JP2006231340A - 接合構造及び接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高力ボルト継手を使って桁部材どうしを良好に接合できる接合構造を提供する。
【解決手段】 第１の桁部材１０及び第２の桁部材１０のそれぞれの側面に当接する添接板と、第１、第２の桁部材のそれぞれと添接板３とを結合するボルト部材４とを備え、第１の桁部材の端面と第２の桁部材の端面とは所定の溶接材料を用いて溶接されており、溶接により生成される溶接金属５は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の材料組成が設定される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、桁部材どうしを接合する接合構造及び接合方法に関するものである。

海洋構造物や橋梁等の大型鋼構造物を製造するとき、桁部材どうしは継手により接合される。下記特許文献１には継手に関する技術の一例が開示されている。
特開２００２−２７６０３６号公報

ところで、桁部材どうしを高力ボルト継手を使って接合したとき、桁部材の突き合わせ面どうしを溶接する構成が考えられる。桁部材どうしを溶接したとき、溶接時の加熱及び冷却により溶接変形が生じる場合がある。溶接変形が発生する原因として、溶接熱により融点以上に加熱された溶接金属が溶接後の冷却中に凝固・収縮し、発生する応力により変形が生じることが挙げられる。

高力ボルト継手は、ボルトによって複数の部材どうしを締め付けたときの締め付け力により発生するそれら部材どうしの間に発生する摩擦力、あるいはボルト（ボルトの部材に対する接触面）と部材との間に発生する摩擦力を使って接合するものである。すなわち、高力ボルト継手は、部材どうしを摩擦力によって接合するいわゆる摩擦接合の原理で接合する。そのため、溶接変形が発生すると、部材どうしの相対的な位置関係やボルトと部材との位置関係が変動する、いわゆる「すべり」が発生し、高力ボルト継手自体の品質や信頼性が劣化するおそれがある。そして、高力ボルト継手を構造物に適用した場合において、すべりが発生すると、構造物の架設精度が低下する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、高力ボルト継手を使って桁部材どうしを良好に接合できる接合構造及び接合方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の接合構造は、第１の桁部材の端面と第２の桁部材の端面とを突き合わせた状態で接合する接合構造において、前記第１の桁部材及び前記第２の桁部材のそれぞれの側面に当接する添接板と、前記第１、第２の桁部材のそれぞれと前記添接板とを結合するボルト部材とを備え、前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とは所定の溶接材料を用いて溶接されており、前記溶接により生成される溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されることを特徴とする。

また本発明の接合方法は、第１の桁部材と第２の桁部材とを接合する接合方法において、前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを突き合わせた状態で、前記第１の桁部材及び前記第２の桁部材のそれぞれの側面に添接板を当接し、前記第１、第２の桁部材のそれぞれと前記添接板とをボルト部材によって結合し、前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを所定の溶接材料を用いて溶接し、前記溶接により生成される溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されることを特徴とする。

本発明によれば、添接板とボルト部材とを備えた高力ボルト継手を使って第１の桁部材と第２の桁部材とを接合した場合において、第１の桁部材の端面（突き合わせ面）と第２の桁部材の端面（突き合わせ面）とを所定の溶接材料を用いて溶接によって接合するとき、溶接したときに生成される溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、溶接金属の組成が設定されることで、溶接に伴う熱変形（熱収縮）を低減し、第１、第２の桁部材等に発生する応力を緩和することができる。換言すれば、第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように、溶接金属の組成を設定することで、溶接後（補修後）において第１、第２の桁部材等に発生する応力を緩和することができる。したがって、第１、第２の桁部材等の変形を防止し、高力ボルト継手を補強することができ、高力ボルト継手の品質を向上することできる。高力ボルト継手は、部材どうしを摩擦力によって接合するいわゆる摩擦接合の原理で接合するが、本発明においては溶接変形の発生が抑制されているため、例えば桁部材と添接板との間のすべり、あるいはボルト部材（ボルトの添接板に対する接触面）と添接板との間のすべりの発生が抑制されるので、高力ボルト継手自体の品質や信頼性を維持できる。そして、この高力ボルト継手を構造物に適用した場合においては、構造物の架設精度を維持することができる。

