JP2006009380A - 鋼管柱および鋼管柱の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】梁材の接合部を補強した構成を、大幅なコストダウンで得られる鋼管柱を提供する。
【解決手段】長尺鋼管のパネルゾーン形成部Ｓに増肉用鋼管１２を、耐熱接着剤１３を介在して内嵌するとともに、外周形状が最終製品形状になるように熱間成形して構成した。パネルゾーン形成部を、耐熱接着剤により増肉用鋼管を接着して厚肉部とした鋼管柱を、長尺鋼管の切断や溶接などすることなく構成できる。梁材の接合部を補強した鋼管柱を、大幅なコストダウンで得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば鉄骨構造物の支柱として使用される鋼管柱および鋼管柱の製造方法に関するものである。

従来、梁材の接合部を補強した鋼管柱としては、次のような構成が提供されている。すなわち、角形鋼管柱と鉄骨梁との接合部に介装固着され、鋼管柱と上下方向に接続可能な端部を有する中空角形の接合部材を使用した柱と梁の接合部の構造であって、接合部材の両端部全周に亘って開先を形成し、この開先を利用して角形鋼管柱との溶接接合を行っている。その際に接合部材の両端部には、裏当て金を溶接により固着している（たとえば、特許文献１参照。）。
特開平５−１４８８９４号公報（第１、３頁、第１、４図）

しかし、上記した従来構成によると、鉄骨梁と接合部材とをそれぞれ定寸に切断すること、接合部材に開先を形成すること、裏当て金を溶接により固着すること、ならびに接合部材と角形鋼管柱とを溶接することなどによって、全体のコストアップを招くことになる。さらには、接合部材と角形鋼管柱を溶接する際に、周方向での位置ずれが生じないようにしなければならず、溶接作業は簡単に行えない。

そこで本発明の請求項１記載の発明は、梁材の接合部を補強した構成を、大幅なコストダウンで得られる鋼管柱を提供することを目的としたものである。
また請求項３記載の発明は、請求項１の鋼管柱を容易に得られる鋼管柱の製造方法を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明の請求項１記載の鋼管柱は、長尺鋼管のパネルゾーン形成部に増肉用鋼管を、耐熱接着剤を介在して内嵌するとともに、その外周形状が最終製品形状になるように熱間成形して構成したことを特徴としたものである。

したがって請求項１の発明によると、パネルゾーン形成部を、耐熱接着剤により増肉用鋼管を接着して厚肉部とした鋼管柱を、長尺鋼管の切断や溶接などすることなく構成し得る。

また本発明の請求項２記載の鋼管柱は、上記した請求項１記載の構成において、長尺鋼管の鋼管内面に対して増肉用鋼管の鋼管外面部分が入り込んでいることを特徴としたものである。

したがって請求項２の発明によると、耐熱接着剤の接着作用と入り込みによる係合作用とによって、増肉用鋼管を位置決めし得る。
そして本発明の請求項３記載の鋼管柱の製造方法は、長尺の粗成鋼管のパネルゾーン形成部に短尺の増肉用鋼管を内嵌するとともに、これら粗成鋼管の鋼管内面と増肉用鋼管の鋼管外面との間に耐熱接着剤を介在しておき、この増肉用鋼管を内嵌した粗成鋼管を加熱したのち、その外周形状が最終製品形状になるように熱間成形することを特徴としたものである。

したがって請求項３の発明によると、介在した耐熱接着剤による接着作用により、粗成鋼管に対して増肉用鋼管が管軸心方向で位置ずれすることを阻止し得、以て加熱ならびに熱間成形を安定して行える。これにより、パネルゾーン形成部を厚肉部とした鋼管柱を、長尺鋼管の切断や溶接などすることなく製造し得る。

さらに本発明の請求項４記載の鋼管柱の製造方法は、上記した請求項３記載の構成において、内嵌される前の増肉用鋼管は、その鋼管外面が凸凹状に形成されていることを特徴としたものである。

