JP2005180035A

JP2005180035A - 鋼板と異形棒鋼の接合構造

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Publication number: JP2005180035A
Application number: JP2003422797A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Sato; 邦昭佐藤; Koji Shimada; 晃治嶋田; Takuro Yaguchi; 卓郎矢口
Original assignee: Artes Corp
Current assignee: Artes Corp
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: JP3788799B2

Abstract

【課題】建築や土木構造物の構成部材をスリーブ状の接合金物を用いて接合する際、比較的簡易で低コストの接合構造によりスリーブ状の接合金物を鋼板に対して溶接欠陥のない健全な溶接で接合することができる鋼板と異形棒鋼の接合構造を提供する。
【解決手段】鋼板１と異形棒鋼２とを接合するに際し、内側に凹凸４を有する円筒形スリーブの外側面における鋼板との接合側にスリーブ長手方向に沿う板状の突起５がその先端面を鋼板に当接できるようにスリーブ周方向に間隔をおいて一対で一体的に形成された突起付き円筒形スリーブ３を用い、一対の突起５の先端面を鋼板１に当接し、突起の側面とスリーブの円筒面で形成された裏当て面のある略レ形開先にすみ肉溶接または突合せ溶接６を施し、このスリーブ内に異形棒鋼２を挿入し、スリーブ内にグラウト材７を充填して構成し、従来のフレア溶接のルート割れ等の溶接欠陥をなくす。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築や土木構造物の構成部材の接合、例えば、柱・梁接合部、柱の継手、柱脚などに適用される鋼板と異形棒鋼の接合構造に関するものである。

鋼板に棒鋼を接合するときには、図１０に示すように、棒鋼５０を鋼板５１に添接して、棒鋼５０の両側部をフレアアーク溶接している。また、棒鋼の接合端を短冊状に平板加工し、この平板部を鋼板に添接して、ボルト接合し、あるいは平板部の両側部を鋼板に溶接することも行われている。

また、本発明に関連する先行技術文献として、接合スリーブと異形棒鋼とグラウト材を用いた鉄骨構造物の柱・梁接合部構造（特許文献１参照）、接合金物と接合ボルトを用いた柱・梁の接合部構造（特許文献２参照）、内面に凹凸が設けられたスリーブ金物と異形棒鋼と高強度モルタルを用いた鉄骨柱と基礎コンクリートとの接合構造（特許文献３参照）、内面に凹凸が設けられた断面略Ｕ字状のスリーブ状接合金物と異形棒鋼とグラウト材を用いたアンカー筋の接合金物・接合構造・接合方法（特願２００２ー２５６４９５）等がある。
特許第２９５４５４８号公報特許第３１２９６８５号公報特許第３１８９９５３号公報

図１０のフレア溶接の場合、溶接金属が奥まで達しない（溶け込まない) ので、棒鋼と鋼板の接触点から外に向って不溶着の空隙が生じる。また、接合しようとする棒鋼と鋼板は熱容量が大きいため、溶接後の冷却過程で溶接金属が冷却に伴う溶接金属の収縮に追従できず、ルート付近が図１０(b）に示すようにノッチ状となり、ここを起点として外に向っての亀裂が発生しやすい。そのため、この種の溶接は、信頼性が低いため、重要な構造物には使用を避けているのが現状である。また、この種の接合は棒鋼だけではなく、内部が中空の円筒形の部材についても同じ問題を抱えている。

一方、上記の特許文献のようにスリーブ状の接合金物を用いる場合、より簡易で低コストの接合構造によりスリーブ状の接合金物を鋼板に対して溶接欠陥なく健全に溶接できるようにすることが望まれている。

本発明は、建築や土木構造物の構成部材をスリーブ状の接合金物を用いて接合する際、比較的簡易で低コストの接合構造によりスリーブ状の接合金物を鋼板に対して溶接欠陥のない健全な溶接で接合することができる鋼板と異形棒鋼の接合構造を提供することを目的としている。

本発明の請求項１は、鋼板と異形棒鋼とを接合するための接合構造であり、内側に凹凸を有する円筒形スリーブの外側面における鋼板との接合側にスリーブ長手方向に沿う板状の突起がその先端面を鋼板に当接できるようにスリーブ周方向に間隔をおいて一対で一体的に形成された突起付き円筒形スリーブを有し、前記一対の突起の先端面を鋼板に当接し、突起の側面とスリーブの円筒面で形成された裏当て面のある略レ形開先にすみ肉溶接または突合せ溶接を施し、このスリーブ内に異形棒鋼を挿入し、スリーブ内にグラウト材を充填して構成されていることを特徴とする鋼板と異形棒鋼の接合構造である（図１参照、以下、第１発明という) 。

