JP5103826B2 - 高力ボルト摩擦接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材同士を連結板を介してボルト締め付けにより接合・固定する場合に、鋼材と連結板との接合を安定かつ確実に行うことができる高力ボルト摩擦接合構造に関するものである。

鋼構造物の継手形式としては、通常、高力ボルト摩擦接合や溶接接合が用いられている。このうち高力ボルト摩擦接合は、接合する鋼材（以下、母材という）の両者にまたがって連結板と呼ばれる鋼板を当て、これら母材および連結板を貫通させた高力ボルトで締め付け、接合面に摩擦力を作用させて固定する方法である。

一般に摩擦力は、摩擦面垂直方向に作用する力に比例し、その比例定数を摩擦係数と呼ぶ。この摩擦係数は、摩擦面の表面状態に左右される。
高力ボルト摩擦接合では、摩擦係数が大きいほど使用する高力ボルトの本数を減らすことが可能になるため、高い摩擦係数を得るための方法が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、母材または連結板のいずれか一方の鋼材の表面粗さおよび表面硬さを他方よりも大きくして、摩擦係数を向上させる方法が提案されている。
また、特許文献２には、母材と連結板との間に硬質の部材を介挿させ、この硬質部材をボルト締め付け時に両者の接合面にくい込ませる方法が提案されている。
さらに、特許文献３には、鋼板の接合面に第１の凸部を設けると共に、さらにこの第１の凸部の表面に第２の凸部を形成することにより、摩擦係数を向上させる方法が提案されている。

特開平６−146427号公報 特開平６−220923号公報 特開2004−291091号公報

しかしながら、上記した従来技術はいずれも、以下に述べるような問題を残していた。
接合面に凸部をくい込ませるためには、予め機械加工などにより接合面の表面形状を整えておくか、凸側の部材を相対的に硬くして相手側の部材を変形させる必要がある。このとき、接合面に隙間が存在すると、外力が作用した場合に、すべりが生じてからでないと抵抗力を発揮できないため、接合に際しては両者が完全に密着し隙間がないようにする必要がある。
このため、機械加工によって凹凸を設ける方法では、隙間が生じないようにするために極めて高い加工精度が要求される。
また、硬化した部材を用いる方法では、部材間の硬さの比が小さいと所定のくい込み深さが得られず、隙間が生じるおそれがある。また、この場合には、構造材として用いる鋼材および連結板の強度を小さくして部材間の硬さの比を大きくすることは現実的ではないので、凸側の部材の硬さを大きくすることになるが、一般に部材は硬くすると脆くなるので自ずと限界がある。さらに、硬くするためには、材料の成分を変更したり、熱処理を施す等の工夫が必要になるが、この場合には相応のコスト上昇が避けられない。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、特に高い加工精度を必要とせず、また部材間の成分の変更や熱処理などを必要とすることなしに、母材と連結板を安定かつ確実に摩擦接合することができる高力ボルト摩擦接合構造を提案することを目的とする。

以下、本発明の解明経緯について説明する。
さて、発明者らは、母材と連結板の硬度や突起形状を種々に変化させて摩擦接合を行った場合における接合の度合い（良否）について調査した。
その結果、満足のいく接合ができた場合や、良好な接合ができなかった場合など、幅広い接合形態がみられた。

そこで、次に、発明者らは、良好な摩擦接合ができた場合の接合形態、特に接合面の凝着状況について調査を行った。
その結果、良好な摩擦接合ができた場合は、ボルト軸力が作用する範囲において、接合面全域が塑性変形していることが判明した。
すなわち、良好な高力ボルト摩擦接合を可能ならしめるためには、ボルト軸力が作用する範囲において、接合面全域を塑性変形させる必要があることが新たに究明されたのである。

そこで、さらに、発明者らは、接合面全域を安定して塑性変形させる手段について検討した結果、母材と連結板を接触させる接触部の面積を、高力ボルトで締め付けた際に必ず塑性変形が生じる面積にすることが極めて有効であるとの新規知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．母材と連結板の金属同士を、ボルト締め付けによる摩擦接合により、直接凝着させる高力ボルト接合構造であって、
ボルト軸力が作用する範囲において、母材と連結板が接触する接触部の面積を、該ボルト軸力を母材または連結板の降伏強度のうち小さい方の降伏強度で除した値で示される限界接触面積より小さくし、母材と連結板の接合面全域を塑性変形させることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。