したがって請求項４の発明によると、熱間成形時に、粗成鋼管の鋼管内面を増肉用鋼管の凸凹状外面に入り込ませて、両鋼管を結合し得る。
しかも本発明の請求項５記載の鋼管柱の製造方法は、上記した請求項３または４記載の構成において、加熱は、粗成鋼管に対して増肉用鋼管の温度が低い状態に行われ、この温度差により、粗成鋼管の鋼管内面に対して増肉用鋼管の鋼管外面部分が入り込む状態に熱間成形することを特徴としたものである。

したがって請求項５の発明によると、加熱の温度差により、少し硬質状態の増肉用鋼管に対して軟質状態の粗成鋼管の熱間成形が先行して行われることになり、以て粗成鋼管の鋼管内面に対して増肉用鋼管の鋼管外面部分が入り込む状態に熱間成形し得る。

上記した本発明の請求項１によると、パネルゾーン形成部を、耐熱接着剤により増肉用鋼管を接着して厚肉部とした鋼管柱を、長尺鋼管の切断や溶接などすることなく構成できる。これにより、梁材の接合部を補強した鋼管柱を、大幅なコストダウンで得ることができる。しかも鋼管柱は、熱間成形による効果、すなわち、角形鋼管の場合には各コーナ部の外面曲率半径を均等状にかつシャープに形成でき、さらに残留応力が殆どなくて高い座屈強度を得ることができるとともに、二次溶接性に優れたものにでき、しかも耐力と靭性とを向上したものにできる。

また上記した本発明の請求項２によると、耐熱接着剤の接着作用と入り込みによる係合作用とによって、増肉用鋼管を強固に安定して位置決めできる。
そして上記した本発明の請求項３によると、介在した耐熱接着剤による接着作用により、粗成鋼管に対して増肉用鋼管が管軸心方向で位置ずれすることを阻止でき、以て加熱ならびに熱間成形を安定して行うことができる。これにより、パネルゾーン形成部を厚肉部とした鋼管柱を、長尺鋼管の切断や溶接などすることなく容易に製造でき、以て梁材の接合部を補強した鋼管柱を、大幅なコストダウンで製造することができる。

さらに上記した本発明の請求項４によると、熱間成形時に、粗成鋼管の鋼管内面を増肉用鋼管の凸凹状外面に入り込ませて、両鋼管を強固に結合できる。
しかも上記した本発明の請求項５によると、加熱の温度差により、少し硬質状態の増肉用鋼管に対して軟質状態の粗成鋼管の熱間成形を先行して行うことができ、以て粗成鋼管の鋼管内面に対して増肉用鋼管の鋼管外面部分が入り込む状態に熱間成形できる。この入り込みにより、粗成鋼管に対して増肉用鋼管が管軸心方向で位置ずれすることを阻止した鋼管柱を製造でき、以て梁材などの接合を好適に行うことができる。

［実施の形態１］
以下に、本発明の実施の形態１を、四角形状の角形鋼管柱に採用した状態として、図１〜図７に基づいて説明する。

図３に示されるように、長尺の粗成角形鋼管（粗成鋼管の一例）１１と、短尺の増肉用角形鋼管（増肉用鋼管の一例）１２とが準備される。前記粗成角形鋼管１１は、通常の板厚ｔでかつ各コーナ部の外面が最終製品形状における長尺鋼管のコーナ部の外面曲率半径Ｒよりも大きい外面曲率半径ＬＲに成形されている。また増肉用角形鋼管１２は、長尺の粗成角形鋼管１１と同様の板厚か少し薄い板厚、すなわち板厚ｔ〜ｔ／２でかつ各コーナ部が最終製品形状における長尺鋼管のコーナ部の内面曲率半径ｒよりも少し大きい外面曲率半径Ｌｒに成形されている。そして粗成角形鋼管１１と増肉用角形鋼管１２とは冷間成形され、その際に一つの平板部に、突き合わせ溶接による突き合わせ溶接部１１Ａ，１２Ａが形成されている。

そして粗成角形鋼管１１は、最終製品形状における外寸Ｗに対して少し長めの外寸Ｗαとして半成形されている。また増肉用角形鋼管１２は３個（複数個）であって、最終製品形状における長尺鋼管の内寸ｗに対して少し長めでかつ粗成角形鋼管１１の内寸Ｗβに対して少し短めの外寸ｗαとして成形されている。さらに増肉用角形鋼管１２は、その鋼管外面が凸凹状外面１２ａに形成されている。その際に凸凹状外面１２ａは、周方向の環状溝を管軸心方向の複数箇所に配置することで形成されている。

