JP2017089125A - 突合せ溶接継手構造、仕口構造、構造物および接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】角部寸法の異なる角形鋼管どうしを溶接の欠陥なく、確実に突合せ溶接することができる突合せ溶接継手構造、仕口構造、構造物および接合方法を提供する。【解決手段】断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管１、２どうしを突合せ溶接した継手構造であって、一方の角形鋼管１の端部の内側面に、他方の角形鋼管２の端部に向けて突出した第一裏当て金３ａを取り付けるとともに、他方の角形鋼管２の端部の内側面に第二裏当て金３ｂを取り付けて、第一裏当て金３ａと第二裏当て金３ｂを当接状態にして角形鋼管１、２どうしを突合せ溶接した。【選択図】図８

Description

本発明は、例えば、鋼構造物の柱梁接合部のノンダイアフラム仕口に用いられる柱の突合せ溶接継手を構成する突合せ溶接継手構造、およびこの突合せ溶接継手構造を有する仕口構造、ならびにこの突合せ溶接継手構造または仕口構造を有する構造物および接合方法に関するものである。

従来、鋼構造物の柱と梁の接合部やトラス架構など部材が交差する結節点において、柱等の主部材よりも厚肉の断面を有する接合部材を使用することで、ダイアフラムやリブを省略した合理化構造が広く採用されている。このような構造を採用する場合、柱等の主部材と梁等の副部材の外形のサイズ（辺長）は略同一とすることが多い。この構造の一例として柱梁接合部のノンダイアフラム仕口がある。

従来のノンダイアフラム仕口としては、厚肉の仕口部鋼管に鋳鋼を用いたもの（例えば、特許文献１を参照）や、溶接組立による角形鋼管を用いたもの（例えば、特許文献２を参照）などが知られている。また、断面角部に曲率を有する角形鋼管で、角部寸法の異なる鋼管どうしを接合する構造として、例えば特許文献３に示すような構造が知られている。特許文献３は、角形鋼管からなる２つの主部材を、主部材と同一辺長でかつ主部材よりも肉厚の角形鋼管を介して接合するものである。

上記の特許文献１においては、柱と接合金物の溶接部ディテールが開示されておらず、開先形状や裏当て金などの開先の構成方法は不明である。また、上記の特許文献２においては、板厚の薄い方の角形鋼管に、鋼管端面から突出した裏当て金を取り付け、この裏当て金を対向する板厚の厚い方の溶接組立角形鋼管の端面に当てて開先を構成することが開示されている。上記の特許文献３においても、特許文献２と同様に、板厚の薄い方の角形鋼管側に、鋼管端面から突出した裏当て金を取り付け、この裏当て金を対向する板厚の厚い方の角形鋼管の端面に当てて開先を構成することが開示されている。

特開２００３−８２７６１号公報 特開２０１０−１０６５１５号公報 特開２０１４−２２４３７７号公報

上記の特許文献２または３に示される従来の開先の構成方法では、接合しようとする２つの角形鋼管について、板厚の薄い方の鋼管断面が、板厚の厚い方の鋼管断面に断面全周にわたって完全に包含されないと、開先内に隙間が生じることになり溶接ができない。

また、上記の特許文献３のように、接合しようとする２つの角形鋼管の角部寸法の関係を規定することで、板厚の薄い方の鋼管断面が板厚の厚い方の鋼管断面に断面全周にわたって完全に包含されるようにした場合においても、２つの鋼管内周面が面一となるような場合には、開先内からの溶接金属の溶け落ちなどによる溶接欠陥の発生が懸念される。加えて角形鋼管は工業製品であるため寸法形状にバラツキを有しており、公称寸法で「板厚の薄い方の鋼管断面が板厚の厚い方の鋼管断面に完全に包含される」ように計画しても、実物で開先内に隙間が生じる可能性が懸念される。

