JP4062706B2 - 接合構造体 - Google Patents

Description

本発明は、管状の構造部材と、ベースプレートまたは接合用フランジ等の基板との間を、補強リブを用いて溶接補強した接合構造体に関するものである。

管状の構造部材と、ベースプレートまたは接合用フランジ等の基板との間を、補強リブを用いて溶接補強した接合構造体には、たとえば、照明柱の基部の構造体等があり、補強リブの形状としては図１に示すような三角リブ３が一般的である。しかし、このような構造体が高架橋上に設置され、自動車や地震他の振動により繰り返し曲げ荷重を受けたとき等には、僅かな年月で疲労破壊を起こすことが多い。そのため、特許文献１においては、三角リブ構造に代えてＵ字リブ構造を持ち、疲労性能を向上させた接合構造体が提案されている。この接合構造体は、図２に示すように、管状の柱構造部材とベースプレートまたは接合用フランジ等の基板２との間を補強リブ４で溶接して補強した接合構造体において、前記補強リブ４が、前記管状の構造部材の表面に沿ってＵ字状またはＶ字状に緩和屈曲させた板状の部材であって、前記Ｕ字状またはＶ字状の緩和屈曲部が前記ベースプレートまたは接合用フランジ等の基板２から遠い側になるように前記柱状の構造部材から突出させたことを特徴とする。
特開２００１−１３２１０２号公報

Ｕ字リブ構造は三角リブ構造などと比較して格段に疲労性能が高い構造である。しかしながら、極端に繰り返し荷重の大きい状況下にさらされる鋼管柱基部などにＵ字リブ構造を適用して疲労性能を確保しようとした場合、Ｕ字リブ屈曲部外側（屈曲部のリブと鋼管柱との溶接部）や、ベースプレートとリブの溶接接合端部が疲労上のネックとなり、必要な疲労寿命を得られないケースがある。そこで本発明では、上記のネックとなる箇所の疲労性能を向上させ、接合構造体全体として更に疲労性能を向上させることができる接合構造体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になされた本発明の手段は、下記の通りである。
（１）管状の構造部材と、ベースプレートまたは接合用フランジ等の基板との間に、板状部材をＵ字状またはＶ字状に屈曲させた補強リブを、前記屈曲部側が基板から遠い側となるように前記構造部材の表面に沿って溶接により固着した接合構造体であって、前記屈曲部側における補強リブのコバ面と前記構造部材の軸方向とのなす角度が、屈曲部頂部から補強リブ板厚の５倍以上の区間に渡って、０°以上４０°以下で、且つ、前記基板側における補強リブのコバ面と基板面とのなす角度が、補強リブの端部から補強リブ板厚の３倍以上の区間に渡って、０°以上２０°以下であることを特徴とする接合構造体。

（２）前記屈曲部における補強リブの幅Ｗが補強リブ板厚の０倍以上１０倍以下で、前記基板側における補強リブの溶接接合端部の立ち上がり高さＨが補強リブ板厚の０倍以上５倍以下であることを特徴とする（１）記載の接合構造体。

（３）前記屈曲部側における補強リブのコバ面と、前記基板側における補強リブのコバ面とを結ぶ遷移区間が曲面からなることを特徴とする（１）又は（２）記載の接合構造体。

（４）前記管状の構造部材の断面が円形、長円形、又は楕円形であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の接合構造体。

本発明によれば、接合構造体によるU字リブの屈曲部外側溶接止端部に導入される圧縮残留応力を最大限に高めるとともに、ベースプレートまたは接合用フランジとU字リブの角回し溶接部に発生する応力を低減させることができ、結果として接合構造体全体としての耐力や疲労性能を従来よりも大幅に向上させることができる。このため本発明は、照明用ポール等の鋼管柱脚部アンカー構造を始め、幅広い用途において、信頼性の向上に大きく寄与することができる。