まず図３の仮想線に示すように、粗成角形鋼管１１のパネルゾーン形成部（仕口部）Ｓに増肉用角形鋼管１２を内嵌させ、以て図５、図７に示すように、重合半成形鋼管１５とする。その際に、内嵌させる前の増肉用角形鋼管１２の凸凹状外面（鋼管外面）１２ａには耐熱接着剤（耐熱セラミック接着剤など）１３が塗布されており、以て粗成角形鋼管１１に増肉用角形鋼管１２を内嵌させることで、粗成角形鋼管１１の鋼管内面１１ｂと増肉用角形鋼管１２の凸凹状外面１２ａとの間に耐熱接着剤１３が介在されることになる。したがって以降においては、耐熱接着剤１３による接着作用により、粗成角形鋼管１１に対して増肉用角形鋼管１２が管軸心方向で位置ずれすることを阻止し得る。

この重合半成形鋼管１５は、図４に示すように、搬入床２１に渡されて搬送される。この搬入床２１の終端部に搬送された重合半成形鋼管１５は、ローラコンベヤ（搬送手段の一例）２２に渡され、このローラコンベヤ２２により形成される搬送経路２３上で搬送される。この搬送経路２３中には、前記重合半成形鋼管１５をＡ_３変態点（たとえば８５０〜１０５０℃）以上に全体加熱する加熱手段２５と、加熱された重合半成形鋼管１５を正規の寸法かつ形状に熱間成形する成形手段３１とが配設されている。

すなわち加熱手段２５は、重合半成形鋼管１５を加熱炉２６に入れての燃焼加熱方式であって、その加熱炉２６における前後方向の両端には、貫通孔により搬入口や搬出口が形成され、そして搬入口や搬出口には、それぞれ開閉扉２７が設けられている。前記加熱炉２６の一側下部でかつローラコンベヤ２２のローラ間の中間位置に下部加熱バーナー２８が配設され、そして、加熱炉２６の他側上部でかつ前記下部加熱バーナー２８に対して千鳥状に対峙する位置には上部加熱バーナー２９が配設されている。以上の２６〜２９などにより加熱手段２５の一例が構成される。

前述したように、搬入床２１の終端部に搬送された重合半成形鋼管１５は、ローラコンベヤ２２に渡され、このローラコンベヤ２２により加熱手段２５の加熱炉２６に搬入される。この重合半成形鋼管１５は、加熱炉２６内にて搬送経路２３上で搬送されながら、各バーナー２８，２９の燃焼熱によって外面側から徐々に均一的に加熱Ｈされる（図５参照）。その際に加熱Ｈは、増肉用角形鋼管１２が８５０〜１０５０℃（Ａ_３変態点の近辺）になるように行われ、したがって、増肉用角形鋼管１２の外側に位置されて加熱Ｈが先行して行われている粗成角形鋼管１１は、Ａ_３変態点以上（約１７００℃）の温度となる。その際に、耐熱接着剤１３はＡ_３変態点以上の温度に耐え得ることから、その接着作用を堅持し得、粗成角形鋼管１１に対して増肉用角形鋼管１２が管軸心方向で位置ずれすることはない。

このようにして、増肉用角形鋼管１２がＡ_３変態点の近辺の温度でかつ粗成角形鋼管１１がＡ_３変態点以上の温度に加熱された重合半成形鋼管１５、すなわち粗成角形鋼管１１に対して増肉用角形鋼管１２の温度が低い状態に加熱された重合半成形鋼管１５を、開閉扉２７を開動させることで、搬出口を通して加熱炉２６から成形手段３１へと搬出し得る。そして重合半成形鋼管１５の終端が完全に搬出されたときに、搬出口の開閉扉２７が閉動される。

上述したように、加熱手段２５によって加熱された重合半成形鋼管１５は成形手段３１に搬送され、この成形手段３１によって正規の寸法かつ形状に熱間成形される。すなわち成形手段３１は、図４、図６、図７に示すように、前後４段（単数段または複数段）に設けられている。そして各成形手段３１は、機枠３２側に対して位置調整自在に、または交換自在に設けられた上下一対ならびに左右一対の成形ロール３３などを介して、重合半成形鋼管１５を絞り状に熱間成形させるものである。

