JP2019210798A - 鋼管柱および鋼管柱の溶接接合用凸型部材 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管の端部に裏当て金を用いないで支圧板を溶接接合することができ、かつ柱頭および柱脚部の剛性と支圧強度を容易に高めることのできる鋼管柱および鋼管柱の溶接接合用凸型部材を提供する。【解決手段】鋼管１と、鋼管１の端部に設置された支圧板２と、支圧板２の内側に突設され、鋼管１の端部内周に内接する溶接接合用凸部３と、鋼管１の端部と前記支圧板２との間に設けられ、鋼管１の端部と支圧板２とを一体にする溶接ビード５からなる。鋼管１の端部と支圧板２との間に間隙を設ける。溶接接合用凸部３は鋼管１の端部と支圧板２とを溶接する裏当て金を兼ね、鋼管１の軸方向と直角な板状に形成する。溶接ビード５は鋼管１の端部と支圧板２との間に鋼管１の周方向に連続して形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、一または複数の鋼管と当該鋼管の端部に設置された支圧板とからなる鋼管柱および鋼管の端部に支圧板を溶接接合するための鋼管柱の溶接接合用凸型部材に関し、支圧板を鋼管の端部に裏当て金を用いないで溶接接合することができ、また、鋼管柱の柱頭および／または柱脚部の剛性及び支圧強度を容易に高めることができるようにしたものである。

一般に、地下鉄の駅構内には、利用者で混雑することを想定して空間を有効に利用できるように、床スラブを支える柱として特に柱径を細くできる鋼管柱が多く使用されている。

この種の鋼管柱は、鋼管の上下両端部に円形または正方形板状の支承板を溶接することにより製造され、その際の溶接は、鋼管30の端部に、当該鋼管30の端部と支承板31間の隙間(開先)を裏側から塞ぐように裏当て金32を鋼管端部の内周に沿って取り付けて行われる(図7(a),(b)参照)。

ところで、地下鉄の駅構内に設置される柱は、大きな軸圧縮力を受けるため、これまで、厚肉鋼管からなる鋼管柱や鋼管内にコンクリートを充填した鋼管コンクリート柱が用いられている。

また、内鋼管と外鋼管を二重に配置して二重鋼管とした鋼管柱も用いられているが、内鋼管と外鋼管の両方の端部に支承板を溶接して取り付けることが困難なため、このタイプの鋼管柱では支承板を用いず、柱頭および柱脚は鉄筋コンクリートの梁部に直接固定し結合されている。

例えば、特許文献１には、柱本体部(1)と当該柱本体部(1)の上端部と下端部にそれぞれ取り付けられた上側支圧部材(10)および下側支圧部材(11)とからなる耐震補強柱(Ａ)が開示されている(図11および特許文献１ 図２参照)。

柱本体部(1)は円形断面の鋼管柱から形成され、中にコンクリートが充填されている。
また、上側および下側の支圧部材(10),(11)は、柱本体部(1)の外径よりも大きい径のフランジ状に形成され、かつ柱本体部(1)側に対向する部分が略円錐状に形成されている。

この構成によれば、特に耐震補強柱(Ａ)の上部および下部構造体(3),(4)に対する接触面積が拡大されているから、上部および下部構造体(3),(4)から耐震補強柱(Ａ)への力の伝達がスムーズになるうえ、地震時等において、耐震補強柱(Ａ)に過大な軸力が作用した場合でも、上部および下部構造体(3),(4)に反作用として加わる単位面積当たりの力が低減されて、主にコンクリートで形成されている上部構造体(3)あるいは下部構造体(4)の損傷を防止することができる。

また、特許文献２には、径の異なる複数の円形鋼管(25)と当該円形鋼管(25)内を複数の空間に仕切る複数の隔壁用鋼板(22)と当該隔壁用鋼板(22)によって仕切られた複数の空間に充填されたコンクリート(5)とからなるマルチスチールチューブ型コンクリート充填鋼管柱が開示されている(特許文献２ 図１参照)。

径の異なる複数の鋼管(25)は、多重鋼管を形成するように平面視同心円状に設置され、また、複数の隔壁用鋼板(22)は多重鋼管の横断面内に放射状に設置されている。そして、コンクリート(5)は多重鋼管の横断面内に隔壁用鋼板(22)によって形成された複数の各空間に充填されている。