本発明の接合構造体は、今までのＵ字リブ構造が図２（斜視図を図１３、図１５に示す）に示すように補強リブ４（単にリブとも言う）のコバ面６は同一平面（側面図では直線状）であったのに対し、図３（ａ）及び（ｂ）（斜視図を図１４、図１６に示す）に示すように補強リブ４（単にリブとも言う）の屈曲部側における補強リブのコバ面７とその逆の基板側（ベースプレートまたは接合用フランジ側）における補強リブのコバ面８が、別々の平面で切られるような構造のコバ面６である。

その際、１）屈曲部側においては、補強リブ４の屈曲部頂部５から補強リブ板厚ｔの少なくとも５倍以上の区間にわたってリブ４のコバ面７（６）と管状の構造部材の軸方向とのなす角度（αとする）は０°以上、４０°以下の角度とする。

また、より疲労性能を高めるため、屈曲部における補強リブの幅（板幅ともいう）Ｗをリブ板厚ｔの１０倍以下とする。
ここで角度αは、Ｕ字リブの屈曲部頂部５を真横にした際の接合構造体の側面図（図３（ａ）（ｂ）参照）において、コバ面６をサイドから２次元として見た時の管状の構造体１の軸方向とのなす角度である。

更に、２）基板側においては、補強リブ３と基板２の溶接接合部分の開放端（管状の構造部材から遠い側）である補強リブの端部１４から基板２に沿って補強リブ板厚の少なくとも３倍以上の区間にわたってコバ面８（６）と基板２のなす角度（βとする）を０°以上、２０°以下の範囲に収める。

また、より疲労性能を高めるため、補強リブの端部（溶接接合端部ともいう）９の基板側における補強リブの立ち上がり高さＨを補強リブ板厚の５倍以下とする。
ここで角度βもαと同様に、Ｕ字リブの屈曲部頂部５を真横にした際の接合構造体の側面図（図３（ａ）（ｂ）参照）において、コバ面６と基板２をサイドから２次元として見た時の両者のなす角度である。

１）、２）に示す屈曲部側、基板側のコバ面７、８は、平面である必要はなく、曲率を持って変化する曲面形状でも構わない。その場合、変化する角度α、βは上述した区間に渡って必要とする範囲内で収まっていれば良い。

従来のU字リブのコバ面６は１つの平面で切られていたが、前記の１）と２）を同時に実現するには、Ｕ字リブのコバ面６はすくなくとも２種類の平面又は曲面で切られることが必要である。たとえば、１）を満たす屈曲部側のコバ面７と、２）を満たす基板側のコバ面８の、２種類の平面又は曲面を設定し、これら２つのコバ面の遷移区間１３は、曲面、好ましくは滑らかな曲面（たとえばリブ板厚の３倍以上、好ましくは５倍以上の半径の円弧状面（円筒面の一部））とすることにより、加工の手間を最小限に押さえたうえで、コバ面の遷移区間１３での応力集中を緩和し、疲労性能の劣化を防いで、この遷移区間１３が接合構造体全体における耐疲労性能上のネックとなることを防いだ構造を実現することができる。

また、本発明における管状の構造部材１は、その断面が円形に限らず、図４のように半円断面の間に直線区間が設けられた長円形、又は楕円形でも良い。
上記１）の条件とすることにより、この条件を満たさないＵ字リブ構造の場合と比べてリブ屈曲部外側の溶接箇所に導入される圧縮残留応力がより大きくなり、結果として疲労性能も更に向上する。

