CN1488825A - 无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构 - Google Patents

无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构 Download PDF

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Abstract

本发明可以提供在650℃的高温区域能够充分确保接合部的高温强度、能够实现不依赖于耐火材料保护层或由耐火材料形成的保护结构的钢结构物的无耐火保护层结构的高强度螺栓接合部结构,该无耐火保护层螺栓接合部结构使用在常温时具有1200N/mm2以上的螺栓抗拉强度(TS)、而且650℃的高温时的螺栓的剪切强度(bτt)满足常温时的滑动系数(μ)×设计的螺栓拉力(No)/(相对于长期负荷的安全率(ν)×螺栓的轴部截面积(bAs))以上的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓。

Description

无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构
技术领域
本发明涉及直接或者通过T形接合金属件或接合板等的接合金属件,使构成要求耐火性的钢结构物的柱和梁构件或者梁构件彼此间进行高强度螺栓接合时应用的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构。另外,本发明中的所谓无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构包括无耐火保护层高强度螺栓摩擦接合部结构和无耐火保护层拉伸接合部结构两者。
背景技术
构成要求耐火性的钢结构物的柱和梁构件等的钢材,由于在火灾时暴露在高温下,强度降低,不能维持作为钢结构物的充分的功能,所以历来在钢材自体上实施麻烦的耐火保护层,或者使用由耐火材料形成的保护结构,以便在高温时保护钢材。
但是,这样对钢材实施耐火保护层或者使用由耐火材料形成的钢材保护结构将增大材料成本和施工成本。为此,近年开发了许多为了能够在与火灾时间相当的时间内提高高温强度、以实现所谓无耐火保护层的钢结构物作为主要目的的高温强度优良的耐热钢,以便使这些由耐热钢构成的钢材的高强度螺栓接合部能够达到高温强度的要求。
对于高强度螺栓和螺母,例如,在特开平2-247355号公报(权利要求1、表7和图1)中,提出了通过添加Mo、在室温下具有1000N/mm2以上的螺栓抗拉强度且在600℃以上的高温强度优良的螺栓和螺母用钢,但是高温强度很难说已足够,为了得到更高的高温强度,必须添加Ni、V等高价的合金元素,因此也存在成本上升的问题。
在特开平5-51698号公报(权利要求2、表2)和特开平5-98389号公报(权利要求1和表2)中,公开了一种在室温下具有1000N/mm2以上的螺栓抗拉强度、且在600℃具有400N/mm2以上的屈服强度的螺栓和螺母用钢,但是必须添加Nb、W等特殊元素,因此也存在成本上升的问题。另外,高温强度也很难说已足够。
另一方面,在具有上述历来公知的耐火性的高强度螺栓的场合,即使螺栓的抗拉强度有1100N/mm2左右,但是,尽管在屈服应力以下使用,也由于担心在将螺栓拧紧而经过一段时间之后,螺栓会发生突然断裂的“延迟断裂现象”,因此存在不能把作为钢结构物的重要的接合部件的螺栓放心使用的问题,并存在历来的螺栓抗拉强度不能以1000N/mm2级作为上限的状况。因此,必然会因螺栓的根数和接合金属件的长度增加而更加需要降低成本和缩短工期。
在上述公知的文献中公开的高强度螺栓和螺母都以合金元素的添加量作为特征,除了存在如果要提高耐火性,结果就要增加高价合金元素的添加量,导致原料成本上升的本质问题以外,还存在发生延迟断裂现象的问题。
本发明的目的是提供一种能够在解决延迟断裂问题的同时,又可以谋求原料成本低、施工时间短,使用可以充分确保在650℃的高温下的强度、不依赖于耐火材料保护层或由耐火材料形成的保护结构的超高强度螺栓的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构。
发明内容
为了解决上述课题,本发明以以下(1)~(5)作为要旨。
(1)一种具有柱和/或梁的钢结构物的具有耐火性的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,该结构使用了在常温下具有1200N/mm2以上的螺栓抗拉强度(TS),并且在650℃下螺栓的剪切强度(bτt)满足下述式(1)的耐火性优良的超高强度螺栓,
bτt≥μ×No/(ν×bAs)                  (1)
这里,bτt:高温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτt = TSt / 3
TSt:高温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
μ:常温时的滑动系数
No:设计的螺栓张力(N)
ν:相对于长期负荷的安全率
bAs:螺栓的轴部截面积(mm2)
(2)上述(1)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,在上述高强度螺栓接合部结构中,常温时的上述梁的长期允许剪切力(Qs)满足下述式(2),
Qs≤{ns×bτ+(nf-ns)×bτt}×bAs                   (2)
这里,Qs:常温时梁的长期允许剪切力(N)
Qs=fs×Ab
fs:梁的长期允许剪切强度(N/mm2)
Ab:梁的截面积(mm2)
ns:梁的上翼缘侧的楼板内的拉伸螺栓根数
bτ:常温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτ = TS / 3
TS:常温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
nf:梁的上翼缘侧的拉伸螺栓根数
bτt:高温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτt = TSt / 3