なお、成形手段３１の周辺で、必要する箇所（成形手段３１の前後、前のみ、後ろのみ、スタンド間など）には、必要とする数のデスケーラー装置３５が設けられている。このデスケーラー装置３５は、成形中の重合半成形鋼管１５に対して水圧をかけた水を噴射するもので、この水噴射によりミルスケールなどを除去し、表面肌を良くし得る。

したがって、加熱されて成形手段３１に搬入された重合半成形鋼管１５は、成形ロール３３群によって絞り状に熱間成形され、このとき熱間成形は、複数段の成形手段３１によって徐々（段階的）に絞り状に行われる。すなわち、粗成角形鋼管１１が熱間成形されると同時に増肉用角形鋼管１２も熱間成形される。その際に前述したように、粗成角形鋼管１１に対して増肉用角形鋼管１２の温度が低い状態に加熱されていることから、この温度差により、少し硬質状態の増肉用角形鋼管１２に対して軟質状態の粗成角形鋼管１１の熱間成形が先行して行われることになり、以て粗成角形鋼管１１の鋼管内面１１ｂに対して増肉用角形鋼管１２の鋼管外面部分が、或る厚さｔ_１だけ入り込む状態に熱間成形されることになる。

これにより、粗成角形鋼管１１の鋼管内面１１ｂと増肉用角形鋼管１２の凸凹状外面１２ａとの間に生じていた隙間が吸収されるとともに、粗成角形鋼管１１の鋼管内面１１ｂの一部が増肉用角形鋼管１２の凸凹状外面１２ａ内に入り込むことになり、以て熱間成形された粗成角形鋼管（長尺鋼管）１１と熱間成形された増肉用角形鋼管１２とは強固に結合される。そして、このような熱間成形によって、正規の外面間の外寸Ｗでかつ正規の外面曲率半径Ｒのコーナ部とし得、さらにパネルゾーン形成部Ｓを厚肉部１Ａとした最終製品である角形鋼管柱（鋼管柱の一例）１に仕上げ得る。その際に厚肉部１Ａの厚さТは、［ｔ＋（ｔ〜ｔ／２）−ｔ_１］となる。

このようにして熱間成形された角形鋼管柱１は、冷却床３８に受け取られる。この冷却床３８はコンベヤ形式であって複数本の角形鋼管柱１を平行させて支持し、そして長さ方向に対して横方向へと搬送させる。この冷却床３８での搬送中に、角形鋼管柱１は空冷形式で徐冷される。冷却床３８での角形鋼管柱１群の搬送は、隣接した角形鋼管柱１の間を離した状態で、または隣接した角形鋼管柱１どうしを接触させ両側よりクランプした状態で搬送される。これにより角形鋼管柱１は、同じ雰囲気温度下で徐冷されることになり、以て冷却時の曲がりを少なくし得る。冷却床３８の終端に達した角形鋼管柱１は、図示していない矯正装置、先端切断装置、後端切断装置、洗浄装置、防錆装置へと搬送され、必要に応じてそれぞれで処理されたのち、製品としてストレージされる。

このようにして得られる角形鋼管柱１は、熱間成形することから、各コーナ部の形状、すなわち外面曲率半径Ｒを均等状にかつシャープに形成し得る。さらに熱間成形によって角形鋼管柱１は、残留応力が殆どなくて高い座屈強度が得られるとともに、二次溶接性に優れたものとなる。そして角形鋼管柱１は、このような熱間成形による効果を保ちながらも、耐力と靭性とを向上し得る。

このようにして製造した角形鋼管柱１は、所定本数が建築現場などに運搬され、そして図１、図２に示すように、下端に溶接結合された座板４などを介して所定の位置に立設されたのち、パネルゾーン形成部Ｓの厚肉部１Ａの外面に、梁材２が溶接結合３によって連結される。その際にパネルゾーン形成部Ｓは、厚肉部１Ａによる厚肉部厚さＴによって予め十分な強度を確保し得、さらに耐熱接着剤１３が溶接温度の影響を全く受けないことから、梁材２の溶接結合３は何ら支障なく行える。そして角形鋼管柱１はパイプジョイント形式で得られ、内蔵リブや裏当て金などがない状態に仕上げ得る。したがって、中にコンクリートなどを充填させて強度を増した構成も容易に採用し得る。なお角形鋼管柱１は、図１の仮想線に示すように、積上げ状に配置されたのち、その上下間が溶接結合５されることで、所定長さ（高さ）に構成される。