以下に圧縮残留応力が該当箇所に導入される原理について説明する。一般に鋼板の表面にリブなどの目的で別の鋼板をＴ字状に溶接した場合、溶接材料の熱収縮作用に伴って溶接箇所の周辺の鋼板表面には引張り応力が発生し、これが溶接止端部の疲労性能を劣化させる要因となっている。ところがＵ字リブ構造の場合、屈曲部外周に沿った溶接部分が熱収縮を起こす際、管状の構造部材表面を内側に押し込む力が働き、管状部材内側に凸（外側に凹）の曲げ変形が生じ、結果として該当表面に曲げ圧縮応力が発生する。これがＵ字リブ構造における圧縮残留応力導入原理である。
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にこのことを裏付けるＦＥＭ（数値解析）による解析結果と、その水平断面および垂直断面の拡大図を示す。このようにして、残留圧縮応力が導入された部材表面の耐疲労性能が向上し、繰り返し応力を受けても疲労亀裂を起こしにくくなる。
ここで、管状の構造部材表面を内側に変形させるためにはＵ字リブの屈曲部も追随して内側に変形することになるが、そのためにはＵ字リブ屈曲部が管状部材表面直角方向に「柔」である必要がある。しかるにリブの屈曲側に近いコバ面と管状の構造部材の軸方向とのなす角度αが４０°を越えると、溶接材料の熱収縮による引張り応力によるリブ屈曲部の鋼管内側への変位作用力よりもリブの剛性が勝り、結果としてリブ屈曲部外側溶接止端部に充分な圧縮残留応力を付与することが出来ない。
従って、該当箇所の疲労性能も劣ることになる。よって、１）の条件はＵ字リブの屈曲部外側溶接止端部の高い疲労性能を確保するために重要である。
なお、コバ面６と管状の構造部材１の軸方向とのなす角度αが０°とは、コバ面６の法線方向と管状の構造部材の軸方向が平行の状態を意味する。

コバ面と管状の構造部材の軸方向とのなす角度αには、図６（ａ）に示すようにコバ面７（６）が下向きに管状の構造部材１へ向って接近するように傾斜している場合も含む。この場合、疲労性能は今までのＵ字リブに比べては向上するが、コバ面７（６）が下向きに管状の構造部材１から離れる場合と比べると、応力集中の低減効果が薄れるため、後者の方が好ましい。

また、板幅Ｗが大きくなるとリブ屈曲部の鋼管内側への変位作用力よりもリブの剛性が勝る場合も生じるため、板幅Ｗは板厚ｔの１０倍以下が好ましい。尚、板幅Ｗが０且つ角度αで末広がりの形状とすることも可能ではあるが、残留圧縮応力が入りにくくなることや、屈曲部頂点でのリブ剛性が落ちることなどから、Ｗは板厚ｔの１倍以上が更に好ましい。

一方、Ｕ字リブ構造において前記の１）の条件を満足させても、基板２とリブ４の溶接箇所が疲労上のネックとなることが起こり得る。すなわち、補強リブ４と基板２の溶接接合端部付近に存在する角回し溶接部は元来疲労性能の面で好ましい構造ではない。何故なら、角回し溶接部では溶接時に発生する溶接止端部の引張り残留応力が一般部（溶接の直線区間での溶接止端部）と比べて大きく、応力集中度も高いためである。U字リブの構造上、角回し溶接を無くすことは出来ないので、この箇所の疲労性能を向上させるためには該当箇所の応力を低減させることが有効である。その手段として、角回し溶接部の近傍に流れる力を小さくすることが必要であり、前記の２）の条件を満たすことが必要となる。

なお、２）の条件において、コバ面と基板面とのなす角度βが０°とは、コバ面８（６）の方向と基板面が平行の状態を意味し、コバ面と基板面とのなす角度βが０°を越える場合とは、コバ面８（６）が管状の構造部材１に向って接近するように下向きに傾いている場合（図６（ｂ）参照）と、コバ面８（６）が管状の構造部材１の反対側に向って下向きに傾いている場合の両方を意味する。前者の場合と後者の場合共に疲労性能は今までのＵ字リブに比べて向上するが、前者では応力集中の低減効果が薄れるため、後者の方が好ましい。

また、立ち上がり高さＨが大きくなると、角回し溶接部での応力が大きくなる場合もあるため、立ち上がり高さＨはリブ板厚ｔの５倍以下が好ましい。尚、高さＨが０且つ角度βで末広がりの形状とすることも可能ではあるが、角回し溶接部の端部でのリブ剛性が落ちることなどから、Ｈは板厚の１倍以上が更に好ましい。

すなわち、Ｕ字リブ構造の疲労性能をより高めるためには、リブ緩和屈曲部外側溶接止端部における耐疲労性能と、リブと基板の溶接接合端部における耐疲労性能の両方を同時に高めることが必要であり、その手段として１）と２）の両方を実施することが有効となる。

