JP4369542B2 - 高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築、橋梁などにおける鋼構造物の摩擦接合部に利用される高力ボルト摩擦接合用スプライスプレートに関するものである。本発明のスプライスプレートは、安価でしかも安定して高いすべり係数の摩擦接合面を得ることができ、これを用いることにより接合効率が向上し、ボルト締結本数を低減したり、鋼構造物の安全性を高めることができる。
【０００２】
【従来の技術】
建築用鋼材などを直列に接合する際は、被接合鋼材を突き合わせて、その両側にスプライスプレートを添えてボルトで締め付けて接合する、いわゆる、高力ボルト摩擦接合が一般的に採用されている。
高力ボルト摩擦接合において、日本建築学会の設計施工指針では、接合耐力上重要となる摩擦面は、黒皮除去された良好な赤錆面で、すべり係数が０．４５を上回る処理を施すこと、また、すべり係数はすべり耐力試験により確認する必要があるとしている。
【０００３】
通常、良好な赤錆状態であれば、すべり係数は０．４５を上回ることが知られており、すべり耐力試験は省略される場合が多い。しかし、赤錆状態のすべり係数は０．６程度の値が得られることもあるが、環境因子や鋼材組成などにより錆生成状態が異なるため、バラツキが大きい。
摩擦接合面のすべり係数は接合耐力上高いほど好ましいことは明らかであり、鋼材表面に赤錆を生成する方法の他に、特開昭５１−５２６２８号公報に示されるように、接合面に施工前にショットブラストなどにより凹凸を付けたり、特開平１−２０６１０４号公報に示されるように、接合面に耐食性金属を溶射する方法などが提案されている。しかし、従来の方法では、十分な粗度を形成できないばかりでなく、凹凸の形状のバラツキが大きいなど、得られるすべり係数に限界があり、ある値以上のすべり係数が得られないなどの問題があった。
【０００４】
一方、特開平６−５７８２８号公報では、摩擦接合面にボルト孔の締結力の影響が及ぶ範囲にわたって３〜１０ｍｍ、好ましくは５〜６ｍｍ前後の高さの凸部を一体成形し、その凸部に高さ１〜３ｍｍ程度の刃状の突起を形成したスプライスプレートが開示されている。しかし、３〜１０ｍｍ（好ましくは５〜６ｍｍ前後）の高さの凸部を一体成形することはきわめて困難であり、また、仮にそのような凸部および刃状の突起が形成された場合でも、被接合鋼材（母材）の表面硬さがスプライスプレート側より硬い場合には、突起が十分に食い込めず、すべりに対する抵抗とならないという問題があった。
【０００５】
これに対して、本発明者らは、先に出願した特開平９−１６５８２６号公報に示されるように、ボルト孔周縁にボルト孔を中心とした同心円状にローレット駒を転圧・転造することにより凹凸模様を付与し、該凸部の硬さを被接合鋼板より硬いスプライスプレートを創案し、すべり係数の画期的な向上を図った。しかし、この凹凸模様は、同公開公報の図１に示されるように、放射状、回転放射状あるいは綾目状であり、回転加工機を用いた前記模様の転造では、常に同一軌跡をたどらなければ、一旦形成された凹凸形状を潰してしまう場合があった。また、凸部を被接合鋼板に食い込ませ、すべりに対する抵抗を得るためには、凸部先端は鋭い方が好ましいことは前記公開公報でも指摘したが、放射状、回転放射状あるいは綾目状の凹凸模様（形状）で凸部先端を鋭くするためには、転造加工時に転造駒が正確に同一軌跡をたどる必要があり、転造駒および加工治具の加工精度を著しく上げる必要があるとともに、転造加工に要する時間もかなりの長時間となり、生産性の面で問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、安価に合理的な凹凸を形成することにより、安定した高いすべり係数を発現するスプライスプレートを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨とするところは下記のとおりである。
（１）高力ボルト摩擦接合の際の添接板として用いられるスプライスプレートにおいて、該スプライスプレートの摩擦接合面のボルト孔回りに、ボルト孔と同心円状に、かつその半径方向の断面形状が連続または断続した山形の凹凸をなし、該凸部の先端がスプライスプレート表面よりも高く、かつ少なくとも凸部の先端部が被接合鋼材の表面硬さよりも硬く、前記凹凸の凸部高さが半径方向外側ほど、一定の割合あるいは段階的に高く、かつ凹凸を施した領域の最内側と最外側の半径差に対する最内側と最外側それぞれの鋼板表面からの凸部高さ差の割合が０．０２〜０．１０であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。
【０００８】
（２）前記凹凸を転造により施したことを特徴とする前記（１）記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。