TSt:高温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
bAs:螺栓的轴部截面积(mm2)。
(3)上述(1)或(2)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,上述高强度螺栓接合部结构用高强度螺栓、螺母、垫片组和接合金属件构成,上述螺母和垫片是没有规定耐火性能的一般结构用六角螺母和结构用高强度平面垫片。
(4)上述(1)或(2)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,上述高强度螺栓接合部结构用高强度螺栓、螺母、垫片组和接合金属件构成,上述接合金属件的一部分或全部由能够保证高温强度的钢材形成。
(5)上述(1)或(2)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,在上述高强度螺栓接合部结构中使用的上述的柱和/或梁的一部分或全部由能够保证高温强度的钢材形成。
(6)上述(1)或(2)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10%、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质组成、并且满足下述式(3)、(4)式的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                      (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                   (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mb/4)+(V/14)。
(7)上述(3)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10%、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质组成、并且满足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                        (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                     (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mb/4)+(V/14)。
(8)上述(4)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10%、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质组成、并且满足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                     (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                  (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
(9)上述(5)中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质组成、并且满足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                       (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                    (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mb/4)+(V/14)
附图说明
图1是表示本发明中作为接合对象的梁构件的高强度螺栓摩擦接合的结构例的立体说明图。
图2是表示本发明中作为接合对象的厚板构件的高强度螺栓摩擦接合的结构例的剖面说明图。
图3是表示本发明中作为接合对象的梁-T形接合金属件的高强度螺栓摩擦接合部结构和柱-T形接合金属件的高强度螺栓拉伸接合部结构的例子的部分立体说明图。
图4(a)是表示图3的梁-T形接合金属件的高强度螺栓摩擦接合部结构和柱-T形接合金属件的高强度螺栓拉伸接合部结构的例子中的部分剖面说明图。
图4(b)是图4(a)的部分俯视说明图。
图5是表示在梁-T形接合金属件的高强度螺栓摩擦接合部结构和柱-T形接合金属件的高强度螺栓拉伸接合部结构的例子中将楼板配置在梁上翼缘的上部的场合的部分剖面说明图。
图6是表示钢材的回火温度和抗拉强度(TS)和延迟断裂有无关系的说明图。
图7是表示钢材的碳当量(Ceq%)和抗拉强度(TS)与延迟断裂有无关系的说明图。
图8是表示试验温度和螺栓的剪切强度( )的关系(使用M22螺栓时)的说明图。
图9是表示试验温度和螺栓的剪切强度( )的关系(使用M16螺栓时)的说明图。
图10是表示试验温度和螺栓的剪切强度(
Figure A0315709100113
)的关系(使用M20螺栓时)的说明图。
图11是表示试验温度和螺栓的剪切强度(
Figure A0315709100114
)的关系(使用M24螺栓时)的说明图。
图12(a)是表示配置楼板的柱-梁的高强度螺栓拉伸接合部结构例(楼板内的T形接合金属件使用的螺栓为2根时)的部分剖面说明图。
图12(b)是图12(a)的T形接合金属件的侧视说明图。
图12(c)是图12(a)的俯视说明图。
图13(a)是表示配置楼板的柱-梁的高强度螺栓拉伸接合部结构例(楼板内的T形接合金属件使用的螺栓为4根时)的部分剖面说明图。
图13(b)是图13(a)的T形接合金属件的侧视说明图。
图13(c)是图13(a)的俯视说明图。
具体实施方式
