7是表示第5实施方案的立体图。
图8是表示第6实施方案的立体图。
图9是表示第7实施方案的立体图。
图10是表示第8实施方案的立体图。
图11是表示第9实施方案的立体图。
图12是表示与第9实施方案相对应的传统结构和第9实施方案变形例的立体图。
图13是表示第10实施方案的立体图。
图14是表示与第10实施方案相对应的传统结构的立体图。
图15是表示第11实施方案的立体图。
图16是表示与第11实施方案相对应的传统结构的立体图。
图17是表示第12实施方案的立体图。
图18是表示与第12实施方案相对应的传统结构的立体图。
图19是表示第13实施方案的立体图。
图20是表示与第13实施方案相对应的传统结构的立体图。
图21是表示在实施例中的疲劳强度试验结果的S-N曲线。
图22是表示传统的接合结构体的立体图。
图23是表示传统的其他接合结构体的立体图。
图24是图3的接合结构体的正视图。
图25是图3的接合结构体的平面图。
图26是图6的接合结构体的正视图。
图27是图6的接合结构体的平面图。
图28是图7的接合结构体的正视图。
图29是图7的接合结构体的平面图。
图30是图8的接合结构体的正视图。
图31是图8的接合结构体的平面图。
图32是图2的变形例的正视图。
图33是图2的变形例的平面图。
用于实施发明的最佳方案
下面说明本发明的较佳实施方案。
(结构构件与接合用法兰的接合结构体)
图1是表示本发明第1实施方案的立体图，其中，1是相互接合的钢管等的结构构件；2是接合用法兰，它们各自焊接在各个结构构件体1的接合端部处，用于进行螺栓接合。3是加强筋，它们呈T字型突起地设置在各结构构件1与接合用法兰2之间。在该实例中，加强筋3按T字型焊接。在图1中，结构构件1的主应力方向是上下方向。如图所示，虽然这些加强筋3呈U字形弯曲，但是作为其整体，却是沿着结构构件1的主应力方向延伸的。另外，在加强筋3上与接合用法兰2相距最远一侧的端部(终端部)4相对于主应力方向呈曲线状缓和地弯曲至成为直角的程度。
加强筋3焊接在结构构件1上并且相对于接合用法兰2围成圆周地焊接。为了确实地进行焊接，优选在加强筋3的内侧拐角部位设置一个弧形缺口。
在具有这种结构的接合结构体中，加强筋3的端部4沿着从结构构件1的主应力方向偏离的方向弯曲，因此可以使加强筋3的端部4成为低刚性结构。结果使得，在加强筋3的端部4处的应力集中获得大幅度的缓和，同时在焊接部的焊接热残留应力也获得大幅度的缓和，从而大幅度地提高了作为接合结构体的屈服强度和疲劳强度。
为了充分发挥这种效果，优选使加强筋3的端部4的曲率半径r的数值成为板厚t的3倍以上。如果曲率半径r小于该数值，则在使加强筋3弯曲时就会容易导致材质的劣化，而且会使刚性降低的效果变小。
该第1实施方案的接合用法兰2相互之间可以使用常规的螺栓6来接合。对螺栓6的数目和位置没有特殊限定，但是，优选将螺栓6象图1所示那样设置在呈U字形弯曲的加强筋3的内侧，这样有利于对螺栓6的保护，使其免受来自外部的物理冲击或环境的腐蚀。应予说明，在以下示出的任一个实施方案中，虽然图中示出的用于构成结构构件1的管子皆为圆钢管，但是方型管子也可以使用，而且也可以使用型钢来制造结构构件1。
(结构构件与基板的接合结构体)
在图2示出的第2实施方案中，结构构件1是由钢管制的脚柱结构体，5是用于将该结构构件1固定于基础上的基板。在结构构件1与基扳5之间，通过T字形焊接而按T字型突起地设置有加强筋3，它与第1实施方案同样地呈U字形弯曲。在该图2的实施方案中，加强筋3被倾斜地削去一部分，从而使其宽度沿着到达端部4的方向逐渐变窄，这样就可以使端部4的刚性进一步降低。另外，象图3所示的第3实施方案那样，用于把基板5固定在基础上的螺栓6的位置可以定位于加强筋3的外侧。
