JP4184883B2

JP4184883B2 - 接合構造体

Info

Publication number: JP4184883B2
Application number: JP2003199725A
Authority: JP
Inventors: 雅一杉本; 哲己近藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: JP2005042303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は柱状構造部材と板状構造部材または他の構造部材との接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−１３２１０２号公報
【０００３】
従来、図６に示されるように、鋼管柱等の柱状構造部材１１の基部にベースプレート等の他の構造部材１２を接合する接合構造体において、柱状構造部材と他の構造部材との間に三角形や台形の板状補強材１３が溶接して接合される。（以下、「従来例１」という。）
【０００４】
ところが、このような従来例１の構造の接合構造体では、柱状構造部材１１に外力が作用したときに柱状構造部材１１の板状補強材１３周辺に大きな応力集中が発生し、接合構造体の耐力や疲労性能が低下することが判明した。これは、柱状構造部材１１の表面に溶接された板状補強材１３の端部が強い剛性を持つため力の流れがここに集中するためである。その結果、交通振動や風などによって繰り返し振動を受ける鋼管柱などの柱状構造部材１１では、上記の応力集中に起因するクラックが発生することがある。
【０００５】
また、特許文献１には、図７に示されるよう従来例２が示されている。この従来例２には、柱状構造部材１１と板状の他の構造部材１２との間に溶接される補強材１４の上端部１５を、柱状構造部材１１の表面に沿ってＵ字形またはＶ字形に屈曲させた接合構造体が開示されている。この接合構造体は、柱状構造部材１１の主応力方向から逃げる方向にＵ字形またはＶ字形に屈曲させることによって、補強材１４の上端部１５の剛性を低減し、応力集中を大幅に緩和したものである。この従来構造の接合構造体では、柱状構造部材１１の疲労強度を向上させることができ、道路用照明柱などで多くの工事実績がある。この従来の接合構造体においては、補強材１４のＵ字形またはＶ字形に屈曲された上端部１５は、柱状構造部材１１の表面に溶接されており、溶接部１６にグラインダ処理を施すことによって補強材１４の上端部１５の周辺の局部応力集中係数を低下させている。
【０００６】
ところが、その後の研究により、図７に示されるような補強材１４の上端部１５をＵ字形またはＶ字形に屈曲させた従来例２の接合構造体においては、補強材１４の上端部５周辺の柱状構造部材１１の表面に残留圧縮応力が働き、柱状構造部材１１に外力が作用したときに発生する引張応力を緩和することにより、疲労性能を向上させていることが確認された。この事実によれば、溶接部１６にグラインダ処理を施すことは、局部応力集中係数の低下には寄与するものの、残留圧縮応力をも低下させることになり、全体としては疲労性能向上にマイナス要因となる可能性があることが判明した。つまり、接合構造体の鋼溶接構造の場合、補強材１４の端部形状の工夫による応力集中の低減のみでは疲労性能の向上には限度があるということである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するため、補強材の溶接部に積極的に圧縮残留応力を導入して、疲労性能を向上させた接合構造体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本第１発明は、前記課題を解決するために、柱状構造部材を板状構造部材に接合した接合構造体において、接合される柱状構造部材と板状構造部材には、該構造部材の接合を補強するための板状の補強材が溶接されており、前記補強材は前記柱状構造部材の表面に沿ったＵ字状またはＶ字状の屈曲部を有し、前記Ｕ字状またはＶ字状の屈曲部は前記柱状構造部材側に形成され、前記屈曲した補強材と柱状構造部材との溶接止端部はグラインダ処理を行わないアズウェルドとし、かつ前記補強材と該構造部材とは、該構造部材の補強材の取り付け部分に与えられた引張応力下で溶接されており、前記柱状構造部材の材料降伏応力が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【０００９】