本发明是建筑要求耐火性的钢架结构物的高强度螺栓接合部结构,即,它是一种在高强度螺栓摩擦接合部结构和高强度螺栓拉伸接合部结构中被应用的结构,该结构使用在常温时和650℃的高温时可以确保充分的强度(剪切强度),没有延迟断裂问题的超高强度螺栓,螺栓的根数和接合金属件的长度可以减少,因而在谋求降低螺栓接合部整体的成本和缩短施工时间的同时,可以实现不依赖于耐火材料保护层和由耐火材料形成的保护结构的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构。
作为高强度螺栓接合结构,有高强度螺栓摩擦接合部结构和高强度螺栓拉伸接合部结构,在日本建筑学会1973年制定、1993年重新规定的“高强度螺栓接合设计施工指南”中,在常温时的长期和抗震设计中,要求分别独立处理摩擦接合部、拉伸接合部而进行设计。因而,在本发明中也分别说明高温时的高强度螺栓接合部结构,提供根据各接合部的耐火安全性验证的考虑方法的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,即,提供无耐火保护层的高强度螺栓摩擦接合部结构和无耐火保护层的高强度螺栓拉伸接合部结构。
在本发明中,高强度螺栓摩擦接合部结构和高强度螺栓拉伸接合部结构的任一场合,都基本上使用常温时具有1200N/mm2以上至1600N/mm2以下的螺栓抗拉强度、并且650℃下的剪切强度、即耐火性和耐延迟断裂性优良的超高强度螺栓(包括扭转(トルシア)形超高强度螺栓,以下称为“超高强度螺栓”),以实现被构成的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构。
作为实现本发明的耐火性优良的高强度螺栓用钢材,例如可以使用由本申请人申请的在特开2002-276637号公报中公开的钢材。该发明中公开的钢材其特征是耐延迟断裂特性优良,由于常温时具有充分的强度和在650℃的高温下具有充分的强度,所以作为用来实现本发明的无耐火保护层的高强度螺栓接合结构的耐火性优良的超高强度螺栓的原材料具有很好的适应性。
例如,将该钢材轧制,制成线材,由该线材制成螺纹部例如是M22的高强度螺栓,进行淬火、回火,将螺栓的抗拉强度调整到1200~1600N/mm2的范围内,从而可以得到本发明中使用的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓。作为该超高强度螺栓的形状,为了缓和螺纹部的应力集中,其有效的方法是,按照上述特开2002-276637号公报的发明中公开的那样,使螺纹部的牙根的形状形成弧状曲线。
另外,在本发明中使用的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓可以在全部的部位上使用,但由于使用部位要求的特性不同,所以应根据其要求的特性,严格选择使用部位,以考虑减轻原材料成本的负担。
在本发明的高强度螺栓接合部结构中,要求高强度螺栓的高温强度、特别是剪切强度的水平要高,但由于火灾时螺栓接合部转换成承压状态时,使用的螺母和垫片没有高强度螺栓那样的剪切应力作用,所以没有必要具有与高强度螺栓同样的高温强度,例如,即使用不规定耐火性能的一般结构用高强度六角螺母、结构用高强度平面垫片也能够确保充分的高温强度。
另外,在应用本发明的高强度螺栓接合部结构中使用的柱和梁构件、接合金属件等构件,全部是在600℃以上具有充分的高温强度的耐热钢材,例如,可以由NSFR400B、490B等形成,但由于使用部位要求的特性不同,所以应严格选择用成本负担大的、600℃以上具有充分的高温强度的耐热钢材形成的部位,以考虑减轻原材料成本的负担。
以下详细地说明本发明。
1.高强度螺栓摩擦接合部结构的场合
(1)高强度螺栓摩擦接合部结构的例子
高强度螺栓摩擦接合是用高强度螺栓将接头构件紧固,通过构件间产生的摩擦力来传递应力的接合方法。作为高强度螺栓摩擦接合部结构可以以下述例为代表,例如,如图1所示,用高强度螺栓3通过外侧接合板2a和内侧接合板2b及侧部接合板2c使H形梁构件1a和1b接合的高强度螺栓接合部结构,或者如图2所示,用高强度螺栓3通过上侧接合板2d和下侧接合板2e象横撑材那样将厚板部件1d和1e接合的高强度螺栓接合部结构,或者如图3所示,用高强度螺栓9使梁构件6与T形接合金属件7接合的高强度螺栓接合部结构等。另外,如图3所示,用高强度螺栓9使梁构件6与T形接合金属件7接合、并用高强度螺栓8使T形接合金属件7与柱构件5接合的接合部结构具有高强度螺栓摩擦接合部结构和高强度螺栓拉伸接合的结构,而用高强度螺栓8使T形接合金属件7与柱构件5接合的接合部结构与后述的高强度螺栓拉伸接合部结构相当。
本发明的第一发明适用于这种高强度的螺栓摩擦接合部结构中。
(2)高强度螺栓摩擦接合部的耐火安全性验证的考虑方法
钢架结构的高强度螺栓摩擦接合部,在由火灾产生的高温时,因螺栓3和梁构件(厚板构件)、接合板的松弛及纵弹性模量的降低,使导入的轴向力弛缓,并使滑动负荷降低。然而,由于火灾时高强度螺栓接合部只要最终能够支持长期负荷就行,所以耐火设计中的高强度螺栓接合部的安全评价并不需要以滑动耐受力而以支承耐受力(螺栓长期允许剪切强度)进行许价即可。
根据日本建筑学会1973年制定、1993年重新规定的“高强度螺栓接合设计施工指南”规定的各式(2.3)、(2.4)、表2.2、表2.3(相当于F10T(JISB 1186))考虑时,如果火灾时的高强度螺栓接合部的高温时的螺栓剪切强度bτt(N/mm2)满足关系式(1),就可以验证摩擦接合部的耐火安全性。
bτt≥μ×No/(ν×bAs)                 (1)
这里,bτt:高温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτt = TSt / 3
TSt:高温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
μ:常温时的滑动系数
No:设计的螺栓拉力(N)
ν:相对于长期负荷的安全率
bAs:螺栓的轴部截面积(mm2)
但是,设计的螺栓拉力(No),例如,如果由上述日本建筑学会“高强度螺栓接合设计施工指南”,则用下式表示。
No=0.675×TS×bAe
