(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造部材の表面に別の板状の部材を溶接して突出させた接合構造体であって、前記板状の部材が前記構造部材の表面に沿ってＵ字状またはＶ字状に屈曲されＴ型に突出させた継手取り付け用の補強リブであり、前記Ｕ字状またはＶ字状に屈曲した前記補強リブ全体の中心線が前記構造部材の主応力方向に向かい、前記屈曲部が前記継手から遠い側になるようにしたことを特徴とする接合構造体。
【請求項２】
構造部材の表面に別の板状の部材を溶接して突出させた接合構造体であって、前記板状の部材が前記構造部材の表面に沿ってＵ字状またはＶ字状に屈曲されＴ型に突出させた二次部材取り付け用の補強リブであり、前記Ｕ字状またはＶ字状に屈曲した前記補強リブ全体の中心線が前記構造部材の主応力方向に向かい、前記屈曲部が前記二次部材から遠い側になるようにしたことを特徴とする接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の構造部材に対して、補強リブ等の板状の部材を設けた接合構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば鋼鉄製の構造脚柱構造体と基礎との接合部には、従来から図１８や図１９に示されるような接合構造体が用いられてきた。この従来の接合構造体は、構造部材１０の端部にボルト接合用のベースプレート１１を溶接するとともに、構造部材１０とベースプレート１１との間を補強リブ１２で補強したものである。補強リブ１２は構造部材１０の主応力方向に延びる板状の部材であり、構造部材１０の表面に対してＴ型に突設されている。
【０００３】
しかしながら上記のような従来の接合構造体では、構造部材１０に曲げモーメントが作用したとき、補強リブ１２の止端部付近の構造部材１０に大きい面外曲げ応力集中が生じ、構造性能が低下するという問題があった。更に補強リブ１２を構造部材１０に溶接した場合には、補強リブ１２の上端部の回し溶接部が、溶接熱残留応力と溶接止端部の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。このような問題は構造部材１０に補強リブ１２をＴ字溶接した多くの接合構造体に共通するものであり、日本鋼構造協会「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」でも、ガセットをすみ肉あるいは開先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とおりである。
【０００４】
【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、補強リブ等の板状の部材の止端部の応力集中を大幅に緩和することができ、また板状の部材を溶接した場合には溶接熱残留応力を大幅に緩和することができ、その結果として耐力や疲労性能を従来よりも大幅に向上させることができる構造部材と板状の部材との接合構造体を提供するためになされたものである。
【０００５】
【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請求項１の発明は、構造部材の表面に別の板状の部材を溶接して突出させた接合構造体であって、前記板状の部材が前記構造部材の表面に沿ってＵ字状またはＶ字状に屈曲されＴ型に突出させた継手取り付け用の補強リブであり、前記Ｕ字状またはＶ字状に屈曲した前記補強リブ全体の中心線が前記構造部材の主応力方向に向かい、前記屈曲部が前記継手から遠い側になるようにしたことを特徴とするものである。なお板状の部材の端部とは、板状の部材が母材である構造部材と接している端部を意味するものである。
【０００６】
また請求項２の発明は、構造部材の表面に別の板状の部材を溶接して突出させた接合構造体であって、前記板状の部材が前記構造部材の表面に沿ってＵ字状またはＶ字状に屈曲されＴ型に突出させた二次部材取り付け用の補強リブであり、前記Ｕ字状またはＶ字状に屈曲した前記補強リブ全体の中心線が前記構造部材の主応力方向に向かい、前記屈曲部が前記二次部材から遠い側になるようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
上記のように本発明では補強リブ等の板状の部材の端部（止端部）を構造部材の主応力方向から逃げる方向に屈曲させＵ字状またはＶ字状としたことにより、板状の部材の端部の剛性を低下させている。この結果、構造部材に荷重が作用した際に板状の部材端部付近の応力集中が大幅に緩和され、また板状の部材が溶接されている場合にも、板状の部材端部付近の溶接熱残留応力を大幅に緩和することができる。その結果、接合構造体としての耐力や疲労性能を従来よりも大幅に向上させることができる。なお具体的な数値については後記する。以下に本発明の好ましい実施の形態を示す。以下の実施形態では板状の部材は補強リブであり、溶接により構造部材の表面に突設されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（構造部材と接合用フランジとの接合構造体）図１は本発明の第１の参考形態を示す斜視図であり、１は相互に接合される鋼管等の構造部材、２は各構造部材１の接合端部にそれぞれ溶接されたボルト接合のための接合用フランジである。３はこれらの各構造部材１と接合用フランジ２との間にＴ型に突設された補強リブである。この例では補強リブ３はＴ字溶接されている。構造部材１の主応力方向は図１において上下方向である。図示のとおりこれらの補強リブ３は構造部材の表面に沿ってＵ字状に屈曲されたものであるが、全体として構造部材１の主応力方向に延びている。また補強リブ３の接合用フランジ２から遠い側の端部（止端部）４は主応力方向に対して直角になるまで曲線状に緩和屈曲させてある。
