(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管柱の基部をＴ字溶接されたリブにより補強した鋼管柱基部であって、前記のリブは上端部が屈曲された逆Ｕ字状または逆Ｖ字状のリブであり、かつ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が施されたものであることを特徴とする鋼管柱基部。
【請求項２】
鋼管柱の基部に上端部が屈曲された逆Ｕ字状または逆Ｖ字状のリブを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。
【請求項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の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鋼管柱基部の強化方法。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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】
道路照明用ポールや道路標識用ポール等の鋼管柱をコンクリート等からなる躯体に固定するための鋼管柱基部としては、図７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は上端部が斜めになった平板状の三角リブであり、各リブ１２は鋼管柱１０に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り、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、風や交通振動などを受けて鋼管柱１０に曲げモーメントが作用したとき、リブ１２の上端部１４である溶接止端部付近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１４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、耐力や疲労特性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特性を低下させるので、設計に配慮するように指摘されている。
【０００５】
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、鋼管柱の基部をＴ字溶接されたリブにより補強した鋼管柱基部であって、前記のリブは上端部が屈曲された逆Ｕ字状または逆Ｖ字状のリブであり、かつ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が施されたものである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、鋼管柱の基部に上端部が屈曲された逆Ｕ字状または逆Ｖ字状のリブを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ことを特徴とするものである。
【０００７】
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の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の範囲である。
【０００８】
上記のように本発明では、溶接止端部となる上端部が屈曲された逆Ｕ字状または逆Ｖ字状のリブを使用することにより、リブ上端部を鋼管柱の主応力方向から直角方向になるまで逃がし、リブ上端部の剛性を低下させている。この結果、鋼管柱に曲げ応力が作用した場合に溶接止端部に生じる応力集中が大幅に緩和され、また溶接熱による引張り残留応力をも大幅に緩和することができる。
【０００９】
さらに本発明では、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した。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。この結果、溶接止端部に高密度のエネルギが与えられて塑性変形が生じ、圧縮残留応力が付与される。このため鋼管柱基部の弱点であった溶接止端部がさらに強化され、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、リブの溶接止端部の強度低下を抑制することができるとともに、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。
【００１０】
【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。この実施形態ではリブ１２は逆Ｕ字状であるが、図２に示す他の実施形態のように逆Ｖ字状のリブ１２としてもよい。ベースプレート１１はアンカーボルト１３により道路等の躯体に固定され、鋼管柱１０を垂直に保持している。
【００１１】
鋼管柱１０の主応力方向は上下方向であり、リブ１２も全体としては鋼管柱１０の主応力方向に延びている。しかしリブ１２の上部は円弧状に緩和屈曲され、溶接止端部となるリブ１２の上端部１４は鋼管柱１０の主応力方向に対して直角になるまで屈曲されている。
【００１２】
このようにリブ１２の上端部１４を鋼管柱１０の主応力方向から逃げる方向に緩和屈曲させることにより、リブ１２の上端部１４を低剛性構造とすることができる。その結果、リブ１２の上端部１４における応力集中が緩和されるとともに、溶接部の溶接残留熱応力も大幅に緩和され、溶接構造体としての耐力や疲労性能が大幅に向上する。
【００１３】
このような効果を十分に発揮させるためには、リブ１２の上端部１４の曲率半径をリブ１２の肉厚の３倍以上としておくことが好ましい。曲率半径がこれよりも小さくなると、リブ１２を屈曲させる際に材質劣化が生じ易くなり、また剛性を低下させる効果も小さくなる。
【００１４】
参考のために、図１に示す鋼管柱基部と図７に示す従来の鋼管柱基部とをＦＥＭ解析した応力集中図を、図３、図４として示す。これらの図は、鋼管柱１０の上端に等しい水平荷重を与えたときのリブ１２の周辺の発生応力分布を等高線によって示したものであり、図中の単位はＭＰａである。図３と図４を対比すれば明らかなように、リブ１２の上端部１４を屈曲させることにより、集中応力の最大値は従来構造に比較して半減することが分かる。
【００１５】
しかも本発明においては、屈曲されたリブ１２の溶接止端部にさらに超音波振動によるピーニング処理が施される。ピーニング処理部２０は図１中に拡大して示したように、リブ１２の中心線の両側の中心角αの領域であり、一般的には３０°≦α≦６０°の範囲とすればよい。図１ではαはほぼ４５°である。
【００１６】
この超音波振動によるピーニング処理は、図５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。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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以上の深さまで圧縮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。
【００１９】
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１、図２に示されるように各リブ１２の溶接止端部に形成する。この結果、溶接止端部の応力集中が緩和されるとともに、溶接止端部に圧縮応力が導入され、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効果がある。
【００２０】
このように本発明の方法の鋼管柱基部は、上端部１４が屈曲された逆Ｕ字状または逆Ｖ字状のリブ１２の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であるから、それぞれの構成による効果が組み合わされる。その結果、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応力集中を大幅に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。
【００２１】
なお、通常は鋼管柱１０の基部に溶接された各リブ１２の溶接止端部に超音波打撃装置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。
【００２２】
以上の説明では各リブ１２の溶接止端部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。
【００２３】
【実施例】
図１に示す本発明の鋼管柱基部に試験機により繰返し曲げ応力を加え、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。また比較のために、図７に示す構造の鋼管基部リブ廻りの部分試験片に繰返し引張り応力を加える疲労強度試験を行なった。その結果、図６に黒丸で示すように図７に示す従来構造の疲労特性は、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Ａ等級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。
【００２４】
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、その疲労特性は白三角で示すように設計寿命曲線のＡ等級以上にまで上昇した。なお、図６中に示される右上向きの矢印は、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ものである。ここで本試験に使用した従来構造の部分試験片の溶接品質は非常にグレードの高いものであり、通常の工業製品レベルでは疲労寿命が若干低くなるはずである。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば上端部が屈曲された逆Ｕ字状または逆Ｖ字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大幅に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】本発明の第１の実施形態を示す正面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図３】逆Ｕ字状のリブを用いた鋼管柱基部をＦＥＭ解析した応力集中図である。
【図４】従来構造の鋼管柱基部をＦＥＭ解析した応力集中図である。
【図５】超音波打撃装置の側面図である。
【図６】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７】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  上端部
２０  ピーニング処理部
２１  超音波打撃装置
２２  棒状工具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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