这里,TS:常温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
bAe:螺栓螺纹部的有效截面积(mm2)
例如,滑动系数(μ)为0.45、而且相对于长期负荷的安全率(ν)为1.5的场合,式(1)可以直接如(1a)那样表示。
bτt≥0.2025×TS×(bAe/bAs)               (1a)
此外,例如常温时螺栓的抗拉强度(TS)为1400N/mm2、而且螺栓螺纹部的有效截面积/螺栓的轴部截面积(bAe/bAs),在M16、M20、M24(JIS B 0123)时为0.816,在M22(JIS B 0123)时为0.832的场合,显然,根据式(1a),bτt只要在M16、M20、M24时满足231N/mm2以上、在M22时满足236N/mm2以上就行。
另外,本发明人发现,在高强度螺栓摩擦接合部的耐火设计中,由于用螺栓的长期允许剪切强度进行评价,所以对滑动负荷可能多少有一些影响,可是最终可以忽视螺母和垫片的高温耐受力。因而,对于摩擦接合用的高强度螺栓接合部中使用的结构用高强度六角螺母、结构用高强度平面垫片就可以不要求赋予特别的耐火特性。
另外,柱、梁和接合金属件使用基本上能够保证高温强度的,对于柱和梁,通过使其一部分实施耐火保护层,即便使用高温强度小的材料形成,实际上也能够形成没有问题的接合部结构。
2.高强度螺栓拉伸接合部结构的场合
(1)高强度螺栓拉伸接合部结构的例子
高强度螺栓拉伸接合是传递高强度螺栓轴方向的应力的接合方法,与摩擦接合同样,利用紧固高强度螺栓得到的材料间的压缩力来传递应力。作为高强度螺栓拉伸接合部结构,可以以下述例为代表,例如,如图3、图4(a)、图4(b)所示,用高强度螺栓8(以下,将使该T形金属件与柱接合的高强度螺栓称为拉伸螺栓8)通过T形接合金属件7使梁(包括合成梁)6与柱5接合的接合部结构。另外,如图3、图4(a)、图4(b)所示,T形接合金属件7和梁6通过高强度螺栓9被高强度螺栓摩擦接合。
(2)高强度螺栓拉伸接合部的耐火安全性验证的考虑方法
高强度螺栓拉伸接合部在火灾加热时,因柱限制梁的热膨胀,所以在拉伸接合部产生由梁导致的压缩力,并且由于滑动负荷降低,所以必须用螺栓的支承(剪切)来支持长期负荷(梁的长期允许剪切力)。此时例如图5所示,由于通常在梁6的上翼缘6a侧存在楼板10,所以可以认为,楼板10内的高强度螺栓8a具有常温时的螺栓的剪切强度,其余的高强度螺栓8具有高温时的螺栓的剪切强度。另外,在上翼缘6a侧通过楼板10内的高强度螺栓9a,在下翼缘6b侧通过高强度螺栓9,使T形接合金属件7和梁6形成高强度螺栓摩擦接合。另外,通常在楼板10内设有柱状螺栓11,从而向梁6的上翼缘6a赋予防止楼板10断裂的功能。
与此相反,在火灾加热后的冷却过程中,因柱5限制梁6的收缩,所以在拉伸接合部产生由梁6产生的拉伸力,并且与火灾加热时同样,由于滑动负荷降低,所以必须用螺栓的支承(剪切)来支持长期负荷(梁的长期允许剪切力)。此外,因由梁6的收缩产生的拉伸力作为附加轴向力而作用,所以可以设想,不能期待楼板10协力的梁6的下翼缘6b(和梁腹)的高强度螺栓8会象被拉成碎片那样断裂。可以认为,此时,梁6的上翼缘6a侧的楼板10内的高强度螺栓8a具有常温时的高强度螺栓的剪切强度,而梁6的上翼缘6a侧的楼板10外的高强度螺栓8具有高温时的高强度螺栓剪切强度。
综上所述的结果是,高强度螺栓拉伸接合部由能够支持长期负荷(梁的长期允许剪切力)的螺栓根数少的火灾加热后的冷却过程决定耐火安全性。因此,在满足关系式(1)后,如果选定使常温时的梁的长期允许剪切力Qs(N)和常温时的螺栓的剪切强度bτ(N/mm2)及高温时的螺栓剪切强度bτt(N/mm2)满足关系式(2)的、以常温时的梁的长期允许剪切力Qs(N)作为上限的梁,就可以验证拉伸接合部的耐火安全性。
Qs≤{ns×bτ+(nf-ns)×bτt}×bAs             (2)
这里,Qs:常温时梁的长期允许剪切力(N)
Qs=fs×Ab
fs:梁的长期允许剪切强度(N/mm2)
Ab:梁的截面积(mm2)
ns:梁的上翼缘侧的楼板内的拉伸螺栓根数
bτ:常温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτ = TS / 3
TS:常温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
nf:梁的上翼缘侧的拉伸螺栓根数
bτt:高温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτt = TSt / 3
TSt:高温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
bAs:螺栓的轴部截面积(mm2)
例如,如图5所示的高强度螺栓拉伸接合部,用M22螺栓构成,在650℃的高温时的场合,当常温时的螺栓的剪切强度(bτ)为815N/mm2,650℃的高温时的螺栓的剪切强度(bτt)为238N/mm2,梁6的上翼缘6a侧的拉伸螺栓8的根数(nf)例如为4根,梁的上翼缘6a侧的楼板10内的拉伸螺栓8a的根数(ns)例如为2根,螺栓的轴部截面积(bAs)为380mm2时,显然,根据式(2),常温时的梁的长期允许剪切力Qs可以选定为800kN以下。
另外,本发明人发现,高强度螺栓拉伸接合部的耐火设计由于用螺栓的常温时和高温时的剪切强度进行评价,所以最终可以忽视螺母和垫片的高温耐受力。因而,在拉伸接合部中,用于螺母、垫片的结构用高强度六角螺母、结构用高强度平面垫片也可以不要求赋予特别的耐火特性。
另外,柱5、梁6和接合金属件7使用基本上能够保证高温强度的,对于柱和梁,通过使其一部分实施耐火保护层,即便使用高温强度小的材料来形成,实际上也能够形成没有问题的接合部结构。
3.高强度螺栓用钢所要求的特性
关于在本发明的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构、即无耐火保护层的高强度螺栓摩擦接合结构和无耐火保护层的高强度螺栓拉伸接合结构中使用的高强度螺栓用钢,例如,如特开平1-191762号公报和特开平3-173745号公报的发明公开的那样,着眼于由延迟断裂产生的螺栓的断裂面出现晶界裂纹,在降低构成钢材的化学成分中的P、S等条质和强化晶界的同时,从控制组织的观点出发,通过添加Mo、Cr和在400℃以上进行高温回火来赋予一种即使是延迟断裂原因的氢侵入到钢材中也不至于容易断裂的特性。还如特开平5-9653号公报的发明公开的那样,在降低晶界P的偏析以谋求晶界强化方面,降低杂质P是极为有效的。
