JP4667095B2 - ボルト接合部構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、鉄道橋、道路橋などの鋼桁のような構造物をボルトにて接合するボルト接合部の構造に関するものである。

例えば、鉄道橋、道路橋などの鋼桁は、建設時においては、リベット接合、溶接構造又は高力ボルト接合などで接合されている。リベット接合の場合について説明すると、リベット接合された鋼桁も、長年の使用により、リベット接合部の腐食が見られるようになる。この場合には、リベットを外し、リベット接合部は、高力ボルトを使用したボルト接合構造に代える補修工事が必要となる。図１４（ａ）、（ｂ）に、補修工事後の鋼桁におけるボルト接合部構造１ａを示す。

図１４（ａ）のボルト接合部構造１ａでは、リベットを除去された鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）が、前のリベット穴１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ）を利用して、ボルト１０のボルト軸１２が貫通されて設置され、ボルトヘッド１１とナット１３により、座金１４を介して締め付け、接合されている。

しかしながら、図示するように、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）自体が、リベットと同様にその表面１０２（１０２Ａ、１０２Ｂ）が腐食しており、例え、ボルトヘッド１１と鋼桁表面１０２Ｂとの間、及び、ナット１３と鋼桁表面１０２Ａとの間に座金１４を介設したとしても、ボルト締め付けを行った場合、ボルト１０に対してボルト軸方向に沿った締め付け力が得られず、ボルト１０に曲げ降伏が発生し、所定の適切な締め付け力を得ることが困難となることがある。

このことは、図１４（ｂ）に示すように、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）に形成されたリベット穴１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ）の中心が互いにずれてしまっている状態にて、図１４（ａ）と同様の方法にてボルト締め付けを行った場合にも言えることである。

従って、このような場合には、車両を規制し、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）そのものを架け替える必要がでてくる。

従って、本発明の目的は、ボルトに対してボルト軸方向に沿った締め付け力を得ることができ、ボルトに曲げ降伏を発生させることなく有効な締め付け力が達成されるボルト接合部構造を提供することである。

また、本発明の目的は、ボルトの軸力低下を抑制し、長期間にわたってボルトの有効な締め付け力が維持されるボルト接合部構造を提供することである。

上記目的は本発明に係るボルト接合部構造にて達成される。要約すれば、本発明の一態様によれば、ボルト、ナットにて二つ以上の被接合構造体を互いに接合するボルト接合部構造において、
リング状拘束部材により拘束された不陸修正剤をボルト座金と被接合構造体との間に設け、前記リング状拘束部材は、その内周面形状が、リングの軸線方向にて、前記被接合構造体側から外方へと向かって拡開していることを特徴とするボルト接合部構造が提供される。
本発明の他の態様によれば、ボルト、ナットにて二つ以上の被接合構造体を互いに接合するボルト接合部構造であって、前記二つ以上の被接合構造体の片側から前記被接合構造体の他側へと貫通したボルト穴に、前記ボルトのボルトヘッドと前記被接合構造体との間、及び、前記ナットと前記被接合構造体との間にボルト座金を介設して、前記ボルトのボルト軸を挿入し、前記被接合構造体から突出した前記ボルト軸に前記ナットを螺合させ、前記ボルト及び前記ナットにて二つ以上の前記被接合構造体を互いに接合するボルト接合部構造において、
前記ボルトのボルトヘッド、前記ナット及び前記ボルト座金の外形状の大きさより大きな内径を有したリング状拘束部材を前記ボルト穴の中心とほぼ合致するようにして前記被接合構造体表面に配置し、前記リング状拘束部材の内側に前記不陸修正剤を充填し、
前記ボルト座金は、前記リング状拘束部材との隙間が０〜２ｍｍとなるようにして配置されており、
前記リング状拘束部材により拘束され、前記ボルト座金と被接合構造体との間に設けられた前記不陸修正剤が硬化した時点で前記二つ以上の被接合構造体を前記ボルト及び前記ナットで締め付けて接合することを特徴とするボルト接合部構造が提供される。ここで、好ましくは、前記リング状拘束部材は、その内周面形状が、リングの軸線方向にて、前記被接合構造体側から外方へと向かって拡開している。

