JP2024033914A - 梁端接合部の接合構造および施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】梁端接合部において上フランジ側の裏当て金を分割する場合に、上フランジの破断を防止する効果を最大化する。【解決手段】上フランジ、下フランジおよびウェブを有するＨ形断面梁を被接合部材に接合する梁端接合部の接合構造であって、上記上フランジの材軸方向の端部は第１の溶接部によって上記被接合部材に接合され、上記下フランジの材軸方向の端部は第２の溶接部によって上記被接合部材に接合され、上記第１の溶接部に形成される外開先の底部に当接される裏当て金は上記ウェブの幅方向両側に分割され、上記ウェブの上記上フランジ側の端部が上記第１の溶接部に接する部分では上記ウェブの上記上フランジ側の端面が上記開先底部を構成し、上記ウェブの上記下フランジ側の端部には上記第２の溶接部を避けるスカラップが形成される、梁端接合部の接合構造が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、梁端接合部の接合構造および施工方法に関する。

工事現場で溶接される現場溶接形式の梁端接合部では、梁の上下フランジの端部を柱またはダイアフラムに溶接するため、梁端部のウェブとフランジとの交差部においてウェブの端部にスカラップと呼ばれるフランジ溶接用の切り欠きが設けられる。ところが、地震時に梁端部に曲げモーメントが作用すると、スカラップ底に応力およびひずみが集中し、スカラップ底を起点として梁端接合部が脆性的に破断する可能性があった。そこで、特許文献１では、スカラップ底側の曲率半径を大きくしたり、スカラップ底をフランジ面から離隔させたりすることによって梁端部のウェブとフランジとの間のフィレット部を削り残し、それによってスカラップ底へのひずみ集中を緩和する技術が提案されている。

特開２０２０－２３７８５号公報

しかしながら、梁の上フランジ側のスカラップで例えば特許文献１に記載された技術のようにフィレット部を削り残す形状のスカラップを形成した場合、削り残されたフィレット部が上フランジの端部を溶接するための裏当て金と干渉するという問題があった。このような場合は裏当て金の一部を削り残されたフィレット部の形状に溝を形成するなどの加工を行い裏当て金と上フランジとを密着させればよいが、スカラップを形成する以上はスカラップへの応力やひずみの集中が多かれ少なかれ発生するため、裏当て金に溝を形成するための加工によって加工工程が煩雑化することに見合った利益が得られていなかった。

そこで、本発明は、梁端接合部において上フランジ側の裏当て金を分割する場合に、上フランジの破断を防止する効果を最大化することが可能な梁端接合部の接合構造および施工方法を提供することを目的とする。

［１］上フランジ、下フランジおよびウェブを有するＨ形断面梁を被接合部材に接合する梁端接合部の接合構造であって、上記上フランジの材軸方向の端部は第１の溶接部によって上記被接合部材に接合され、上記下フランジの材軸方向の端部は第２の溶接部によって上記被接合部材に接合され、上記第１の溶接部に形成される外開先の底部に当接される裏当て金は上記ウェブの幅方向両側に分割され、上記ウェブの上記上フランジ側の端部が上記第１の溶接部に接する部分では上記ウェブの上記上フランジ側の端面が上記開先底部を構成し、上記ウェブの上記下フランジ側の端部には上記第２の溶接部を避けるスカラップが形成される、梁端接合部の接合構造。
［２］上記被接合部材は、柱および上記柱に介挿されるダイアフラムを含み、上記第１の溶接部は、上記上フランジの材軸方向の端部を上記ダイアフラムの端面に接合する、［１］に記載の梁端接合部の接合構造。
［３］上記ウェブの上記上フランジ側の端部と、上記ウェブと上記上フランジとの間のフィレット部とが上記第１の溶接部に接する部分で、上記ウェブおよび上記フィレット部に上記第１の溶接部に形成される外開先に連続する切り欠きが形成され、上記切り欠きの底面は上記ダイアフラムの下面に揃えられる、［２］に記載の梁端接合部の接合構造。
［４］上記ウェブは材軸方向で上記第１の溶接部を越えて上記柱側まで延び、上記ウェブの上端面と上記ダイアフラムの下面との間は溶接されていない、［２］に記載の梁端接合部の接合構造。
［５］上記ダイアフラムの板厚は、上記下フランジの板厚よりも厚い、［２］に記載の梁端接合部の接合構造。
［６］上記ウェブと上記上フランジとの間のフィレット部に対向する部分で上記裏当て金に勾配面または曲面が形成される、［１］に記載の梁端接合部の接合構造。
［７］［１］から［６］のいずれか１項に記載の接合構造の施工方法であって、上記第１の溶接部および上記第２の溶接部を現場溶接で施工する、梁端接合部の施工方法。