但是,在上述钢中,如果某浓度以上的氢侵入到钢材成分中,则会引起延迟断裂,因而,为了进一步提高螺栓的耐延迟断裂特性,有效的方法是,要让氢难以侵入到钢材成分中,或者减少氢向原始奥氏体晶界的集聚。
例如,如特开平5-70890号公报的发明公开的那样,提出了通过同时向钢材成分中添加Si、Ni以抑制氢向钢材侵入和扩散的技术。但是,这样不仅添加Si会损害螺栓的冷锻性,而且添加Ni也会使成本变高。
另外,特开平7-278735号公报的发明根据上述要求,公开了一种螺栓用钢,这种钢通过复合添加在回火时可以引起明显二次硬化的元素Mo、Cr、V,即使在450℃以上高温回火,在室温下也具有1200N/mm2以上的抗拉强度,而且耐延迟断裂特性优良。但是,即使在该场合也存在因在450℃以上的温度下回火,使抗拉强度调质到1400N/mm2以上时延迟断裂的发生率变高的问题。
鉴于上述问题,本发明人反复进行种种研究的结果发现,可以导出螺栓抗拉强度与回火温度的关系式及由螺栓抗拉强度和钢材的化学成分计算的碳当量的关系式,并确认,按照满足这两个关系式那样设定钢的化学成分,通过淬火和回火处理,就能够得到螺栓抗拉强度可以调质到1200n/mm2以上的耐延迟断裂特性可以优良使用的作为高强度螺栓用钢的适应性高的钢。
另一方面,对于钢材的耐火温度,可以确认,以Fe作为主成分,含有C、Si、Mn,向其中添加例如在耐热钢中被利用的Cr、Mo、Mn、V等合金元素,就可以使耐火温度的水平强化到600℃以上。
本发明人发现,根据以上所述,从钢材化学成分的观点出发,耐延迟断裂特性优良的高强度螺栓和耐火性优良的高强度螺栓具有共通的课题,解决此课题,就可以使两者的特性同时具有,从而能够实现650℃耐火性出色的无耐火保护层的接合部,得到超高强度螺栓。
(1)超高强度螺栓用钢的化学成分
以下说明作为在本发明的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构、即无耐火保护层的螺栓摩擦接合结构和无耐火保护层的高强度螺栓拉伸接合结构中使用的超高强度螺栓用钢的适应性高的钢的化学成分(质量%)的例子。
C是为了通过淬火·回火处理来确保抗拉强度所必要的元素,但其含量小于0.30%时不能确保室温强度,而添加量大于0.45%时,韧性劣化。因而,其成分范围限定在0.30%以上~0.45%以下。
Si是脱氧必要的元素,对提高钢的强度是有效的,但是,其含量在0.1%以上时韧性劣化,钢的脆性显著。另外,由于Si是铁素体固溶强化作用大的元素,所以即使是进行球化退火,冷锻也变得困难。进一步热处理时,容易引起晶界氧化,由于具有这些缺点的效果,因此是一种使螺栓的耐延迟断裂特性劣化的元素,所以应当极力降低。因此,将其成分范围限定为小于0.10%。
Mn是对提高淬透性有效的元素,但其添加量在0.40%以下时就不能得到期望的效果,另外,由于添加1.00%以上时,产生回火脆化,使耐延迟断裂特性劣化,所以其成分范围限定在大于0.40%~小于1.00%。
P是在晶界偏析、降低晶界强度、使耐延迟断裂特性劣化的元素。另外,在显著的腐蚀环境的盐酸中,P是通过促进钢材表面产生氢的效果而使钢的腐蚀量增加的元素,因此应当极力降低。因其含量在0.010%以上时,侵入钢材中的氢含量显著增加,所以将其限定为小于0.010%。
S是在晶界偏析、促进钢脆化的元素,因而S的含量应当极力降低。由于其含量在大于0.010%时,脆化显著,所以限定在0.010%以下。
Cr是在提高钢的淬透性的同时提高高温强度的元素,而且具有向钢赋予抗回火软化的效果,但其添加量在小于0.5%时,不能得到上述作用的效果,另一方面,考虑经济性,其添加量限定在0.5%以上~小于1.5%。
Mo是对提高高温强度最有效的元素,而且由于可以进行高温回火,因此它是提高耐延迟断裂特性的元素,但其添加量在小于0.35%时,不能得到期望的效果,另一方面,当添加量大于1.5%时,由于淬火时未熔化的碳化物难以固溶于母相中而损害延伸性,所以其添加量限定在大于0.35%~小于1.5%。
V是在回火时作为微细的氮化物、碳化物析出以提高钢的强度(包括高温强度)、可以进行高温回火的元素,而且有使原始奥氏体晶粒微细化的效果。另外在回火时,晶粒内析出的碳氮化物成为氢的捕获点,因此降低了集聚在晶界上的氢,从而具有使耐延迟断裂特性大幅度提高的效果。但其添加量在0.3%以下时,不能使原始奥氏体晶粒度达到No.10,以至于不能提高耐延迟断裂特性。另外,当添加量大于1.0%时,损害螺栓的冷锻性。另外由于V是高价元素而要考虑经济性,所以其含量限定在超过0.3%~1.0%以下。
(2)回火温度的特性
延迟断裂是由于原始奥氏体晶界出现裂纹,所以为了提高螺栓的延迟断裂特性,最好避开250~400℃的低温回火脆性温度区域,另外为了抑制薄片状渗碳体在原始奥氏体晶界的析出,升高回火温度以控制碳化物的形态是有效的,另外析出成为氢的捕获点的V碳氮化物,降低集聚在晶界的氢是有效的。因而,可以将回火温度取为450℃以上。
但是,本发明人由试验结果发现,不限定于上述条件,只要在螺栓的耐延迟断裂特性的高强度螺栓的抗拉强度TS(N/mm2)和回火温度(℃)满足关系式(3)以及高强度螺栓的抗拉强度TS(N/mm2)和碳当量Ceq(%)满足关系式(4)的回火温度下进行回火,就能够充分地防止延迟断裂。
由于将满足这样条件的钢材用于高强度螺栓,所以就能够得到例如在常温时的螺栓的抗拉强度(TS)为1200N/mm2以上,而且650℃的螺栓的剪切强度(bτt)满足上述关系式(1)的耐火性优良的超高强度螺栓,通过使用该超高强度螺栓,就可以实现无耐火保护层的高强度螺栓摩擦接合部和无耐火保护层的高强度螺栓拉伸接合部。
TS≤(1.1×T+850)                       (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                    (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)
