JP6935857B1 - 柱梁接合部用の角形鋼管及びこれを用いた柱梁接合構造体、並びに角形鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

角形鋼管柱と鋼梁との柱梁接合部用の角形鋼管において、鋼梁との接合に利用可能な肉厚を確保しながら、角部の曲率半径を小さくし、角形鋼管の断面の平坦部における反りの発生を抑制する。角形鋼管の管軸方向と垂直な断面の４辺の平坦部の辺長Ｌ及び肉厚ｔがＬ／ｔ≦１０．５の関係を満たすとともに、前記断面の４つの角部のうちの１つ以上の曲率半径Ｃが前記平坦部の肉厚ｔに対してＣ／ｔ≦０．８の関係を満たすようにする。

Description

本発明は、柱梁接合部に用いる角形鋼管及びこれを用いた柱梁接合構造体、並びに角形鋼管の製造方法に関する。

角形鋼管にＨ型鋼梁等の鋼梁を接合して柱梁接合部を形成する方法として、ダイアフラム工法及びノンダイアフラム工法がある。ダイアフラム工法は角形の鋼管内部、または外部へダイアフラムを取り付け、その取付位置に一致させるように鋼梁のフランジを取り付けることで一体化した後の構造体の強度を保証している。ダイアフラム工法は鋼管内外部へのダイアフラムの溶接が必要となる。また、様々に取付位置が変化する鋼梁のフランジ位置とダイアフラム位置とを精度良く一致させなければ必要な性能を得られない。そのため、ダイアフラムの取り付けに必要な接合部が多く、また、精度良く取り付けるために多大なる作業時間とコストが必要となる。

一方で、近年ではダイアフラム工法の課題に対してダイアフラムが不要なノンダイアフラム工法の利用が増えている。このノンダイアフラム工法では、角形鋼管の断面の平坦部の辺長に対し適切に厚い肉厚とすることで、角形鋼管に接合した鋼梁により加わる応力にダイアフラム無しに耐えることができ、接合個所の低減による作業時間とコストの低減が図れる。ノンダイアフラム工法に利用する角形鋼管は、その平坦部の辺長に対し、適切に厚い肉厚と、鋼梁を接合するための平坦部の辺長が必要である。現在、ノンダイアフラム工法で利用される角形鋼管はいくつかの製造方法で供給されている。

鋳造法は、適切な形状の鋳型に溶鋼を流し込み角形鋼管を製造する方法である（特許文献１）。

また、適切な肉厚を有するＬ型、または溝型の形鋼を溶接で一体化させて角形鋼管を得る方法が公知である（特許文献２）。

さらに、外周長に対し、肉厚を厚くすることができる継目無鋼管を母材とし、角形の孔型ロールによる熱間圧延で角形鋼管を得る方法も公知である（特許文献３）。

また、特許文献４には、断面角部に曲率を有する角形鋼管とＨ形鋼のフランジを溶接した接合構造に使用する角形鋼管について、「角形鋼管１０の断面角部１６の曲率半径Ｒとしては、例えばＲ＝０．２ｔ〜３．５ｔ程度（ｔは板厚）の角形鋼管を使用することができる。」（段落［００３３］）と記載されている。

特公昭４９−１７４５１号公報 特許第４９６８６７９号公報 特許第３３０８８４８号公報 特開２０１６−１６０６７８号公報

しかしながら、従来技術である鋳造法や、Ｌ型、溝型鋼を溶接する方法、継目無鋼管を母材として熱間角形成形する方法にはいくつか課題があった。

まず、鋳造法は基本的に１個単位の製造であり、また、形状が変化する場合には鋳型を製造し直す必要がある。そのため、大量生産が難しくコストが高いという課題があった。

Ｌ型、溝形鋼を溶接する方法は、安価かつ大量に手に入る様々なサイズの規格品の形鋼を母材とできる利点があるが、角形鋼管として一体化するには溶接が必須であり、さらに外周長が小さなサイズで、強度確保のために内面に溶接が必要な場合は、角形鋼管を内面溶接が可能な長さに輪切り切断して溶接する必要がある。このため、溶接開始位置の接合品質悪化や、多大な作業労力にともないコストが増加するという課題があった。また、角形鋼管に鋼梁を接合するために溶接部の盛り上がりを平らにする必要があり、施工現場での作業負荷増加にもつながっていた。