本第２発明は、柱状構造部材を他の構造部材に接合した接合構造体において、接合される柱状構造部材と他の構造部材には、該構造部材の接合を補強するための板状の補強材が溶接されており、前記補強材は前記柱状構造部材及び他の構造部材の表面に沿ったＵ字状またはＶ字状の２つ以上の屈曲部を有し、且つ、リング状の開口部を有し、前記屈曲した補強材と柱状構造部材との溶接止端部はグラインダ処理を行わないアズウェルドとし、かつ前記補強材と該構造部材とは、該構造部材の補強材の取り付け部分に与えられた引張応力下で溶接されており、前記柱状構造部材及び他の構造部材の材料降伏応力が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
本第３発明は、本第１または第２発明の接合構造体において、前記補強材の該構造部材の溶接部止端部２ｍｍ以内の範囲の該構造部材の表面残留応力の最大主応力値が圧縮であり、かつ該構造部材の材料降伏応力の８割以上であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図により説明する。
図１は、本発明の接合構造体の一実施形態を示す斜視図であり、１は柱状構造部材、２は柱状構造部材１の基部に溶接された板状の他の構造部材、３は柱状構造部材１と板状の他の構造部材２との間に溶接される補強部材である。補強材３の上端部４は柱状構造部材１の表面に沿ってＵ字形またはＶ字形に屈曲している。柱状構造部材１の材料降伏応力を３００ＭＰａ以上とする。柱状構造部材１と補強部材３の溶接部７は、通常グラインダ処理するが、この実施形態においてはグラインダ処理を実施しない。
【００１４】
図２は、本発明の接合構造体の他の実施形態を示す斜視図である。この実施形態では、柱状構造部材１と板状の他の構造部材２との間に補強材３が溶接される。図２においては、他の構造部材２は板状のものが示されているが、他の構造部材としては、他の柱状構造部材であってもよく、その数が複数であってもよい。補強材３の上端部４は柱状構造部材１の表面に沿ってＵ字形またはＶ字形に屈曲しており、補強材３の下端部５は板状の他の構造部材２の表面に沿ってＵ字形またはＶ字形に屈曲しており、且つ、補強材３にはリング状の開口部６が形成される。柱状構造部材１に接合される他の構造部材２が他の柱状構造部材であり、その数が複数である場合、補強材の他の柱状構造部材への接合部はＵ字形またはＶ字形に屈曲させるので、屈曲部の数は２よりも多い場合がある。
この実施形態において、柱状構造部材１の材料降伏応力を３００ＭＰａ以上とする。
柱状構造部材１と補強部材３の屈曲部外側の溶接箇所のうち、柱状構造部材１側の溶接止端部は、通常グラインダ処理するが、この実施形態においてはグラインダ処理を実施しない。
【００１５】
鋼溶接構造である接合構造体においては、補強材３の柱状構造部材の溶接部７の上端部の形状を工夫して応力集中の低減をはかるだけでは、疲労性能は社団法人日本鋼構造協会「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」の溶接継手の疲労強度等級（以下、「ＪＳＳＣ」という。）のＥ等級止まりである。そこで、力の流れが多く発生する溶接止端部近傍に圧縮残留応力を導入することで疲労性能をより向上させることが考えられる。補強材３の上端部４がＵ字形またはＶ字形に屈曲した接合構造体の完全両振り疲労試験実績により、次のことが判明した。
（１）圧縮残留応力を確実に導入できていればＪＳＳＣのＢ等級（応力範囲の打ち切り限界が１５５ＭＰａ）であること。
（２）補強材３のＵ字形またはＶ字形の屈曲部の凸部での応力集中係数は１．５倍未満であること。
【００１６】
圧縮残留応力導入領域を溶接止端部から２ｍｍ以内としたのは、その個所で所定の圧縮残留応力が導入されていれば、疲労性能上最もクリティカルとなる溶接止端部においても同様の圧縮残留応力導入が見込まれるからである。圧縮残留応力の測定方法としては、Ｘ線回析による方法などである。
【００１７】
従来例２のような補強材の上端部がＵ字形またはＶ字形に屈曲した接合構造体において、補強材のＵ字形またはＶ字形屈曲部の上端部の溶接止端部はグラインダ処理が施されていた。その理由は、グラインダ処理により、溶接止端部付近の形状の凹凸による応力集中を緩和することにより耐疲労性能を向上させようとする狙いがあったからである。ところが、疲労試験の結果、グラインダ処理を施さない方が耐疲労性能が優れていることが判明した。これは、グラインダ処理による応力集中の緩和効果より、溶接により圧縮残留応力が導入されている表面を削り取ることにより、新たな表面となった個所の圧縮残留応力が低減してしまう効果が大きく、結果的に耐疲労性能が低下してしまうからである。
たとえば、φ１８０×６のリブ周辺（溶接止端部）にもともと母材降伏応力の５割以上の圧縮残留応力を付与しておいたケースで、グラインダにより溶接止端部を０．１ｍｍ程度削り取った結果、該当個所の圧縮残留応力は母材降伏応力の３割に低減し、疲労性能はＪＳＳＣのＣ等級であったものがE等級にランクダウンした。