回火实验例
使用具有表1所示的化学成分组成的本发明供试验钢(1-10),对线径Φ21.5mm的线材实施热轧,由得到的各种线材,制成螺纹部是M22的高强度螺栓,通过淬火、回火制成螺栓的抗拉强度调整在1200~1700(N/mm2)范围内的超高强度螺栓。
这里,螺栓的抗拉强度用成分和回火温度调整,回火温度在290~700℃的范围内进行。为了评价高温特性,回火在高温条件下进行。将该回火温度T(℃)和回火后的实验例(供试验钢1~10)的超高强度螺栓的抗拉强度TS(N/mm2)与比较例(供试验钢11~18)的高强度螺栓的场合一同示于表2。
图6和图7,由使用表1中所示的本发明供试验钢(1~10)和比较例供试验钢(11~18)得到的许多具体的实验数据,将回火后延迟断裂发生的有无,在图中用记号×(发生延迟断裂)和记号(不发生延迟断裂)表示。两图都显示出,在满足上述关系式(3)和(4)的区域内,不发生延迟断裂。
表1
    供试验钢                                                    化学成分(质量%)   Ceq
  C   Si   Mn   P     S   Cr   Mo   Al   V   Ni   Ti   Nb
    1   0.40   0.07   0.42   0.005   0.009   0.61   1.20   0.020   0.56   0.935
    2   0.34   0.04   0.79   0.007   0.003   1.21   0.99   0.015   0.36   0.989
    3   0.34   0.03   0.66   0.002   0.002   0.98   0.50   0.062   0.67   0.820
    4   0.39   0.07   0.50   0.008   0.008   1.21   0.58   0.025   0.35   0.888
    5   0.39   0.05   0.51   0.005   0.009   1.21   0.57   0.021   0.34   0.886
    6   0.40   0.08   0.81   0.005   0.008   0.58   0.22   0.019   0.35   0.65   0.04   0.751
    7   0.40   0.05   0.54   0.08   0.008   1.00   1.00   0.032   0.32   0.942
    8   0.44   0.03   0.85   0.005   0.004   0.90   1.45   0.020   0.70   0.50   0.02   1.188
    9   0.43   0.05   0.80   0.005   0.003   1.01   1.20   0.033   0.40   0.20   1.100
    10   0.42   0.05   0.75   0.003   0.004   0.83   1.10   0.030   0.40   0.10   0.020   1.020
    11   0.41   0.08   0.95   0.007   0.001   1.41   0.93   0.072   0.40   0.00   1.115
    12   0.31   0.06   0.50   0.018   0.007   1.01   0.60   0.032   0.29   0.00   0.769
    13   0.34   0.17   0.76   0.015   0.017   1.00   0.17   0.025   0.00   0.00   0.716
    14   0.19   0.08   0.97   0.013   0.004   0.15   0.00   0.032   0.00   0.00   0.385
    15   0.40   0.23   0.81   0.005   0.008   0.58   0.22   0.019   0.00   0.65   0.04   0.732
    16   0.32   0.21   0.62   0.010   0.008   1.25   0.59   0.027   0.00   0.00   0.02   0.002   0.830
    17   0.30   0.94   0.49   0.011   0.006   1.99   0.20   0.074   0.00   0.00   0.869
    18   0.32   0.99   0.46   0.007   0.006   1.97   0.40   0.027   0.00   0.00   0.932
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)
表2
  供试验钢   回火温度T(℃)   抗拉强度TS(N/mm2)     TS≤1.1T+850     TS≤550Ceq+1000   极限扩散性氢量(ppm)
  实验例     1     550     1338     1.54
    2     550     1408     0.91
    3     500     1362     1.54
    4     625     1426     1.40
    5     650     1312     1.70
    6     450     1316     0.70
    7     570     1470     0.90
    8     700     1605     0.95
    9     660     1550     1.05
    10     640     1502     1.20
  比较例     11     525     1652     ×     ×     0.12