継目無鋼管を母材として熱間圧延により角形鋼管を得る方法は、母材である継目無鋼管が様々な外周長、肉厚サイズについて大量生産が可能である。また、角形成形用の角形孔型ロールを用いた熱間定型圧延ラインを母材の継目無鋼管製造ラインと直結できることと、さらにロール形状やロールギャップの変更のみで様々な角形鋼管形状を製造できる利点を持つ。一方で、継目無鋼管を熱間で角形成形する場合は、角形の孔型ロールに円形の鋼管を押し込み成形するが、基本的には孔型ロール形状に沿った管の曲げ変形を利用し、外面からのみの圧延で閉断面角形形状の成形を行う。このため、形状自由度が高い鋳造法や、Ｌ型や溝形鋼を溶接して減肉圧延により孔型ロールに充満させる方法に比べて、継目無鋼管の角形成形は孔型角部への材料の流入が難しく、角部の曲率半径は大きくなってしまう。特に、肉厚（Ｌ／ｔ≦１０．５）の鋼管を角形成形する際に、角部の曲率半径を小さくすることは極めて難しかった。

柱梁接合部に利用する角形鋼管では、角形鋼管への鋼梁の接合を角形鋼管の角部付近へ行う場合があり、角形鋼管の角部の曲率が大きくなると、構造物の設計や接合後の強度に問題が生じる。角部の曲率半径を小さくするために孔型ロールに対して大きめの素管を押し込むと圧延機に噛み込まない製造トラブルに加え、角形鋼管の平坦部に反りが発生し、平坦部への鋼梁の溶接に問題が生じる。つまり、角部の曲率半径と平坦部形状に課題があるため用途が限定されていた。

本発明は、上記課題に鑑み、角形鋼管柱に鋼梁と接合して利用可能な外周長と肉厚を有する柱梁接合部用の角形鋼管について、角部の曲率半径が小さく、断面の平坦部に反りの発生が抑制された柱梁接合部用の角形鋼管、及びこれを用いた柱梁接合構造体を提供することを目的とする。また、角部の曲率半径が小さく、断面の平坦部に反りの発生が抑制され、さらに、角形鋼管の外周部に溶接による盛り上がり部を有さない柱梁接合部用の角形鋼管を、安価かつ大量に生産可能な角形鋼管の製造方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用する。

（１） 角形鋼管柱と鋼梁との柱梁接合部用の角形鋼管であって、管軸方向と垂直な断面の４辺の平坦部の辺長Ｌ（ｍｍ）及び肉厚ｔ（ｍｍ）がＬ／ｔ≦１０．５の関係を満たすとともに、前記断面の４つの角部のうちの１つ以上の曲率半径Ｃが前記平坦部の肉厚ｔに対してＣ／ｔ≦０．８の関係を満たすことを特徴とする柱梁接合部用の角形鋼管。

（２）前記４辺のうちの１辺以上で、前記平坦部の反り量Ｒ（ｍｍ）及び前記辺長ＬがＲ／Ｌ≦０．００８の関係を満たすことを特徴とする（１）に記載の柱梁接合部用の角形鋼管。

（３）前記４辺のうちのすべてで、前記平坦部の前記反り量Ｒ及び前記辺長ＬがＲ／Ｌ≦０．００８の関係を満たすことを特徴とする（２）に記載の柱梁接合部用の角形鋼管。

（４）４つの前記角部のすべての前記曲率半径Ｃが前記平坦部の前記肉厚ｔに対してＣ／ｔ≦０．８の関係を満たすことを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の柱梁接合部用の角形鋼管。

（５）前記角形鋼管の母材が継目無鋼管であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の柱梁接合部用の角形鋼管。

（６）前記角形鋼管が角形熱間成形鋼管であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の柱梁接合部用の角形鋼管。

（７）（１）乃至（６）のいずれかに記載の柱梁接合部用の角形鋼管が柱梁接合部に用いられていることを特徴とする柱梁接合構造体。

（８） 母材鋼管を角形孔型ロールにより熱間で角形に成形することにより（１）乃至（６）のいずれかに記載の柱梁接合部用の角形鋼管を製造する、角形鋼管の製造方法であって、
前記角形孔型ロールのフランジ部により前記角形鋼管の前記角部を成形する際に、該角部となる部分を挟むようにして前記角形孔型ロールの表面が前記母材鋼管の外周との接触を開始する２つの接触開始点の間の前記外周の長さＬＣ（ｍｍ）と、前記角形孔型ロールの前記表面における前記接触開始点から前記フランジ部までの長さＬＲ（ｍｍ）と、前記角形孔型ロールのロール間隔が最も小さくなるロール軸中心位置における前記フランジ部の隙間であるロールギャップＧ（ｍｍ）とが、下記式（１）の関係を満たすように圧延することを特徴とする角形鋼管の製造方法。