本発明の接合方法において、前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを前記所定の溶接材料を用いて溶接して前記溶接金属の第１層を形成した後、前記所定の溶接材料とは別の溶接材料を用いて前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを溶接して第２層を形成する構成を採用することができる。これによれば、例えば第１層の強度（脆性）が低い場合などにおいても、強度の高い第２層を形成することで、高力ボルト継手の品質や強度を維持することができる。

本発明の接合方法において、前記第２層を形成した後、前記第１層を除去し、該第１層が除去された前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを、前記所定の溶接材料とは別の溶接材料を用いて溶接する構成を採用することができる。これによれば、第１層が例えば所望の強度（脆性）を有していない場合でも、その第１層を除去して別の層で溶接することで、高力ボルト継手の品質や強度を維持することができる。

ここで、「溶接金属」とは、所定の溶接材料を使って被溶接材（ここでは第１、第２の桁部材等）を溶接したときに生成される金属を言う。本発明では、第１状態から第２状態に遷移した場合でもその膨張量又は収縮量が許容値以下となるように（第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように）、被溶接材に応じて、最適な溶接材料が設定（選定）される。

本発明によれば、高力ボルト継手と溶接とを併用して桁部材どうしを良好に接合することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は補修対象である既設構造物の一例を示す図であって、橋梁の主桁を示す斜視図、図２は正面図である。

図１及び図２において、主桁１０は、フランジ部１及びウェブ部２を有する形鋼であって、本実施形態においてはＩ形鋼により構成されている。なお、主桁１０はＨ形鋼やみぞ形鋼であってもよい。すなわち、主桁１０はフランジ部及びウェブ部を有する形鋼であればよい。

主桁１０は複数の桁部材（Ｉ形鋼）により構成されており、隣接する桁部材どうしは、高力ボルト継手Ｔ及び溶接部５を含む接合構造Ｓにより接合されている。図１に示す例では、第１の桁部材１０Ａと第２の桁部材１０Ｂとが接合構造Ｓで接合されている。なお実際には、主桁１０は多数の桁部材で構成され、それぞれの桁部材どうしが接合構造Ｓで接合されるが、図１においてはその図示を省略してある。

高力ボルト継手Ｔは、第１の桁部材１０Ａのウェブ部２と第２の桁部材１０Ｂのウェブ部２とのそれぞれに当接するように配置された添接板３と、添接板３とウェブ部２とを結合するボルト部材４とを備えている。添接板３は、ウェブ部２の表裏面（側面）のそれぞれに当接するように２つ設けられており、ウェブ部２はその表裏面を添接板３、３で挟まれた構成となっている。添接板３は、ボルト部材４を配置可能な孔を有している。また、ウェブ部２にも、添接板３の孔に対応する孔が形成されている。そして、第１の桁部材１０Ａの端面（突き合わせ面）と第２の桁部材１０Ｂの端面（突き合わせ面）とを突き合わせた状態で、ボルト部材４をウェブ部２及び添接板３の孔に配置し、ボルト部材４をナット（不図示）で締め付けることにより、第１の桁部材１０Ａのウェブ部２と添接板３、３とが固定されるとともに、第２の桁部材１０Ｂのウェブ部２と添接板３、３とが固定される。

また、第１の桁部材１０Ａのフランジ部１の端面（突き合わせ面）と、第２の桁部材１０Ｂのフランジ部１の端面（突き合わせ面）とは、溶接材料を使って溶接されている。これにより、第１の桁部材１０Ａのフランジ部１の端面と、第２の桁部材１０Ｂのフランジ部１の端面との間には溶接材料を含む溶接部５が設けられる。本実施形態においては、溶接部５は、第１の溶接材料を用いた溶接により生成された第１層５Ａと、第１の溶接材料とは別の第２の溶接材料を用いた溶接により生成された第２層５Ｂとを含んで構成されている。溶接は、高力ボルト継手Ｔによって第１の桁部材１０Ａと第２の桁部材１０Ｂとを結合した後に行われる。溶接する際には、フランジ部１どうしの接続部を所定の開先形状にし、この開先内に溶接材料を溶着する。

溶接材料を使って被溶接材を溶接することにより、溶接後の溶接部５においては所定の金属が形成される。以下の説明においては、第１の溶接材料を用いて被溶接材を溶接したときに生成される金属を適宜「第１の溶接金属」と称し、第２の溶接材料を用いて被溶接材を溶接したときに生成される金属を適宜「第２の溶接金属」と称する。