    12     440     1469     ×     ×     0.29
    13     390     1567     ×     ×     0.05
    14     290     1384     ×     ×     0.09
    15     435     1482     ×     ×     0.40
    16     450     1473     ×     ×     0.45
    17     450     1497     ×     ×     0.25
    18     400     1651     ×     ×     0.10
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)
满足上式:○          不满足上式:×
实施例1
实施例1是图1所示的用高强度螺栓3通过外侧接合板2a和内侧接合板2b及侧部接合板2c使梁1a和1b接合的高强度螺栓摩擦接合的结构的场合,这里,作为梁1a、1b、外侧接合板2a和内侧接合板2b和侧部接合板2c,皆使用能够保证在650℃下的高温强度的材料。
图8是对于螺纹部为M22(JIS B 0123)的高强度螺栓,将本发明的超高强度螺栓的剪切强度 和试验温度(℃)的关系与比较例1(一般F10T(JIS B 1186)螺栓)、比较例2(耐火F10T(JIS B 1186)螺栓)的场合一并表示的图。本发明的超高强度螺栓是将常温的抗拉强度调质处理到1400N/mm2以上,该超高强度螺栓的长期允许剪切强度是236N/mm2。另外,比较例1、2长期允许剪切强度是147N/mm2
由图8可以明显看出,本发明的超高强度螺栓常温时的抗拉强度是1412
Figure A0315709100243
650℃的螺栓剪切强度(bτt)满足上述关系式【1】,而且在650℃时具有比较例2的1.3倍的剪切强度(bτt)。
图9、图10、图11是分别表示对于螺纹部为M16、M20、M24的本发明的超高强度螺栓,螺栓的剪切强度 和试验温度(℃)的关系的图。各图都显示出,本发明的超高强度螺栓在650℃的螺栓剪切强度(bτt)满足上述关系式(1)。
实施例2
如图5所示,实施例2是用高强度螺栓8使T形接合金属件7与柱5接合的高强度螺栓拉伸接合部结构,是在有楼板10的场合,这里,作为柱5、T形接合金属件7,使用能够保证在650℃下的高温强度的材料,作为梁,使用抗拉强度为400N/mm2级的材料。
图12、图13别分是表示在梁6的上翼缘6a侧的楼板10内的拉伸螺栓8a的根数为2根、4根的场合,将用螺纹部为M22(JSI B 0123)的高强度螺栓接合的柱5和T形接合金属件7的拉伸接合部的例子的图。
表3是表示对于图12、图13的高强度螺栓接合部结构,根据图8所示的诸数值,由上述关系式(2)求出650℃下梁的长期允许剪切强度Qs,可以选定的梁的断面(H形断面梁)的上限的例子。由表3可以看出,本发明的超高强度螺栓在楼板10内的拉伸螺栓8a的根数为2根的场合(图12)可以选定H-400×200×8×13,在楼板10内的拉伸螺栓8a的根数为4根的场合(图13)可以选定H-600×200×12×22,与比较例螺栓的场合相比,可以选定长期允许剪切力Qs大的梁。
表3
高强度螺栓   拉伸接合部方式 梁的上翼缘侧的螺栓根数nf 梁的上翼缘侧楼板内的螺栓根数ns   梁的长期允许剪切力Qs 可以选定的梁断面的上限的例(400N/mm2级的拉伸强度的例)
比较列  1 一般F10T螺栓   图12     4     2   557kN以下 H-350×175×7×11
  图13     6     4   1023kN以下 H-600×200×9×12
 2 耐火F10T螺栓   图12     4     2   620kN以下 H-350×175×7×11
  图13     6     4   1096kN以下 H-600×200×9×16
本发明例 耐火超高强度螺栓   图12     4     2   800kN以下 H-400×200×8×13
  图13     6     4   1420kN以下 H-600×200×12×22
综上所述,本发明的超高强度螺栓,在常温时和650℃的高温时,耐火性(高温强度)和耐延迟断裂特性优良,具有能够充分满足日本建筑学会1973年制定、1993年重新规定的“高强度螺栓接合设计施工指南”规定的特性,由于使用这样的超高强度螺栓,可以确认,能够实现无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,即,实现无耐火保护层的高强度螺栓摩擦接合部结构和无耐火保护层的高强度螺栓拉伸接合部结构。
另外,本发明不受上述的结构例和实施例的内容的限定,在接合部结构条件、高强度螺栓(包括形成耐热钢)条件等方面,可以根据由对象接合部、使用部位、环境条件要求的诸特征,在上述各权利要求范围内进行变更。
在形成要求耐火性的钢结构物的高强度螺栓接合部结构中,本发明以成为接合对象的主构件(例如柱和梁或者厚板)在650℃时具有充分的高温强度、能够实现无耐火保护层的接合结构作为前提,为了充分发挥该主构件(例如柱和梁或者厚板)的高温强度,例如,可以使用常温时具有以往的F10T螺栓的1.4倍左右以上的螺栓抗拉强度、而且650℃时具有以往的耐火F10T螺栓的1.3倍的剪切强度、耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,籍此就可以实现在650℃的高温时无耐火保护层高强度螺栓接合部结构,可以实现成本降低、工期缩短。
另外,在本发明中使用的螺母和垫片的场合,当火灾时螺栓接合部转换成支承状态时,由于没有用高强度螺栓所要求的那样的剪切应力作用,所以相应于用不规定耐火性能的一般结构用高强度六角螺母、结构用高强度平面垫片,就能够抑制成本的上升。
另外,本发明中使用的梁构件和接合金属件的一部分等,通过根据由其使用部位要求的特性进行严格选择,也可以降低原材料成本和缩短施工时间。

Claims (9)