このような問題は、板厚の薄い方の角形鋼管の断面角部が曲率を有し、板厚の厚い方の角形鋼管の断面角部が直角であるような場合にも生じ得る。すなわち、板厚の薄い方の鋼管断面が板厚の厚い方の鋼管断面に完全には包含されず、隙間が生じる可能性がある。

また、上記の問題は、ノンダイアフラム仕口のみならず、断面の辺長が略同一で角部寸法の異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接する際にも同様に発生する。例えば、公称径300mm、公称板厚22mmの冷間ロール成形角形鋼管BCR295を、公称径300mm、公称板厚25mmの熱間成形角形鋼管BSH325に突き合せる場合、BCR295の公差±3mm、BSH325の辺の公差±3mmにより、最も厳しい組合せでは6mmの食い違いが生じる可能性がある。

また、各鋼管で、それぞれ辺長、板厚の公差0mmであったとしても、BCR295の角部半径を交差の範囲内で最も小さい半径である、外側半径が板厚の3.0倍、内側半径が板厚の2.0倍とし、BSH325の角部内側の半径を交差なしで板厚の1.0倍とした場合でも、BCR295の内面がBSH325の内面よりも3.6mm内側に位置することになる。

これについて、図１７を用いて具体的に説明する。図１７の角部モデルに示すように、断面が300mm×300mmの正方形と仮定した場合の角を点Pとする。そして、図１７（１）に示すように、点PからBCR295（寸法300mm×300mm、板厚22mm）の角部内面中央Qまでの距離をL1とし、図１７（２）に示すように、点PからBSH325（寸法300mm×300mm、板厚25mm）の角部内面中央Qまでの距離をL2とすれば、
L1 = (2^1/2−1) ×3×22＋22 = 49.3mm
L2 = 2^1/2 ×25 ＋ (2^1/2−1) ×25 = 45.7mm
となり、BCR295の内面のほうがBSH325の内面よりも点Pから遠くにあり（内側寄り）、その差は3.6mmとなる。

このため、角部寸法の異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接する構造において、板厚の薄い方の鋼管断面が板厚の厚い方の鋼管断面に完全に包含されない場合や、完全に包含されるものの２つの鋼管内周面が面一となるような場合でも、開先内からの溶接金属の溶け落ちなどによる溶接欠陥の発生がなく確実に突合せ溶接することのできる構造が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、角部寸法の異なる角形鋼管どうしを溶接の欠陥なく、確実に突合せ溶接することができる突合せ溶接継手構造、仕口構造、構造物および接合方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る突合せ溶接継手構造は、断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接してなる継手構造であって、一方の角形鋼管の端部の内側面に取り付けられ、他方の角形鋼管の端部に向けて突出した第一裏当て金と、他方の角形鋼管の端部の内側面に取り付けられた第二裏当て金とを有し、第一裏当て金と第二裏当て金の当接部を突合せ溶接してなることを特徴とする。

また、本発明に係る他の突合せ溶接継手構造は、上述した発明において、板厚の厚い方の角形鋼管の角部の内側面が、板厚の薄い方の角形鋼管の角部の内側面よりも断面外側に位置しており、かつ、これら２つの角形鋼管の角部の内側面の食い違い寸法が、下記の（１）、（２）のいずれかを満たす値に設定されていることを特徴とする。

（１）板厚の薄い方の角形鋼管の板厚が１５ｍｍ以下の場合には、食い違い寸法を３．０ｍｍ以下とする。
（２）板厚の薄い方の角形鋼管の板厚が１５ｍｍを超える場合には、食い違い寸法を６．０ｍｍ以下、かつ板厚の１／５以下とする。

また、本発明に係る他の突合せ溶接継手構造は、上述した発明において、板厚の厚い方の角形鋼管が熱間成形角形鋼管からなることを特徴とする。

また、本発明に係る仕口構造は、上述した突合せ溶接継手構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る構造物は、上述した突合せ溶接継手構造または仕口構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る接合方法は、断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接する接合方法であって、一方の角形鋼管の端部の内側面に、他方の角形鋼管の端部に向けて突出した第一裏当て金を取り付けるとともに、他方の角形鋼管の端部の内側面に第二裏当て金を取り付けて、第一裏当て金と第二裏当て金を当接状態にして角形鋼管どうしを突合せ溶接することを特徴とする。