１．２５ＬＣ≧２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθ （１）
ただし、θは、前記ロール軸中心位置において前記角形孔型ロールの孔底から前記フランジ部側に延びる前記表面が、前記フランジ部を形成する面に対して成す角度である。

（９）前記角形鋼管の４つの前記角部のすべてを、前記式（１）の関係を満たす１回以上の圧延により成形することを特徴とする（８）に記載の角形鋼管の製造方法。

本発明によれば、大きな肉厚を確保しながら、角部の曲率半径が小さいため、構造体の設計に応じて種々のサイズの鋼梁を接合でき、柱梁接合部用の角形鋼管として好適に使用できる。また、角形鋼管の平坦部における反りの発生が抑制されるため、角形鋼管に鋼梁を接合する際に支障を生じない。

また、本発明の製造方法によれば、角部の曲率半径が小さく、さらに柱外周部に溶接部による盛り上がり部が無い、鋼梁との接合性に優れた柱梁接合部用の角形鋼管を安価かつ安定して大量に生産できる。

図１は、本発明の一実施形態の角形鋼管の断面の模式図である。 図２は、本発明の一実施形態の角形鋼管と鋼梁との接合形態の断面の模式図である。 図３は、本発明の一実施形態における圧延ロール形状と被圧延材、パスラインを示す模式図である。 図４は、本発明の他の実施形態における圧延ロール形状と被圧延材、パスラインを示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１及び図２に示すとおり、本発明の実施形態（以下、「本実施形態」という。）の柱梁接合部用の角形鋼管１は、角形鋼管柱と鋼梁２、３との柱梁接合部における角形鋼管柱として用いられる。角形鋼管１は、管軸方向と垂直な断面の４辺の平坦部１１を辺長Ｌ（ｍｍ）とすると、この平坦部１１は１／２Ｌ位置において肉厚ｔ（ｍｍ）及び反り量Ｒ（ｍｍ）を有している。また、角形鋼管１の断面の４つの角部１２が、曲率半径Ｃ（ｍｍ）を有している。

本実施形態の柱梁接合部用の角形鋼管１の素材には、主として一般構造用鋼材や炭素鋼が用いられる。ただし、角形鋼管１が、強度が必要な用途や、耐食性能が必要な特殊な用途に用いられる場合はこの限りではなく、熱間圧延を実施できる鋼材のうちから、用途とコストを勘案して素材を選択すればよい。

本実施形態の角形鋼管１では、角形鋼管１に鋼梁２、３を接合する際に支障を生じないように、４辺の平坦部１１及び４つの角部１２のいずれの外表面にも、溶接や機械的接合による盛り上がり部が無い。ここで、角形熱間成型前の母材鋼管に溶接や機械的接合部があっても構わない。つまり、管形状成形後に溶接に伴う盛り上がり部を有する溶接管や電縫鋼管も、母材鋼管として利用できる。これは、母材鋼管は熱間加工温度域まで加熱されるので、接合部とその他の部分の材質が均質化されるためである。また、孔型熱間圧延により外表面に対し角形圧延を行うと、接合に伴う盛り上がり部は孔型ロール形状に沿って滑らかに変形するので、柱梁接合部用の角形鋼管１として利用するときに有害な外表面の盛り上がり部が無くなるためである。

本実施形態においては、接合部がない継目無鋼管を母材鋼管として利用すると、より好ましい。継目無鋼管を母材鋼管として利用すると、外周長に対し厚肉の母材鋼管を造りやすく、柱梁接合部用の角形鋼管１に必要な強度を確保しやすいからである。また、継目無鋼管の製造は熱間加工温度域で行われるため、その後の角形孔型ロールによる熱間圧延との連続化が容易であり、製造性に優れるためである。