本発明の一実施態様によれば、前記不陸修正剤は、硬化型のセメントモルタル又は樹脂である。

本発明の他の実施態様によれば、前記不陸修正剤は、前記硬化型のセメントモルタル又は樹脂に、混入材が混入されている。

本発明の他の実施態様によれば、前記混入材は、体積比で２０％〜８５％の範囲で混入される。

本発明の他の実施態様によれば、前記混入材は、無機物の粒子又は短繊維から選択される材料であって、単体であるか、又は、２種類以上の材料を含む。

本発明の他の実施態様によれば、前記無機物の粒子は、セラミックス、金属又は珪砂であり、前記短繊維は、ガラス繊維又は炭素繊維である。

本発明の他の実施態様によれば、前記混入材は、粒径の異なる前記無機物の粒子を２種類以上含む。ここで、前記粒径の異なる前記無機物の粒子は、アルミナと鋼球であることが好ましい。また、前記鋼球は、体積比で２５％〜８５％の範囲で混入され、前記アルミナは、体積比で４０％〜０％混入することができ、好ましくは、前記鋼球の直径は、０．３ｍｍ〜２．８ｍｍである。

本発明の他の実施態様によれば、リング状拘束部材は、鋼又は繊維強化複合材で作製される。

本発明のボルト接合部構造によれば、リング状拘束部材により拘束された不陸修正剤をボルト座金と被接合構造体との間に設けたことにより、ボルトに対してボルト軸方向に沿った締め付け力を得ることができ、ボルトに曲げ降伏を発生させることなく有効な締め付け力が達成される。又、本発明のボルト接合部構造によれば、ボルトの軸力低下を抑制し、長期間にわたってボルトの有効な締め付け力が維持される。

以下、本発明に係るボルト接合部構造を図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
図１（ａ）〜（ｄ）を参照して、鉄道橋、道路橋などにて互いに接合された複数の、本実施例では二つの鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）が長年の使用により、鋼桁表面１０２（１０２Ａ、１０２Ｂ）及びリベット接合部に腐食が見られる場合の鋼桁リベット接合部の補修工事について説明する。図１（ｄ）に、本発明に係るボルト接合部構造１の一実施例を示す。

本実施例によると、被接合構造体とされる互いに接合された二つの鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）自体が、リベットと同様にその表面が腐食している。従って、先ず、図１（ａ）に示すように、鋼桁接合部におけるリベット３００を外し、リベット穴１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ）が形成された鋼桁表面１０２（１０２Ａ、１０２Ｂ）及びリベット穴１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ）を露出させる。リベット穴１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ）は、本発明にては、後で説明するように、ボルト軸１２（図１（ｄ））が貫通されるボルト穴として利用する。

次に、図１（ｂ）に示すように、ブラシなどにより鋼桁１００Ａ、１００Ｂのボルト穴１０１Ａ、１０１Ｂ及びその周辺の鋼桁表面１０２Ａ、１０２Ｂの腐食部を除去した後、鋼桁１００Ａ、１００Ｂのボルト穴周辺表面１０２Ａ、１０２Ｂの不陸修正のために、鋼桁１００Ａ、１００Ｂのボルト穴周辺表面１０２Ａ、１０２Ｂに不陸修正剤２を塗布する。

不陸修正剤２は、硬化型のセメントモルタル又は樹脂などのように、硬化前に流動性があり硬化後強度を発現する材料が好適に使用される。樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、又は、メラニン樹脂などを好適に使用し得る。本実施例では、常温硬化型のエポキシ樹脂を使用した。

また、本実施例によれば、図１（ｃ）に示すように、不陸修正剤２が硬化する前に、ボルト穴１０１Ａ、１０１Ｂの中心とほぼ合致するようにして、リング状の拘束部材１５を鋼桁表面１０２Ａ、１０２Ｂに押圧設置する。このとき、不陸修正剤２がリング状拘束部材１５と鋼桁表面１０２Ａ、１０２Ｂの間に僅かに存在することとなっても構わない。

図１（ｃ）に示すリング状拘束部材１５の鋼桁表面１０２Ａ、１０２Ｂへの押圧設置作業により、図示するように、不陸修正剤２がリング状拘束部材１５の内側にも充填されることとなる。必要により、不陸修正剤２をリング状拘束部材１５内へと補充しても良い。

本実施例にて、リング状拘束部材１５は、内径ｄ１、外径ｄ２、厚さｔを有した円形状リングとされる。リング状拘束部材１５、即ち、リングは、鋼又は繊維強化複合材（ＦＲＰ材）で作製することができる。ＦＲＰ材としては、強化繊維として炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維、金属繊維などを単独で、或いは、ハイブリッドにて使用することができる。マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂などを好適に使用し得る。

本実施例では、リング１５は、内径ｄ１が３６ｍｍ、外径ｄ２が５４ｍｍ、厚さｔが６ｍｍの鋼製リングを使用した。

次に、図１（ｄ）に示すように、鋼桁の片面側から、本実施例では、鋼桁１００Ｂの外側表面１０２Ｂ側からリング状拘束部材１５及びボルト穴１０１Ｂを貫通してボルト１０のボルト軸１２を挿入し、鋼桁１００Ａの外側表面１０２Ａから突出させる。突出したボルト軸１２にナット１３を螺合させる。

