JP2014031703A - 梁端部の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｈ形鋼等によって梁が構成される鋼構造物における梁端部の接合構造として、低コストでの施工によって、梁端接合部の先行降伏を回避しつつ、梁の耐疲労特性・変形性能を向上させることができる梁端部の接合構造を提供する。
【解決手段】柱１と梁２で構成される鋼構造物における梁端部の接合構造として、梁端部３１を直線状の辺からなる補強板６Ａで補強した上で、その梁端部３１における補強された材軸方向の範囲内で、梁２のフランジ２ａを孔開け加工して孔開け部７を設けることで、予測される曲げモーメント分布に対して、材軸方向で柱１に最も近い孔開け部７が存在する梁断面位置８が先行して降伏するようになっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、曲げモーメントにより生じる引張力を板要素が負担する梁部材（代表例はＨ形鋼）によって構成される梁を備えた鋼構造物における梁端部の接合構造に関するものである。

従来、柱（鉄骨柱）と、曲げモーメントにより生じる引張力を板要素が負担する梁部材（代表例はＨ形鋼）によって構成される梁を備えた鋼構造物においては、図１（イ）に平面図、図１（ロ）に立面図を示すように、柱１（柱スキンプレート１ａ）に梁２（フランジ２ａ、ウェブ２ｂ）の端部を建設現場で溶接接合する場合、施工条件の制約から梁端接合部３の断面性能（特に、ウェブ２ｂの耐力負担割合）が小さくなり、地震時に梁２に生じるモーメントによるひずみが梁端接合部３の近傍に集中しやすく、構造部材としての耐疲労特性・変形能力の点で課題があった。なお、図１において、４はダイヤフラム、５はスカラップである。

この課題について、図２（イ）に平面図、図２（ロ）に立面図を示すように、矩形状の補強版７６を柱スキンプレート１ａとフランジ２ａの幅先端部に溶接する一般的な梁端部３１の補強方法では、梁端接合部３の先行降伏・破壊は回避できるものの、補強板７６の梁端接合部３と反対側の端部７６ａに応力が集中する構造となり、その応力集中箇所７６ａが溶接ビードと重なることから耐疲労特性・変形性能の改善に限界があった。

これに対して、上記の課題を解決するために、特許文献１、２に、切欠部を設けた補強板で梁端部を補強することによって、耐疲労特性・変形能力を向上させる技術が開示されている。

すなわち、特許文献１では、図１４に平面図を示すように、曲線状の切欠部８９を備えた補強板８６を柱スキンプレート１ａと梁端部３１のフランジ２ａ幅先端部に溶接するとともに、切欠部８９の近傍のフランジ２ａに孔開け部８７を設けることによって、その切欠部８９が先行降伏するようにしている。

また、特許文献２では、図１５に平面図を示すように、梁端部３１のフランジ２ａ幅先端部に二種類の補強板（補強板９６ａ、補強板９６ｂ）を所定の間隔を置いて溶接するとともに、補強板９６ａと補強板９６ｂの間のフランジ２ａ部分を含めて、補強板９６ａから補強板９６ｂに至る切欠部９９を設けることによって、その切欠部９９が先行降伏するようにしている。

また、梁部材の応力状態を評価する手段としてＦＥＭ解析があるほか、非特許文献１によれば溶接継手部における応力集中係数を評価することが可能である。

なお、後述する［実施例１］の項にて、下記の非特許文献２、３を引用するので、ここに併せて記載しておく。

特開２００１−２０７５３３号公報 特開２００４−３５３４１９号公報

溶接継手部の応力集中係数、石川島播磨技報、第２３巻第４号、Ｓ５８年７月 鉄骨梁端溶接部の脆性的破断防止ガイドライン・同解説、Ｈ１５年９月 通しダイヤ角形鋼管柱−Ｈ形断面はりの耐力と変形性能、日本建築学会構造系論文集、第３８９号、Ｓ６３年７月