1.一种具有柱和/或梁的钢结构物的具有耐火性的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,该结构使用在常温下具有1200N/mm2以上的螺栓抗拉强度(TS)、并且在650℃下螺栓的剪切强度(bτt)满足下述式(1)的耐火性优良的超高强度螺栓,
bτt≥μ×No/(ν×bAs)    (1)
这里,bτt:高温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτt = TSt / 3
TSt:高温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
μ:常温时的滑动系数
No:设计的螺栓张力(N)
ν:相对于长期负荷的安全率
bAs:螺栓的轴部截面积(mm2)。
2.根据权利要求1中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,在上述高强度螺栓接合部结构中,常温时的上述梁的长期允许剪切力(Qs)满足下述式(2),
Qs≤{ns×bτ+(nf-ns)×bτt}×bAs               (2)
这里,Qs:常温时梁的长期允许剪切力(N)
Qs=fs×Ab
fs:梁的长期允许剪切强度(N/mm2)
Ab:梁的截面积(mm2)
ns:梁的上翼缘侧的楼板内的拉伸螺栓根数
bτ:常温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτ = TS / 3
TS:常温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
nf:梁的上翼缘侧的拉伸螺栓根数
bτt:高温时螺栓的剪切强度(N/mm2)
bτt = TSt / 3
TSt:高温时螺栓的抗拉强度(N/mm2)
bAs:螺栓的轴部截面积(mm2)。
3.根据权利要求1或2中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,上述高强度螺栓接合部结构用高强度螺栓、螺母、垫片组和接合金属件构成,上述螺母和垫片是没有规定耐火性能的一投结构用六角螺母和结构用高强度平面垫片。
4.根据权利要求1或2中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,上述高强度螺栓接合部结构用高强度螺栓、螺母、垫片组和接合金属件构成,上述接合金属件的一部分或全部由能够保证高温强度的钢材形成。
5.根据权利要求1或2中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,在上述高强度螺栓接合部结构中使用的上述的柱和/或梁的一部分或全部由能够保证高温强度的钢材形成。
6.根据权利要求1或2中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10%、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质组成、并且满足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                       (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                    (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
7.根据权利要求3中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10%、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质组成、并且满足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                      (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                   (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
8.根据权利要求4中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10%、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质构成、而且满足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                      (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                   (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
9.根据权利要求5中所述的无耐火保护层的高强度螺栓接合部结构,其特征在于,以质量%表示,上述高强度螺栓是由含有C:0.30%~0.45%、Si:小于0.10%、Mn:大于0.40%~小于1.00%、P:小于0.010%、S:0.010%以下、Cr:0.5%以上~小于1.5%、Mo:大于0.35%~小于1.5%、V:大于0.30%~1.0%以下、其余为Fe和不可避免的杂质组成、并且满足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延迟断裂特性优良的超高强度螺栓,
TS≤(1.1×T+850)                       (3)
TS≤(550×Ceq+1000)                    (4)
这里,TS:常温时高强度螺栓的抗拉强度(N/mm2)
T:回火温度(℃)
Ceq:碳当量(%)
Ceq=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
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