したがって、本発明においては、Ｕ字形またはＶ字形に上端部を屈曲させた補強材と柱状構造部材との溶接止端部へのグラインダ処理を行わないアズウェルドとする。グラインダ処理の工程を省くことができるので製作コストの低減化に繋がる。
【００１８】
一般に溶接鋼構造物においては、材料の降伏強度の向上が耐疲労性能の向上に寄与しないことが知られている。従って、通常の溶接鋼構造の疲労設計にあたって、繰り返し応力が許容値を超えた場合には、断面の板厚を増加したり、外径を増大させることで繰り返し応力値低減を図ることが行われている。
ところが、柱状構造部材に溶接される補強材の上端部をＵ字形またはＶ字形に屈曲させた接合構造体の場合、柱状構造部材の材料を降伏応力が３００ＭＰａ以上の高強度の材料とすることにより、溶接加工作業の過程でＵ字形またはＶ字形屈曲区間外側（凸側）の溶接止端部付近に導入される圧縮残留応力を更に増大させることが可能であることが判明した。
本発明は、従来の耐疲労性能向上のための常識には反する柱状構造部材の材料の降伏応力を３００ＭＰａ以上の高強度のものを使用することにより、圧縮残留応力の導入を増大させ、これにより接合構造体の耐疲労性能を向上させるものである。
【００１９】
圧縮残留応力の導入量は、「ＪＳＳＣのＢ等級を確保する場合、」溶接止端部の２ｍｍ以内で補強材が接合される該構造部材の材料の降伏応力の８〜９割が望ましい。
もし、両振りでＢ等級を確保するならば、最小応力が０で最大応力が１５５ＭＰａのときでも、応力集中個所の応力が引張りに転じないためには、応力集中係数が１．５として、１５５×１．５＝２３２．５ＭＰａの圧縮残留応力が導入されていればよい。材料の降伏応力が３００ＭＰａの場合、上記の残留応力は降伏応力の０．７７５倍≒８割である。これにより圧縮残留応力は降伏応力の８割以上が望ましいと考えられる。
次に、圧縮残留応力を増大するために、柱状構造部材１に補強部材３を溶接接合する前、柱状構造部材１の補強材３の取り付け部分に引張応力を与えておき、その状態を保持したまま補強材３を溶接することが有効である。溶接個所が冷却固化した後、引張応力を開放することにより、該当個所に圧縮残留応力が導入されることになる。
柱状構造部材１に引張応力を付加するために一例としては、柱状構造部材１と板状の他の構造部材２を溶接した後、柱状構造部材１の上部に予め溶接固定した反力部材と板状の他の構造部材２との間にジャッキを設置し、ジャッキを伸長して約３０トンの引張力を付加した。その状態を保持して補強部材を溶接した結果、９０ＭＰａ程度の圧縮残留応力を導入できることが判明した。
一方、柱状構造部材１に引張力を付加する他の例として、柱状構造部材１に補強材３を溶接する時に、柱状構造部材１の補強材３が溶接される反対側の上部に水平力を加えることにより、または、柱状構造部材１の基部に曲げを与えることにより柱状構造部材１の補強材取り付け部に引張力を与えることが出来る。
【００２０】
補強材３と柱状構造物１との溶接を他の構造物２との接合より先に行うと、補強材３の柱状構造部材１への溶接時に、補強部材３の柱状構造物１に対してめり込むように移動することが容易となり、補強材３の上端部の屈曲区間の外側止端部付近に確実に圧縮残留応力を導入することができる。
一般的に、材質強度の向上は疲労強度の向上には繋がらない。たとえば、「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」（日本鋼構造協会）では、引張り強さが３３０ＭＰａ〜１ＧＰａ程度の炭素鋼および低合金鋼に対して、同じ疲労強度を設定しており、鋼材の強度向上が疲労強度向上に寄与しないことを示している。しかるに、本願発明のように、圧縮残留応力の付与によって、疲労強度を向上させる技術においては、鋼材の強度向上は、付与しうる圧縮残留応力の大きさが増えることを意味し、結果的に疲労強度に大きく寄与する。
【００２１】
（実施例）
図１に示される本発明の接合構造体の実施形態において、柱状構造部材１の直径Ｄ：１８０ｍｍ、板厚ｔ１：６ｍｍとし、板状構造部材２の正方形の１辺の長さＷ１：３５０ｍｍ、板厚ｔ２：２５ｍｍ、材質：ＳＳ４００（ＪＩＳＧ３１０１の一般構造用圧延鋼材の規格で保証引張り強さが４００ＭＰａのもの）とし、補強材３の高さｈ：１８０ｍｍ、幅Ｗ２：８０ｍｍ、材質：ＳＳ４００としたものを９０度間隔で４個配置し、繰り返し疲労試験を実施した。
【００２２】
図３は、上記の接合構造体の柱状構造物１の材質としてＳＴＫ５４０（ＪＩＳＧ３４４４の一般構造用炭素鋼鋼管の規格で保証引張り強さが５４０ＭＰａのもの）を用いたものを●、接合構造体の柱状構造部材１の材質をＳＴＫ４００（（ＪＩＳＧ３４４４の一般構造用炭素鋼鋼管の規格で保証引張り強さが４００ＭＰａのもの）を用いたものを▲（従来例２）、従来例１の接合構造体を×として疲労特性を示すグラフである。柱状構造物１の材質としてＳＴＫ５４０を用いたものの耐疲労性能が向上している。Ａ〜Ｈは、ＪＳＳＣの等級である。