上記した実施の形態１において、粗成角形鋼管１１や増肉用角形鋼管１２は、鋼板をプレス成形したのち突き合わせ溶接することで得たり、あるいは、鋼板を曲げ成形したのち突き合わせ溶接することで丸形鋼管を成形したのち、この丸形鋼管をプレス方式やロール方式により成形することで得ている。

また、上記した実施の形態１では、大径で厚肉の角形鋼管柱１を製造しているが、これは大径で薄肉の角形鋼管、小径で厚肉の角形鋼管、小径で薄肉の角形鋼管などの製造であってもよい。たとえば、正規の外面間の外寸Ｗが３００〜７００ｍｍ、板厚ｔが９〜７０ｍｍの角形鋼管柱１を得るものであり、その際に粗成角形鋼管１１におけるコーナ部の外面曲率半径ＬＲは板厚ｔの３．５〜７．０倍であり、これが角形鋼管柱１におけるコーナ部の正規の外面曲率半径Ｒが板厚ｔの１．０〜３．０倍となるようにシャープに形成される。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２を、丸形鋼管柱に採用した状態として、図８に基づいて説明する。

すなわち図８（ａ）に示すように、長尺の粗成丸形鋼管（粗成鋼管の一例）４１と短尺の増肉用丸形鋼管（増肉用鋼管の一例）４２とは、その周方向の一箇所に、突き合わせ溶接による突き合わせ溶接部４１Ａ，４２Ａが形成されており、少し大きめの外面直径Ｄα，ｄαとして半成形されている。そして粗成丸形鋼管４１のパネルゾーン形成部（仕口部）に増肉用丸形鋼管４２を内嵌させ、以て重合半成形鋼管４５とする。その際に、内嵌させる前の増肉用丸形鋼管４２の凸凹状外面（鋼管外面）４２ａには耐熱接着剤（耐熱セラミック接着剤など）４３が塗布されており、以て粗成丸形鋼管４１の鋼管内面４１ｂと増肉用丸形鋼管４２の凸凹状外面４２ａとの間に耐熱接着剤４３が介在され、この耐熱接着剤４３による接着作用により、粗成丸形鋼管４１に対して増肉用丸形鋼管４２が管軸心方向で位置ずれすることを阻止し得る。

この重合半成形鋼管４５は、加熱手段（図示せず。）により実施の形態１と同様にして加熱され、そして成形手段（図示せず。）により実施の形態１と同様にして熱間成形される。これにより図８（ｂ）に示すように、粗成丸形鋼管４１の鋼管内面４１ｂと増肉用丸形鋼管４２の凸凹状外面４２ａとの間に生じていた隙間が吸収されるとともに、粗成丸形鋼管４１の鋼管内面４１ｂの一部が増肉用丸形鋼管４２の凸凹状外面４２ａ内に、或る厚さｔ_１だけ入り込むことになり、以て粗成丸形鋼管４１と増肉用丸形鋼管４２とは強固に結合される。

そして、このような熱間成形によって、全長に亘って正規の外面直径Ｄとし得、さらにパネルゾーン形成部Ｓを厚肉部７Ａとした最終製品である丸形鋼管柱（鋼管柱の一例）７、すなわち、外周形状を最終製品形状とした丸形鋼管柱７が得られる。
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３を、図９に基づいて説明する。

上記した実施の形態１、２においては、凸凹状外面１２ａ，４２ａは、周方向の環状溝を管軸心方向の複数箇所に配置することで形成されているが、これはＶ字状の凸凹状外面１２ａ，４２ａであってもよい。
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４を、図１０に基づいて説明する。

上記した実施の形態１、２においては、凸凹状外面１２ａ，４２ａが周方向の環状溝を管軸心方向の複数箇所に配置することで形成され、実施の形態３においては、凸凹状外面１２ａ，４２ａがＶ字状に形成されているが、これは扁平状外面１２ｂ，４２ｂであってもよい。