特開平10-46833号公報 特開2016-194245号公報

しかしながら、鋼管の上下両端部に支承板を溶接接合して製造される鋼管柱は、鋼管の端部に支圧板を溶接する際に、外側からしか溶接ができないため、鋼管端部の内側に裏当て金を取り付ける必要があるため、鋼管が二重管以上になると、支圧板が障害になって内鋼管と支圧板との溶接が困難になり、特に多重管鋼管柱の製造が困難になる等の課題があ
った。

また、厚肉鋼管からなる鋼管柱は、厚肉鋼板の曲げ加工や溶接等が面倒で製作が困難なだけでなく、厚肉鋼板の利用により鋼材費が嵩む等の課題があった。

さらに、鋼管コンクリート柱は重量が増して耐震設計上不利なだけでなく、鋼管内にコンクリートを充填する必要があるため、現場施工が煩雑になる等の課題があった。

その他、支圧板を用いず、鋼管の端部を鉄筋コンクリートの梁部に直接固定し結合するタイプの柱は、柱および梁との結合部の施工が煩雑化して面倒である等の理由からあまり普及していない。

また、特許文献１に開示された耐震補強柱は、上下支圧材が極厚な上に対向する部分が、略円錐状に形成されていてきわめて複雑な形状に形成されているため、鋳型職人に依頼して形成する必要があり、型枠の製作および精度出しにかなりの時間を費やすため製作が面倒で高価になりやすく、製作にかなりの日数を要するという課題があった。

その他、特許文献２に開示されたコンクリート充填鋼管は、鋼管を二重に配置し、かつ複数の隔壁鋼板によって複数の空間に仕切られた鋼管内にコンクリートを充填する必要があるため、鋼材費が嵩むと同時に加工および溶接が難しく、製作がきわめて面倒であった。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、鋼管の端部に裏当て金を用いないで支圧板を溶接接合することを可能にして、多重管鋼管柱も容易に製造することができ、しかも柱頭および柱脚部の剛性および支圧強度を高めることを可能にした鋼管柱および鋼管柱の溶接接合用凸型部材を提供することを目的とするものである。

本発明は、鋼管と、当該鋼管の端部に設置された支圧板と、当該支圧板の内側に突設され、前記鋼管の端部内周に内接する溶接接合用凸部と、前記鋼管の端部と前記支圧板との間に設けられ、前記鋼管の端部と前記支圧板とを一体にする溶接ビードを備えてなる鋼管柱の発明であり、前記溶接接合用凸部は、前記鋼管の端部と前記支圧板とを溶接する裏当て金を兼ね、前記鋼管の軸方向と直角な板状に形成され、かつ前記鋼管の端部と前記支圧板との間に間隙が設けられていることを特徴とする。

前記鋼管として、第一鋼管と当該第一鋼管より径の小さい第二鋼管とを同一軸線上に設置し、前記支圧板として前記第二鋼管の径より大きい径の支圧板を、前記溶接接合用凸部として前記第一鋼管の端部内周と前記第二鋼管の端部内周にそれぞれ内接する第一溶接接合用凸部と第二溶接接合用凸部とをそれぞれ突設し、かつ前記第一鋼管の端部と前記支圧板との間に、前記第一鋼管の端部と前記支圧板と前記第一溶接接合用凸部の縁端部とが一体をなすように第一溶接ビードを形成し、かつ前記第二鋼管の端部と前記第一溶接接合用凸部との間に、前記第二鋼管の端部と前記第一溶接接合用凸部と前記第二溶接接合用凸部の縁端部とが一体をなすように第二溶接ビードを形成することにより、径の異なる複数の鋼管とその上下両端部に設置された支圧板とからなる多重管鋼管柱を製造することができる。

いずれの鋼管柱においても、支圧板は鋼管柱の支承板とすることができ、また、支圧板の外側に本来の支承板を設置することもできる。

また、支圧板と溶接接合用凸部は、それぞれ必要に応じて複数の同一径の鋼板を積層することにより鋼管の軸方向と直角な板状に形成することができ、特に溶接接合用凸部は、必要な厚さに形成することにより柱頭・柱脚部の剛性および支圧強度を高めることができる。」