【００２３】
図４は、上記の接合構造体の柱状構造部材１の材質をＳＴＫ５４０とし、補強材３の溶接時に柱状構造部材１に引張力を付加した状態を保持したものを○、柱状構造部材１の材質をＳＴＫ５４０とし、補強材３の溶接時に引張力を付加した状態を保持しないものを●、接合構造部材１の材質をＳＴＫ４００とし、補強部材の溶接時に引張力を付加した状態を保持しないものを▲（従来例２）とした疲労特性を示すグラフである。柱状構造部材１への補強材３の溶接時に柱状構造部材１に引張力を付加した状態を保持して溶接したものの耐疲労性能が向上している。Ａ〜Ｈは、ＪＳＳＣの等級である。
【００２４】
図５は、上記接合構造体の柱状構造部材１の材質をＳＴＫ５４０とし、補強材３の柱状構造部材１との溶接を他の構造部材２との接合より先におこなったものを○、柱状構造部材１の材質をＳＴＫ５４０とし、補強材３の他の構造部材２との溶接を柱状構造部材１の接合より先に行ったものを●、接合構造体の柱状構造部材１の材質をＳＴＫ４００とし、補強材３の他の構造部材２との溶接を柱状構造部材１の接合より先に行ったものを▲（従来例２）とした疲労特性を示すグラフである。補強材３の柱状構造部材１との溶接を他の構造部材２との接合より先におこなったものの耐疲労性が向上している。Ａ〜Ｈは、ＪＳＳＣの等級である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の構成により、降伏応力が３００ＭＰａ以上の柱状構造部材のＵ字形またはＶ字形に屈曲した補強材の溶接止端部に大きな圧縮残留応力を導入できるため、耐疲労性を向上させることができる。
他の構造部材の接合部においても同様である。
このことは、補強材の溶接時に柱状構造部材に引張力を付加した状態で溶接を行うことにより、溶接止端部への圧縮残留応力の導入をより増加することが可能となる。
補強材の柱状構造部材との溶接を他の構造部材との接合より先に行うことにより、溶接止端部への圧縮残留応力の導入をより増加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の接合構造体の疲労特性を示す図である。
【図４】本発明の接合構造体の疲労特性を示す図である。
【図５】本発明の接合構造体の疲労特性を示す図である。
【図６】従来の接合構造体に一例を示す斜視図である。
【図７】従来の接合構造体に一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：柱状構造部材
２：他の構造部材
３：補強材
４：補強材の上端部
５：補強材の下端部
６：リング状開口部
７：柱状構造部材と補強材との溶接部
１１：柱状構造部材
１２：他の構造部材
１３：板状補強材
１４：補強材
１５：補強材の上端部
１６：柱状構造部材と補強材との溶接部

Claims

柱状構造部材を板状構造部材に接合した構造において、
接合される柱状構造部材と板状構造部材には、該構造部材の接合を補強するための板状の補強材が溶接されており、
前記補強材は前記柱状構造部材の表面に沿ったＵ字状またはＶ字状の屈曲部を有し、
前記Ｕ字状またはＶ字状の屈曲部は前記柱状構造部材側に形成され、
前記屈曲した補強材と柱状構造部材との溶接止端部はグラインダ処理を行わないアズウェルドとし、
かつ前記補強材と該構造部材とは、該構造部材の補強材の取り付け部分に与えられた引張応力下で溶接されており、
前記柱状構造部材の材料降伏応力が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする接合構造体。
柱状構造部材を他の構造部材に接合した構造において、
接合される柱状構造部材と他の構造部材には、該構造部材の接合を補強するための板状の補強材が溶接されており、
前記補強材は前記柱状構造部材及び他の構造部材の表面に沿ったＵ字状またはＶ字状の２つ以上の屈曲部を有し、
且つ、リング状の開口部を有し、
前記屈曲した補強材と柱状構造部材との溶接止端部はグラインダ処理を行わないアズウェルドとし、
かつ前記補強材と該構造部材とは、該構造部材の補強材の取り付け部分に与えられた引張応力下で溶接されており、
前記柱状構造部材及び他の構造部材の材料降伏応力が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする接合構造体。
前記補強材の該構造部材の溶接部止端部２ｍｍ以内の範囲の該構造部材の表面残留応力の最大主応力値が圧縮であり、かつ該構造部材の材料降伏応力の８割以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の接合構造体。