本実施形態において、第１の溶接材料を用いた溶接により生成される第１の溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こす。そして、マルテンサイト変態開始時における第１の溶接金属の状態を第１状態とし、室温まで冷却された第１の溶接金属の状態を第２状態としたとき、第１の溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、第１の溶接金属の材料組成が設定されている。ここで、許容値とは、第１の溶接金属が第２状態になった場合においても、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂや高力ボルト継手Ｔに所定値以上の応力が生じないように予め設定された値である。なお、この応力に関する所定値とは、必要とされる高力ボルト継手Ｔの品質や強度に応じて決定される。すなわち、第１の溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量を許容値以下に抑えることができれば、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂなどに所定値以上の応力（溶接変形に起因する応力）が作用することを防止することができる。好ましくは、第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように、第１の溶接金属の材料組成が設定されることが望ましい。高力ボルト継手Ｔは摩擦力によって第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂを接合しているが、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂが溶接変形すると、高力ボルト継手Ｔの摩擦状態が変動し、高力ボルト継手Ｔの品質、ひいては接合構造Ｓ全体の品質の劣化を招く。すなわち、溶接変形が生じると、例えば桁部材１０Ａ、１０Ｂのウェブ部２と添接板３との間、あるいはボルト部材４（ボルト部材４の添接板３に対する接触面）と添接板３との間にすべりが発生し、接合構造Ｓ自体の品質や信頼性が劣化するおそれがある。本実施形態では、第１の溶接金属に生じる膨張又は収縮が抑えられているので、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂの溶接変形を抑制し、高力ボルト継手Ｔの品質を維持することができる。

そして、第１状態から第２状態に遷移した場合でもその膨張量又は収縮量が許容値以下となるように（第１状態から第２状態に遷移した場合でもほぼ膨張又は収縮しないように）、被溶接材（フランジ部１）に応じて、最適な第１の溶接材料が設定（選定）される。

第１の溶接金属の材料組成としては、例えば特開２００１−２２５１８９号公報に開示されているように、溶接により形成された溶接金属が、Ｃ：0.20質量％以下、Ｃｒ：3.0 〜11.5質量％、Ｎｉ：3.0 〜10.5質量％を含有する鉄合金組成で、かつ360 ℃以下100 ℃以上のマルテンサイト変態開始温度を有し、さらに該マルテンサイト変態開始温度から30℃（室温）までの温度範囲の線膨張量が１mmあたり−３×10^-3mm／℃以上３×10^-3mm／℃未満である温度−伸び曲線を示す組成とすることができる。

そして、上述の組成の第１の溶接金属を形成できるように、被溶接材に適合した溶接条件で、使用する第１の溶接材料を適宜選定することができる。また、ここでは、線膨張量の許容範囲を−３×10^-3mm／℃以上３×10^-3mm／℃未満としているが、上述したように、補修後において必要とされる高力ボルト継手Ｔ（接合構造Ｓ）の品質や強度に応じて、許容範囲（許容値）を厳しく設定したり、あるいは緩く設定することができる。そして、材料組成を適宜変更することで、前記膨張量又は収縮量を調整することができる。

また、第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量は、第１の溶接金属の材料組成の他に、溶接方法や溶接条件に応じても変化する可能性があるため、最適な膨張量又は収縮量を得るために、最適な溶接方法あるいは溶接条件を決定するとよい。本実施形態においては、溶接方法として、被覆アーク溶接、ガスメタルアーク溶接、サブマージアーク溶接、ＦＣＷなど各種溶接法がいずれも好適に適用できる。

ところで、図２に示すように、第１の桁部材１０Ａのフランジ部１と第２の桁部材１０Ｂのフランジ部１との間には、上述の第１の溶接金属からなる第１層５Ａに加えて、第１の溶接材料とは別の第２の溶接材料を用いて溶接することによって形成された第２の溶接金属からなる第２層５Ｂが設けられている。本実施形態においては、第１の桁部材１０Ａのフランジ部１の端面と第２の桁部材１０Ｂのフランジ部１の端面とを第１の溶接材料を用いて溶接して第１の溶接金属の第１層５Ａを形成した後、第１の桁部材１０Ａのフランジ部１の端面と第２の桁部材１０Ｂのフランジ部１の端面とを第２の溶接材料を用いて溶接して第２層５Ｂが形成される。上述のように、第１層５Ａを形成するときにおいては、ほぼ溶接変形（熱変形）が生じないため、はじめに第１層５Ａによって第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂどうしを溶接することで、互いの位置関係が維持される。そして、第１層５Ａの強度（脆性）が比較的低い場合には、所望の強度を有する第２層５Ｂによって第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂどうしを接合することで、接合構造Ｓ全体の強度（品質）を向上できる。ここで、第２層５Ｂを形成することによって溶接変形が生じる可能性があるが、予め設けられている第１層５Ａによって、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂの互いの位置関係が維持されているので、第２層５Ｂを形成することによっても、溶接変形が生じる不都合は抑制されている。