本発明の請求項２は、鋼板と異形棒鋼とを接合するための接合構造であり、内側に凹凸を有する円筒形スリーブの外側面を鋼板に添接し、前記円筒形スリーブの円筒面と鋼板表面とにより形成された円筒形スリーブの左右両側部の隙間に断面楔状（断面三角形など) でスリーブ長手方向に沿う棒状の裏当て材を挟み込み、この裏当て材の側面とスリーブの円筒面で形成された裏当て面のある略レ形開先に突合せ溶接を施し、このスリーブ内に異形棒鋼を挿入し、スリーブ内にグラウト材を充填して構成されていることを特徴とする鋼板と異形棒鋼の接合構造である（図５参照、以下、第２発明という) 。

本発明は、建築や土木構造物の柱と梁の接合、柱と柱の接合、柱脚など広く適用されるものであり、鋼板と異形棒鋼とをスリーブと異形棒鋼とグラウト材（高強度モルタル等) で接合する形式において、スリーブと鋼板の溶接方法を改良したものである。

鋼板にスリーブの両側部を溶接すると、棒鋼を直接溶接したときのように、図１０に示す溶接部のルート割れが発生しやすい。そこで、溶接性の良い鋳鋼品等のスリーブの外側面の溶接しやすい位置にスリーブ本体と一体化した板状の突起を設け（第１発明）、この板状の突起を溶接の際の裏当て、あるいはスリーブ本体の一部として溶接すれば、図１０のような溶接欠陥が生じない。また、溶接は、通常行われているすみ肉溶接あるいは突合せ溶接となるので、特殊な技能を必要としない。板状の突起は、鋳造等で一体成形することができる。

また、この板状の突起に限らず、円筒状スリーブに対して板状の突起に相当する断面楔状（直角三角形など) で棒状の裏当て材を挟み込み、接着剤等で固定するようにしてもよい（第２発明）。この場合、突合せ溶接とし、鋼板とスリーブとを直接接合一体化するのが好ましい。この棒状の裏当て材は、金属、合成樹脂、接着剤を固めたもの、金属粉や金属片を合成樹脂接着剤で固めたもの、束ねた針金をスリーブと鋼板の隙間に挟み込み接着剤等で固定するようにしたもの等を用いることができる。

本発明の請求項３は、請求項１に記載の鋼板と異形棒鋼の接合構造において、スリーブの外径が２０ｍｍ以上であり、スリーブの鋼板接触点とスリーブの中心点とを結ぶ線と、突起または裏当て材の裏当て面のスリーブ側の点とスリーブの中心点とを結ぶ線との成す角が３０°〜４５°の範囲であることを特徴とする鋼板と異形棒鋼の接合構造である。

この請求項３は、第１発明において、平板的な鋼板に対してスリーブを溶接する場合の一対の突起の配置位置を限定した場合であり、図３に示すように、中心角θが３０°の場合、開先角度３０°の突合せ溶接（グルーブ溶接) となり、中心角θが４５°の場合、すみ肉溶接に適した開先形状となり、裏当て付きグルーブ溶接に準じた健全な溶接を行うことができる。また、図６に示すように、外径２０ｍｍ以下のスリーブではルート間隔が３ｍｍ未満となるため、本発明は適用しない。従って、外径が２０ｍｍ以上のスリーブに対して突起の位置を中心角θが３０〜４５°の範囲で選定し、突合せ溶接またはすみ肉溶接を選択すれば、溶接欠陥のない健全な溶接部が得られる。

また、図１の平板的な鋼板に対してだけでなく、図２に示すように、直交する鋼板の入隅または出隅にも適用することができ、この場合には、突起の配置位置や溶接法は、溶接姿勢等を考慮して決めればよい。

また、第２発明において、平板的な鋼板に対してスリーブを溶接する場合、図５に示すように、中心角θが３０°となるように棒状の裏当て材を配置し、突合せ溶接とするのが好ましい。また、この棒状の裏当て材は、直交する鋼板の入隅または出隅にも適用することができる。

溶接は、工場または現場で行い、現場において鋼板に溶接されたスリーブに異形棒鋼を挿入し、スリーブ内にグラウト材を注入して異形棒鋼とスリーブを一体化する。

本発明の鋼板と異形棒鋼の接合構造は、以上のように構成されているので、次のような効果を有する。

(1) 溶接性の良い鋳鋼品等のスリーブの外側面の溶接しやすい位置にスリーブ本体と一体化した板状の突起を設け、この板状の突起を溶接の際の裏当て、あるいはスリーブ本体の一部として溶接し、あるいは円筒状スリーブに対して板状の突起に相当する断面楔状で棒状の裏当て材を挟み込み、接着剤等で固定するようにしたため、従来のフレア溶接を無くし、突合せ溶接またはすみ肉溶接を選択することができ、ルート割れなどの溶接欠陥のない健全な溶接部が得られる。