图4示出了对第2实施方案的接合结构体进行FEM解析的应力集中图，图5示出了传统上具有平板状加强筋的接合结构体的应力集中图。这两个图以等高线示出了当向各结构构件1的上端施加等值水平荷重时在加强筋3的周围产生的应力分布，图中所示数值的单位是MPa。通过这两个图的比较可以看出，与现有技术相比，在对应于本发明的加强筋3周围的应力集中获得大幅度的缓和。
图6示出的第4实施方案是把图3中相邻的两个加强筋3连接起来设置的方案。在该实例中，加强筋3的端部4相对于结构构件1的主应力方向弯曲至成为直角的程度，这样也能获得与上述其他实施方案同样的效果。
在图7示出的第5实施方案中，设置于结构构件1与基板5之间的加强筋3的形状为V字形。该加强筋3的两侧部分相对于结构构件1的主应力方向稍稍地倾斜，但是其整体的中心线仍沿着主应力方向延伸。其他的结构和作用效果也与上述其他的实施方案相同。
在上文已说明的各实施方案中，加强筋3呈U字形或V字形弯曲，但是也可以象图8所示的第6实施方案那样，平板状的加强筋3的上端相对于结构构件1的主应力方向呈倒J字形弯曲。在具有这样结构的接合结构体中，加强筋3的端部4相对于结构构件1的主应力成为低刚性的，因此可以获得与上述同样的效果。
另外，也可以象图9所示的第7实施方案那样，使加强筋3的整体倾斜，但是在此情况下，端部4可以有较大的弯曲。在图10所示的第8实施方案中，把图8所示那样的两个倒J字形的加强筋3沿背部合并在一起，成为大体上呈T字形的加强筋3。
应予说明，加强筋3的端部4虽然优选是象各附图所示那样呈曲线状缓和地弯曲，但是，呈直线状弯曲也是可以的。在此情况下，加强筋3的端部4相对于结构构件1的主应力成为低刚性的，因此可以获得与上述同样的效果。但是这样会在弯曲部产生新的应力集中，所以最好还是按曲线状缓和地弯曲。
(结构构件与安装连接器用的加强筋的接合结构体)
在图1所示的第1实施方案中，使用接合用法兰2将两根结构构件1(钢管)接合起来，但是在图11中所示的第9实施方案示出了以加强筋3作为钢管连接器的例子。在采用如此接合结构的情况下，传统上是象图12的右侧所示那样将平板状的钢管连接器7焊接于各钢管的端部，然后用螺栓或铆钉进行连接，但是，这样仍然会在钢管连接器7的端部产生应力集中。然而，象图11或图12的左侧所示那样，使用一种端部4弯曲的加强筋3，这样就能缓和应力的集中，同时也能缓和焊接热残留应力。应予说明，图11示出的例子是加强筋3呈U字形弯曲，而图12左侧示出的例子是只有平板的端部4发生弯曲。
(结构构件与安装副构件用的加强筋的接合结构体)
在图13所示的第10实施方案中，为了在作为结构构件1的钢管的侧面安装副构件8，通过焊接来将加强筋3按T字型设置。该加强筋3也是沿着结构构件1的主应力方向延伸的构件，只是其上下两个端部沿着从结构构件1的主应力方向偏离的方向弯曲。与图14所示的传统的结构相比，图13的结构可以使其端部处的应力集中获得缓和，另外，其焊接热残留应力也获得缓和，其效果与其他实施方案相同。
图15所示的第11实施方案是将本发明用于水平横撑架角撑板结构的方案。在此情况下，结构构件1是水平地设置的I字钢，其主应力方向是水平的。两端部弯曲的加强筋3沿水平方向按T字型焊接在结构构件1的侧面上，沿水平方向延伸的副构件8就固定在该加强筋3上。图16示出了传统的水平横撑架角撑板结构，由于使用平板状的加强筋，因此导致在加强筋端部的应力集中增大，但是，如果采用图15的结构，就可以使加强筋端部的应力集中获得缓和，并能使焊接热残留应力获得缓和。
图17所示的第12实施方案是将本发明用于相对倾斜角撑板结构的方案。在此情况下，结构构件1也是水平地设置的I字钢，但是其主应力方向是上下方向。两端部弯曲的加强筋3沿上下方向按T字型焊接在结构构件1的侧面上，沿着朝上倾斜的方向延伸的副构件8被固定在加强筋3上。与图18所示的传统的相对倾斜角撑板的结构相比，在图17所示加强筋3的端部的应力集中和焊接热残留应力获得大幅度的缓和。