本発明に係る突合せ溶接継手構造によれば、断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接してなる継手構造であって、一方の角形鋼管の端部の内側面に取り付けられ、他方の角形鋼管の端部に向けて突出した第一裏当て金と、他方の角形鋼管の端部の内側面に取り付けられた第二裏当て金とを有し、第一裏当て金と第二裏当て金の当接部を突合せ溶接してなるので、板厚の薄い方の角形鋼管の断面が板厚の厚い方の角形鋼管の断面に断面全周にわたって完全に包含されなくとも、または、完全に包含されるものの２つの角形鋼管の内側面が面一となるような場合でも、角形鋼管にそれぞれ取り付けた第一裏当て金と第二裏当て金を当接状態にして突合せ溶接することにより、開先内で隙間が生じることを未然に防止できる。このため、本発明によれば、開先内からの溶接金属の溶け落ちなどによる溶接の欠陥なく、確実に突合せ溶接することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る突合せ溶接継手構造を仕口構造に適用することで、接合部周りのディテールがシンプルなものとなり、外部からのメンテナンスが容易になるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る突合せ溶接継手構造の実施の形態１を示す横断面図であり、突合せ溶接される角形鋼管の断面の重なり状態を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る角形鋼管への裏当て金の取り付け例を示す図であり、（１）は板厚の薄い方の角形鋼管の先端の横断面図、（２）は板厚の厚い方の角形鋼管の先端の横断面図である。 図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った溶接前の側断面図である。 図４は、図１のＢ−Ｂ線に沿った溶接前の側断面図である。 図５は、図１のＡ−Ａ線に沿う方向から見た溶接前の側面図である。 図６は、図１のＢ−Ｂ線に沿う方向から見た溶接前の側面図である。 図７は、図１のＡ−Ａ線に沿った溶接後の側断面図である。 図８は、図１のＢ−Ｂ線に沿った溶接後の側断面図である。 図９は、本発明に係る突合せ溶接継手構造の実施の形態２を示す横断面図であり、突合せ溶接される角形鋼管の断面の重なり状態を示す図である。 図１０は、本発明の実施の形態２に係る角形鋼管への裏当て金の取り付け例を示す図であり、（１）は板厚の薄い方の角形鋼管の先端の横断面図、（２）は板厚の厚い方の角形鋼管の先端の横断面図である。 図１１は、図９のＡ−Ａ線に沿った溶接前の側断面図である。 図１２は、図９のＢ−Ｂ線に沿った溶接前の側断面図である。 図１３は、図９のＡ−Ａ線に沿う方向から見た溶接前の側面図である。 図１４は、図９のＢ−Ｂ線に沿う方向から見た溶接前の側面図である。 図１５は、図９のＡ−Ａ線に沿った溶接後の側断面図である。 図１６は、図９のＢ−Ｂ線に沿った溶接後の側断面図である。 図１７は、角部モデルを示す図であり、（１）はＢＣＲ２９５の角部モデル、（２）はＢＳＨ３２５の角部モデルである。

以下に、本発明に係る突合せ溶接継手構造、仕口構造、構造物および接合方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［実施の形態１］
まず、本発明の実施の形態１について図１〜図８を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態１に係る突合せ溶接継手構造の横断面図を示したものである。この図に示すように、断面の辺長が同じで板厚および角部の曲率寸法が異なる角形鋼管１、２どうしを突合せ溶接する継手構造において、それぞれの角形鋼管１、２の角部寸法の組合せによっては、板厚の薄い方の角形鋼管１の内側面１ａが、板厚の厚い方の角形鋼管２の内側面２ａよりも内側に入る場合が生じ得る。図１の例では、断面角部がこの場合に該当している。このとき、板厚の薄い方の角形鋼管１の先端にレ形開先加工を施して、板厚の厚い方の角形鋼管２の先端に対向させると、開先内の断面角部で隙間が生じてしまう。