また、図３に示すように、第２層５Ｂを形成した後、第１層５Ａを除去し、第１層５Ａが除去された第１の桁部材１０Ａのフランジ部１の端面と第２の桁部材１０Ｂのフランジ部１０Ｂの端面とを、第１の溶接材料とは別の第３の溶接材料を用いて溶接して第３層５Ｃを形成することができる。ここで、第３層５Ｃは所望の強度を有している。なお、第３層５Ｃ（第３の溶接材料）と第２層５Ｂ（第２の溶接材料）とは同じ材料であってもよいし、別の材料であってもよい。上述のように、第２層５Ｂを形成するときには、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂの互いの位置関係が維持されており、第２層５Ｂを形成した後においても、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂの互いの位置関係は維持される。したがって、第１層５Ａを除去しても、第１、第２の桁部材１０Ａ、１０Ｂの互いの位置関係は維持される。そして、比較的強度が低い第１層５Ａを除去して、その代わりに所望の強度を有する第３層５Ｃを溶接によって設けることにより、接合構造Ｓ全体の強度（品質）を向上することができる。

なお、上述した実施形態においては、補修対象として橋梁を例にして説明するが、例えば船舶、海洋構造物、ペンストック、橋梁、貯槽、建設機械等の大型鋼構造物にも本発明を適用可能である。

本発明の継手構造を有する構造物の一例を示す斜視図である。 本発明の継手構造の一実施形態を説明するための図である。 本発明の継手構造の別の実施形態を説明するための図である。

符号の説明

３…添接板、４…ボルト部材、５…溶接部、５Ａ…第１層、５Ｂ…第２層、１０Ａ…第１の桁部材、１０Ｂ…第２の桁部材、Ｔ…高力ボルト継手、Ｓ…接合構造

Claims (4)

1. 第１の桁部材の端面と第２の桁部材の端面とを突き合わせた状態で接合する接合構造において、
   前記第１の桁部材及び前記第２の桁部材のそれぞれの側面に当接する添接板と、
   前記第１、第２の桁部材のそれぞれと前記添接板とを結合するボルト部材とを備え、
   前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とは所定の溶接材料を用いて溶接されており、
   前記溶接により生成される溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、
   前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、
   室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、
   前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されることを特徴とする接合構造。
2. 第１の桁部材と第２の桁部材とを接合する接合方法において、
   前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを突き合わせた状態で、前記第１の桁部材及び前記第２の桁部材のそれぞれの側面に添接板を当接し、
   前記第１、第２の桁部材のそれぞれと前記添接板とをボルト部材によって結合し、
   前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを所定の溶接材料を用いて溶接し、
   前記溶接により生成される溶接金属は、溶接後の冷却過程でマルテンサイト変態を起こし、
   前記マルテンサイト変態開始時における前記溶接金属の状態を第１状態とし、
   室温まで冷却された前記溶接金属の状態を第２状態としたとき、
   前記溶接金属の第１状態に対する第２状態の膨張量又は収縮量が予め定められた許容値以下となるように、該溶接金属の組成が設定されることを特徴とする接合方法。
3. 前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを前記所定の溶接材料を用いて溶接して前記溶接金属の第１層を形成した後、前記所定の溶接材料とは別の溶接材料を用いて前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを溶接して第２層を形成することを特徴とする請求項２記載の接合方法。
4. 前記第２層を形成した後、前記第１層を除去し、該第１層が除去された前記第１の桁部材の端面と前記第２の桁部材の端面とを、前記所定の溶接材料とは別の溶接材料を用いて溶接することを特徴とする請求項３記載の接合方法。
   

Images