本実施例では、ボルトヘッド１１側及びナット１３側にそれぞれボルト台座として座金１４が配置される。座金１４、ボルトヘッド１１、ナット１３は、いずれも、その外形状の大きさがリング状拘束部材１５の内径ｄ１より小さくされる。

本実施例では、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）の腐食前の総厚さＴが１０ｍｍ、元のリベット穴１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ）の径Ｄが１８ｍｍであったので、ボルト１０としては、呼び径Ｍ１６（ネジ外径１６（＋０．７〜−０．２）ｍｍ）、ボルト軸１２の長さ（首下）が５０ｍｍのボルトを使用した。座金１４の外径Ｄ０は３２ｍｍであり、座金の厚さＴ０は４．５ｍｍであった。

上記構成により、ボルトヘッド側座金１４と、鋼桁表面１０２Ｂと、リング状拘束部材１５との間、及び、ナット側座金１４と、鋼桁表面１０２Ａと、リング状拘束部材１５との間に不陸修正剤２が充填された状態とされる。

ここで、重要なことは、リング状拘束部材１５の上面１５ａと座金１４とが接触しないようにすることである。しかし、リング状拘束部材１５の上面１５ａと座金１４の距離が大きくなることは、リング状拘束部材１５による不陸修正剤２の拘束効果を弱める点で望ましくない。この距離は、不陸修正剤２の割裂破壊を防ぎ、軸圧縮強度を保つ程度に維持すべきである。

本実施例では、図示するように、座金の下面１４ａは、ほぼリング状拘束部材１５の上面１５ａ位置と一致し、且つ、座金１４は、リング状拘束部材１５と間隙ｇ＝０〜２ｍｍ、通常、１ｍｍ程度だけ離間するようにした。この間隙ｇについては、図８を参照して軸力残存率（Ｎ／Ｎ０）との関係で、後で更に説明する。

この段階では、ボルト１０とナット１３をきつく締め付けることはせず、ボルト１０とナット１３は、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）を互いに緩く接合する程度に螺合される。

不陸修正剤２が半硬化した時点で、ボルト軸１２と不陸修正面を垂直にする仮締めを行い、硬化した時点で、ナット１３を締め付け方向に回転させ、ボルト１０、ナット１３を互いに締め付け、所定の軸力を導入する。これにより、二つの鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）は所定の締め付け力にてボルト接合される。

本実施例によれば、上述のように、リング状拘束部材１５により拘束された不陸修正剤２を座金１４と、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）、即ち、被接合構造体との間に設けた構成とすることにより、高力ボルト等高軸力が得られる。

図２に、本実施例の比較例として、リング状拘束部材１５を使用しない以外は、本実施例と同様の構造とされるボルト接合構造体１ｂを作製した。

この場合に、高力ボルト等高軸力（例えば、圧縮応力２００Ｎ／ｍｍ^２）が作用する環境下において、不陸修正剤２としてセメントモルタル、樹脂等（一般的なもので圧縮強度は１００Ｎ／ｍｍ^２以下）を使用した場合、このような不陸修正剤２では圧縮強度が不足し、割裂破壊を起こした。

これに対して、本実施例では、リング状拘束部材１５として、鋼或いは繊維強化複合材などにて円周方向での強度が高いリングを用いることにより、不陸修正剤２を拘束し、不陸修正剤２の圧縮強度を高めることができる。

なお、本実施例の構成に従って、リング状拘束部材１５として鋼製のリングを使用したボルト接合部構造１とされる試験体を３９個作製して、不陸修正剤２の過負荷圧縮試験をした。このとき、１つの試験体において、鋼製リング降伏後の変形により不陸修正剤２の割裂破壊が発生した。この試験体における割裂は円周直角方向に発生していることから、リング円周方向の強度が不陸修正剤２の破壊に支配的だと考えることができる。

従って、本発明に従って、リング状拘束部材１５を使用し、例えば、鋼製リング、繊維強化複合材製リングであれば、肉厚ｔを変えることにより、或いは、リング外径ｄ２を変えることにより（リング内径ｄ１を一定として）、容易に円周方向における強度を満たすことができる。つまり、本発明によれば、リング１５の円周方向強度を増大することにより、不陸修正剤２を拘束し、不陸修正剤２の圧縮強度を高め、不陸修正剤２の割裂破壊を効果的に防止することができる。