そこで、本実施の形態１では、図２（１）および図３に示すように、板厚の薄い方の角形鋼管１（一方の角形鋼管）の端部の内側面１ａの全周に、板厚の厚い方の角形鋼管２（他方の角形鋼管）の端部に向けて突出した裏当て金３ａ（第一裏当て金）を取り付ける。一方、図２（２）および図４に示すように、角形鋼管２の端部の内側面２ａの角部周囲に裏当て金３ｂ（第二裏当て金）を取り付ける。この裏当て金３ｂの先端面は、角形鋼管２の先端面と面一とする。

そして、図３および図４に示すように、角部周囲における裏当て金３ａの先端面と裏当て金３ｂの先端面を当接状態にして角形鋼管１、２どうしを突合せて開先４を溶接する。これにより、図７および図８の側断面図に示すような本実施の形態１の突合せ溶接継手構造が得られる。なお、図７および図８中の符号６は溶接金属を示している。

ここで、断面角部において図４に示すような裏当て金３ｂが無いと仮定すると、開先４内に隙間が発生することが理解できる。裏当て金３ｂは特に大きな隙間が生じる角部のみ取り付ければ十分であるが、本発明はこれに限るものでなく、例えば内側面２ａ全周に取り付けてもよい。

図５および図６は、それぞれ図１のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に沿う方向から見た溶接前の側面図である。これらの図に示すように、板厚の厚い方の角形鋼管２の角部の内側面２ａに裏当て金３ｂ（不図示）が存在することによって、開先内で隙間が生じることを防止できる。なお、図５および図６中の符号５は開先面を示している。

このように、本実施の形態１によれば、板厚の薄い方の角形鋼管１の断面が板厚の厚い方の角形鋼管２の断面に断面全周にわたって完全に包含されなくとも、角形鋼管１、２にそれぞれ取り付けた裏当て金３ａと裏当て金３ｂを当接状態に角形鋼管１、２を突合せることにより、開先４内で隙間が生じることを防げるので、開先４内からの溶接金属６の溶け落ちなどによる溶接欠陥の発生を回避して、角形鋼管１、２双方を確実に突合せ溶接することができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図９〜図１６を参照しながら説明する。

図９は、本実施の形態２に係る突合せ溶接継手構造の横断面図を示したものである。この図に示すように、辺長が同じで角部が直角の角形鋼管２と角部に曲率を有する角形鋼管１を突合せ溶接する継手構造の場合にも、板厚の薄い方の角形鋼管１の内側面１ａが、板厚の厚い方の角形鋼管２の内側面２ａよりも内側に入る場合が生じ得る。図９の例では、断面角部がこの場合に該当している。

そこで、上記の実施の形態１の場合と同様に、板厚の厚い方の角形鋼管２の端部の内側面２ａの角部に裏当て金３ｂを配する。こうすることで、開先内の隙間を塞ぐことができるため、確実な突合せ溶接が可能となる。

より具体的には、図１０（１）および図１１に示すように、板厚の薄い方の角形鋼管１の端部の内側面１ａの全周に、板厚の厚い方の角形鋼管２の端部に向けて突出した裏当て金３ａを取り付ける。一方、図１０（２）および図１２に示すように、角形鋼管２の端部の内側面２ａの直角の角部に裏当て金３ｂ（第二裏当て金）を取り付ける。この裏当て金３ｂは角形鋼管２の直角の角部に沿って延びる角柱状とし、その先端面は角形鋼管２の先端面と面一とする。

そして、図１１および図１２に示すように、角部における裏当て金３ａの先端面と裏当て金３ｂの先端面を当接状態にして角形鋼管１、２どうしを突合せて開先４を溶接する。これにより、図１５および図１６の側断面図に示すような本実施の形態２の突合せ溶接継手構造が得られる。なお、図１５および図１６中の符号６は溶接金属を示している。