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術には、以下のような問題点がある。

・補強板８９に切欠部８９を形成するために曲線状の加工が必要で高コストとなる。

・現場溶接型接合形式の場合、梁端接合部３の先行降伏を回避するために、補強板８９の梁端接合部３側の幅を大きくし、切欠部８９において大きな減幅加工を行う必要がある。

・切欠部８９の近傍に孔開け部８７を設けた場合、その部分のみに損傷が集中する。

また、上記特許文献２に記載の技術にも、以下のような問題点がある。

・切欠部９９を形成するために、２種類の補強板９６ａ、９６ｂとその間の梁フランジ２ａを切削する加工が高コストである。

・先行降伏箇所（切欠部９９）の近傍に溶接ビード１００が位置するため、その箇所に応力集中が起こり、疲労特性が低下する恐れがある。

・上記応力集中を避けるためには、先行降伏箇所近傍の溶接ビード１００の切削が必要となる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、Ｈ形鋼等によって梁が構成される鋼構造物における梁端部の接合構造として、低コストでの施工によって、梁端接合部の先行降伏を回避しつつ、梁の耐疲労特性・変形性能を向上させることができる梁端部の接合構造を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］柱と、曲げモーメントにより生じる引張力を板要素が負担する梁とで構成される鋼構造物において、梁の柱への接合部を含む梁端部における前記板要素が直線状の辺からなる補強板で補強され、その梁端部における補強された材軸方向の範囲内で、前記板要素に材軸方向の複数箇所で孔開け加工を施され、予測される曲げモーメント分布に対して、前記孔開け加工を施された梁断面位置が先行して降伏するように構成されていることを特徴とする梁端部の接合構造。

［２］前記補強板によって補強された梁端部と前記柱との接合部である梁端接合部は、前記孔開け加工を施された梁断面位置の少なくとも一箇所が全塑性モーメントに達するまで弾性状態を維持できる耐力を有していることを特徴とする前記［１］に記載の梁端部の接合構造。

［３］前記孔開け加工によって形成された孔の縁の局所応力のうち少なくとも１つが、前記補強板の柱から遠い側の端部と前記板要素との接合箇所の局所応力よりも大きくなることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の梁端部の接合構造。

本発明によれば、Ｈ形鋼等によって梁が構成される鋼構造物における梁端部の接合構造として、低コストでの施工によって、梁端接合部の先行降伏を回避しつつ、梁の耐疲労特性・変形性能を向上させることができる。

従来の無補強である梁端部の接合構造を示す図である。 従来技術によって補強された梁端部の接合構造を示す図である。 本発明の実施形態１における梁端部の接合構造を示す図である。 本発明の実施形態２における梁端部の接合構造を示す図である。 本発明の実施形態３における補強後の梁の応力分布を示す図である。 従来例の変形能力を示す図である。 本発明例の変形能力を示す図である。 本発明の実施例１における試験体を示す図である。 従来例と本発明例の比較結果を示す図である。 本発明の実施例２における梁端部の接合構造を示す図である。 本発明の実施例２における比較結果を示す図である。 本発明例４における梁端部の補強板の板取例を示す図である。 本発明例３、４における梁端部の補強板と梁フランジの溶接部を示す図である。 特許文献１における梁端部の接合構造を示す図である。 特許文献２における梁端部の接合構造を示す図である。

本発明は、柱（鉄骨柱）と梁（Ｈ形鋼等）で構成される鋼構造物における梁端部の接合構造として、耐力負担能力の低い梁端接合部の梁端部を直線状の辺からなる補強板で補強した上で、その梁端部における補強された材軸方向の範囲内で、梁のフランジを孔開け加工により減断面することで、予測される曲げモーメント分布に対して、孔開け加工を施した梁断面位置が先行して降伏するようにすることによって、低コストの施工で、梁の耐疲労特性・変形性能を向上させるものである。なお、梁端接合部とは、梁端部と柱が接合された面を指す。

以下に、本発明の実施形態（実施形態１、実施形態２）を図面に基づいて説明する。

［実施形態１］
図３は、本発明の実施形態１における梁端部の接合構造を示す図であり、図３（イ）は平面図、図３（ロ）は立面図である。

図３に示すように、この実施形態１においては、柱（鉄骨柱）１と梁（Ｈ形鋼）２で構成される鋼構造物における梁端部３１の接合構造として、耐力負担能力の低い梁端接合部３を有する梁端部３１を直線状の辺からなる補強板６（６Ａ）で補強した上で、梁２の材軸方向に対し補強された範囲内で、梁２のフランジ２ａを孔開け加工して孔開け部７を設けている。