角度αと角度βの設定根拠について、更に詳細を説明する。
角度αについては、リブの緩和屈曲部頂点側から補強リブ板厚の少なくとも５倍以上区間にわたって０°以上、４０°以下の角度、更に望ましくは２０°以下に設定することが好ましい。

図７に、管状の構造部材（鋼管）と基板（ベースプレート）の諸元（寸法、材質）に対して適切な設計を行ったU字リブの形態において、屈曲部側のコバ面と管状の構造部材の軸との角度を変化させたときのリブ屈曲部外側溶接止端部の応力集中ピーク箇所に内在する圧縮残留応力σ_ｃと鋼管材料降伏応力σ_ｙとの比の関係についての一例を示する。角度αが２０°以下では、リブ屈曲部外側溶接止端部付近に鋼管材料の降伏応力の半分程度の圧縮残留応力が蓄えられるが、４０°を越えるとその値は鋼管材料降伏応力の５分の１程度以下に減少してしまう。そうなると、該当箇所に鋼管材料降伏応力の高々５分の１程度の繰り返し応力が作用しても導入済みの圧縮残留応力が消滅してしまい、結果として疲労性能が大幅に低減してしまう。

一方、角度βについては、補強リブと基板の溶接接合端部から基板に沿って補強リブ板厚の少なくとも３倍以上の区間にわたって０°以上、２０°以下の範囲に、更に好ましくは１０°以下に収めることが望ましい。

図８に、管状の構造部材（鋼管）と基板（ベースプレート）の諸元（寸法、材質）に対して適切な設計を行ったU字リブの形態において、補強リブと基板の溶接接合端部側コバ面とベースプレートのなす角度を変化させた場合の、公称曲げ応力１００ＭＰａに相当する鋼管曲げ作用時に発生するベースプレート位置でのリブ開放端鉛直応力σがどのように変化するかを有限要素法による数値解析で求めた結果を示す。ここで、鋼管直径＝２５０ｍｍ、鋼管板厚＝６ｍｍ、リブの高さ＝２５０ｍｍ、リブ底面の長さ＝１８０ｍｍ、角度α＝２０°、リブ板厚ｔ＝９ｍｍ、立ち上がり高さＨ＝３０ｍｍ、などを固定し、角度βを変化させて解析した。角度βが１０°以下では、リブ開放端側の基板位置での応力は５ＭＰａ未満と非常に小さいであるが、２０°を越えるとその値は２５ＭＰａオーバーとなってしまい、該当箇所のＪＳＳＣ（日本鋼構造協会）疲労等級Ｆクラスの応力範囲打ち切り限界２１ＭＰａを越え、この箇所が耐疲労上のネックとなる恐れがある。

ここでは、本発明の実施例として図９（ａ）、（ｂ）に示す仕様の接合構造体と、比較例として図１０（ａ）、（ｂ）に示す仕様の従来のＵ字リブ構造の接合構造体との、比較検討結果を示す。

図９に示す本発明の実施例では、角度α、角度βを共に０°とし、これら二つのコバ面の遷移区間を円筒面で繋いでいる（ｔ＝９ｍｍ、Ｗ＝３０ｍｍ＜１０ｔ、Ｈ＝２０ｍｍ＜５ｔ）。対して図１０に示す比較例では、コバ面は一平面であり、角度αは１４．４°、角度βは７５．６°とした（ｔ＝９ｍｍ、Ｗ＝３０ｍｍ、Ｈ＝２０ｍｍ）。

上述した実施例と比較例の構造に対して、鋼管に単位曲げ荷重１ｋＮｍを作用させた時の基部表面応力分布をＦＥＭ解析により求めた結果を図１１、図１２に示す。補強リブと基板の溶接接合端部における最大主応力の値は、図１２の比較例では約１．６４ＭＰａなのに対し、図１１の本発明の実施例では０．１１ＭＰａであり、従来構造である比較例の耐疲労上のネックとなっていた箇所の応力が大幅に削減されていることが分かる。

