JP4537622B2 - 鋼管柱基部及び鋼管柱基部の強化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば道路照明用ポールや道路標識用ポール等の鋼管柱を、道路等の躯体に固定するための鋼管柱基部及びそのような鋼管柱基部の強化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような鋼管柱をコンクリート等からなる躯体に固定する鋼管柱基部としては、図５に示すように鋼管柱１０の下端部にベースプレート１１を溶接するとともに、鋼管柱１０とベースプレート１１との間を複数枚のリブ１２により補強した構造が一般的である。各リブ１２は平板状であり、上端部が斜めになったいわゆる三角リブとなっている。各リブ１２は鋼管柱１０に対してＴ字溶接されている。そしてベースプレート１１をアンカーボルト１３を用いて躯体に固定することによって、鋼管柱１０を垂直に支持している。
【０００３】
しかし上記のような従来の鋼管柱基部は、風や振動などによって鋼管柱１０に曲げモーメントが作用したとき、リブ１２の溶接止端部１４付近の鋼管柱１０に大きい応力集中が生じ、繰返し応力によりこの部分の強度が低下するおそれがあった。また、リブ１２の上端部の回し溶接部が溶接熱による引張り残留応力と熱影響部材質劣化との重複により構造欠陥となりやすく、耐力や疲労性能が低下するという問題があった。
【０００４】
このような問題は構造部材に補強用のリブをＴ字溶接した接合構造体に共通するものであって、日本鋼構造協会「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」でも、ガセットをすみ肉溶接した継手が鋼部材の耐力や疲労性能を低下させるので、設計に配慮するように指摘されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題点を解決し、鋼管柱に繰返し曲げモーメントが作用した場合においてもリブの溶接止端部付近の強度低下を抑制することができ、またリブの上端部の回し溶接部の耐力や疲労性能の低下を防止することができる鋼管柱基部及び鋼管柱基部の強化方法を提供するためになされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた本発明の鋼管柱基部は、鋼管柱の基部にＴ字溶接された板状のリブの溶接止端部に、超音波により棒状工具を軸方向に振動させ、その先端を処理対象となる金属表面にあてがうことによって表面を窪ませる超音波振動によるピーニング処理部を形成したことを特徴とするものである。また本発明の鋼管柱基部の強化方法は、鋼管柱の基部に板状のリブをＴ字溶接したのち、各リブの溶接止端部に超音波により棒状工具を軸方向に振動させ、その先端を処理対象となる金属表面にあてがうことによって表面を窪ませる超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とするものである。なお、処理区間の母材に鋼管軸方向の引張応力が作用するような荷重を鋼管柱基部に与えた状態で、超音波振動によるピーニング処理を施すことにより、さらに強化効果を高めることができる。超音波振動によるピーニング処理の好ましい条件は、振幅２０〜５０μｍ、振動数１０〜５０ｋＨｚである。
【０００７】
上記のように本発明によれば、鋼管柱の基部にＴ字溶接された板状のリブの溶接止端部に、超音波振動によるピーニング処理を施す。この処理は超音波により棒状工具を軸方向に振動させ、その先端を処理対象となる金属表面にあてがうことによって表面を窪ませる方法である。この方法によれば、金属表面に高密度のエネルギを与えて塑性変形を生じさせ、応力集中を緩和させるとともに、溶接止端部に圧縮残留応力を与えることにより、鋼管柱基部を強化することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１において、１０は道路照明用ポールや道路標識用ポール等として用いられる鋼管柱、１１はこの鋼管柱１０の下端部に溶接されたベースプレート、１２は、鋼管柱１０とベースプレート１１との間を補強するためにＴ字溶接された複数枚のリブである。各リブ１２は平板状で上端部が斜めになったいわゆる三角リブとなっている。そして道路用ポールの場合には、ベースプレート１１をアンカーボルト１３を用いてコンクリート製の躯体に固定することにより、鋼管柱１０を垂直に支持している。以上の構成は従来と同様である。
【０００９】
しかし本発明においては、各板状のリブ１２の溶接止端部１４に、図２に示されるように超音波振動によるピーニング処理部２０が形成されている。この超音波振動によるピーニング処理は、図３に示されるように超音波打撃装置２１の棒状工具２２の先端を処理対象となる金属表面に当てて軸方向に超音波振動させ、処理対象部分に打撃を与え表面を窪ませる方法である。
【００１０】
棒状工具２２の先端は一般的に断面円形であり、その直径は１〜６ｍｍ程度が好ましい。直径が１ｍｍ未満では強度が不足して十分な打撃を与えることができず、直径が６ｍｍを超えると質量が大きくなるために超音波振動を行なわせ難くなるためである。
【００１１】
棒状工具２２の振動数は１０〜５０ｋＨｚ、振幅は２０〜５０μｍが望ましい。これは鋼材に与えられる打撃のエネルギーがこの周波数の領域で効率よく大きくなることによる。また振幅が２０μｍ未満では十分な打撃を与えることができない一方、振幅が５０μｍを超えると、鋼材に入る塑性変形が大きくなり過ぎることがあり、好ましくない。
【００１２】
上記のような条件で処理された金属表面は、高密度のエネルギにより塑性変形を生じて０．１〜０．５ｍｍ程度の深さに凹み、表層から１０ｍｍ以上の深さまで引張応力を導入することができる。また表層から１００μｍ程度の深さまで金属組織に大きな変化を生じてホワイトレイヤーと呼ばれる組織層が形成され、良好な耐食性、耐磨耗性、摩擦抵抗の低減を図ることができる。
【００１３】