上記の構成によれば、Ｈ形断面梁の上フランジ側にスカラップが形成されずにウェブの端面が開先底部を構成するため、スカラップへの応力およびひずみの集中による上フランジの破断を根本的に防止することができる。その一方で、下フランジ側ではスカラップを形成することによってＨ形断面梁の上下方向の位置調節が可能になり、上フランジ側でスカラップを形成しなくても被接合部材との間に過大な隙間が生じることを防止でき、製作精度を向上することができる。従って、上記の構成によれば、梁端接合部において上フランジ側の裏当て金を分割する場合に、上フランジの破断を防止する効果を最大化することができる。

本発明の一実施形態に係る接合構造を示す図である。 図１のII－II線に沿った断面図である。 図１のIII－III線に沿った矢視図である。 図３のキャビティ部分の拡大図である。 図２および図３のＶ－Ｖ線に沿った断面図である。 図２および図３のVI－VI線に沿った断面図である。 図１に示される接合構造の溶接後の状態を示す図である。 図１に示した接合構造の施工時に利用可能な治具の例を示す図である。 図８のIX－IX線に沿った断面図である。 図１に示した接合構造の変形例を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る接合構造を示す図である。図１に示された接合構造１では、Ｈ形断面梁２が、例えば角形鋼管などで構成される柱３およびダイアフラム３１，３２（被接合部材）に接合される。ダイアフラム３１，３２は、それぞれ柱３の中間部に介挿され、柱３に溶接されている。Ｈ形断面梁２の上フランジ２１および下フランジ２２の材軸方向の端部は、それぞれ溶接部４１，４２によってダイアフラム３１，３２に接合される。溶接部４１，４２は例えば工事現場で施工されるため、溶接部４１の開先は外開先、溶接部４２の開先は内開先になる。ウェブ２３は、柱３の側面３３にスプライスプレート３４および溶接部４３を介して接合される。他の例では、ダイアフラムが柱３の内部に取り付けられ、上フランジ２１、下フランジ２２およびウェブ２３がいずれも柱３の側面３３に溶接部を介して接合されてもよい。

Ｈ形断面梁２において、ウェブ２３の下フランジ２２側の端部には、下フランジ２２とダイアフラム３２との間の溶接部４２を避けるスカラップ６が形成される。スカラップ６は、下フランジ２２に接するか、または下フランジ２２に近いウェブ２３の一部分を切り欠くことによって形成される。図示された例において、スカラップ６の開口縁は、曲率半径が異なる円弧部６１，６２と、円弧部６２に続いて形成されウェブ２３の材軸方向の端面まで達する直線部６３とを含む。下フランジ２２に近い側の円弧部６２の曲率半径を円弧部６１に比べて相対的に大きくし、かつスカラップ底を下フランジ２２の面から離隔させて下フランジ２２とウェブ２３との間のフィレット部２５を削り残すことによって、スカラップ底へのひずみ集中を緩和することができる。なお、図示されたスカラップ６の形状は一例であり、スカラップ形状として既に知られている各種の形状が利用可能である。