本発明の実施の形態１を示し、角形鋼管柱の縦断正面図である。 同角形鋼管柱の一部切り欠き斜視図である。 同角形鋼管柱の製造方法における使用鋼管の説明図である。 同角形鋼管柱の製造方法における加熱から熱間成形を含む工程斜視図である。 同角形鋼管柱の製造方法における加熱手段部分の正面図である。 同角形鋼管柱の製造方法における熱間成形部分の正面図である。 同角形鋼管柱の製造方法における熱間成形部分の要部の縦断側面図である。 本発明の実施の形態２を示し、丸形鋼管柱の製造方法の説明図で、（ａ）は重合時の平面図、（ｂ）は丸形鋼管柱の平面図である。 本発明の実施の形態３を示し、鋼管柱の製造方法における熱間成形部分の要部の縦断側面図である。 本発明の実施の形態４を示し、鋼管柱の製造方法における熱間成形部分の要部の縦断側面図である。

符号の説明

１ 角形鋼管柱（鋼管柱）
１Ａ 厚肉部
２ 梁材
７ 丸形鋼管柱（鋼管柱）
７Ａ 厚肉部
１１ 粗成角形鋼管（粗成鋼管）
１１ｂ 鋼管内面
１２ 増肉用角形鋼管（増肉用鋼管）
１２ａ 凸凹状外面（鋼管外面）
１２ｂ 扁平状外面（鋼管外面）
１３ 耐熱接着剤
１５ 重合半成形鋼管
２３ 搬送経路
２５ 加熱手段
２６ 加熱炉
３１ 成形手段
３３ 成形ロール
３８ 冷却床
４１ 粗成丸形鋼管（粗成鋼管）
４１ｂ 鋼管内面
４２ 増肉用丸形鋼管（増肉用鋼管）
４２ａ 凸凹状外面（鋼管外面）
４２ｂ 扁平状外面（鋼管外面）
４３ 耐熱接着剤
４５ 重合半成形鋼管
ＬＲ 粗成角形鋼管１１の外面曲率半径
Ｗα 粗成角形鋼管１１の外寸
Ｗβ 粗成角形鋼管１１の内寸
Ｌｒ 増肉用角形鋼管１２の外面曲率半径
ｗα 増肉用角形鋼管１２の外寸
Ｓ パネルゾーン形成部
Ｈ 加熱
Ｗ 最終製品形状における外寸
ｗ 最終製品形状における内寸
Ｒ 最終製品形状における外面曲率半径
ｒ 最終製品形状における内面曲率半径
Ｔ 最終製品形状における厚肉部厚さ
ｔ_１ 入り込み厚さ
Ｄα 粗成丸形鋼管４１のの外面直径
ｄα 増肉用丸形鋼管４２の外面直径
Ｄ 最終製品形状における外面直径

Claims (5)

1. 長尺鋼管のパネルゾーン形成部に増肉用鋼管を、耐熱接着剤を介在して内嵌するとともに、その外周形状が最終製品形状になるように熱間成形して構成したことを特徴とする鋼管柱。
2. 長尺鋼管の鋼管内面に対して増肉用鋼管の鋼管外面部分が入り込んでいることを特徴とする請求項１記載の鋼管柱。
3. 長尺の粗成鋼管のパネルゾーン形成部に短尺の増肉用鋼管を内嵌するとともに、これら粗成鋼管の鋼管内面と増肉用鋼管の鋼管外面との間に耐熱接着剤を介在しておき、この増肉用鋼管を内嵌した粗成鋼管を加熱したのち、その外周形状が最終製品形状になるように熱間成形することを特徴とする鋼管柱の製造方法。
4. 内嵌される前の増肉用鋼管は、その鋼管外面が凸凹状に形成されていることを特徴とする請求項３記載の鋼管柱の製造方法。
5. 加熱は、粗成鋼管に対して増肉用鋼管の温度が低い状態に行われ、この温度差により、粗成鋼管の鋼管内面に対して増肉用鋼管の鋼管外面部分が入り込む状態に熱間成形することを特徴とする請求項３または４記載の鋼管柱の製造方法。
   

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