ここで、補強板６Ａは、梁２の材軸方向に平行な直線状の辺と梁２の材軸方向に直交する直線状の辺を有し、柱１側の幅が広く、柱１と反対側の幅が狭いという２段階の幅となっていて、柱スキンプレート１ａと梁２のフランジ２ａの幅先端部に溶接されている。

そして、材軸方向で補強板６Ａの幅が狭くなった範囲の梁フランジ２ａにおいて、幅方向に複数個（ここでは、２箇所）で材軸方向に複数箇所（ここでは、４箇所）に孔開け部７が設けられている。

これによって、予測される曲げモーメント分布に対して、材軸方向で柱１に最も近い孔開け部７が存在する梁断面位置８が先行して降伏した後、順次、材軸方向で柱１から遠ざかる方向の孔開け部７が存在する梁断面位置が降伏する。

なお、補強板６Ａによって補強された梁端部３１の梁端接合部３は、孔開け部７が存在する梁断面位置の少なくとも１箇所が全塑性モーメントに達するまでマクロ的に弾性状態を維持できる耐力を有していることが好ましい。

また、梁２のスカラップ５長さに相当する部分は、先行降伏箇所８のひずみ硬化による耐力上昇後においても、設計上断面が降伏しない程度の断面性能を有することが望ましい。これは、スカラップ５部分と先行降伏箇所８の断面耐力比が小さい場合、ひずみ硬化による耐力上昇後にスカラップ５底のひずみが増大し、スカラップ５底の亀裂を起点とした破断に至る可能性があるためである。

また、補強板６Ａの長さについては、補強板６Ａの柱１から遠い側の端部６ａの断面が、先行降伏箇所８のひずみ硬化による耐力上昇後においても降伏しない長さを有することが望ましい。これは、ひずみ硬化による耐力上昇後、補強板６Ａと梁フランジ２ａを接合する溶接箇所に亀裂が発生することを防ぐためである。

また、孔開け部７の径を適切に設計し、スカラップ５部分近傍を除いた補強部分の全塑性モーメントを、構造物の崩壊モード（通常は梁２の両端に塑性ヒンジが生じた状態）時におけるモーメント勾配に比例させることで、先行降伏箇所８の塑性化の進行を均一化させ、より耐疲労特性・変形能力を向上させることが可能である。

また、補強板６Ａで補強後の有効フランジ幅（フランジ幅＋補強板幅）とフランジ厚の比は、早期に座屈を起こさない値とすることが望ましいが、フランジ破断による急激な耐力低下を防ぐために、必要な性能を確保した上で補強後の梁２の破壊モードをフランジ２ａの局部座屈とする値を採用することもできる。

また、補強板６Ａの幅が変更する箇所のコーナ部６ｂには応力集中を回避するためにＲ部を設けてもよい。

このようにして、この実施形態１においては、以下のような効果を得ることができる。

（ａ）梁端部３１を補強板６Ａで補強することにより、現場溶接型接合形式においても梁端接合部３の先行降伏を回避することが容易である。

（ｂ）梁端部３１のフランジ２ａを補強板６Ａにより拡幅補強することにより、スカラップ５による断面欠損やウェブ接合部分の柱スキンプレート１ａの面外変形に起因する梁端接合部耐力低下による梁端接合部３近傍への変形集中を解消することができる。

（ｃ）梁端部３１のフランジ２ａに孔開け部７を設けたことにより、先行降伏箇所と溶接ビードを分離することができる。ちなみに、特許文献２では、図１５に示したように、先行降伏箇所（切欠部９９）の近傍に溶接ビード１００が位置するため、その箇所に応力集中が起こり、疲労特性が低下する恐れがあった。