（３）前記凹凸の凸部の角度が５０〜１２０度で、かつ凸部先端の曲率半径が０．２ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）または（２）記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。
【００１０】
（４）前記凹凸の凹部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。
【００１１】
【発明の実施の形態】
従来、一般的に、鋼材のすべり係数を高めるためには、ショットあるいはグリッドブラストなどにより、摩擦接合面の表面粗さを増す方法が採られていた。しかし、ブラスト処理などでは、表面粗さ、すなわち表面凹凸の高低差は、鋼種やショット粒などにもよるが、高々１５０μｍ程度であり、これによるすべり係数の増加には自ずと限界があった。また、本発明者らの研究によれば、同一の表面粗さですべり係数を高めるためには、摩擦接合面の硬さ（表面硬さ）を高める必要があることが判明した。すなわち、摩擦接合面に適切な凹凸を施し、かつ凸部の硬さを高めることで、すべり係数を顕著に向上させ得ることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１２】
以下、本発明について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示すものである。
まず、凹凸はボルト孔の回りに同心円状に付与する。これは、ボルトの締結力がボルト孔の回りに同心円状に及ぶことを考慮したためで、きわめて合理的である。また、同心円状とすることで、すべりに対する異方性がなく、鋼材に、一軸の引張りだけでなく、曲げ、剪断成分が加わる場合にも有効となる。
【００１３】
さらに、上記ボルト孔回りの同心円状の凹凸形状は、凸部が被接合鋼材に十分に食い込み、すべりに対する抵抗となるように、半径方向断面で連続または断続した山形とする。半径方向断面が山形とは、上面から見た凹凸加工模様がリング状であることを意味し、転造駒は常に同一の軌跡をたどることができる。このため、転造加工、特に凸部形成がきわめて容易となり、転造時間の短縮を図ることが可能となった。さらに、凸部の角度の鋭角化や凸部先端の曲率半径を小さくすることなども容易となり、本発明において凹凸形状の細部を構成要素として規定することが可能となった。これらの面で、同心円状の半径方向断面山形（上面から見てリング状）は最も好ましい形状である。
【００１４】
ここで、上記のように摩擦接合面に凹凸を付けて表面粗度を増しただけでは、すべり係数を顕著に向上させるには不十分であり、凸部をスプライスプレートの表面よりも高く突き出し、かつ凸部の硬さを被接合鋼板の硬度よりも高くすることが必要である。これは、凸部を被接合鋼材に十分に食い込ませ、すべりに対する抵抗とするためである。
【００１５】
凸部の高さは、従来のブラスト処理などよりも十分にその効果を享受するために、ブラスト処理などで得られる凸部高さ０．２ｍｍよりも高くすることに意味がある。逆に、凸部高さが１．０ｍｍを超えると、凹凸加工の容易さ、加工時間などの点で加工負荷が増加するわりにはすべり係数の向上代が小さい。以上のことから、凸部の高さは０．２〜１．０ｍｍとすることが望ましい。
【００１６】
また、被接合鋼材に食い込ませるためには、凸部を高くすると同時に凸部の硬度を高くする必要がある。ただし、硬度を上げるのはスプライスプレート全断面である必要はなく、被接合鋼材への食い込みの観点から、凸部先端から少なくとも凸部高さの１／２までが硬ければよい。硬さは、被接合鋼材の表面硬さに対して硬いほどすべり係数向上の観点から好ましいが、一接合部当たりのボルト締結本数が数百本以上に及ぶこともある橋梁分野においては、例えば１０〜２０％程度のすべり係数の向上でもボルト締結本数を大幅に低減することが可能となるため、凸部硬さを被接合鋼板の表面硬さに対して固くする度合いを定量的に限定することはせず、被接合鋼板の表面硬さより硬いこととした。表面凹凸を本発明のとおり適切に付与すれば、凸部硬さが被接合鋼板の表面硬さより少しでも硬ければ、すべり係数は赤錆状態よりも安定して向上できる。一方、建築分野など、一接合箇所当たりのボルト締結本数が必ずしも多くない場合には、若干（例えば２０％前後）のすべり係数の向上では実質的にボルト締結本数を低減できない場合も出てくる。このような場合には、すべり係数を顕著に（例えば１．５倍以上）向上させる必要があり、凸部硬さは被接合鋼板の表面硬さの２倍以上とすることが望ましい。
【００１７】