(2) 通常行われているすみ肉溶接あるいは突合せ溶接を用いることができるため、特殊な技能を必要としない
(3) スリーブに突起を鋳造等で一体成形し、あるいは棒状の裏当て材を挟み込んで固定するため、比較的簡易で低コストの接合構造によりスリーブと鋼板とを接合することができる。

(4) 外径が２０ｍｍ以上のスリーブに対して突起の位置を中心角θが３０〜４５°の範囲で選定し、突合せ溶接またはすみ肉溶接を選択することにより、裏当て付きグルーブ溶接に準じた溶接により、さらに健全な溶接部が得られる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図１は本発明の鋼板と異形棒鋼の接合構造の第１発明に係る基本構成を示す横断面図・側面図・縦断面図である。図２は図１と接合箇所の異なる場合を示す横断面図である。図３、図４は、第１発明のより具体的な断面形状を示す横断面図である。図５は、第２発明のより具体的な断面形状を示す横断面図である。

図１の第１発明に係る基本構成において、本発明の鋼板と異形棒鋼の接合構造は、建築や土木構造物の構成部材である鋼板１と、丸鋼外面にふしが一体形成された異形棒鋼２と、内側に凹凸４を有し外面に一対の板状の突起５が一体形成された突起付き円筒形スリーブ３と、突起５の側面とスリーブ３の円筒面で形成された裏当て面のある略レ形開先に施されるすみ肉溶接または突合せ溶接６と、スリーブ３内に充填される高強度モルタル等からなるグラウト材７から構成されている。

一対の板状の突起５は、スリーブ長手方向に平行に連続して形成され、かつ、スリーブ３の鋼板１側の外側面にスリーブ円周方向に適宜の間隔をおいて配置され、その先端面が鋼板１の表面に当接される。スリーブ３の円筒面は鋼板１の表面に当接させなくてもよい。突起５に対して溶接長さＬの溶接がなされる。なお、突起５はスリーブ全長に亘って連続的に形成されているが、断続配置でもよい。

スリーブ３内に異形棒鋼２を挿入した後、スリーブ３の両端を漏れ止め部材１０で閉塞し、スリーブ３の端部に形成した注入口１１からグラウト材７を注入する。反対側の端部には、注入の際の空気の抜き出しとグラウト材の充填の確認に用いる吐出口１２が形成されている。

図２(a) は、スリーブ３を直交する鋼板１の入隅に設けた例であり、突起５は、ほぼ１８０°離れた部分に形成され、それぞれの鋼板表面に対して直交するように配置される。図２(b) は、直交する鋼板１の出隅に設けた例であり、一対の突起５はスリーブ３の鋼板側に形成すればよい。鋼板１が冷間成形角形鋼管の場合は角部の塑性化領域を避けて溶接することができ、溶接部割れや脆性破壊の問題は起きない。

図３は、第１発明において鋼板１の平坦部にスリーブ３を設ける場合に、健全な溶接ができる突起５の配置の具体例であり、突起配置の中心角θが３０〜４５°の範囲に設けることにより、裏当て付きグルーブ溶接に準じた健全な溶接を行うことができる。中心角θは、スリーブ３の中心Ｏから鋼板１に垂下した線と、中心Ｏと突起５の外側の側面の付け根点を結ぶ線との成す角であり、裏当て面のある略レ形開先の開先角度αに等しい。

図３(a) の中心角θが３０°の場合、開先角度３０°の突合せ溶接（グルーブ溶接) となる。図３(b) の中心角θが４５°の場合、開先角度４５°となるため、すみ肉溶接に適した開先形状となる。３０°近くでは突合せ溶接とし、４５°に近づくにつれてすみ肉溶接とする。以上のように、突起５の位置を中心角θが３０〜４５°の範囲で選定し、突合せ溶接またはすみ肉溶接を選択すれば、溶接欠陥のない健全な溶接部が得られる。