（ｄ）梁端部３１のフランジ２ａに材軸方向の複数箇所で孔開け部７を設けたことにより、梁２の降伏範囲を拡大させることができる。

（ｅ）直線状の辺からなる補強板６Ａを用いるとともに、ドリル加工が可能な孔開け加工による断面低減方法を用いることにより、加工コストを低減させることができる。

（ｆ）上記（ａ）〜（ｅ）により、低コストの施工で優れた耐疲労特性・変形能力を有する柱梁接合部が実現可能となる。

（ｇ）さらに、元の梁断面を補強した上で孔開け加工を行うため、元の梁断面と同等以上の断面性能を保持することが可能となり、設計上のデメリットが無いという効果もある。

［実施形態２］
図４は、本発明の実施形態２における梁端部の接合構造を示す図であり、図４（イ）は平面図、図４（ロ）は立面図である。

本発明の実施形態２における梁端部の接合構造は、図３に示した本発明の実施形態１における梁端部の接合構造と基本的な構成は同じであるが、補強板６の形状が異なっている。

すなわち、図４に示すように、この実施形態２においては、柱（鉄骨柱）１と梁（Ｈ形鋼）２で構成される鋼構造物における梁端部３１の接合構造として、耐力負担能力の低い梁端接合部３を有する梁端部３１を直線状の辺からなる補強板６（６Ｂ）で補強した上で、補強された梁２の材軸方向の範囲内で、梁２のフランジ２ａを孔開け加工して孔開け部７を設けている。

ここで、補強板６Ｂは、柱１から遠ざかるにつれて所定の割合で幅が狭くなる形状であり、柱スキンプレート１ａと梁２のフランジ２ａの幅先端部に溶接されている。

そして、材軸方向で補強板６Ｂの範囲の梁フランジ２ａにおいて、幅方向に複数個（ここでは、２箇所）で材軸方向に複数箇所（ここでは、４箇所）に孔開け部７が設けられている。

これによって、予測される曲げモーメント分布に対して、材軸方向に孔開け部７が存在する複数箇所（ここでは、４箇所）の梁断面位置８が同時に先行して降伏する。

このようにして、この実施形態２においても、実施形態１と同様に、上記（ａ）〜（ｇ）の効果を得ることができる。

それに加えて、この実施形態２においては、先行降伏部位８を広く分布させて、塑性化が均一に起きるように設計されているので、より変形能力が高まるという効果が得られる。

また、補強板６Ｂの幅と孔開け部７の径を適切に設計することで上記の効果を得ることも可能である。

［実施形態３］
本発明の実施形態３について述べる。

この実施形態３は、上述した本発明の実施形態１における梁端部の接合構造（図３）あるいは本発明の実施形態２における梁端部の接合構造（図４）を前提にして、その際に孔開け加工によって形成した孔７の縁の局所応力のうち少なくとも１つが、前記補強板の柱から遠い側の端部と前記板要素との接合箇所の局所応力よりも大きくなるようにするものである。具体的には、孔７のうち、少なくとも柱１に最も近い孔の縁の局所応力が、補強板（ハンチ）６の柱１から遠い側の端部６ａと梁フランジ（板要素）２ａとの接合箇所の局所応力よりも大きくなるようにするものである。言い換えれば、孔７のうち、少なくとも柱１に最も近い孔の縁の局所応力が梁２の降伏応力に達した時に、前記接合箇所の局所応力は梁２の降伏応力に達しないようにするものである。そして、それを実現するために必要な、柱１から前記接合箇所までの距離（すなわち、補強板６の長さ；ハンチ６の補強部長さ）について以下に説明する。

いま、柱１に最も近い孔の縁の応力集中係数をＫ１、その孔中心の柱１からの距離をＬ１、その孔位置断面の補強後の断面係数をＺ１、補強板６の柱１から遠い側の端部６ａと梁フランジ２ａとの接合箇所の応力集中係数をＫ２、柱１から前記接合箇所までの距離（ハンチの補強部長さ；ハンチ長さ）をＬ２、前記接合箇所の梁２の断面係数をＺ２、梁２の柱１面から反曲点までの距離をＬ、梁材２の降伏応力をσｙとする。図５は、その際の、補強後の梁端部を含む梁２の応力状態を示す図である。

そして、上述したように、柱１に最も近い孔の縁の局所応力をσ１、前記接合箇所の局所応力をσ２として、σ１が降伏応力σｙに達した時に、前記接合箇所の局所応力σ２は降伏応力σｙに達しないようにする、すなわち、下記（１）式を満たすためのハンチ長さＬ２を求める。