さらに、溶接接合用凸部の全体を中空に形成し、その中にコンクリートを充填して鋼殻コンクリート構造の溶接接合用凸部とすることもできる。また、支圧板と溶接接合用凸部とを溶接接合用凸型部材として一体に形成することにより、鋼管の端部に支圧板を溶接接合するための支圧板取付け部材として、かつ鋼管柱の柱頭および柱脚部を補強する構造部材とすることもできる。

また、本発明は、地下鉄の駅構内に設置される柱や地上に建つ構造物の柱としてはもとより、橋脚、送配電通信用柱、防災無線用柱、あるいは照明柱などのインフラ整備にも広く適用が可能である。

なお、各鋼管、支圧板および溶接接合用凸部の平面形状は、円形や四角形、或いは六角形や八角形等の多角形でもよく、特に限定されるものではない。

本発明によれば、鋼管の端部に溶接接合される支圧板の内側に、前記鋼管の端部内周に内接する溶接接合用凸部が突設されていることで、前記鋼管の端部に前記支圧板を溶接接合する際に、前記溶接接合用凸部が前記鋼管の端部と前記支圧板間の内側にあって裏当て金の働きをすることにより、鋼管の端部に本来の裏当て金を取り付ける必要がない。このため、径の異なる複数の鋼管の端部に支圧板を溶接接合することも可能になり多重管鋼管柱も容易に製造することができる。

また、複数の鋼板を積層して肉厚な凸部または短い柱状の凸部、さらには鋼殻コンクリート構造の溶接接合用凸部とすることにより、荷重の伝達も可能にして柱頭および柱脚部の剛性と支圧強度を著しく高めることができる。

さらに、支圧板と溶接接合用凸部とを溶接接合用凸型部材として一体に形成することにより、鋼管の端部に支圧板を溶接接合するための支圧取付け部材として、かつ鋼管柱の柱頭および柱脚部を補強する構造部材とすることもできる。

本発明の一実施形態であり、図1(a)は鋼管とその上下両端部に設置された支圧板とからなる鋼管柱の縦断面図、図1(b)および図1(c)は、図1(a)に図示する鋼管柱であって、鋼管の管端部と凸型部材との取り合いが異なる状態での支圧板が設置された状態を示す縦断面図である。 縦断された鋼管柱の下端部を図示したものであり、図2(a)は溶接接合される前の鋼管の端部と溶接接合用凸型部材の一部斜視図、図2(b)はその溶接接合された一部斜視図である。 縦断された鋼管柱の下端部を図示したものであり、図3(a)は支圧板と溶接接合用凸部がそれぞれ積層された複数の鋼板からなる鋼管柱の下部縦断面図、図3(b)は溶接接合用凸部が鋼殻コンクリートからなる鋼管柱の下部縦断面図、3(c)は支圧板の外側に支承板が設置されている鋼管柱の下部縦断面図である。 本発明の他の実施形態であり、図４(a)は外鋼管および内鋼管とその上下両端部に設置された継手板とからなる二重鋼管柱の縦断面、図４(b)は図４(a)に図示する二重鋼管杭であって、鋼管の下端部にのみ継手板が取り付けられた状態を示す縦断面図である。また、図４(c)、図４(d)は、鋼管内にコンクリートを充填した実施形態であり、図４(c)は、二重鋼管の内鋼管内に、図４(d)は内鋼管と外鋼管との間にそれぞれコンクリートを充填した縦断状態を示している。 縦断された二重鋼管柱の下端部を図示したものであり、図5(a)は支圧板と溶接接合用凸部がそれぞれ積層された鋼板からなる鋼管柱の下部縦断面図、図5(b)は溶接接合用凸部が鋼殻コンクリートからなる鋼管柱の下部縦断面図、5(c)は支圧板の外側に支承板が設置されている鋼管柱の下部縦断面図である。 図6(a)〜(d)は、図４に図示する二重鋼管柱の製造方法の手順を示す縦断面図である。 鋼管の端部に支圧板を溶接接合する方法の従来例を図示したものであり、図7(a)は鋼管の端部に支圧板が溶接接合される前の状態を示す鋼管端部と支圧板の一部縦断面図、図7(b)は溶接接合された状態を示す鋼管端部と支圧板の一部縦断面図である。