上記構成とされる本発明に従ったボルト接合部構造１では、鋼桁１００の供用期間、所定のボルト軸力を維持することが求められる。しかし、ボルト軸力は不陸修正剤２のクリープ変形若しくは自己収縮により低減されてしまう可能性がある。不陸修正剤２を樹脂のみで形成した実験では２０％ほどのボルト軸力の低減が見られた。

そこで、不陸修正剤２としては、クリープ変形若しくは自己収縮し易いセメントモルタル、樹脂等の基材の量を減少するために混入材を入れ、不陸修正剤２における樹脂などの体積比を低減するのが好ましい。また、混入材としては、樹脂などの剛性を高める材料を使用することにより効果がより増大する。

従って、本発明者らは、図３に示すように、不陸修正剤２の基材としての樹脂に混入材を混入した場合の不陸修正剤２の強度増大効果を確認するために、混入材の材料と体積比をパラメータとした、鋼リングと樹脂を用いた不陸修正剤の圧縮試験を行い、軸圧縮強度、剛性の違いを検討した。混入材としては、無機物粒子、例えば、セラミックスとしてのアルミナ（平均粒径０．５２μｍ）、金属としての鉄粉（平均粒径０．５ｍｍ）、更には、４号、５号、６号の珪砂などを使用し、又、短繊維として繊維長６ｍｍの炭素繊維を使用した。不陸修正剤２の基材樹脂としてはエポキシ樹脂を用いた。本実施例にて、エポキシ樹脂としては、２種類のエポキシ樹脂、即ち、日鉄コンポジット（株）製エポキシ樹脂、商品名「ＦＲ−Ｅ５Ｐ」と、ナガセケムテックス（株）製エポキシ樹脂、商品名「ＡＷ１３６Ｈ」を使用した。

その結果、混入材としては、無機物の粒子（平均粒径０．５２μｍ〜０．５ｍｍ程度）又は短繊維（繊維長５ｍｍ〜１０ｍｍ程度）が好適であり、特に、無機物の粒子は、セラミックス、金属又は珪砂が好ましく、また、短繊維は、ガラス繊維又は炭素繊維が好ましいことが分かった。更に、無機物の粒子としては、詳しくは後述するが、鋼球（直径０．３ｍｍ〜２．８ｍｍ）を使用することもできる。

また、これら混入材として使用される無機物の粒子又は短繊維から選択される材料は、単体で使用しても良く、２種類以上の材料を混合して使用することもできる。

混入材として無機物の粒子又は短繊維を含有した不陸修正剤２を使用したボルト接合構造１は、軸圧縮強度が全て２００Ｎ／ｍｍ^２以上であった。

また、混入材量２０％〜８５％（体積比）の範囲において、剛性は、混入材なしの供試体と比して、剛性の減少はあまり見られなかった。このことから混入材２０％〜８５％の範囲においては、軸圧縮強度、剛性が低減されることはないと考えられる。

ここで、不陸修正剤の「体積比」とは、硬化型のセメントモルタル又は樹脂と混入材の体積の和に対する混入材の体積の比を表す。つまり、
体積比＝混入材体積／（硬化型のセメントモルタル又は樹脂の体積＋混入材体積）×100
である。

更に、本発明者らは、リング状拘束部材１５について、以下の検討を行った。

つまり、内圧を受ける場合のリング応力を静水圧状態と仮定し、円周方向の応力を計算値として算出し、実験における外周の円周方向の応力と、リング１５の弾性域において、比較した。実験は、基材樹脂に混入する混入材とその体積比及び基材樹脂の種類をパラメータとしている。

計算値は、下記式（１）に示す、静水圧状態での内圧のみを受けるリング外周上の応力計算式より算出した。

ここで、
σ_ｒｃａｌ；円周方向応力計算値
Ｐ；内圧（静水圧状態なので軸応力）
Ｒ_ｏ；リング外半径
Ｒ_ｉ；リング内半径
である。

実験値は、下記式（２）を用いて、実験で計測したひずみ値より算出した。

ここで、
σ_{ｒｔｅｓｔ}；円周方向応力実験値
Ｅ；リングの弾性係数
ε；リングひずみ
である。

図４に、上述により求めた実験値と計算値の比と、混入材体積比との関係を示す。図４のグラフより、混入材の種類によらず混入材体積比が増加すると実験値と計算値の比は減少していることが分かる。つまり、混入材の体積比を増加させることにより、リング円周方向にかかる応力は小さくなることを示している。