σ１＝σｙ＞σ２ ・・・（１）

まず、柱１に最も近い孔の縁の局所応力σ１が降伏応力σｙに達して、
σ１＝σｙ ・・・（２）
となった際の、柱１に最も近い孔位置のフランジ外面平均応力σ３は下記（３）式のようになり、その孔位置の梁断面に作用するモーメントＭ１は下記（４）式のようになる。

σ３＝σｙ／Ｋ１ ・・・（３）
Ｍ１＝σｙ／Ｋ１・Ｚ１ ・・・（４）

したがって、前記接合箇所の梁断面に作用するモーメントＭ２は下記（５）式のようになり、前記接合箇所のフランジ外面平均応力σ４（＝Ｍ２／Ｚ２）は下記（６）式のようになる。

Ｍ２＝（Ｌ−Ｌ２）／（Ｌ−Ｌ１）・σｙ／Ｋ１・Ｚ１ ・・・（５）
σ４＝（Ｌ−Ｌ２）／（Ｌ−Ｌ１）・σｙ／Ｋ１・Ｚ１／Ｚ２ ・・・（６）

この（６）式より、前記接合箇所の局所応力σ２は下記（７）式のようになる。

σ２＝Ｋ２・（Ｌ−Ｌ２）／（Ｌ−Ｌ１）・σｙ／Ｋ１・Ｚ１／Ｚ２ ・・・（７）

これにより、前記（１）を満たすには、下記（８）式となる。

σｙ＞Ｋ２・（Ｌ−Ｌ２）／（Ｌ−Ｌ１）・σｙ／Ｋ１・Ｚ１／Ｚ２ ・・・（８）

その結果、ハンチ長さＬ２は、下記（９）式により求められる。

Ｌ２＞Ｌ−（Ｌ−Ｌ１）・Ｋ１・Ｚ２／（Ｋ２・Ｚ１） ・・・（９）

これによって、柱１に最も近い孔縁を、補強板６の柱１から遠い側の端部６ａと梁フランジ２ａの接合箇所よりも先に降伏させることができる。このような方法にてハンチ長さＬ２を設定することにより、溶接ビードを応力集中箇所から離すことができ、その結果、溶接ビードの切削も避けることが可能となる。

なお、孔縁の応力集中係数Ｋ１は、有孔板の応力集中係数であり、例えばＦＥＭ解析等で直接評価することができる。

また、接合箇所の応力集中係数Ｋ２は、溶接線を含むが、例えば、前記非特許文献１のように、ＦＥＭ解析等で求められる構造的不連続による応力集中係数Ｋｇと、溶接部の局部的応力集中係数Ｋｔの積により求めることができる。すなわち、下記（１０）式の如くである。

Ｋ２＝Ｋｇ×Ｋｔ ・・・（１０）

ちなみに、前記非特許文献１においては、溶接部の局部的応力集中係数Ｋｔは、以下のようにして算出している。なお、ここでは、溶接継手は突合せ継手で、作用する荷重は引張荷重とする。

いま、被溶接材の板厚をｔ、ビード高さをｈ、ビード幅（半長）をｈｐ、フランク角をθ、未溶着厚をａ、止端部曲率半径をρとして、応力集中係数Ｋｔを下記（１１）式によって算出している。