図１〜図３は本発明の一実施形態であり、単体の鋼管１と当該鋼管１の上下両端部にそれぞれ取り付けられた支圧板２とからなる鋼管柱を図示したものである。

支圧板２は、鋼管１の外径より大きい径の円形板状に形成され、その内側に鋼管１の端部内周に内接する円形板状の溶接接合用凸部３が形成されている。また、鋼管１の端部と支圧板２との間に、鋼管１の端部と支圧板２とからなる開先４が鋼管１の円周方向に連続して形成されている。

そして、当該開先４内に溶接接合用凸部３の縁端部を裏当て金にして、溶接ビード５が鋼管１の端部と支圧板２と溶接接合用凸部３の縁端部とが一体をなすように鋼管１の円周方向に連続して形成されている。

特に、支圧板２と溶接接合用凸部３はそれぞれ円形鋼板より形成され、また、支圧板２と溶接接合用凸部３は、鋼管１の端部に支圧板２を取り付けるための支圧板取付け部材として、かつ鋼管柱の柱頭および柱脚部を補強する構造部材として一体に形成されている（以下、「溶接接合用凸型部材６」）。

なお、図１(b)は、管端部の内側にテーパー加工がされた鋼管１と溶接接合用凸部３とが溶接ビード５により一体化された実施例を示しており、設計上完全溶け込みが不要な場合の実施例である。

また、図1(c)は、管端部の外側に開先加工がなされた状態で、溶接接合用凸部３とが溶接ビード５により一体化された状態を示している。この際、溶接接合用凸部３は管端部からの荷重伝達がし易いように切り欠き溝3aを設けたり、軽量化および鋼管１内にコンクリートが充填できるように断面中央部にコンクリート充填孔2aを設けた場合の実施例を示している。

また、支圧板２と溶接接合用凸部３は、それぞれ必要に応じて複数の同一径の円形鋼板を積層することにより鋼管の軸方向と直角な板状に形成することができ(図3(a)参照)、特に溶接接合用凸部３は必要な厚さに形成することにより柱頭および柱脚部の剛性と支圧強度を高めることができる。

さらに、溶接接合用凸部３は全体を中空に形成し、その中にコンクリート７を充填することにより鋼殻コンクリート構造とすることもできる(図3(b)参照)。この場合、支圧板２にコンクリート７の充填孔2aが形成され、また、溶接接合用凸部３の中空部には、必要に応じてコンクリート７の充填性を妨げないように補強リブ(図省略)が設置される。

支圧板２は、基本的に鋼管１に作用する軸力を構造体(スラブまたは梁)に伝達する支承板を兼ね、特に支持力を高めるために支圧板２の外側に本来の支承板８が設置されることもある(図3(c)参照)。

このような構成において、図１に図示する鋼管の製造方法について説明すると、支圧板２と溶接接合用凸部３とが一体に形成された溶接接合用凸型部材６を床の上に置き、その上に鋼管１を立て付ける。そして、鋼管１の下端部と支圧板２間の開先４内を鋼管１の周方向に連続して溶接することにより、鋼管１の端部と支圧板２と溶接接合用凸部３とを一体に溶接する。

次に、鋼管１の上端部に溶接接合用凸型部材６を新たに設置する。そして、鋼管１の上端部と支圧板２間の開先４内を鋼管１の周方向に連続して溶接することにより、鋼管１の上端部と支圧板２と溶接接合用凸部３とを一体に溶接する。以上の手順によって、鋼管１の上下両端部に支圧板(支承板)２を備えた鋼管柱を容易に製造することができる。

他の製造方法としては、架台(図省略)の上に鋼管１を水平に横倒れの状態に載せる。次に、鋼管１の両端部に溶接接合用凸型部材６を設置する。そして、鋼管１の端部と支圧板(支承板)２間の開先４内を、鋼管１の端部と支圧板(支承板)２と溶接接合用凸部３の縁端部とが一体をなすように鋼管１の周方向に連続して溶接する。以上の手順によっても鋼管１の両端部に支圧板(支承板)２を有する鋼管杭を製造することができる。

図４〜図６は、本発明の他の実施形態であって、第一鋼管(以下「外鋼管」)９と、当該外鋼管９より小さい径の第二鋼管(以下「内鋼管」)10と、当該外鋼管９および内鋼管10の径より大きい径の支圧板11とを備えた多重管鋼管柱(以下、「二重鋼管柱」)を図示したものである。