さらに、スリーブ３の外径によっても、健全な溶接の範囲が制約を受けるため、スリーブ３の外径の範囲を中心角θが３０〜４５°の範囲で制限する。

即ち、図６(a) に示すように、JIS Z3605 半自動アーク溶接作業標準に開先形状の規定表２（抜粋) レ形溶接の開先形状がある。この突合せ溶接としての上記規定から、図６(b) に示すように、例えば外径が４８ｍｍを超えるスリーブでθ＝４５°のとき、Ｇが７ｍｍを越えるので、すみ肉溶接とする。図６(c) に示すように、Ｇが３ｍｍ未満になるような外径２０ｍｍ以下のスリーブには本発明は適用しない。図６(d) に示すように、Ｇが７ｍｍを越えるような外径１０４ｍｍを越えるスリーブには本発明は適用しない。従って、外径が２０〜１０４ｍｍのスリーブに本発明を適用する。

図４は、第１発明において直交する鋼板１の入隅にスリーブ３を設ける場合の健全な溶接ができる突起５の配置の具体例であり、この場合、突起５は、直交する鋼板に対して中心角θ＝４５°で配置することができ、開先角度４５°に対してすみ肉溶接を行うことができる。図２(b) の直交する鋼板１の出隅に設ける場合にも、すみ肉溶接とすることができる。

図５は、第２発明の具体例であり、この第２発明では断面楔状でスリーブ長手方向に沿う棒状の裏当て材８を用いる。この裏当て材８には、金属、合成樹脂、接着剤を固めたもの、金属粉や金属片を合成樹脂接着剤で固めたもの、束ねた針金をスリーブと鋼板の隙間に挟み込み接着剤等で固定するようにしたもの等を用いることができる。断面形状は三角形でよく、通常の円筒形スリーブ３’の円筒面と鋼板１との表面とにより形成された円筒形スリーブ３’の左右両側部の隙間に、先端を内側に向けて挟み込み、接着剤等で固定する。図５のような直角三角形の裏当て材８を用い、斜辺とその対向辺をそれぞれスリーブと鋼板に面タッチさせ（図示例) 、あるいは逆にして斜辺を鋼板に面タッチさせる。この裏当て材８の外側の側面とスリーブ３’の円筒面で形成された裏当て面のある略レ形開先に突合せ溶接６を施す。裏当て材８の配置位置は中心角θ＝３０°が好ましい。

なお、この棒状の裏当て材８は、図２の直交する鋼板の入隅または出隅にも適用することができる（図示省略) 。この場合には、開先角度α＝４５°に対して突合せ溶接６を施すのが好ましい。

図７は、本発明の接合構造をプレキャスト部材に内蔵された鉄骨柱２０と鉄骨梁２１の接合に適用した例であり、鉄骨梁のフランジ２１ａの外面に突起付き円筒形スリーブ３をすみ肉溶接または突合せ溶接６で固定し、このスリーブ３内に異形棒鋼２の先端部を挿入し、高強度モルタル等からなるグラウト材をスリーブ３内に充填する。直交２方向の鉄骨梁２１のうち一方に本発明の接合構造が用いられ、他方の鉄骨梁２１には、通常の円筒形スリーブ３’がフランジ端にすみ肉溶接で取り付けられる。

従来の棒鋼を直接鋼板にフレアアーク溶接する場合には、棒鋼は亀裂発生の点から含有する炭素当量が多くない材料であることが必要であり、JIS G3112 1987に定めるＳＤ３４５、ＳＤ３９０のような高強度材料は不適当といわれているが、スリーブを用いることで高強度材料の異形棒鋼２の使用が可能となる。また、スリーブと鉄骨材料の溶接については、溶接可能な材料JIS G5102 溶接構造用鋳鋼品をスリーブに用いることができる。さらに、内側に凹凸を有するスリーブに異形棒鋼を挿入しグラウトすることにより、スリーブ内径と棒鋼外径のクリアランスが大きくても棒鋼の引張強さを十分に確保することができ、接合時の施工誤差の許容範囲が大きいという利点がある。

図８、図９は、本発明の接合構造を柱３０と柱３１の接合に適用した例であり、図８ではプレキャスト部材の上柱３０と下柱３１のＨ形鋼３０ａ、３１ａの端部におけるウェブに突起付き円筒形スリーブ３をすみ肉溶接６（入隅の場合）で固定し、予め下柱３１のスリーブ３内に異形棒鋼２の下部を挿入してグラウト材７で固定しておき、上柱３０を建て込んで上柱３０のスリーブ３内に異形棒鋼２の上部を挿入する。上柱３０と下柱３１の間には５〜１０ｍｍ程度の隙間を設け、周囲を漏れ止めテープ３２で覆い、圧入口からグラウト材７を圧入し、上部の吐出口から吐出させる。