次に、本実施例におけるリング状拘束部材１５、即ち、本実施例にて使用した円形状リングの設計方法について説明する。

リング１５にかかる負荷が、混入材の体積比に依存していることから、図４に示すグラフの実験値と計算値の比を係数ｆ（Ｒ_Ｖ）とおく。

ここで、
σ_ｒ；円周方向応力
Ｒ_ｖ；混入材の体積比（％）
である。

上記式（１）、（２）より、下記式（４）が得られる。

上記式（４）よりリングの内径ｄ１、外径ｄ２、作用するボルト軸力、混入材の体積比によりリング円周方向の応力（フープ応力）の算出が可能である。

リング１５は、円周方向の強度が鋼製リングの場合降伏強度以下、ＦＲＰ製リングの場合破断強度以下であればリング１５の拘束力を維持できると考えられるので、下記式（５）を満たすリング材料及び肉厚（内径と外径）で設計することが好ましい。

ここで、
σ_ｙ；降伏強度
σ_ｆ；破断強度
である。

本発明者らにて得られた知見では、図４に示すように、体積比０％から８５％の範囲で係数ｆ（Ｒ_Ｖ）は０．３以上である。上限値は、純粋な静水圧状態であると考えられるので１となる。設計時には安全係数１から１．５を掛けることを考慮して、係数ｆ（Ｒ_ｖ）範囲は０．３から１．５となる。

本実施例にて、適応する範囲は体積比０％から８５％の範囲で係数ｆ（Ｒ_Ｖ）が０．３以上、１．５以下となる範囲で設計できるリング肉厚（リング内半径、外半径）とする。

計算例としてボルト呼び径Ｍ１６とＭ３０で算出した。表１及び表２に鋼材ＳＳ４００と高強度炭素繊維ＵＴ５００（東邦テナックス株式会社製炭素繊維の商品名）の物性を示す。また、結果を図５に示す。

図５に示すグラフより、混入材の種類によらず体積比が増加すると実験値と計算値の比は減少していることが分かる。つまり、混入材の体積比を増加させることにより、リング円周方向にかかる応力（フープ応力）は小さくなることを示している。そこで、実験値と計算値の比と体積比の関係が混入材の材料によらず一様であり、その関係は線形であると仮定して以下の式（６）を得た。

図６に、リングの降伏時の軸圧縮強度を示す。図６の結果から、リング降伏時の軸圧縮強度が高いほど等しい軸圧縮応力のときにリングの円周方向の応力が小さく、リングへの負担が小さいことを示している。

図６は、体積比とリングの降伏時の軸圧縮強度応力の関係は、体積比の増加とともに増加することを示しており、上述の体積比とフープ応力の関係とほぼ同様の傾向にあった。

実施例２
本発明に係るボルト接合部構造では、実施例１で説明したように、ボルト軸力を導入した場合の軸力低下を、不陸修正剤中に混入させる無機物の粒子又は短繊維などの混入材の混入割合を上げることで抑制することができる。

本発明者らは更なる研究実験を行った結果、次のことが分かった。

つまり、本発明のボルト接合部構造１において、リング状拘束部材１５として鋼製リングを用い、不陸修正剤２としてエポキシ樹脂を用いて不陸修正する構成では、１ヶ月以上の経過後において、所定の５９％程度の軸力の低下が見られる場合がある。要因としては、樹脂のクリープ変形が大きく影響していると考えられる。

また、実施例１で説明したように、不陸修正剤中へアルミナなどの混入物を混入させることにより軸力低下が低減されることが明らかであるが、それでも、１０年後の予測では、３２％程度の軸力低下が起こる場合もあることが判明した。

そこで、本発明者らは、更なる実験研究を行った結果、不陸修正剤中にアルミナに加えて、更に、直径０．３〜２．８ｍｍ、例えば、直径２ｍｍ程度の鋼球を混入することにより軸力の低下割合を抑制し得ることが分かった。鋼球直径が拘束リング高さの約８０％を越えると、不陸面に配置した鋼球により、不陸面に沿った凹凸が発生すると考えられる。

不陸修正剤にて、鋼球は、体積比で２５％〜８５％の範囲で混入され、アルミナは、体積比で４０％〜０％の範囲で混入される。詳しくは後述するように、例えば、体積比で、基材としての樹脂（エポキシ樹脂１５％）にアルミナ１０％、直径２ｍｍの鋼球７５％を混入することにより、軸力の低下割合が、５０年後においても約１６％に抑え得ることが分かった。

以下に、上記事実を立証するために行った実験例を示す。

実験例
図７に、本実験例で使用したボルト接合部構造１Ａを有した試験体を示す。本実験例に使用したボルト接合部構造１Ａは、実施例１にて、図１（ｄ）を参照して説明したボルト接合部構造１と同様であり、ただ、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）の代わりに鋼板１００が使用されている点で異なる。従って、同じ機能及び作用をなす部材には同じ参照番号を付して説明する。