更に、両構造を鋼材の溶接加工により試作してリブ屈曲部外側溶接止端部付近の鋼管表面に発生している残留応力をX線回析法により測定した結果、比較例では１５０MPａの圧縮残留応力が生じているのに対して、実施例では２５０MPａと約１．７倍の圧縮残留応力が生じていることを確認できた。このように、リブ屈曲部外側に、実施例の方が比較例より大きな圧縮残留応力が導入されていることが分かった。

また両構造に対して、鋼管基部が繰り返し曲げを受けるような疲労試験を実施した結果、公称応力振幅３００MPaの繰り返し載荷に対して、実施例では４００万回で載荷打ち切りし、未破壊であったが、比較例では２５万回の載荷繰り返しの時点で基板側におけるリブの溶接接合端部に疲労亀裂が発生した。このように、リブのコバ面の角度を適切に設定することによりＵ字リブ構造の疲労性能は大幅に向上する。

従来の補強リブに三角リブを用いた接合構造体を示す側面図である。 従来の補強リブにＵ字リブを用いた接合構造体を示す側面図である。 （ａ）本発明に係る接合構造体を示す側面図である。 （ｂ）（ａ）の補強リブ部分の拡大図である。 本発明に係る管状の構造部材の断面長円形のものの断面図である。 本発明に係る接合構造体の残留圧縮応力導入原理を表す図である。 本発明に係るリブのコバ面が管状の構造部材に向って下向きに傾いている場合を示した模式図である。 本発明に係る、角度αに対する圧縮残留応力σ_ｃと鋼管材料降伏応力σ_ｙとの比の関係を示した図である。 本発明に係る、角度βに対するリブ開放端鉛直応力σの関係を示した図である。 （ａ）実施例の接合構造体の仕様を示す側面図である。 （ｂ）（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 （ａ）比較例の接合構造体の仕様を示す図である。 （ｂ）（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施例のＦＥＭ解析結果を示す図である。 比較例のＦＥＭ解析結果を示す図である。 従来のＵ字リブを用いた接合構造体を示す斜視図である。 本発明のＵ字リブを用いた接合構造体を示す斜視図である。 従来のＵ字リブを用いた別の接合構造体を示す斜視図である。 本発明のＵ字リブを用いた別の接合構造体を示す斜視図である。

符号の説明

１：管状の構造部材
２：基板（ベースプレートまたは接合用フランジ）
３：三角リブ（補強リブ、リブ）
４：Ｕ字リブ（補強リブ、リブ）
５：屈曲部頂部
６：コバ面
７：屈曲部側における補強リブのコバ面（屈曲側コバ面）
８：基板側における補強リブのコバ面（リブ開放端側コバ面）
９：補強リブの端部（溶接接合端部）
１３：遷移区間
１４：補強リブの端部
Ｈ：基板側における補強リブの端部の立ち上がり高さ
Ｗ：屈曲部における補強リブの幅（板幅）

Claims (4)

1. 管状の構造部材と、ベースプレートまたは接合用フランジ等の基板との間に、板状部材をＵ字状またはＶ字状に屈曲させた補強リブを、前記屈曲部側が基板から遠い側となるように前記構造部材の表面に沿って溶接により固着した接合構造体であって、前記屈曲部側における補強リブのコバ面と前記構造部材の軸方向とのなす角度が、屈曲部頂部から補強リブ板厚の５倍以上の区間に渡って、０°以上４０°以下で、且つ、前記基板側における補強リブのコバ面と基板面とのなす角度が、補強リブの端部から補強リブ板厚の３倍以上の区間に渡って、０°以上２０°以下であることを特徴とする接合構造体。
2. 前記屈曲部における補強リブの幅Ｗが補強リブ板厚の０倍以上１０倍以下で、前記基板側における補強リブの端部の立ち上がり高さＨが補強リブ板厚の０倍以上５倍以下であることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
3. 前記屈曲部側における補強リブのコバ面と、前記基板側における補強リブのコバ面とを結ぶ遷移区間が曲面からなることを特徴とする請求項１又は２記載の接合構造体。
4. 前記管状の構造部材の断面が円形、長円形、又は楕円形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合構造体。

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