本実施形態の角形鋼管１は、角形鋼管柱と鋼梁２、３との柱梁接合部における角形鋼管柱として用いられることを考慮して、管軸方向と垂直な断面の４辺の平坦部１１の辺長Ｌ及び肉厚ｔがＬ／ｔ≦１０．５の関係を満たしている。図２に示すように、角形鋼管１の平坦部１１には、平坦部１１の辺長Ｌ以下の幅Ｗを有する鋼梁２、３が接合される。鋼梁２、３は、その中央を、平坦部１１の辺長Ｌの中央位置１／２Ｌに合わせて接合される場合（鋼梁３）もあれば、平坦部１１の両側の角部１２のいずれかに偏って接合される場合（鋼梁２）もある。どちらの接合形式においても、角形鋼管１には柱梁接合にともなう応力やモーメントが加わるが、これらの外力に対して十分な耐力を有するようにすることが柱梁接合構造体にとって重要である。

本実施形態の柱梁接合部用の角形鋼管１の平坦部１１は、ダイアフラム工法等の補強が施されない柱梁接合部用の角形鋼管１として使用できるように、角形鋼管１に接合される鋼梁２、３に応じて、適切な接合面長を確保できる辺長Ｌと、適切な接合強度を確保できる肉厚ｔとを有している。

本発明者らは、かかる角形鋼管１の熱間製造プロセスでは、鋼管を角形に成形する過程で平坦部１１の肉厚ｔが角部１２の肉厚に比べて薄くなることに着目し、この薄い平坦部１１の肉厚ｔ及び辺長ＬがＬ／ｔ≦１０．５の関係を満たすような角形鋼管１とすれば、角形鋼管１に接合可能な種々のサイズの鋼梁２、３について、鋼梁２、３の接合後に外力に対して十分な耐力を有する柱梁接合部構造体とできることを見出した。

なお、平坦部１１の肉厚ｔが厚い方が構造体としての強度はより高まるから、十分な強度を得る観点から、Ｌ／ｔの値は８．３３以下とすることが好ましい。また、平坦部１１の肉厚ｔが増加すると、角形鋼管１の重量が増加し、高い変形荷重に耐える生産設備を必要とするから、生産コストを勘案し、Ｌ／ｔの値は６．６６以上とすることが好ましい。

本実施形態の角形鋼管１においては、角部１２の曲率半径Ｃを適切な大きさにすることも、柱梁接合部用の角形鋼管１として使用できるようにする上で重要である。図２に示すように、柱梁接合部では、辺長Ｌを有する平坦部１１に幅Ｗを有する鋼梁２、３が接合されるから、幅Ｗの大きな鋼梁３を接合する場合や、角形鋼管１の角部１２側に偏りを持たせて鋼梁２を接合する場合には、角形鋼管１と鋼梁２、３との面段差Ｄを小さくする必要がある。

本発明者らは、上記の柱梁接合部に必要な角部１２の曲率半径Ｃを鋭意検討した結果、角形鋼管１の管軸方向と垂直な断面の角部１２の曲率半径Ｃが、平坦部１１の肉厚ｔに対して、Ｃ／ｔ≦０．８の関係を満たすような角形鋼管１とすれば、角形鋼管１と鋼梁２、３との面段差Ｄが小さい柱梁接合部が得られることを見出した。具体的には、角部１２の曲率半径Ｃについて、Ｃ／ｔ≦０．８の関係を満たしつつ、角形孔型ロールによる熱間圧延で成形する手法を用い、外周部に溶接等による盛り上がりが無い状態とすることで、柱梁接合部用の角形鋼管１として好適に利用できるようにすることを着想した。

Ｃ／ｔの値は可能な限り小さい方が、鋼梁２、３を接合できる平坦部１１の辺長Ｌを長く確保できるため、Ｃ／ｔの値は０．５５以下であることが好ましい。また、熱間圧延でＣ／ｔの値を０にすることは難しく、例えば最終工程に機械加工が必要になりコストが増加する。そのため、施工性とコストを両立する観点で、Ｃ／ｔの値は０．２５以上であることが好ましい。

なお、４つの角部１２のうちの１つ以上でＣ／ｔ≦０．８の関係を満たせばよいのか、又は４つの角部の１２のすべてでＣ／ｔ≦０．８の関係を満たす必要があるのかは、施工する構造体において柱梁接合部に取り付けられる鋼梁２、３の数や位置に応じて変わる。例えば、１本の鋼梁２が１つの角部１２に寄せて取り付けられる場合は、１つの角部１２が上記の関係を満たせばよい。本実施形態では、施工条件に応じて４つの角部１２のうちの１つ以上の曲率半径Ｃが、Ｃ／ｔ≦０．８の関係を満たすようにしている。