本実験例で使用した試験体、即ち、後で説明する種々の不陸修正剤２を使用したボルト接合部構造１Ａを有した試験体では、図７に示すように、鋼板１００の一側面１０２Ｂ側からリング状拘束部材１５及びボルト穴１０１を貫通してボルト１０のボルト軸１２を挿入し、鋼板１００の他側面１０２Ａから突出させ、突出したボルト軸１２にナット１３を螺合させる構造とした。

また、本実験例では、ボルトヘッド１１側及びナット１３側にそれぞれボルト台座として座金１４が配置された。座金１４、ボルトヘッド１１、ナット１３は、いずれも、その外形状の大きさがリング状拘束部材１５の内径ｄ１より小さくされた。各部材の具体的寸法を示せば次の通りである。
鋼板１００
材質 鋼材（ＳＳ４００）
厚さ １０ｍｍ
ボルト穴径 １８ｍｍ
ボルト１０
呼び径 Ｍ１６
等級 Ｆ１０Ｔ
座金１４
等級 Ｆ１０Ｔ
外径 ３２ｍｍ
内径 １７ｍｍ
厚さ ４．５ｍｍ
リング状拘束部材１５
材質 鋼材（Ｓ４５Ｃ）
外径 ５４ｍｍ
内径 ３４ｍｍ
厚さ ６ｍｍ

上記構成のボルト接合部構造１Ａにて、鋼製リング１５とナット側座金１４との間には、不陸修正剤２を充填し、硬化した時点で、ボルト構造にトルクレンチによりボルト軸力１１６ｋＮを導入し、７２０時間、ボルト１０の軸方向ひずみ及び鋼製リング１５のフープ応力を測定した。鋼製リング１５と上側座金１４との間には１ｍｍの隙間（ｇ）が形成されていた。

隙間（ｇ）を０．０５ｍｍ、１ｍｍ、３ｍｍとして軸力残存率を調べるための実験を行った。実験の結果、図８に示すように、隙間（ｇ）が０．０５ｍｍと１ｍｍでは相違がなく、３ｍｍとした場合には、大きな軸力の低下が見られた。

従って、上述したように、座金１４は、鋼製リング１５と間隙ｇ＝０〜２ｍｍ、通常、１ｍｍ程度だけ離間するようにした。

表３に、本実験例で使用した不陸修正剤２を示す。使用した不陸修正剤２は、基材としてのエポキシ樹脂（ＡＷ１３６Ｈ）に対して、混入材として、粒径の異なる無機物の粒子、本実施例では、平均粒径０．５２μｍのＡＬ−１６０ＳＧ−３とされるアルミナと、直径２ｍｍの鋼球とを、表３に示す割合で種々に混入したものを使用した。

つまり、鋼球は、体積比で２５％〜８５％、好ましくは２５％〜７５％の範囲で混入され、これに対して、アルミナは、体積比で４０％〜０％、好ましくは４０％〜１０％混入された。従って、混入材としては、体積比で４０％〜８５％とされた。

表４に、鋼球混入比を変えた時の、軸力残存率（％）を示し、図９に、鋼球混入比を変えた時の、経過時間と軸力残存率との関係を示す。なお、図９は、軸力残存率と時間軸を常用対数としたグラフである。

表４及び図９から、初期に大きく軸力の低下が見られ、又、鋼球割合が大きいほど軸力の低下は抑制されることが分かる。

又、比較のために、図１０に、エポキシ樹脂（ＡＷ１３６Ｈ）にアルミナを４０％混入した場合と、アルミナを混入しないエポキシ樹脂だけの場合、についての軸力残存率と時間軸を常用対数としたグラフを示す。図９及び図１０から、不陸修正剤に粒径の異なる粒子を複数混入させることにより、ボルト軸力の低下を抑えることができることが分かる。

又、軸力残存率の長期予測を行うために、以下の軸力残存率予測式（Ｎ／Ｎ_０）を用いて１０年、５０年後の予測を行った。

ここで、係数αは、表５に示す。また、図１１に、不陸修正剤に、混入割合を変えて鋼球を混入した場合の軸力残存率を示す。

表４及び図１１から、鋼球混入割合５０％以上の試験体では、５０年後の予測に対して許容値の２０％の範囲内であることが分かる。

以上より、鋼球割合に応じてボルトの軸力低下を低減し得ることが分かる。又、鋼球割合が７５％の試験体では、５０年後に約８４％の軸力残存率であることが予測される。

本実施例にて、上記説明では、不陸修正剤中の基材は、エポキシ樹脂であるとして説明したが、実施例１で示した硬化型のその他の樹脂、即ち、ビニールエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、又は、メラニン樹脂などを好適に使用することができ、更には、硬化型のセメントモルタルをも使用することが可能で、鋼球などの混入物を混入させて実施例１で説明した作用効果、及び、上記説明した作用効果を同様に達成することができる。