図１３および図１４は、それぞれ図９のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に沿う方向から見た溶接前の側面図である。これらの図に示すように、板厚の厚い方の角形鋼管２の角部の内側面２ａに裏当て金３ｂ（不図示）が存在することによって、開先内で隙間が生じることを防止できる。なお、図１３および図１４中の符号５は開先面を示している。

このように、本実施の形態２によれば、角部が直角の角形鋼管２と角部に曲率を有する角形鋼管１を突合せ溶接する場合、板厚の薄い方の角形鋼管１の断面が板厚の厚い方の角形鋼管２の断面に断面全周にわたって完全に包含されなくとも、角形鋼管１、２にそれぞれ取り付けた裏当て金３ａと裏当て金３ｂを当接状態に角形鋼管１、２を突合せることにより、開先４内で隙間が生じることを防げるので、開先４内からの溶接金属６の溶け落ちなどによる溶接欠陥の発生を回避して、角形鋼管１、２双方を確実に突合せ溶接することができる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態３は、上記の実施の形態１、２の突合せ溶接継手構造において、角形鋼管１、２の角部での食い違い寸法を、法令に規定された所定範囲の値に基づいて設定したものである。

法令上、突合せ溶接継手の食い違いは、原則として下記の（ａ）、（ｂ）の要件を充足することが要求されている（下記の参考文献１を参照）。

（ａ）板厚が薄い方の角形鋼管の板厚が１５ｍｍ以下の場合には、食い違い寸法を１．５ｍｍ以下とする。
（ｂ）板厚が薄い方の角形鋼管の板厚が１５ｍｍを超える場合には、食い違い寸法を３．０ｍｍ以下、かつ板厚の１／１０以下とする。

［参考文献１］ 「鉄骨造の継手又は仕口の構造方法を定める件」、建設省告示第１４６４号、平成１２年５月３１日

そこで、本実施の形態３においては、図１および図９に示すように、板厚の厚い方の角形鋼管２の角部の内側面２ａが、板厚の薄い方の角形鋼管１の角部の内側面１ａよりも断面外側に位置するようにし、かつ、これら２つの角形鋼管１、２の角部の内側面１ａ、２ａの食い違い寸法を、下記の（１）、（２）のいずれかを満たす値に設定した。

（１）板厚の薄い方の角形鋼管１の板厚が１５ｍｍ以下の場合には、食い違い寸法を３．０ｍｍ以下とする。
（２）板厚の薄い方の角形鋼管１の板厚が１５ｍｍを超える場合には、食い違い寸法を６．０ｍｍ以下、かつ板厚の１／５以下とする。

ここで、上記の（１）、（２）は、法令に規定されている上記の要件（ａ）、（ｂ）に基づいて設定したものである。

本実施の形態３の突合せ溶接継手構造によれば、角形鋼管１、２の角部での食い違い寸法を法令に規定された所定範囲の値に基づいて設定することで、所期の軸方向応力を負担または伝達することが可能となる。

特に、裏当て金３ｂがなければ断面角部の開先４内に隙間が生じる場合であっても、上記の実施の形態１、２に示したように角形鋼管１、２の内側面１ａ、２ａに裏当て金３ａ、３ｂをそれぞれ配置するとともに、食い違い寸法を上記の（１）、（２）に示した制限値に設定すれば、所期の軸方向応力を負担または伝達することが可能である。

［実施の形態１〜３の変形例］
上記の実施の形態１〜３において、板厚の厚い方の角形鋼管２を熱間成形角形鋼管で構成してもよい。

また、上記の実施の形態１〜３の突合せ溶接継手構造を仕口構造に適用してもよい。このようにすれば、接合部周りのディテールがシンプルなものとなり、外部からのメンテナンスが容易になる。さらに、上記の実施の形態１〜３の突合せ溶接継手構造または上記の仕口構造を、鋼構造物などの構造物で使用される継手や仕口として適用することもできる。この場合、例えば上記の実施の形態１〜３の突合せ溶接継手構造を、鋼構造物の柱梁接合部のノンダイアフラム仕口に用いられる柱の突合せ溶接継手に用いてもよい。