(结构构件与地脚螺栓的接合结构体)
在上文已说明的接合结构体中，每一种方案都是由结构构件1与加强筋3组成的接合结构体，但是图19所示的第13实施方案是一种在结构构件1的端部焊接有地脚螺栓9的方案。在此情况下，地脚螺栓9也沿着结构构件1的主应力方向延伸。对于图20所示的传统的地脚螺栓结构，在其地脚螺栓的端部产生应力集中，但是象图19所示那样，地脚螺栓9的端部沿着从结构构件1的主应力方向偏离的方向弯曲，这样就能使应力集中获得缓和并使焊接热残留应力获得大幅度的缓和。
另外，在图24-图31中示出了上述图3、图6、图7、图8的实施方案的正视图和平面图。另外，图32和33是图2的变形例的正视图和平面图。
在上述本发明的实施方案中，板状的构件是加强筋，它通过焊接而突起地设置在结构构件的表面上，但是不限定于这种方案，它也可以通过压力加工、切削加工等适宜的方法来形成。
实施例
为了确认上述本发明的效果，进行了疲劳强度试验。
作为试验体，制造了分别与现有技术和与本发明相对应的两种试验体。与现有技术相对应的试验体如图22所示那样，在一块厚度为22mm的基板上竖立一根长1m的钢管，对该钢管的基部使用传统型的纵向加强筋来加强。另外，与本发明相对应的试验体如图2所示那样，在一块厚度为2mm的基板上竖立一根长1m的钢管，对该钢管的基部使用U字形的加强筋来加强。应予说明，所有的焊接都采用二氧化碳保护的电弧焊，所用的全部钢板都是SM400钢材。
按照公知的方法对这些试验体钢管施加弯曲荷重并测定钢管在此条件下的疲劳强度，测得的结果示于图21中。如图21所示，与传统技术相对应的试验体的疲劳强度只相当于铁道桥梁设计说明书的设计寿命曲线中的G等级左右，与此相对照，相应于本发明的试验体的疲劳强度相当于其中的A-B等级，由此可以确认，按照本发明的结构可以大幅度地提高结构件的疲劳强度。
工业实用性
如上所述，按照本发明，可以使接合结构体中的板状构件的终端部的应力集中和焊接热残留应力获得大幅度的缓和，并能使接合结构体的屈服强度和疲劳强度比现有技术有大幅度的提高。因此，本发明主要针对照明用杆柱等钢管柱脚部的地脚螺栓结构，在实施方案所显示的广阔用途中能够大幅度地提高结构体的可靠性。

Claims (9)

1.一种接合结构体，它是在结构构件的表面上突起地设置有其他板状构件的接合结构体，其特征在于，上述板状构件的端部是弯曲的。
2.如权利要求1所述的接合结构体，其特征在于，其中所说的板状构件是沿着结构构件的主应力方向延伸并呈T字型突起的加强筋，并且该加强筋的端部沿着从上述主应力方向偏离的方向弯曲。
3.如权利要求1所述的接合结构体，其特征在于，其中所说的板状构件的端部呈曲线状缓和地弯曲。
4.如权利要求2或3所述的接合结构体，其特征在于，其中所说的板状构件的端部相对于主应力方向弯曲至成为直角的程度。
5.如权利要求2所述的接合结构体，其中，板状构件呈U字形或V字形弯曲。
6.如权利要求1-5的任一项中所述的接合结构体，其中，结构构件是一种具有接合用法兰或基板的构件，所说的板状构件设置于结构构件与接合用法兰或基板之间。
7.如权利要求1-5的任一项中所述的接合结构体，其中，所说的板状构件是用于安装连接器的构件。
8.如权利要求1-5的任一项中所述的接合结构体，其中，所说板状构件是用于安装副构件的构件。
9.一种接合结构体，在该接合结构体的表面上焊接有沿着其主应力方向延伸的地脚螺栓，其特征在于，上述地脚螺栓的端部沿着从上述主应力方向偏离的方向弯曲。
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