また、本実施例にて、不陸修正剤中の混入物としての鋼球は、アルミナと共に混入されるものとしたが、基材中に単独で混入しても良く、また、実施例１で説明したアルミナ以外のセラミックス、金属、又は珪砂などと共に混入しても同様の効果を達成し得る。

本実施例で用いた鋼球などの粒径の大きい粒子であれば約２５％〜８５％の範囲にて効果が得られるが、非常に小さい粒子であれば、手作業による撹拌限度と考えられる４０％程度が好ましい。

又、本発明者らの研究実験の結果により、混入粒子の体積比が大きいほど軸力の低下が抑えられることが分かったが、このことから、より最密充填に近いほどボルト軸力の低下が抑えられると考えられる。特に、本実施例により、不陸修正剤に粒径の異なる粒子を複数混入させることにより、より密に混入材を配置することができ、それによりボルト軸力の低下を抑えることができることが実証できた。

実施例３
本発明者らの知見によれば、リング状拘束部材１５としてのリングには、軸圧縮応力に対して０．６倍以上の軸直角応力が作用する。しかし、鉄道橋、道路橋等繰り返し振動下での施工、供用を考えた場合リング１５の抜け出しの可能性が考えられる。特に、施工途中樹脂硬化前に振動によりリング１５が抜け出す可能性が高い。

そこで、本実施例では、図１２に示すように、リング１５は、その内周面形状が、リング１５の軸線方向にて、鋼桁１００の表面１０２Ａ（１０２Ｂ）側から外方へと向かってラッパ状に拡開したテーパー面１５ｂとするのが好ましい。この構成により、リング抜け出しを防止することができる。

また、リング１５は鋼桁表面１０２Ａ（１０２Ｂ）側により高い応力が作用するため、上記構成とすることにより、リング肉厚ｔをより薄く設計することが可能となる。

本実施例のように、リング１５の内周面１５ｂをテーパー形状としたときに、座金１４とリング１５が接触した場合には、不陸修正を行った本発明のボルト接合部構造１Ａを実現し得ない恐れがある。

このような事態の回避方法として、リング内径ｄ１を大きくする方法があるが、リング状拘束部材１５の上面１５ａと座金１４の下面１４ａとの距離が大きくなることは、リング状拘束部材１５による不陸修正剤の拘束効果を弱める点で望ましくない。

そこで、座金１４に対しても、図１２に想像線で示すように、リング側を削りテーパー１４ｂをつけることができる。

実施例４
図１３に、本発明のボルト接合部構造の他の実施例を示す。本実施例では、先に、図１４（ｂ）を参照して説明したように、鋼桁１００（１００Ａ、１００Ｂ）に形成されたリベット穴１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ）の中心がずれてしまっている場合に、本発明のボルト接合部構造１を適用して補修工事を実施した場合である。

本実施例においても、実施例１で説明したと同様の作業工程により、リング状拘束部材１５により拘束された不陸修正剤２をボルト座金１４と、鋼桁１００Ａ、１００Ｂのような被接合構造体との間に設けた構成とすることにより、高力ボルト等高軸力が得られる。

また、本実施例においても、実施例２で説明したように、図１２に示すように、リング１５は、その内周面形状が、リング１５の軸線方向にて、鋼桁１００の表面１０２Ａ（１０２Ｂ）側から外方へと向かってラッパ状となるように拡開した構造とすることもでき、また、座金１４にテーパー面１４ｂを設けた構造とすることもできる。

本発明のボルト接合部構造は、リベット接合の補修に限らず、高力ボルトから高力ボルトに付け替える際にも利用することができる。また、本発明のボルト接合部構造は、鉄道橋、道路橋などの鋼桁のような構造物をボルトにて接合するボルト接合部のみならず、海洋構造物、建築物などの鋼板の接合部においても利用可能である。