外鋼管９と内鋼管10は同一軸線上に同心円状に配置され、また、支圧板11は、外鋼管９および内鋼管10より大きい径の円形板状に形成され、その内側に外鋼管９の端部内周に内接する円形板状の溶接接合用凸部12が形成され、さらに溶接接合用凸部12の内側に内鋼管10の端部内周に内接する円形板状の溶接接合用凸部13が形成されている。

また、外鋼管９の端部と支圧板11との間に、外鋼管９の端部と支圧板11とからなる開先14が外鋼管９の円周方向に連続して形成されている。また、内鋼管10の端部と溶接接合用凸部12との間に、内鋼管10の端部と溶接接合用凸部12とからなる開先15が内鋼管10の円周方向に連続して形成されている。

そして、当該開先14内に溶接接合用凸部12の縁端部を裏当て金にして、溶接ビード16が外鋼管９の端部と支圧板11と溶接接合用凸部12の縁端部とが一体をなすように外鋼管９の円周方向に連続して形成されている。

また、該開先15内に溶接接合用凸部13の縁端部を裏当て金にして、溶接ビード17が外鋼管９の端部と溶接接合用凸部12と溶接接合用凸部13の縁端部とが一体をなすように内鋼管10の円周方向に連続して形成されている。

特に、支圧板11と溶接接合用凸部12および13は、それぞれ円形鋼板より形成され、また、溶接接合用凸部12と13は、内鋼管10の端部に溶接接合用凸部12を溶接接合するための溶接接合用凸型部材18という構造部材として一体に形成されている。なお、当該溶接接合用凸型部材18として、図１〜図３の実施形態で説明した溶接接合用凸型部材６を設置することができる。

図4(c),(d)は、図4(a)の変形例を図示したものであり、図4(c)の二重鋼管柱は内鋼管10内に、図4(d)の二重鋼管柱は内鋼管10と外鋼管９との間にそれぞれコンクリート19が充填されている。符号11aはコンクリート19のコンクリート充填口であり、継手板11と溶接接合用凸部12および13に連通して形成されている。

また、図4(c)の二重鋼管柱における内鋼管10内、および図4(d)の二重鋼管柱における内鋼管10と外鋼管９との間には、必要に応じてコンクリート19の充填を妨げないように補強リブ(図省略)が設置されている。

さらに、支圧板11と溶接接合用凸部12および13は、それぞれ必要に応じて複数の円形鋼板を積層することにより必要な厚さに形成されてもよく(図5(a)参照)、また、溶接接合用凸部12および13の全体を中空に形成し、その中にコンクリート19を充填して鋼殻コンクリート構造とすることもできる(図5(b)参照)。この場合、支圧板11にコンクリート19の充填孔11aが形成されている。また、溶接接合用凸部12および13の中空部には、必要に応じてコンクリート19の充填を妨げないように補強リブ(図省略)が設置される。

また、支圧板11は、基本的に外鋼管９と内鋼管10に作用する軸力を構造体に伝達する支承板を兼ね、特に支持力を高めるべく支圧板11の外側に本来の支承板20が設置されることもある(図５(c)参照)。

このような構成において、図４に図示する二重鋼管柱の製造方法について説明すると、最初に、溶接接合用凸部12と溶接接合用凸部13とを一体に溶接接合して、図１〜図３に図示する溶接接合用凸型部材６と同じ形状の溶接接合用凸型部材18を形成する。

次に、当該溶接接合用凸型部材18を床の上に置き、その上に内鋼管10を立て付ける。次に、内鋼管10の下端部と溶接接合用凸部12間の開先15内を、内鋼管10の端部と溶接接合用凸部12と溶接接合用凸部13の縁端部とが一体をなすように内鋼管10の周方向に連続して溶接する。

次に、内鋼管10の上端部に溶接接合用凸型部材18を設置する。そして、内鋼管10の上端部と溶接接合用凸部12間の開先15内を、内鋼管10の上端部と溶接接合用凸部12と溶接接合用凸部13の縁端部とが一体をなすように内鋼管10の周方向に連続して溶接する。