一方、ウェブ２３の上フランジ２１側の端部にはスカラップが形成されない。このため、ウェブ２３の上フランジ２１の端部が溶接部４１に接する部分では、ウェブ２３の上フランジ２１側の端面が溶接部４１の開先底部を構成する。上フランジ２１側では、例えば下フランジ２２側と同様に上フランジ２１とウェブ２３との間のフィレット部２４を削り残す形状のスカラップを形成すると、削り残されたフィレット部２４が裏当て金５１に干渉し、例えば裏当て金の一部を削り残されたフィレット部の形状に削り取る加工をする必要が生じる可能性がある。裏当て金を加工するのであれば、そもそも上フランジ２１側にスカラップを形成しない方が、スカラップ底への応力およびひずみの集中を根本的に防止できるため有利である。それゆえ、本実施形態では、以下でさらに説明するように、上フランジ２１側のみスカラップが形成されない構成を採用している。

図２は図１のII－II線に沿った断面図であり、図３は図１のIII－III線に沿った矢視図であり、図４は図３のキャビティ部分の拡大図であり、図５および図６はそれぞれ図２および図３のＶ－Ｖ線およびVI－VI線に沿った断面図である。なお、これらの図では説明のため、溶接部４１に溶接金属が充填される前の状態が図示されている。図２および図３に示されるように、本実施形態では上フランジ２１側の裏当て金５１がウェブ２３の幅方向両側で裏当て金５１Ａ，５１Ｂに分割されている。つまり、裏当て金５１Ａ，５１Ｂは、ウェブ２３、および上フランジ２１とウェブ２３との間のフィレット部２４を避けて、上フランジ２１の下面に沿って配置される。図示された例において、Ｈ形断面梁２は組立Ｈ形鋼であるため、フィレット部２４は上フランジ２１とウェブ２３とを接合する溶接部によって形成され、表面は勾配面である。他の例において、Ｈ形断面梁が圧延Ｈ形鋼である場合は、一体成形された上フランジとウェブとの間の接続部によってフィレット部が形成される。フィレット部２４の表面は図示された例のような勾配面、または曲面であるため、裏当て金５１Ａ，５１Ｂのフィレット部２４に対向する部分にもフィレット部２４の形状に対応する勾配面または曲面を形成することによって、裏当て金５１Ａ，５１Ｂとフィレット部２４との間の隙間を小さくすることが好ましい。

図３および図５に示されるように、裏当て金５１Ａ，５１Ｂが配置される部分では、上フランジ２１の開先加工された端面２１１と、ダイアフラム３１の端面３１１と、裏当て金５１Ａ，５１Ｂの上面５１１とによって溶接金属が充填される空間が形成される。一方、図３、図４および図６に示されるように、ウェブ２３およびフィレット部２４があるために裏当て金が配置されない部分では、上フランジ２１の端面２１１と、ダイアフラム３１の端面３１１と、ウェブ２３およびフィレット部２４端部との間に溶接金属が充填される空間が形成される。より具体的には、この空間は、ウェブ２３の端面２３１および開先面２３２、ならびにフィレット部２４の端面２４１Ａ，２４１Ｂおよび開先面２４２Ａ，２４２Ｂによって囲まれる。さらに、溶接金属が充填される空間の幅方向両側は、溶接漏れ防止のために裏当て金５１Ａ，５１Ｂの端部に形成される傾斜面５１２により囲われてもよい。

ここで、ウェブ２３の端面２３１は、フィレット部２４の内側にあるウェブ２３の仮想的な延長面が、開先加工による削り落とし面である開先面２３２に交差して露出された平坦な面である。開先面２３２は、上フランジ２１の開先面である端面２１１の延長面と、ウェブ２３の仮想的なボリュームとが交差して露出された傾斜をもつ面である。一方、フィレット部２４の端面２４１Ａ，２４１Ｂは、ウェブ２３の両側で上フランジ２１とウェブ２３とをつなぐフィレット部２４の表面とは反対側で、フィレット部２４が開先加工による削り落とし面である開先面２４２Ａ，２４２Ｂに交差して露出された平坦な面である。開先面２４２Ａ，２４２Ｂは、上フランジ２１の開先面である端面２１１の延長面とフィレット部２４とが交差して露出された傾斜をもつ面である。なお、組立Ｈ形鋼の場合は上フランジ２１およびウェブ２３がそれぞれ溶接により少なくとも一部が溶け込んでおり、また圧延Ｈ形鋼の場合は上フランジ２１およびウェブ２３が一体成形されているため、上述したウェブ２３の端面２３１およびフィレット部２４の端面２４１Ａ，２４１Ｂ、ならびにウェブ２３の開先面２３２およびフィレット部２４の開先面２４２Ａ，２４２Ｂは、それぞれ形状的に連続している。