Ｋｔ＝［１＋ｆ（θ）｛ｇ（ρ）−１｝］Ｃ（ａ／ｔ） ・・・（１１）

そして、上記（１１）式の右辺の関数ｆ（θ）は下記（１２）式の如くである。

ここで、上記（１２）式のＷは、突合せ継手の場合は、下記（１３）式となる。

Ｗ＝ｔ＋２ｈ＋０．６ｈｐ ・・・（１３）

また、上記（１１）式の右辺の関数ｇ（ρ）は下記（１４）式の如くである。

ｇ（ρ）＝αｔ・ｇｔ（ρ）＋αｂ・ｇｂ（ρ） ・・・（１４）

ここで、上記（１４）式の右辺第１項の係数αｔは、引張荷重の場合、
αｔ＝１．０ ・・・（１５）
となる。

また、上記（１４）式の右辺第１項の関数ｇｔ（ρ）は、下記（１６）式のようになる。

ここで、下記（１６）式の係数βｔは溶接継手に応じた値であり、突合せ継手の場合は、
βｔ＝２．０ ・・・（１７）
となる。

なお、上記（１４）式の右辺第２項の係数αｂは、引張荷重の場合、
αｂ＝０ ・・・（１８）
となる。したがって、上記（１４）式の右辺第２項は不要となる。

そして、上記（１１）式の右辺の関数Ｃ（ａ／ｔ）は、下記（１９）式の如くである。

このようにして、孔開け加工によって形成した孔７のうち、少なくとも柱１に最も近い孔の縁の局所応力が梁２の降伏応力に達した時に、前記接合箇所の局所応力は梁２の降伏応力に達しないようにすることによって、より一層、高い耐疲労性能を得ることができる。

本発明の実施例１として、柱径４００ｍｍ、板厚１６ｍｍの角形鋼管柱に、せい５００ｍｍ、幅２００ｍｍ、ウェブ厚１２ｍｍ、フランジ厚１９ｍｍ、スカラップ高さ３５ｍｍ、降伏応力４１２．５Ｎ／ｍｍ^２、引張強度５５０Ｎ／ｍｍ^２の梁（Ｈ形鋼）を接合する場合の検討を行った。

ウェブは高力ボルト摩擦接合とし、強度区分Ｆ１０Ｔ、サイズＭ２０、１２本、２列配置、ピッチ５５ｍｍとしている。

梁のモーメント分布は、柱芯間距離が６０００ｍｍ、逆対称曲げとなる場合を想定し、柱芯から３０００ｍｍの位置をモーメント０とする三角形分布を考えた。

そして、従来例１として、図１に示した無補強の梁端部の接合構造、従来例２として、図２に示した従来技術による補強を施した梁端部の接合構造、本発明例１として、図３に示した本発明の実施形態１における梁端部の接合構造、本発明例２として、図４に示した本発明の実施形態２における梁端部の接合構造を検討対象とした。

なお、ウェブの有効断面高さ及び負担荷重は、非特許文献２、非特許文献３に記載の方法を用いて検討した。ただし、高力ボルト接合部については外側３本がモーメントによる梁材軸方向の応力を伝達し、その他のボルトは梁のせん断荷重を負担するものとした。ウェブの負担荷重は前記ウェブ有効高さによる耐力とボルト接合部の耐力の小さいほうの値とした。

表１、図６、図７に、従来例１、２と本発明例１、２の検討結果を示す。

表１では、梁端接合部（柱との接合面位置）、先行降伏部位、補強板端（柱と反対側の位置）の梁降伏モーメントとその時の梁せん断力、及び終局耐力（先行降伏部位におけるフランジを引張強度，ウェブ（有効断面）を降伏応力で計算した全塑性モーメント）時梁せん断力を比較している。

図６、図７は、梁の全塑性モーメントの長さ方向分布と終局耐力時の曲げモーメント分布を図示したものであり、図６（イ）は従来例１、図６（ロ）は従来例２、図７（イ）は本発明例１、図７（ロ）は本発明例２である。

ちなみに、終局耐力時の曲げモーメントよりも全塑性モーメントが低い部分が主に塑性化するため、該当する部分が長いほど変形能力が大きい。一方、梁端接合部や補強板端は溶接ビードと重なるため、できるだけ降伏させないほうが良い。

まず、図６（イ）に示す従来例１では、梁端接合部の曲げ耐力が梁の全断面有効時全塑性モーメントを下回るため、梁端接合部近傍に歪が集中する。

また、図６（ロ）に示す従来例２では、先行降伏部位の最大耐力時に梁端接合部に作用するモーメントが梁端接合部の曲げ耐力以下となるよう設計されているが、先行降伏部位が補強板の柱反対側の端であり、溶接ビードの端と一致するため応力集中を起こしやすい。

これに対して、図７（イ）に示す本発明例１では、先行降伏部位の最大耐力時に梁端接合部に作用するモーメントが梁端接合部の曲げ耐力以下となるよう設計されており、先行降伏部位と溶接ビードが分離されている。ただし、補強板の柱反対側の端は先行降伏部位の最大耐力時には降伏するものの、塑性化の程度は小さい。

これに対して、図７（ロ）に示す本発明例２では、本発明例１の効果に加えて、先行降伏部位を広く分布させ、塑性化が均一に起きるよう設計されており、より変形能力が高まる。