本実施形態においては、さらに角形鋼管１の鋼梁２、３の接合面における平坦部１１の反り量Ｒが適切に管理されることが好ましい。

平坦部１１の反り量Ｒが大きくなると、鋼梁２、３の接合面の接合強度が低下したり、接合後の角形鋼管１と鋼梁２、３との間の直角の接合形態が取りづらくなったりして、施工コストや工期の増加につながる。平坦部１１の反り量Ｒの管理範囲は、鋼梁２、３を取り付ける角形鋼管１の平坦部１１の辺長Ｌに応じて決まり、Ｒ／Ｌ≦０．００８の関係を満たせば、角形鋼管１に鋼梁２、３を接合する際に問題なく施工が行える。平坦部１１の反り量Ｒは小さいほど施工上好ましいから、Ｒ／Ｌの値は０．００５以下に管理することが好ましい。また、熱間圧延で平坦部１１の反り量Ｒを０にすることは難しく、例えば最終工程で機械加工が必要になりコストが増加する。そのため、施工性とコストを両立する観点で、Ｒ／Ｌの値は０．００３以上に管理することが好ましい。

なお、４辺のうちの１辺以上で平坦部１１の反り量Ｒ及び辺長ＬがＲ／Ｌ≦０．００８の関係を満たせばよいのか、又は４辺のすべてで平坦部１１がＲ／Ｌ≦０．００８の関係を満たす必要があるのかは、施工する構造体において柱梁接合部に取り付けられる鋼梁２、３の数や位置に応じて変わる。そのため、本実施形態では、施工条件に応じて４辺のうちの１つ以上の平坦部１１の反り量Ｒが、Ｒ／Ｌ≦０．００８の関係を満たすようにしている。

本実施形態の角形鋼管の製造方法について、図３を参照して説明する。Ｌ／ｔ≦１０．５及びＣ／ｔ≦０．８の関係を満たす角形鋼管１を安定的に製造するには、母材として、角形鋼管１の平坦部１１の肉厚ｔと同じ肉厚を有し、角形鋼管１の外周長さ以上の外周長さとを有する母材鋼管１０を利用することができる。この母材鋼管１０に対して、角形孔型ロール５による熱間外径圧延で角形成形を行う際に、以下の式（１）の関係を満たす条件で成形することで、Ｌ／ｔ≦１０．５及びＣ／ｔ≦０．８の関係を満たしつつ、周方向に溶接等に起因する盛り上がり部や材質の不均一が発生しない角形鋼管１を得ることができる。

１．２５ＬＣ≧２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθ （１）
本発明者らは、これまでの角形孔型ロールによる熱間成形において、柱梁接合部用の角形鋼管に必要となる、Ｌ／ｔ及びＣ／ｔの値の範囲を安定的に満たすことを難しくしている成形メカニズムを突き止め、その知見に基づき、本発明に係る角形鋼管の製造方法を着想した。

従来の角形孔型ロールによる成形では、角形孔型ロールの孔底の角部を利用して角形鋼管の角部を成形している。つまり、断面が円形である母材鋼管に対して、角形孔型ロールの孔底に沿うように曲げ変形を与えることにより、角部を成形している。しかし、このように曲げ変形を利用する製造方法では、板の曲げ加工と同様に、曲げ部分には必ず曲率半径Ｃが生じ、この曲率半径を小さくすることが難しい。これは、曲げ変形を利用する方法の原理上、角形孔型ロールの孔底の角部に材料が完全に流入せず、角形孔型ロールの孔底の角部形状が角形鋼管に完全に転写されないためである。また、柱梁接合部用の角形鋼管１に必要となるＬ／ｔの値を得るために肉厚ｔを厚くすると、角形鋼管の角部の曲率半径Ｃが増大してしまう。したがって、従来の角形孔型ロールによる成型では、柱梁接合部用の角形鋼管に必要となるＬ／ｔ及びＣ／ｔの値の範囲を安定的に満たすことは難しかった。

そこで、本発明者らは発想を転換し、角形鋼管１の角部１２を、角形孔型ロール５の孔底ではなくフランジ部５ｆで成形することを着想した。本発明では、角形孔型ロールの孔底で鋼管を曲げ変形させるこれまでの製造方法とは異なり、母材鋼管１０の外周と角形孔型ロール５の表面とを、ロール圧延入側で接触させて、両者が接触を開始する点（以下、「接触開始点」という。図３の接触開始点５ａ参照）で発生する摩擦力により母材鋼管１０と角形孔型ロール５とを固着させる。