上述したようなウェブ２３およびフィレット部２４がある部分における開先は、ウェブ２３の上フランジ２１側の端部とフィレット部２４とが溶接部４１に接する部分に形成され、ウェブ２３およびフィレット部２４に溶接部４１の開先に連続する切り欠き２６を含む。切り欠き２６は、ウェブ２３およびフィレット部２４の端面２３１，２４１Ａ，２４１Ｂによって構成される底面２６１と、開先面２３２，２４２Ａ，２４２Ｂによって構成される立ち上がり面２６２とを含む。立ち上がり面２６２は、例えば開先加工された上フランジ２１の端面２１１と同じ傾斜で形成される。切り欠き２６は、例えば上フランジ２１の開先加工と同時に切削などによって形成されてもよい。切り欠き２６の底面２６１は、上フランジ２１の下面および裏当て金５１Ａ，５１Ｂの上面よりも下方にあり、ダイアフラム３１の下面３１２に揃えられる。つまり、溶接部４１の開先底部には、切り欠き２６の底面２６１および立ち上がり面２６２、ダイアフラム３１の端面３１１、ならびに裏当て金５１Ａ，５１Ｂの側面（上述のように、傾斜面または曲面でありうる）によって囲まれるキャビティが形成される。

上記のような切り欠き２６によって形成されるキャビティは溶接部４１の形成時に溶接金属を充填することによって埋められる。このときにショートビードによる溶接割れなどの溶接欠陥が発生しないように、上フランジ２１の幅方向における端面２４１Ａ、２４１Ｂ、端面２３１の幅ｗを例えば３０ｍｍ以上とし、キャビティが上フランジ２１の幅方向についてある程度の長さをもって形成されるようにすることが望ましい。なお、適切な寸法は溶接の条件によっても変わるため、上記の３０ｍｍ以上の範囲は一例にすぎない。

本実施形態では、上記のような切り欠き２６が形成されることによって、Ｈ形断面梁２の材軸方向の建方誤差によってウェブ２３とダイアフラム３１の端面３１１との間に隙間が生じることを防止できる。また、上述のように下フランジ２２側にはスカラップ６が形成されるため、下フランジ２２側で裏当て金５２がダイアフラム３２の端面に当接された状態を維持したまま、Ｈ形断面梁２の位置を上下方向に調節し、Ｈ形断面梁２の上下方向の建方誤差によって切り欠き２６の底面２６１とダイアフラム３１の下面３１２との間に過大な隙間が生じることを防止できる。

ただし、工事現場では上向き姿勢での溶接作業が困難であるため、図７に示されるようにＨ形断面梁２が柱３およびダイアフラム３１に接合された後も、ウェブ２３の上端面とダイアフラム３１の下面３１２との間には溶接されない微小な隙間Ｇが残存する。隙間Ｇが微小であれば、キャビティ部の溶接時における溶接漏れが防止できる。さらに、隙間Ｇでのウェブ２３の過大なせん断変形を抑制することができ、隙間Ｇからダイアフラム３１を板厚方向に貫通するような破壊を抑制することができる。なお、工事現場での上向き姿勢での溶接作業が可能である場合には、隙間Ｇを溶接しダイアフラム３１とフィレット部２４とを接合することで、隙間Ｇからダイアフラム３１を板厚方向に貫通するような破壊をより確実に防止してもよい。