次に、図８に示す試験体と載荷要領によって、上記の従来例１、２と本発明例１のそれぞれの梁端部の接合構造について、低サイクル疲労試験を行った。図９に、その試験結果を示す。

ここで、梁の試験曲げ耐力（全変形量から弾性変形分を除いた永久変形量が梁長さ２８００ｍｍの０．２％となる時点での荷重）を弾性剛性で除した塑性変形の基準量をδｐとして、１．３δｐ、２．５δｐの振幅で繰返し載荷を行い、２回目サイクルの最大耐力（１回目のサイクルはひずみ硬化が小さいため耐力が若干低い）の９０％を維持した繰返し数を低サイクル疲労寿命として評価した。

図９において、同じ振幅（塑性率）に対して繰返し数が多いほど耐疲労性能が高く、本発明例１は高い耐疲労性能が得られていることがわかる。

本発明の実施例２として、上記の本発明の実施形態３の効果の確認するために、柱径４００ｍｍ、板厚１６ｍｍの角形鋼管柱に、せい５００ｍｍ、幅２００ｍｍ、ウェブ厚１２ｍｍ、フランジ厚１９ｍｍ、スカラップ高さ３５ｍｍ、降伏応力４１２．５Ｎ／ｍｍ^２、引張強度５５０Ｎ／ｍｍ^２の梁（Ｈ形鋼）を接合する場合の構造実験を行った。

ウェブは高力ボルト摩擦接合とし、強度区分Ｆ１０Ｔ、サイズＭ２０、１２本、２列配置、ピッチ５５ｍｍとしている。

梁のモーメント分布は、柱芯間距離が６０００ｍｍ、逆対称曲げとなる場合を想定し、柱芯から３０００ｍｍの位置をモーメント０とする三角形分布を考えた。この場合梁と柱の接合面からモーメント反曲点までの距離は２８００ｍｍである。

そして、本発明例３は、図１０（イ）に示すような梁端部の接合構造とした。本発明例３のハンチ長さＬ２は５００ｍｍである。また、本発明例４は、図１０（ロ）に示すような梁端部の接合構造とした。本発明例４のハンチ長さＬ２は７００ｍｍである。

ここで、本発明例３、４においては、図１０（イ）、（ロ）に示すように、補強板の厚さは梁フランジの厚さと同じ１９ｍｍ、孔位置の幅は３８ｍｍであり、孔径も同じく３８ｍｍである。したがって、孔位置断面の断面係数Ｚ１と、補強板の柱から遠い側の端部と梁フランジとの接合箇所の断面係数Ｚ２は共に２１５４ｃｍ^３である。また、柱に最も近い孔の柱からの距離は２００ｍｍである。

そして、孔縁の応力集中係数Ｋ１は、同形状モデルを用いたＦＥＭ解析により、１．９３である。また、前記接合箇所の構造的不連続による応力集中係数Ｋｇは、同じくＦＥＭ解析により、１．６８である。当該箇所の溶接による局所的応力集中係数Ｋｔは、前記非特許文献１に基づく前記（１１）〜（１９）式により、１．４０である。したがって、前記接合箇所の応力集中係数Ｋ２は、前記（１０）式に基づいて２．３５（＝１．６８×１．４０）となる。

ちなみに、局所的応力集中係数Ｋｔを前記（１１）〜（１９）式によって算出する際に用いた値は、接合構造体の設計値、溶接部の実測データより、ビード高さｈ＝２．８ｍｍ、ビード幅（半長）ｈｐ＝９．０ｍｍ、フランク角θ＝１５．２５°、未溶着厚ａ＝５．０ｍｍ、止端部曲率半径ρ＝３．１ｍｍであった。

なお、梁フランジと補強板の間では溶接線と平行方向のせん断力により応力伝達されるが、溶接線に対して直角方向の引張力が作用する場合の応力集中係数と同等とみなして算定を行った。