本発明の一実施例に係るボルト接合部構造を実現するための補修工事の工程を説明する概略工程図である。 比較例のボルト接合部構造の構造を示す断面図である。 混入材を含む不陸修正剤の圧縮試験結果を示すグラフである。 混入材を含む不陸修正剤のフープ応力を示すグラフである。 混入材を含む不陸修正剤のフープ応力を示すグラフである。 リング降伏時の軸圧縮強度を説明するためのグラフである。 本発明のボルト接合部構造の他の実施例の効果を立証するための試験体の構造を説明する断面図である。 リング状拘束部材と座金との間の隙間と、軸力残存率との関係を示すグラフである。 不陸修正剤に鋼球を混入した場合の軸力残存率を示すグラフである。 不陸修正剤にアルミナを混入した場合の軸力残存率を示すグラフである。 不陸修正剤に鋼球を混入した場合の軸力残存率を示すグラフである。 本発明の他の実施例に係るボルト接合部構造の一部を示す断面図である。 本発明の他の実施例に係るボルト接合部構造の一部を示す断面図である。 従来のボルト接合部構造を示す断面図である。

符号の説明

１ ボルト接合部構造
２ 不陸修正剤
１０ ボルト
１１ ボルトヘッド
１２ ボルト軸
１３ ナット
１４ 座金
１５ リング（リング状拘束部材）
１００（１００Ａ、１００Ｂ） 鋼桁（被接合構造体）
１０１（１０１Ａ、１０１Ｂ） ボルト穴（リベット穴）
１０２（１０２Ａ、１０２Ｂ） 鋼桁表面

Claims (13)

1. ボルト、ナットにて二つ以上の被接合構造体を互いに接合するボルト接合部構造において、
   リング状拘束部材により拘束された不陸修正剤をボルト座金と被接合構造体との間に設け、前記リング状拘束部材は、その内周面形状が、リングの軸線方向にて、前記被接合構造体側から外方へと向かって拡開していることを特徴とするボルト接合部構造。
2. ボルト、ナットにて二つ以上の被接合構造体を互いに接合するボルト接合部構造であって、前記二つ以上の被接合構造体の片側から前記被接合構造体の他側へと貫通したボルト穴に、前記ボルトのボルトヘッドと前記被接合構造体との間、及び、前記ナットと前記被接合構造体との間にボルト座金を介設して、前記ボルトのボルト軸を挿入し、前記被接合構造体から突出した前記ボルト軸に前記ナットを螺合させ、前記ボルト及び前記ナットにて二つ以上の前記被接合構造体を互いに接合するボルト接合部構造において、
   前記ボルトのボルトヘッド、前記ナット及び前記ボルト座金の外形状の大きさより大きな内径を有したリング状拘束部材を前記ボルト穴の中心とほぼ合致するようにして前記被接合構造体表面に配置し、前記リング状拘束部材の内側に前記不陸修正剤を充填し、
   前記ボルト座金は、前記リング状拘束部材との隙間が０〜２ｍｍとなるようにして配置されており、
   前記リング状拘束部材により拘束され、前記ボルト座金と被接合構造体との間に設けられた前記不陸修正剤が硬化した時点で前記二つ以上の被接合構造体を前記ボルト及び前記ナットで締め付けて接合することを特徴とするボルト接合部構造。
3. 前記リング状拘束部材は、その内周面形状が、リングの軸線方向にて、前記被接合構造体側から外方へと向かって拡開していることを特徴とする請求項２のボルト接合部構造。
4. 前記不陸修正剤は、硬化型のセメントモルタル又は樹脂であることを特徴とする請求項１、２又は３のボルト接合部構造。
5. 前記不陸修正剤は、前記硬化型のセメントモルタル又は樹脂に、混入材が混入されていることを特徴とする請求項４のボルト接合部構造。
6. 前記混入材は、体積比で２０％〜８５％の範囲で混入されることを特徴とする請求項５のボルト接合部構造。
7. 前記混入材は、無機物の粒子又は短繊維から選択される材料であって、単体であるか、又は、２種類以上の材料を含むことを特徴とする請求項５又は６のボルト接合部構造。
8. 前記無機物の粒子は、セラミックス、金属又は珪砂であり、前記短繊維は、ガラス繊維又は炭素繊維であることを特徴とする請求項７のボルト接合部構造。
9. 前記混入材は、粒径の異なる前記無機物の粒子を２種類以上含むことを特徴とする請求項７又は８のボルト接合部構造。
10. 前記粒径の異なる前記無機物の粒子は、アルミナと鋼球であることを特徴とする請求項９のボルト接合部構造。
11. 前記鋼球は、体積比で２５％〜８５％の範囲で混入され、前記アルミナは、体積比で４０％〜０％混入されることを特徴とする請求項１０のボルト接合部構造。
12. 前記鋼球の直径は、０．３ｍｍ〜２．８ｍｍであることを特徴とする請求項１０又は１１のボルト接合部構造。
13. リング状拘束部材は、鋼又は繊維強化複合材で作製されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかの項に記載のボルト接合部構造。

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