上記式（１）中の各幾何学的パラメータの定義を説明する。ＬＣ（ｍｍ）は、角形鋼管１の角部１２を成形する際に、角部１２となる部分を挟むようにして角形孔型ロール５の表面が母材鋼管１０の外周との接触を開始する２つの接触開始点５ａの間の、母材鋼管１０の外周の長さである（図３のＡ−Ａ断面参照）。また、ＬＲ（ｍｍ）は、角形孔型ロール５の表面における、接触開始点５ａからフランジ部５ｆまでの長さである（図３のＢ−Ｂ断面参照）。ここで、母材鋼管１０の外周上の接触開始点５ａは、角形孔型ロールの表面における接触開始点５ａと一致している。

また、Ｇ（ｍｍ）は、角形孔型ロール５のロールギャップ、すなわち、角形孔型ロール５のロール間隔が最も小さくなるロール軸中心位置におけるフランジ部５ｆの隙間である。すなわち、ロールギャップＧは、圧延入側でのフランジ部５ｆの隙間ＲＤ（ｍｍ）に対して、ＲＤ＞Ｇの関係にある。θは、ロール軸中心位置において角形孔型ロール５の孔底からフランジ部５ｆに延びる角形孔型ロール５の表面が、フランジ部５ｆを形成する面に対して成す角度である。

本実施形態の製造方法においては、接触開始点５ａが必ずロール圧延入側で形成され、母材鋼管１０と角形孔型ロール５との接触開始点５ａが圧延反力により固着されるから、圧延入側から出側にかけて、２つの接触開始点５ａの間の母材鋼管１０の外周の長さは、ＬＣのまま変わらない。

これに対して、母材鋼管１０の外周のうち２つの接触開始点５ａの間の部分を圧延する、角形孔型ロール５の表面の長さは、上記ＬＲとフランジ部５ｆの間の隙間とから構成される。ここで、圧延入側におけるフランジ部５ｆの隙間ＲＤは、ロール軸中心位置におけるフランジ部５ｆの隙間よりも大きく（ＲＤ＞Ｇ）、圧延の進行とともにフランジ部５ｆの隙間は小さくなる。そして、ロール間隔が最も小さくなるロール軸中心位置において、母材鋼管１０の外周のうち２つの接触開始点５ａの間の部分を圧延する、角形孔型ロール５の表面の長さは、２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθとなる（図３のＢ−Ｂ断面図参照）。

本発明は、以上の点に着目してなされたものである。

すなわち、上記式（１）は、角形孔型ロール５のロール間隔が最も小さくなるロール軸中心位置において、母材鋼管１０の外周のうち２つの接触開始点５ａの間の部分の長さＬＣの１．２５倍が、母材鋼管１０のこの部分を圧延する角形孔型ロール５の表面の長さに相当する２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθの値以上であることを規定している。そして、上記式（１）の関係を満たすようにすれば、母材鋼管１０側で圧延に供される外周の長さＬＣが、この部分の母材鋼管１０を圧延する角形孔型ロール５の表面の長さに相当する２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθの０．８倍以上となり、角形孔型ロール５のフランジ部５ｆの隙間に母材鋼管１０の外周が８０％以上押し込まれて角形鋼管１の角部１２が形成される。よって、角形鋼管１の角部１２の曲率半径Ｃが、角形鋼管１の平坦部１１の肉厚ｔに対して、Ｃ／ｔ≦０．８の関係を安定的に満たすようにすることができる。

つまり、本発明では、従来の製造方法のように曲げ変形を利用しないので、母材鋼管１０の肉厚や外径に関わらず、式（１）の関係さえ満たせば、角形孔型ロール５のフランジ部５ｆの隙間に母材鋼管１０の外周が押し込まれて流入することにより、角形鋼管１の角部１２の曲率半径Ｃについて、Ｃ／ｔ≦０．８の関係を安定的に満たすようにすることができるため、柱梁接合部用の角形鋼管１に必要なＬ／ｔ≦１０．５の関係も安定的に満たすことが可能になる。

さらに、曲げ変形を利用する従来の製造方法では、孔型ロールに対して大きな素管を押し込み、材料を孔型に沿って変形させる原理であるため、平坦部１１に強い周方向圧縮変形が起こり、平坦部１１の反り量Ｒが大きくなりやすく、安定してＲ／Ｌ≦０．００８を満たすことができなかった。本発明では、式（１）の関係さえ満たせば母材となる素管の形状に制限は無い。つまり、平坦部１１への過大な周方向圧縮変形を避けることができ、安定してＲ／Ｌ≦０．００８を満たすことが可能となる。