さらに、本実施形態では、上フランジ２１側のダイアフラム３１の板厚を下フランジ２２の板厚よりも厚くすることによって、下フランジ２２の耐力をダイアフラム３１よりも低くし、ダイアフラム３１の破壊よりも下フランジ２２の破壊が先行するようにしてもよい。この場合、地震時にダイアフラム３１が破断することはないため、梁端接合部の設計においては、下フランジ２２が地震時に必要とされる耐力を十分に確保するように設計すればよい。ダイアフラム３１の板厚の上限はないが、キャビティの溶接積層数を最小限にするためにも、ダイアフラム３１下面と上フランジ２１下面との距離は９ｍｍ以下に収めることが望ましい。なお、この場合において、上フランジ２１が下フランジ２２と同じ板厚であってもよいし、ダイアフラム３２がダイアフラム３１と同じ板厚であってもよい。

以上で説明したような本発明の一実施形態によれば、Ｈ形断面梁２の上フランジ２１側にスカラップが形成されないため、スカラップ底への応力およびひずみの集中による上フランジ２１の破断を根本的に防止することができる。その一方で、下フランジ２２側ではスカラップ６を形成することによってＨ形断面梁２の上下方向の位置調節が可能になり、上フランジ２１側でスカラップを形成しなくてもダイアフラム３１との間に過大な隙間が生じることを防止できる。なお、下フランジ２２側のスカラップ６は、裏当て金５２がスカラップ６とは反対側にあるため、例えばフィレット部２５を削り残すようなスカラップ形状を採用することが可能であり、スカラップ６を形成しつつスカラップ底への応力およびひずみの集中を緩和することができる。

また、副次的な効果として、スカラップのない上フランジ２１よりもスカラップ６がある下フランジ２２の破壊が先行することが明らかであるため、破断に対する繰り返し変形性能評価は下フランジ２２側についてのみ行えばよく、設計工程を簡略化することができる。また、上下フランジの両方にスカラップが形成されている場合には開先の向きでＨ形断面梁の上下を見分ける必要があったが、下フランジ２２側のみにスカラップ６が形成されている場合はスカラップの有無でＨ形断面梁２の上下を見分けることができ、施工現場での作業が容易になる。

図８は、図１に示した接合構造の施工時に利用可能な治具の例を示す図であり、図９は図８のIX－IX線に沿った断面図である。上述のように、本実施形態では上フランジ側の裏当て金５１がウェブ２３の両側で裏当て金５１Ａ，５１Ｂに分割されている。一般に裏当て金は溶接部の開先に溶接金属を充填する前に組立て溶接で固定されるが、例えば裏当て金を２つに分割した場合には組立て溶接も２か所に増える。図示された例では、組立溶接の箇所が増えることによる工程の煩雑化を避けるために、裏当て金５１Ａ，５１Ｂを支持する治具７が使用されている。治具７は、Ｈ形断面梁２の上フランジ２１に載置される梁部７１と、梁部７１の両側に設けられるＬ字形の腕部７２Ａ，７２Ｂとを含む。裏当て金５１Ａ，５１Ｂは、腕部７２Ａ，７２Ｂの先端にボルトなどの機械的な連結手段によって取り付けられることによって、上フランジ２１の幅方向外側から支持される。

例えば、裏当て金５１Ａ，５１Ｂが取り付けられた治具７をＨ形断面梁２の材軸方向の端部側から差し入れて梁部７１を上フランジ２１に載置し、その状態でＨ形断面梁２を柱３およびダイアフラム３１に対向する位置に建て付ける。治具７をＨ形断面梁２の材軸方向の端部に向かって移動させて裏当て金５１Ａ，５１Ｂを上フランジ２１の材軸方向の端部で開先底部に当接させ、開先に溶接金属を充填して溶接部４１（図８および図９には図示されていない）を形成する。溶接部４１の形成後は、腕部７２Ａ，７２Ｂの先端の連結手段による連結を解除して治具７を裏当て金５１Ａ，５１Ｂから取り外す。