２．前記ボルト軸力が作用する範囲が、ボルト孔中心よりボルト軸半径の３倍までの領域であることを特徴とする上記１に記載の高力ボルト摩擦接合構造。

３．前記接触部が、母材および／または連結板の表面に設けた凸部であることを特徴とする上記１または２に記載の高力ボルト摩擦接合構造。

本発明によれば、高力ボルト摩擦接合において、母材や連結板に対する高い加工精度を必要とせず、また部材間の成分の変更や熱処理などを必要とすることなしに、両者を安定かつ確実に接合することが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する。
金属の乾燥摩擦（固体摩擦）の基本原理と考えられているBowden-taborによって提唱された凝着理論によれば、摩擦力Ｆは、次式に示すように、凝着部を剪断するのに必要な力である凝着項Ｆaと、物体の移動する前方にある物体を押し退けるのに必要な力である掘
り起こし項Ｆpを足し併せたものである。
Ｆ＝Ｆa＋Ｆp
Ｆa＝Ａr・ｓ＝（Ｗ／Ｐm）ｓ
ここで、Ｗ：荷重
Ａr：真実接触面積
ｓ：凝着部を剪断するために必要な剪断応力（凝着部の剪断強さ）
Ｐm：軟らかい方の固体の塑性流動圧力
Ｆp＝Ａ′・Ｐ′
ここで、Ａ′：進行方向前面の投影面積
Ｐ′：硬度の小さい方の固体の平均流動圧力≒Ｐm

接触面に凸部をくい込ませることで高摩擦接合が得られる理由は、主に掘り起こし項の増加によるものと考えられる。この掘り起こし項は、上記したとおり、進行方向前面の投影面積と硬度の小さい方の固体の平均流動圧力の積によって表される。

高力ボルト摩擦接合で、一般的な接合面の処理方法としてショットブラスト処理があるが、この処理による表面凹凸の突起高さは平均で0.05mm以上を目標としている。この場合、突起のかみ合わせ深さは最大でも突起高さと考えられるので、進行方向前面の投影面積は最大で部材幅と突起高さの積である。従って、部材幅が固定の場合、投影面積を増大させるためには突起高さを大きくすればよいが、ショットブラスト処理で単純に突起高さを大きくしても、載荷時に突起が変形してしまい、突起高さが大きくならないばかりか、見かけ上の平均流動圧力が低下するので、摩擦係数はむしろ低下してしまう。

そこで、発明者らは、部材の硬度や突起形状を種々に変化させて摩擦力を測定する実験を行った結果、突起側の部材の硬度と押し込まれる側の部材の硬度が等しく、接合面に隙間がある場合であっても、その摩擦力が、平板同士の摩擦力よりも著しく大きくなる条件があることを見出した。
その条件とは、突起側の部材と押し込まれる側の部材の接触面全域が降伏し、塑性変形していることである。

前述した凝着理論によれば、一般に金属の表面は平滑に見えても微小な凹凸があり、摩擦面では凸部同士が接触して凝着が生じている。この実際の接触部分の面積の総和を真実接触面積といい、凝着項は真実接触面積と凝着部のせん断強さの積により得られる。
大気中において金属の表面は薄い酸化膜が存在するが、一般に酸化膜のせん断強さは下地金属のせん断強さより小さいため、凝着部のせん断強さは酸化膜のせん断強さによって決まる。しかしながら、接触面全域が降伏して塑性変形した場合には、接触面の酸化膜が崩壊して下地金属同士が直接凝着するため、凝着部のせん断強さは下地金属のせん断強さにより決まることになる。

従って、高力ボルト摩擦接合構造において、接触面全域を降伏させるためには、ボルト軸力が作用する範囲内の接触面積が、ボルト軸力を部材の降伏応力で除した値より小さくすれば良い。一般にボルト軸力が作用する範囲は、ボルト孔中心よりボルト軸半径の３倍とされており、ボルト孔縁からこの範囲内の接触面積を上記の値以下にすれば良い。
かような構造は、例えば、少なくとも上記のボルト軸力が作用する範囲において、母材または連結板あるいはその両者の接合面側に、突起（凸部）または凹溝を設けることにより実現することができる。

以下、本発明に係る高力ボルト摩擦接合構造の好ましい一実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明を、鋼コンクリート合成構造用鋼材として用いられる突起付Ｈ形鋼の接合に通用した場合である。突起付Ｈ形鋼１のフランジ２の外面には、図２に示すような軸直角方向の断面が台形状の突起３が設けられている。この突起３の高さは2.1 mm、間隔は21mmで、突起頂部の幅は2.1 mmである。フランジ部の高力ボルト４はトルシア形高力ボルトM24（S10T）である。ここに、Ｈ形鋼（母材）の降伏強度および連結板５の降伏強度は
いずれも 355N/mm^２である。