その結果、前記（１）式を満たすために必要なハンチ長さＬ２は、前記（９）式に基づいて、以下のようになる。

Ｌ２＞２８００ｍｍ−（２８００ｍｍ−２００ｍｍ）×１．９３×２１５４ｃｍ^３／（２．３５×２１５４ｃｍ^３）＝６６５ｍｍ

したがって、本発明例３は、ハンチ長さＬ２が上記の条件を満足していないのに対して、本発明例４は、ハンチ長さＬ２が上記の条件を満足している。

そして、本発明例３と本発明例４について、上記の実施例１と同様の低サイクル疲労試験を行った。

なお、比較のために、図１に示した無補強の梁端部の接合構造を従来例３とし、図２に示した従来技術による補強を施した梁端部の接合構造を従来例４として、同じく低サイクル疲労試験を行った。なお、従来例３、４では、補強板６と孔７以外は、本発明例３、４と同じにした。そして、従来例４の補強板７６は、厚さ１９ｍｍ、長さ１７５ｍｍとした。

その結果、図１１に示すように、従来例３、４に比べて、本発明例３、４はともに良好な疲労寿命を備えているが、ハンチ長さＬ２が上記の条件を満足していない本発明例３では、前記接合箇所からの亀裂が進展し梁が破断したのに対し、ハンチ長さＬ２が上記の条件を満足している本発明例４では、孔位置から亀裂が進展し、図１１に示すとおり、本発明例４は本発明例３の２．５倍以上の疲労寿命が得られた。

なお、図１２は、本発明例４における補強板の板取を示す図である。

図１２（イ）は、すべて直線で切断する場合である。また、図１２（ロ）は、隅肉溶接を容易にするため、ハンチ６の柱から遠い側の端部６ａを１０ｍｍ切り落とし、板幅の切り替え部６ｃの応力集中を避けるために、部分的に曲線形状に切断する場合である。さらに、図１２（ハ）は、板幅の切り替え部６ｃの角度を緩くした場合である。

いずれの場合も、板取時の鋼材のロスを最小とすることが可能であり、特に、図１２（ロ）の形状とすることで、加工性と疲労特性の向上が期待できる。また、図１２（ハ）のように板幅を変更する角度を緩くすることで、さらに疲労特性の向上が期待できる。

また、図１３は、本発明例３、４における補強板６の溶接方法を示す図である。

本発明例３、４では、従来例４と比較して、補強板６と梁フランジ２ａの接合部が長く、当該接合部において単位長さあたりの伝達すべきせん断力が小さいため、当該接合部の一部または全てにおいて、図１３に示すような、開先１１を設けた、溶接量の少ない突合せ溶接を採用することができる。

１ 柱
１ａ 柱スキンプレート
２ 梁
２ａ 梁フランジ
２ｂ 梁ウェブ
３ 梁端接合部
４ ダイヤフラム
５ スカラップ
６ 補強板
６Ａ 補強板
６Ｂ 補強板
６ａ 補強板の柱から反対側の端
６ｂ 補強板の段差角部
６ｃ 補強板の幅切り替え部
７ 孔開け部
８ 先行降伏断面部位
１０ 降伏箇所の溶接ビード
１１ 開先
３１ 梁端部
７６ 補強板
８６ 補強板
８７ 孔開け部
８９ 曲線状の切欠部
９６ａ、９６ｂ 補強板
９９ 曲線状の切欠部
１００ 溶接ビード

Claims (3)

1. 柱と、曲げモーメントにより生じる引張力を板要素が負担する梁とで構成される鋼構造物において、梁の柱への接合部を含む梁端部における前記板要素が直線状の辺からなる補強板で補強され、その梁端部における補強された材軸方向の範囲内で、前記板要素に材軸方向の複数箇所で孔開け加工を施され、予測される曲げモーメント分布に対して、前記孔開け加工を施された梁断面位置が先行して降伏するように構成されていることを特徴とする梁端部の接合構造。
2. 前記補強板によって補強された梁端部と前記柱との接合部である梁端接合部は、前記孔開け加工を施された梁断面位置の少なくとも一箇所が全塑性モーメントに達するまで弾性状態を維持できる耐力を有していることを特徴とする請求項１に記載の梁端部の接合構造。
3. 前記孔開け加工によって形成された孔の縁の局所応力のうち少なくとも１つが、前記補強板の柱から遠い側の端部と前記板要素との接合箇所の局所応力よりも大きくなることを特徴とする請求項１または２に記載の梁端部の接合構造。

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