以上説明したように、本発明に係る突合せ溶接継手構造によれば、断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接した継手構造であって、一方の角形鋼管の端部の内側面に、他方の角形鋼管の端部に向けて突出した第一裏当て金を取り付けるとともに、他方の角形鋼管の端部の内側面に第二裏当て金を取り付けて、第一裏当て金と第二裏当て金を当接状態にして角形鋼管どうしを突合せ溶接したので、板厚の薄い方の角形鋼管の断面が板厚の厚い方の角形鋼管の断面に断面全周にわたって完全に包含されなくとも、または、完全に包含されるものの２つの角形鋼管の内側面が面一となるような場合でも、角形鋼管にそれぞれ取り付けた第一裏当て金と第二裏当て金を当接状態にして突合せ溶接することにより、開先内で隙間が生じることを未然に防止できる。このため、本発明によれば、開先内からの溶接金属の溶け落ちなどによる溶接の欠陥なく、確実に突合せ溶接することができる。

また、角形鋼管の角部での食い違い寸法を法令に規定された所定範囲の値に基づいて設定することで、所期の軸方向応力を伝達することが可能となる。

また、本発明に係る突合せ溶接継手構造を仕口構造に適用することで、接合部周りのディテールがシンプルなものとなり、外部からのメンテナンスが容易になる。

以上のように、本発明に係る突合せ溶接継手構造、仕口構造、構造物および接合方法は、断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接するのに有用であり、特に、角形鋼管どうしを溶接の欠陥なく確実に突合せ溶接するのに適している。

１ 角形鋼管（一方の角形鋼管）
１ａ 内側面
２ 角形鋼管（他方の角形鋼管）
２ａ 内側面
３ａ 裏当て金（第一裏当て金）
３ｂ 裏当て金（第二裏当て金）
４ 開先
５ 開先面
６ 溶接金属

Claims (6)

1. 断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接してなる継手構造であって、
   一方の角形鋼管の端部の内側面に取り付けられ、他方の角形鋼管の端部に向けて突出した第一裏当て金と、他方の角形鋼管の端部の内側面に取り付けられた第二裏当て金とを有し、第一裏当て金と第二裏当て金の当接部を突合せ溶接してなることを特徴とする突合せ溶接継手構造。
2. 板厚の厚い方の角形鋼管の角部の内側面が、板厚の薄い方の角形鋼管の角部の内側面よりも断面外側に位置しており、かつ、これら２つの角形鋼管の角部の内側面の食い違い寸法が、下記の（１）、（２）のいずれかを満たす値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の突合せ溶接継手構造。
   （１）板厚の薄い方の角形鋼管の板厚が１５ｍｍ以下の場合には、食い違い寸法を３．０ｍｍ以下とする。
   （２）板厚の薄い方の角形鋼管の板厚が１５ｍｍを超える場合には、食い違い寸法を６．０ｍｍ以下、かつ板厚の１／５以下とする。
3. 板厚の厚い方の角形鋼管が熱間成形角形鋼管からなることを特徴とする請求項１または２に記載の突合せ溶接継手構造。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の突合せ溶接継手構造を有することを特徴とする仕口構造。
5. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の突合せ溶接継手構造または請求項４に記載の仕口構造を有することを特徴とする構造物。
6. 断面の辺長が略同一で板厚および角部の寸法が異なる角形鋼管どうしを突合せ溶接する接合方法であって、
   一方の角形鋼管の端部の内側面に、他方の角形鋼管の端部に向けて突出した第一裏当て金を取り付けるとともに、他方の角形鋼管の端部の内側面に第二裏当て金を取り付けて、第一裏当て金と第二裏当て金を当接状態にして角形鋼管どうしを突合せ溶接することを特徴とする接合方法。

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