本実施形態の角形鋼管１では、４つの角部１２のうち、上記式（１）の関係を満たす角部１２で、上述の効果が発揮される。そのため、角形鋼管１の用途に応じて、角部１２の曲率半径ＣがＣ／ｔ≦０．８の関係を満たす必要がある角部１２について、上記式（１）の関係を満たすようにすればよい。また、式（１）の関係を満たせば、圧延機の形態に制限は無い。つまり、図３に示すように、一対の角形孔型ロール５を用いる場合は、角部１２を成形するフランジ部５ｆの対は２つであるため、角形鋼管１の４つの角部１２のうち、断面の対角線方向に位置する２つの角部１２のみに、上記式（１）の関係を満たす製造条件を適用できる。また、角形鋼管１の４つの角部１２のすべてに対して、上記式（１）の関係を満たす製造条件を適用する場合は、鋼管を９０°回転させて再度圧延するか、またはもう一対の角形孔型ロール５を、フランジ部５ｆが９０°異なる向きとなるように配置して圧延すればよい。

また、角形鋼管１の４つの角部１２のすべてに対して、上記式（１）の関係を満たす製造条件を適用するには、角形孔型ロールの数を増やすことも有効である。例えば、図４に示す変形例のように、４つのロール６を用いてもよい。この場合も、角形孔型ロールの数が２つの場合と同様に、上記式（１）の関係を満たすようにすることで、同様の作用により本発明の角形鋼管１を得ることができる。

ロール５、６による角形鋼管１の成形温度は、一般的な熱間加工温度範囲であれば、上述の角形鋼管１の断面形状の要件を満たすことができ、外表面に溶接等による盛り上がり部を有しない、施工性に優れた柱梁接合部用の角形鋼管１を製造できる。一般的な熱間加工温度範囲とは、鉄鋼材料がオーステナイト変態する８００℃以上が目安となる。なお、加工温度が高い分には問題にならないが、あまりに加工温度が高いとスケールの発生や光熱費が高くなるため、成形温度は８００℃から１０００℃の範囲内とすることが好ましい。

０．１５％Ｃ鋼からなる母材鋼管１０を角形孔型ロール５により熱間圧延して成形し、角形鋼管１を得る製造試験を行って、本発明に係る角形鋼管の製造方法の効果を検証した。この製造試験の各試験例の製造条件および製造された角形鋼管１の断面形状を表１に示す。

本製造試験では、角形鋼管１の平坦部１１の長さＬを、柱梁接合部用の角形鋼管１に溶接されるＨ型鋼梁２の幅Ｗに応じて、１５０、２００、２５０、３５０ｍｍの４種類に設定した。また、柱梁接合部用の角形鋼管１に必要な肉厚ｔの条件を満たすように、角形鋼管１の平坦部１１の辺長Ｌの肉厚ｔに対する比Ｌ／ｔを１０．５以下とする製造条件で、熱間圧延による成形を行った。成形温度は８００℃から９４０℃の範囲で設定した。

造管後は、角形鋼管１の角部１２の曲率半径Ｃ及び平坦部１１の反り量Ｒを測定し、それぞれについてＣ／ｔ及びＲ／Ｌの値を算出し、柱梁接合部用の角形鋼管１としての利用に適する断面形状になっているかどうかを確認した。熱間圧延に用いた角形孔型ロール５は２個で一対のもの（図３相当）を使用し、ロール形状と入側の母材鋼管１０の形状を、表１に示すとおり変化させた。表１では、上記式（１）の関係を満たす試験例（発明例）を〇、満たさない試験例（比較例）を×で示している。

上述のとおり製造試験を行った結果、１．２５ＬＣ≧２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθの関係を満たす発明例（Ｎｏ．１〜３、５〜７、１０〜１２、１４〜１６）では、平坦部１１の長さＬを１５０、２００、２５０、３５０ｍｍとしたいずれの試験例についても、Ｌ／ｔ≦１０．５の関係及びＣ／ｔ≦０．８の関係が安定的に満たされており、柱梁接合部用の角形鋼管１として好適な断面形状に成形されていることが確認された。また、発明例のすべてで、Ｒ／Ｌ≦０．００８の関係も安定的に満たされており、Ｈ型鋼梁２、３の溶接作業が行いやすい良好な品質の角形鋼管１が安定的に得られることが確認された。