ボルト軸力が作用する範囲の接触面積は、ボルト孔と突起の位置関係で多少変化するが、例えば図３に示す場合で368mm^２である。トルシア形高力ボルトM24（S10T）の設計軸力
は238kNである。従って、接触面の応力は平均647N/mm^２（238kN÷368mm^２）となり、鋼材の降伏強度である355N/mm^２を超えており接触面全域が塑性化する。
換言すると、ボルト軸力が作用する範囲において、母材と連結板が接触する接触部の面積：368mm^２が、ボルト軸力：238kNを母材または連結板の降伏強度のうち小さい方の降伏
強度：355N/mm^２で除した値で示される限界接触面積：670mm^２より小さいので、接触面全域が塑性化するのである。

上述したとおり、ボルト軸力が作用する範囲において、接触部が塑性変形しはじめる限界接触面積は、ボルト軸力を母材または連結板の降伏強度のうち小さい方の降伏強度で除した値で示されるものであるが、このとき、母材と連結板の降伏強度の比が大きいと、接触面に凸部がくい込み、前述した掘り起こし項が凝着項より卓越した状態になると考えられる。ここに、強度比を大とするためには、連結板の降伏強度を上げることになるが、降伏強度の増大には自ずと限界があり、また相応のコスト上昇が避けられないので、両者の強度比は1.3 未満とするのが好適である。

また、本発明において、接触部の形態（形状）は、図３に示されるものに限定されるものではなく、図４に示すような環状形であってもよい。この図は、連結板５の接触面側のボルト孔近傍を機械加工により同心円状に切削して溝部６を形成し、ボルト軸力が作用する範囲で接触面７が降伏するようにして、母材９と連結板５を接合したものである。また、図５に示すように、母材と連結板のいずれかに、島状の凸部８を設けてもよい。なお、この場合、母材側は通常の高力ボルト摩擦接合構造と同じ設計・施行法が適用できるが、連結板は発生応力の照査において切削した分の断面欠損を考慮する必要がある。
このように、接触部の形成には種々の形態をとることができるが、要は、母材と連結板が接触する接触部の面積を限界接触面積より小さくすることである。

実施例１
図６は、本発明の一実施例として、突起付Ｈ形鋼の接合に適用した鋼材からフランジ部分を切出し、すべり試験の供試体としたもの（発明例１）である。この供試体の母材部を試験機で引っ張り、すべりが発生する荷重を測定した。
また、比較用にフランジ外面の突起を機械加工により切削した鋼材を供試体とした場合（比較例１）、さらに母材は平鋼板とし連結板として突起付H形鋼のフランジ部から切出
した突起付鋼板（図７）を用いた場合（発明例２）について、同様の試験を実施した。
得られた結果を表１に示す。

同表に示したとおり、すべり係数の平均値は、突起有り供試体で0.60、突起無供試体で0.57、連結板に突起付鋼板を用いた供試体で0.64であり、突起がある場合のすべり係数が、突起がない場合のすべり係数を上回る結果が得られた。

また、図８は、上記のすべり試験をモデルに三次元弾塑性有限要素解析を行い、ボルト軸力を導入した際の応力分布図を示したものである。
母材の突起側では、ボルト孔を中心としたボルト軸部半径３倍程度の筒域で、突起と連結板の接触面およびその近傍が降伏している様子が示されている。一方、母材の非突起側では、同様の領域で応力は発生しているものの、降伏している領域はない。

突起付Ｈ形鋼を、本発明に従い高力ボルト摩擦接合した状態を示す図である。 突起付Ｈ形鋼のフランジ外面に設けた断面が台形状の突起を示す図である。 ボルト軸力が作用する範囲内の接触面積を示す図である。 連結板のボルト孔近傍に設けた同心円状の溝を示す図である。 母材または連結板のいずれかに設けた島状の凸部を示す図である。 突起付Ｈ形鋼の正面図(a)および側面図(b)である。 突起付連結板の正面図(a)および側面図(b)である。 ボルト締め付け時の応力分布図である。

符号の説明

１ 突起付Ｈ形鋼
２ フランジ
３ 突起
４ 高力ボルト
５ 連結板
６ 溝部
７ 接触面
８ 凸部
９ 母材

Claims (3)

1. 母材と連結板の金属同士を、ボルト締め付けによる摩擦接合により、直接凝着させる高力ボルト接合構造であって、
   ボルト軸力が作用する範囲において、母材と連結板が接触する接触部の面積を、該ボルト軸力を母材または連結板の降伏強度のうち小さい方の降伏強度で除した値で示される限界接触面積より小さくし、母材と連結板の接合面全域を塑性変形させることを特徴とする高力ボルト摩擦接合構造。
2. 前記ボルト軸力が作用する範囲が、ボルト孔中心よりボルト軸半径の３倍までの領域であることを特徴とする請求項１に記載の高力ボルト摩擦接合構造。
3. 前記接触部が、母材および／または連結板の表面に設けた凸部であることを特徴とする請求項１または２に記載の高力ボルト摩擦接合構造。