図９は角形鋼管の上柱４０と下柱４１の接合の例であり、上柱４０と下柱４１の端部における内部の四側面に突起付き円筒形スリーブ３をすみ肉溶接または突合せ溶接６で固定する。その他の構造や組み立ては図８の場合と同じである。外部に設けてもよいが、内部に設けることにより、柱の突出部を無くすことができ、外観も良くなる。

この柱と柱の接合に本発明の接合構造を適用した場合、前述のような、高強度材料の異形棒鋼２の使用が可能、スリーブに溶接構造用鋳鋼品の使用が可能、接合時の施工誤差の許容範囲が大きいなどの利点のほか、図８の場合は次のような利点がある。即ち、プレキャスト部材に鉄骨を内蔵した場合、鉄骨同士の接合のため従来は図８(d) に示すように添板を用いたボルト接合としており、この部分の接合作業のために接合部のコンクリートを欠き取っておく必要があったが、本発明の接合構造では、予め鉄骨部材にスリーブを溶接しておき、現場では異形棒鋼の挿入とグラウト充填で完全に固定・接続することができ、プレキャスト部材に鉄骨を完全に内蔵させる工法が可能となる。

以上のような用途以外に、スリーブと異形棒鋼とグラウト材を用いた柱脚、その他のスリーブと異形棒鋼とグラウト材を用いた接合に、本発明の接合構造を適用できる。また、本発明は以上のような図示例に限定されないことは言うまでもない。

本発明の鋼板と異形棒鋼の接合構造の第１発明に係る基本構成を示す実施形態であり、(a) は横断面図、(b) は側面図、(c) は縦断面図である。図１と接合箇所の異なる場合を示す横断面図であり、(a) は入隅の場合、(b) は出隅の場合である。第１発明の平板部におけるより具体的な断面形状を示す横断面図である。第１発明の入隅部におけるより具体的な断面形状を示す横断面図である。第２発明のより具体的な断面形状を示す横断面図である。 (a) はJIS Z3605 半自動アーク溶接作業標準に開先形状の規定表２（抜粋) レ形溶接の開先形状を示す図、(b) 〜(d) は本発明のスリーブ外径による溶接の適否を示す横断面図である。本発明の接合構造を柱と梁の接合に適用した例であり、(a) は平面図・正面図・側面図、(b) は正面図、(c) は側面図である。本発明の接合構造をＨ形鋼内蔵プレキャストの柱と柱の接合に適用した例であり、(a) は組立前の正面図、(b) は平面図、(c) は組立後の正面図、(d) は従来工法の正面図である。本発明の接合構造を角形鋼管の柱と柱の接合に適用した例であり、(a) は組立前の正面図、(b) は平面図である。従来のフレアアーク溶接を示す断面図である。

符号の説明

１……鋼板
２……異形棒鋼
３……突起付き円筒形スリーブ
３’…円筒形スリーブ
４……凹凸
５……板状の突起
６……すみ肉溶接または突合せ溶接
７……グラウト材
８……棒状の裏当て材

Claims

鋼板と異形棒鋼とを接合するための接合構造であり、内側に凹凸を有する円筒形スリーブの外側面における鋼板との接合側にスリーブ長手方向に沿う板状の突起がその先端面を鋼板に当接できるようにスリーブ周方向に間隔をおいて一対で一体的に形成された突起付き円筒形スリーブを有し、前記一対の突起の先端面を鋼板に当接し、突起の側面とスリーブの円筒面で形成された裏当て面のある略レ形開先にすみ肉溶接または突合せ溶接を施し、このスリーブ内に異形棒鋼を挿入し、スリーブ内にグラウト材を充填して構成されていることを特徴とする鋼板と異形棒鋼の接合構造。
鋼板と異形棒鋼とを接合するための接合構造であり、内側に凹凸を有する円筒形スリーブの外側面を鋼板に添接し、前記円筒形スリーブの円筒面と鋼板表面とにより形成された円筒形スリーブの左右両側部の隙間に断面楔状でスリーブ長手方向に沿う棒状の裏当て材を挟み込み、この裏当て材の側面とスリーブの円筒面で形成された裏当て面のある略レ形開先に突合せ溶接を施し、このスリーブ内に異形棒鋼を挿入し、スリーブ内にグラウト材を充填して構成されていることを特徴とする鋼板と異形棒鋼の接合構造。
請求項１に記載の鋼板と異形棒鋼の接合構造において、スリーブの外径が２０ｍｍ以上であり、スリーブの鋼板接触点とスリーブの中心点とを結ぶ線と、突起または裏当て材の裏当て面のスリーブ側の点とスリーブの中心点とを結ぶ線との成す角が３０から４５°の範囲であることを特徴とする鋼板と異形棒鋼の接合構造。