これに対して、１．２５ＬＣ≧２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθの関係を満たさない比較例（Ｎｏ．４、８、９、１３、１７）では、平坦部１１の長さＬを１５０、２００、２５０、３５０ｍｍとしたいずれの試験例についても、Ｃ／ｔ≦０．８の関係が満たされておらず、柱梁接合部用の角形鋼管として好適な断面形状に成形できなかった。

１ 角形鋼管
１１ 平坦部
１２ 角部
２ 鋼梁
５ 角形孔型ロール
６ ロール
５ａ、６ａ 接触開始点
５ｆ、６ｆ フランジ部
１０ 母材鋼管
Ｌ 平坦部の辺長
ｔ 平坦部の肉厚
Ｃ１、Ｃ２ 角部の曲率半径
Ｒ 平坦部の反り量
Ｗ 鋼梁の幅
Ｄ 角形鋼管と鋼梁の面段差
Ａ−Ａ 母材鋼管とロールの接触開始点における断面
Ｂ−Ｂ ロール間隔が最も小さくなる点における断面
ＬＣ 鋼管側の接触開始点間の鋼管外周部の長さ
ＬＲ ロール側の接触開始点からフランジ部までの角形孔型ロール内周の長さ
ＲＤ 圧延入側でのフランジ部の隙間
Ｇ ロールギャップ（ロール間隔が最も小さくなる点におけるフランジ部の隙間）
θ ロール軸中心位置において角形孔型ロールの孔底からフランジ部側に延びる角形孔型ロールの表面が、フランジ部を形成する面に対して成す角度

Claims (9)

1. 角形鋼管柱と鋼梁との柱梁接合部用の角形鋼管であって、管軸方向と垂直な断面の４辺の平坦部の辺長Ｌ（ｍｍ）及び肉厚ｔ（ｍｍ）がＬ／ｔ≦１０．５の関係を満たすとともに、前記断面の４つの角部のうちの１つ以上の曲率半径Ｃ（ｍｍ）が前記平坦部の肉厚ｔに対してＣ／ｔ≦０．８の関係を満たすことを特徴とする柱梁接合部用の角形鋼管。
2. 前記４辺のうちの１辺以上で、前記平坦部の反り量Ｒ（ｍｍ）及び前記辺長ＬがＲ／Ｌ≦０．００８の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の柱梁接合部用の角形鋼管。
3. 前記４辺のすべてで、前記平坦部の前記反り量Ｒ及び前記辺長ＬがＲ／Ｌ≦０．００８の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の柱梁接合部用の角形鋼管。
4. ４つの前記角部のすべての前記曲率半径Ｃが前記平坦部の前記肉厚ｔに対してＣ／ｔ≦０．８の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の柱梁接合部用の角形鋼管。
5. 前記角形鋼管の母材が継目無鋼管であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の柱梁接合部用の角形鋼管。
6. 前記角形鋼管が角形熱間成形鋼管であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の柱梁接合部用の角形鋼管。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の柱梁接合部用の角形鋼管が柱梁接合部に用いられていることを特徴とする柱梁接合構造体。
8. 母材鋼管を角形孔型ロールにより熱間で角形に成形することにより請求項１乃至６のいずれか一項に記載の柱梁接合部用の角形鋼管を製造する、角形鋼管の製造方法であって、
   前記角形孔型ロールのフランジ部により前記角形鋼管の前記角部を成形する際に、該角部となる部分を挟むようにして前記角形孔型ロールの表面が前記母材鋼管の外周との接触を開始する２つの接触開始点の間の前記外周の長さＬＣ（ｍｍ）と、前記角形孔型ロールの前記表面における前記接触開始点から前記フランジ部までの長さＬＲ（ｍｍ）と、前記角形孔型ロールのロール間隔が最も小さくなるロール軸中心位置における前記フランジ部の隙間であるロールギャップＧ（ｍｍ）とが、下記式（１）の関係を満たすように圧延することを特徴とする角形鋼管の製造方法。
   １．２５ＬＣ≧２ＬＲ＋Ｇ／ｓｉｎθ （１）
   ただし、θは、前記ロール軸中心位置において前記角形孔型ロールの孔底から前記フランジ部側に延びる前記表面が、前記フランジ部を形成する面に対して成す角度である。
9. 前記角形鋼管の４つの前記角部のすべてを、前記式（１）の関係を満たす１回以上の圧延により成形することを特徴とする請求項８に記載の角形鋼管の製造方法。

Images