以上の手順によって内鋼管10の上下両端部に溶接接合用凸部12と13を有する鋼管柱20が製造される。

次に、床の上に支圧板11を置き、その上に鋼管柱20を立て付け、その外側に外鋼管９を同心円状に立て付ける。そして、外鋼管９の下端部と支圧板11間の開先14内を、外鋼管９の上端部と支圧板11と溶接接合用凸部12の縁端部とが一体をなすように外鋼管９の周方向に連続して溶接する。

次に、外鋼管９の上端部に支圧板11を設置する。そして、外鋼管９の上端部と支圧板11間の開先14内を、外鋼管９の上端部と支圧板11と溶接接合用凸部12の縁端部とが一体をなすように外鋼管９の周方向に連続して溶接する。以上の手順によって外鋼管９および内鋼管10上下両端部に支圧板(支承板)11を有する二重鋼管柱を製造することができる。

なお、架台(図省略)の上に内鋼管10を水平に横倒れの状態に設置し、その両端部に溶接接合用凸型部材18をそれぞれ溶接接合して鋼管柱20を製造し、次に当該鋼管杭20の両端部に支圧板11をそれぞれ溶接接合する。

以上の手順によっても、外鋼管９および内鋼管10の上下両端部に支圧板(支承板)11を備えた二重鋼管柱を容易に製造することができる。

本発明は、鋼管の端部に支圧板を裏当て金を用いないで溶接接合することができ、かつ柱頭および柱脚部の剛性および支圧強度を容易に増大できる鋼管柱を提供することができる。

１ 鋼管
２ 支圧板
2a コンクリート充填孔
３ 溶接接合用凸部
3a 切り欠き溝
４ 開先
５ 溶接ビード
６ 溶接接合用凸型部材
７ 支承板
８ コンクリート
９ 内鋼管(第一鋼管)
10 外鋼管(第二鋼管)
11 支圧板
11a コンクリート充填
12 溶接接合用凸部(第一溶接接合用凸部)
13 溶接接合用凸部(第二溶接接合用凸部)
14 開先
15 開先
16 溶接ビード(第一溶接ビード)
17 溶接ビード(第二溶接ビード)
18 溶接接合用凸型部材
19 コンクリート
20 鋼管柱

Claims (4)

1. 鋼管と、当該鋼管の端部に設置された支圧板と、当該支圧板の内側に突設され、前記鋼管の端部内周に内接する溶接接合用凸部と、前記鋼管の端部と前記支圧板との間に設けられ、前記鋼管の端部と前記支圧板とを一体にする溶接ビードを備えてなる鋼管柱であって、前記溶接接合用凸部は、前記鋼管の端部と前記支圧板とを溶接する裏当て金を兼ね、前記鋼管の軸方向と直角な板状に形成され、かつ前記鋼管の端部と前記支圧板との間に間隙が設けられていることを特徴とする鋼管柱。
2. 鋼管と、当該鋼管の端部に設置された支圧板と、当該支圧板の内側に突設され、前記鋼管の端部内周に内接する溶接接合用凸部と、前記鋼管の端部と前記支圧板との間に設けられ、前記鋼管の端部と前記支圧板とを一体にする溶接ビードを備えてなる鋼管柱の柱頭部および／または柱脚部であって、前記溶接接合用凸部は、前記鋼管の端部と前記支圧板とを溶接する裏当て金を兼ね、前記鋼管の軸方向と直角な板状に形成され、かつ前記鋼管の端部と前記支圧板との間に間隙が設けられていることを特徴とする鋼管柱の柱頭部および／または柱脚部。
3. 支圧板と、当該支圧板の内側に突設された溶接接合用凸部とを備え、かつ鋼管の端部に溶接接合される鋼管柱の溶接接合用凸型部材であって、前記支圧板は前記鋼管の外径より大きい径に形成され、前記溶接接合用凸部は、前記鋼管の端部と前記支圧板とを溶接するための裏当て金を兼ね、かつ前記鋼管の軸方向と直角な板状に形成されてなることを特徴とする鋼管柱の溶接接合用凸型部材。
4. 請求項３記載の溶接接合用凸型部材において、前記支圧板は、当該支圧板の外側に設置される支承板を兼ねていることを特徴とする鋼管柱の溶接接合用凸型部材。