表面硬さを増す方法は、一般的には焼入処理が最も簡単であるが、後述するように、凹凸を形成する加工を転造法などにより行えば、硬い材料にも容易に加工が可能なため、焼入処理後の鋼材でも加工可能である。焼入処理は、大きな鋼材の状態で行う方がコスト、生産性の面で有利である。
また、硬い領域が鋼材全断面にわたった場合、ドリルによるボルト孔穿孔時にドリルの摩耗が大きくなり、逆に悪影響を及ぼすおそれがあり、鋼材製造段階で焼入処理を行う場合でも、表層のみ所要硬さを有し、内層は比較的軟らかいことが望ましい。あるいは、凹凸加工後に、表層のみを焼入れることが可能な高周波焼入処理による硬化が望ましい。ただし、レーザー加工機などによってボルト孔を穿孔する場合にはこの限りでなく、全断面が硬くてもよい。
【００１８】
なお、例えば橋梁分野のように、すべり係数の向上代が小さくてもよい場合は、積極的な表層硬化処理を特に施す必要はなく、被接合鋼板よりも高強度鋼（例えば、ＨＴ４９０に対してＨＴ５７０、ＨＴ６９０、ＨＴ７８０など）を用いることもできる。
上述したように、スプライスプレートに高強度鋼を用いた場合はもとより、表面硬化処理を施したことで被接合鋼板より強度を高められる場合には、付随的な効果として、スプライスプレートの板厚を、通常、被接合鋼板の板厚の半分といわれる板厚より薄くすることが可能となり、すべり係数の向上によるボルト締結本数の低減に伴う面積減と併せて、スプライスプレートの重量を大幅に低減することが可能となり、現場での施工性を著しく向上できる。
【００１９】
次に、凹凸を形成する加工方法について述べる。
凹凸を形成する加工方法は、転造法で行うのがよい。機械切削などによる方法では、凸部は加工前の鋼板表面よりも同じか低くなるため、凸部を鋼板表面よりも高くするためには、摩擦接合全面を加工しなければならず、長時間を要し、かつ高コストとなる。この点、転造法によれば、押圧により凹凸を形成するので、凸部は盛り上がり、必ず加工前の鋼板表面よりも凸部が高くなるため、部分的な加工で所望の凹凸形成ができる。また、転造法によると、金属屑や金属粉が出ず、かつ工具（転造の場合、転造駒）への負荷が小さいばかりでなく、硬い材料にも加工可能であることなどの利点がある。硬い材料にも転造可能であることは、前述したように、加工前に既に十分な硬さを有する鋼材への加工も可能となり、製造コストの点でも非常に有利となる。これは、機械切削法では、工具の摩耗の点で到底なし得ないものである。
【００２０】
さらに、転造によりボルト孔の回りにボルト孔と同心円状に凹凸を形成する加工領域は、ボルト孔中心から、ボルト孔半径の少なくとも２倍を半径とする領域をカバーすることが望ましい。転造領域が広いことは、すべり係数には悪影響がなく広いほどよいが、ボルト締結による面圧は、ボルト孔周縁ほど高く、外側に行くほど急激に低くなることから、転造加工の生産性、コストなどの観点から、ボルト孔半径の５倍を半径とする領域内であれば十分である。ただし、実際には、複数のボルトで締結することが多いため、隣接するボルト孔およびその回りの転造加工と干渉する場合や、スプライスプレートをはみ出す場合には、自ずとその範囲内で凹凸を形成することとなる。
【００２１】
なお、凹凸加工は必ずしも前記領域内全面に施す必要はなく、一部でもよい。一部とは、半径方向の断面形状が連続した山形（これを全面加工と呼ぶ）でなく、断続した山形を意味し、連続した山形からいくつかを間引いたもので、転造の際の押圧力が小さくて済むため、加工効率上有利となるばかりでなく、現地での加工が可能な可搬式など小型の装置でも加工が可能となる。もちろん、全面加工に比べ、すべり係数は若干劣るものの、用途、目標とするすべり係数によっては、まったく問題とならないため、目的に応じて、加工効率などを勘案しながら決定すればよい。
【００２２】
また、凸部が被接合鋼板に十分に食い込み、すべりに対する抵抗となるように、凸部角度は５０〜１２０度とし、かつ凸部先端の曲率半径は０．２ｍｍ以下とすることが望ましい。その理由は、凸部角度が１２０度より大きくなると、被接合鋼板への食い込みが不足するためであり、一方、凸部角度が５０度より小さくなると、転造が困難となるばかりでなく、凸部が折損しやすくなるためである。凸部先端は鋭いほど被接合鋼板への食い込みの点から好ましいのは明らかである。ここで、凸部先端の曲率半径を０．２ｍｍ以下とした根拠は、本発明者らのすべり試験の実績によるものである。
【００２３】
なお、凹凸は加工領域全面で同一高さが必ずしもよいわけではない。図２（ａ）は、凸部高さを外周部ほど一定の割合で、あるいは段階的に高くしたものである。これは、ボルト締結によるボルト孔回りの面圧分布を考慮したものである。図２（ｂ）において、最内側と最外側の半径差（Ｒ−ｒ）に対する凸部高さ差（Ｈ−ｈ）との割合（Ｈ−ｈ）／（Ｒ−ｒ）を０．１０以下とすることで、面圧の低い外側でも、十分な被接合鋼板への食い込みを確保し、すべり係数を向上させることができる。（Ｈ−ｈ）／（Ｒ−ｒ）が０．１０を超えると、凸部が被接合鋼板に全面接触することができなくなり、凹凸付与の効果が享受できなくなるため、上限を０．１０とした。