上記のような治具７を用いれば、裏当て金５１Ａ，５１Ｂの組立て溶接が不要であるため、裏当て金５１Ａ，５１Ｂ分割されている場合であっても工程の煩雑化を避けることができる。治具７では、腕部７２Ａ，７２ＢがＬ字形であることによって、裏当て金５１Ａ，５１Ｂを上フランジ２１の幅方向外側から支持して開先底部に当接させる一方で、梁部７１は開先から離れた位置で上フランジ２１に載置されるため、溶接部４１を形成する溶接工程において治具７が支障になることはない。

図１０は、図１に示した接合構造の変形例を示す図である。接合構造１において、スプライスプレート３４のサイズに限定はない。例えば、図１０に示された例のようにスプライスプレート３４の上端がフィレット部２４の止端に接し、柱３の側面３３とダイアフラム３１との間の溶接部と、ウェブ２３と側面３３との間の溶接部４３とが重なってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。本発明の属する技術の分野の当業者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１…接合構造、２…Ｈ形断面梁、２１…上フランジ、２２…下フランジ、２１１…端面、２３…ウェブ、２３１…端面、２３２…開先面、２４…フィレット部、２４１Ａ，２４１Ｂ…端面、２４２Ａ，２４２Ｂ…開先面、２５…フィレット部、２６…切り欠き、２６１…底面、２６２…立ち上がり面、３…柱、３１，３２…ダイアフラム、３１１…端面、３１２…下面、３３…側面、３４…スプライスプレート、４１，４２，４３…溶接部、５１，５１Ａ，５１Ｂ，５２…裏当て金、５１１…上面、５１２…傾斜面、６…スカラップ、６１，６２…円弧部、６３…直線部、７…治具、７１…梁部、７２Ａ，７２Ｂ…腕部、Ｇ…隙間。

Claims (7)

1. 上フランジ、下フランジおよびウェブを有するＨ形断面梁を被接合部材に接合する梁端接合部の接合構造であって、
   前記上フランジの材軸方向の端部は第１の溶接部によって前記被接合部材に接合され、
   前記下フランジの材軸方向の端部は第２の溶接部によって前記被接合部材に接合され、
   前記第１の溶接部に形成される外開先の底部に当接される裏当て金は前記ウェブの幅方向両側に分割され、前記ウェブの前記上フランジ側の端部が前記第１の溶接部に接する部分では前記ウェブの前記上フランジ側の端面が前記開先底部を構成し、
   前記ウェブの前記下フランジ側の端部には前記第２の溶接部を避けるスカラップが形成される、梁端接合部の接合構造。
2. 前記被接合部材は、柱および前記柱に介挿されるダイアフラムを含み、
   前記第１の溶接部は、前記上フランジの材軸方向の端部を前記ダイアフラムの端面に接合する、請求項１に記載の梁端接合部の接合構造。
3. 前記ウェブの前記上フランジ側の端部と、前記ウェブと前記上フランジとの間のフィレット部とが前記第１の溶接部に接する部分で、前記ウェブおよび前記フィレット部に前記第１の溶接部に形成される外開先に連続する切り欠きが形成され、
   前記切り欠きの底面は前記ダイアフラムの下面に揃えられる、請求項２に記載の梁端接合部の接合構造。
4. 前記ウェブは材軸方向で前記第１の溶接部を越えて前記柱側まで延び、
   前記ウェブの上端面と前記ダイアフラムの下面との間は溶接されていない、請求項２に記載の梁端接合部の接合構造。
5. 前記ダイアフラムの板厚は、前記下フランジの板厚よりも厚い、請求項２に記載の梁端接合部の接合構造。
6. 前記ウェブと前記上フランジとの間のフィレット部に対向する部分で前記裏当て金に勾配面または曲面が形成される、請求項１に記載の梁端接合部の接合構造。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の接合構造の施工方法であって、
   前記第１の溶接部および前記第２の溶接部を現場溶接で施工する、梁端接合部の施工方法。

Images