本発明ではこのような超音波振動によるピーニング処理部２０を、図２に示されるように各板状のリブ１２の溶接止端部１４に形成する。ピーニング処理部２０はリブ１２の上端から少なくとも１０ｍｍ程度下方まで形成することが好ましい。この結果、溶接止端部１４の応力集中が緩和されるとともに、溶接止端部１４に引張応力が導入され、疲労強度が飛躍的に向上する。また前記したようにリブ１２の溶接止端部１４は溶接熱による引張り残留応力と熱影響部材質劣化との重複により構造欠陥となり易い部分であるが、超音波振動によるピーニング処理により組織変化を生じさせることによって、微細なクラックなどの構造欠陥をも修復することができる。
【００１４】
従って本発明の方法により強化された鋼管柱基部は、風や振動などによって鋼管柱１０に曲げモーメントが作用したときにリブ１２の溶接止端部付近に生ずる大きい応力集中を緩和することができ、また後記する実施例のデータに示されるように、この部分の疲労強度を著しく向上させることができる。しかも本発明は超音波打撃装置２１以外の付帯設備を必要とせず、現場においても容易に施工できる利点がある。
【００１５】
なお、通常は鋼管柱１０の基部にＴ字溶接された各リブ１２の溶接止端部１４に超音波打撃装置２１の棒状工具２２の先端を当ててピーニング処理を施せばよいが、処理区間の母材に鋼管軸方向の引張応力が作用するような荷重（例えば曲げ荷重）を鋼管柱基部に与えた状態で、超音波振動によるピーニング処理を施すこともできる。このようにして外力を加えて引張応力を作用させた状態でピーニング処理を施して溶接止端部１４に圧縮応力を与えれば、外力を取り除くとさらに大きい圧縮応力を溶接止端部１４に残留させることが可能となる。このため一段と優れた補強効果を得ることができるようになる。
【００１６】
以上の説明では各リブ１２の溶接止端部１４のみに超音波振動によるピーニング処理を施したが、その他の溶接部にもピーニング処理を施しても差し支えないことはもちろんである。しかしリブ１２の下方部分等は鋼管柱基部の疲労強度を直接左右する部分ではないため、あまり実益はないと考えられる。
【００１７】
【実施例】
図１に示す構造の鋼管リブ廻りの部分試験片に繰返し引張り応力を加え、疲労強度試験を行なった。使用した材料は鋼管、リブともにＳＭ４９０である。リブを溶接したままの従来構造の疲労特性は、図４に黒丸で示すように鉄道橋設計示方書の設計寿命曲線のＥ等級〜Ｄ等級に相当するものであった。これに対して、溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施した本発明品の疲労特性は、白丸で示すように設計寿命曲線のＢ等級以上にまで大幅に上昇した。なお、先端工具の振幅は４０μｍであり、振動数は３０ｋＨｚとした。
【００１８】
さらに引張応力が作用する荷重を鋼管柱基部に与えた状態で、超音波振動によるピーニング処理を施した場合には、その疲労特性は黒三角で示すように設計寿命曲線のＡ等級にまで上昇した。しかも、疲労亀裂を発生した溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施したものも、白三角で示すように設計寿命曲線のＡ等級にまで上昇した。このデータは、超音波振動によるピーニング処理が疲労亀裂を修復する機能を持つことを裏付けるものである。
【００１９】
なお、図４のグラフ中に示した右上向きの矢印は、その時点で試験体に変化が見られなかったので、載荷を終了したことを意味する。またｎ＝２は試験体数が２体であることを意味する。ただしこの試験に使用した部分試験片の溶接品質は非常にグレードが高いものであるため、通常の工業製品レベルでは疲労寿命が若干短くなる可能性がある。
【００２０】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、リブの溶接止端部に超音波振動によるピーニング処理を施すことにより、リブ上端の回し溶接部の耐力や疲労性能の低下を防止することができる。その結果、鋼管柱に繰返し曲げモーメントが作用した場合においてもリブの溶接止端部付近の強度低下がなく、長期間にわたり使用しても安全上の問題がない。しかも本発明は鋼管柱基部の構造を変える必要がないため、既存の設備に対しても容易に適用できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す斜視図である。
【図２】超音波振動によるピーニング処理部分の説明図であり、(A)は側面図、(B)は正面図、(C)は斜視図である。
【図３】超音波打撃装置の側面図である。
【図４】実施例における疲労強度試験の結果を示すＳ-Ｎ曲線である。
【図５】従来例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ 鋼管柱
１１ ベースプレート
１２ リブ
１３ アンカーボルト
１４ 溶接止端部
２０ ピーニング処理部
２１ 超音波打撃装置
２２ 棒状工具

Claims (4)

1. 鋼管柱の基部にＴ字溶接された板状のリブの溶接止端部に、超音波により棒状工具を軸方向に振動させ、その先端を処理対象となる金属表面にあてがうことによって表面を窪ませる超音波振動によるピーニング処理部を形成したことを特徴とする鋼管柱基部。
2. 鋼管柱の基部に板状のリブをＴ字溶接したのち、各リブの溶接止端部に超音波により棒状工具を軸方向に振動させ、その先端を処理対象となる金属表面にあてがうことによって表面を窪ませる超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とする鋼管柱基部の強化方法。
3. 処理区間の母材に鋼管軸方向の引張応力が作用するような荷重を鋼管柱基部に与えた状態で、超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とする請求項２記載の鋼管柱基部の強化方法。
4. 振幅２０〜５０μｍ、振動数１０〜５０ｋＨｚの条件下で超音波振動によるピーニング処理を施すことを特徴とする請求項２または３に記載の鋼管柱基部の強化方法。

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