【００２４】
凹凸の凹部は、すべり係数向上には寄与しないが、スプライスプレートの疲労特性、破壊靱性の観点から、凹部底の曲率半径を０．２ｍｍ以上とすることが望ましい。転造による凹部加工は圧縮を受けるため、疲労に対しては多少有利ではあるが、曲率半径の小さな凹部は鋭い切り欠きを有するのと同等であり、使用状態によっては問題となるおそれがある。
【００２５】
【実施例】
本発明の有用性を例示するために、本発明に従ってスプライスプレートの表面凹凸および凸部硬度を付与し、図３に示すような試験体を用いてすべり係数を測定した。測定に当たっては、被接合母鋼板１にＳＮ４００Ｂ鋼を用い、ボルト３にはＦ１０Ｔを用いた。スプライスプレート２が本発明によるものである。
【００２６】
表１、表２（表１のつづき）はスプライスプレートの摩擦接合面の凹凸形状、凸部硬さ、加工面積、すべり係数その他を示したものである。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
実施例２、７は、いずれも本発明に基づく適切な摩擦接合面の凹凸、凸部硬さなどを有するため、０．７以上の高いすべり係数を発現している。
これに対して、比較例１０〜１４では、本発明の構成要素である凹凸形状、凸部硬さ、加工面積などのいずれか一つあるいは複数が本発明の範囲を外れているため、すべり係数が概して低い。すなわち、比較例１０は赤錆ままの状態であり、まさに従来材と言えるもので、すべり係数は０．４９と低い。また、比較例１１は凹凸形状は適正であるが、被接合鋼板と同一材のため、硬さが不十分（凸部硬さ比が１．０）である。また、比較例１２は凸部高さのテーパー度合いが大きいので、内側、特にボルト孔直近の凸部の被接合母鋼板への食い込みが不十分なため、すべり係数は低い。さらに、比較例１３は切削加工により凹凸を形成しているため、凸部先端と鋼板表面が同じ（凸部先端が鋼板表面から突出していない）となり、凸部硬さ比などは本発明の範囲内にあるが、すべり係数が本発明例に比べて低い値となっている。比較例１４は凸部先端の曲率半径が大きく、被接合母鋼板への食い込みが不十分となって、すべり係数が低い。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、安定して高いすべり係数を容易に得ることが可能になった。その結果、建築、橋梁分野などにおいて、高力ボルト摩擦接合部の信頼性を高める構造部材として提供することができ、その工業的価値は高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す切断斜視図であり、（ａ）は半径方向の断面形状が連続した山形の例、（ｂ）は半径方向の断面形状が断続した山形の例を示す図である。
【図２】本発明を示す図であり、（ａ）は切断斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面拡大図である。
【図３】 すべり係数の測定に用いた試験体の形状を示す図である。
【符号の説明】
１：被接合母鋼板
２：スプライスプレート
３：ボルト

Claims (4)

1. 高力ボルト摩擦接合の際の添接板として用いられる鋼材（以下、スプライスプレートと称す）において、該スプライスプレートの摩擦接合面のボルト孔回りに、ボルト孔と同心円状に、かつその半径方向の断面形状が連続または断続した山形の凹凸をなし、該凸部の先端がスプライスプレート表面よりも高く、かつ少なくとも凸部の先端部が被接合鋼材の表面硬さよりも硬く、前記凹凸の凸部高さが半径方向外側ほど、一定の割合あるいは段階的に高く、かつ凹凸を施した領域の最内側と最外側の半径差に対する最内側と最外側それぞれの鋼板表面からの凸部高さ差の割合が０．０２〜０．１０であることを特徴とする高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。
2. 前記凹凸を転造により施したことを特徴とする請求項１記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。
3. 前記凹凸の凸部の角度が５０〜１２０度で、かつ凸部先端の曲率半径が０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。
4. 前記凹凸の凹部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高力ボルト摩擦接合用スプライスプレート。

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