【０００９】
補強リブ３は構造部材１に溶接されるとともに、接合用フランジ２に対して廻し溶接されている。溶接を確実に行うために、補強リブ３の内側コーナー部にはスカーラップを設けておくことが好ましい。
【００１０】
この構造の接合構造体では、補強リブ３の端部４を構造部材１の主応力方向から逃げる方向にＵ字状に屈曲させてあるため、補強リブ３の端部４を低剛性構造とすることができる。その結果、補強リブ３の端部４における応力集中が大幅に緩和されるとともに、溶接部の溶接熱残留応力も大幅に緩和され、接合構造体としての耐力や疲労性能が大幅に向上する。
【００１１】
この効果を十分に発揮させるためには、補強リブ３の端部４の曲率半径ｒを板厚ｔの３倍以上としておくことが好ましい。曲率半径ｒがこれより小さいと補強リブ３を湾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。
【００１２】
この第１の参考形態の接合用フランジ２どうしは、従来と同様にボルト６により接合される。ボルト６の数や位置は特に限定されるものではないが、図１のようにＵ字状に屈曲させた補強リブ３の内側に設けておけば、外部からの物理的衝撃や腐食環境から保護される利点がある。なお、以下に示すいずれの実施形態でも構造部材１を構成する管は丸鋼管として図示したが、角管としても差し支えはなく、また構造部材１を型鋼製としてもよい。
【００１３】
（構造部材とベースプレートとの接合構造体）図２に示す第２の参考形態では、構造部材１は鋼管よりなる脚柱構造体であり、５はこの構造部材１を基礎に固定するためのベースプレートである。これらの構造部材１とベースプレート５との間に、第１の参考形態と同様にＵ字状に屈曲させた補強リブ３がＴ字溶接によりＴ型に突設されている。この図２の実施形態では、補強リブ３の幅は端部４に向かって狭くなるよう斜めに切り落としてあり、端部４の剛性を一段と低下させている。なお、図３〜図５に示す第３の参考形態のように、ベースプレート５を基礎に固定するためのボルト６の位置を補強リブ３の外側としてもよい。また図６、図７にその変形例を示す。
【００１４】
図８に第２の参考形態の接合構造体をＦＥＭ解析した応力集中図を示し、図９に従来の平板状の補強リブを持つ接合構造体の応力集中図を示す。これらの図は、各構造部材１の上端に等しい水平荷重を与えたときの補強リブ３周辺の発生応力分布を等高線によって示したもので、図中の数値の単位はＭＰａである。これらの図の比較により、従来技術に比較して本発明に対応する補強リブ３の周辺の応力集中が大幅に緩和されていることがわかる。
【００１５】
図１０〜図１２に示す第４の参考形態は、図３における隣接する２個の補強リブ３を連続させたものである。この例でも補強リブ３の端部４は構造部材１の主応力方向に対して直角になるまで屈曲させてあり、上記した他の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００１６】
図１３〜図１５に示す第５の参考形態では、構造部材１とベースプレート５との間に設けた補強リブ３の形状をＶ字状としてある。この補強リブ３の両側部分は構造部材１の主応力方向に対してやや傾斜しているが、全体の中心線は主応力方向に延びている。その他の構成及び作用効果は前記した他の実施形態と同様である。
【００１７】
なお、補強リブ３の端部４は各図面に示したように曲線状に緩和屈曲させることが好ましいのであるが、直線状に屈曲させることも可能である。この場合にも補強リブ３の端部４は構造部材１の主応力に対して低剛性となるので、前記と同様の効果を得ることができる。ただし屈曲部に新たな応力集中が発生するので、やはり曲線状に緩和屈曲する方が好ましい。
【００１８】
（構造部材と継手取り付け用の補強リブとの接合構造体）図１に示した第１の参考形態では２本の構造部材１(鋼管)を接合用フランジ２を用いて接合したが、図１６に示す第１の実施形態は補強リブ３を鋼管継手とした例を示す。このような接合構造を採用する場合、従来は平板状の鋼管継手７を各鋼管の端部に溶接し、ボルトまたはリベットで連結していたのであるが、やはり鋼管継手７の端部に応力集中が発生する。しかし図１６に示すように端部４を屈曲させた補強リブ３を用いれば、応力集中を緩和することができるとともに、溶接熱残留応力をも緩和することができる。なお図１６は補強リブ３をＵ字状に湾曲させた例を示す。
【００１９】
（構造部材と二次部材取り付け用の補強リブとの接合構造体）このほか本発明は、構造部材と二次部材取り付け用の補強リブにも適用することができる。この補強リブも構造部材の主応力方向に配置され、その上下両端部が構造部材の主応力方向から逃げる方向にＵ字状またはＶ字状に屈曲される。平板状の補強リブを用いた従来の構造に比較して、端部の応力集中を緩和でき、また溶接熱残留応力をも緩和できることは他の実施形態および参考形態と同様である。
【００２０】
【実施例】
上記した本発明の効果を確認するために、疲労強度試験を行った。
試験体として、従来技術に対応するものと本発明に対応するものとの２種類を製作した。従来技術に対応する試験体は図１８に示す通りであり、厚さ２２ｍｍのベースプレートに長さ１ｍの鋼管を立上げ、その基部を従来型の縦リブで補強したものである。また本発明に対応する試験体は図２に示す通りであり、厚さ２２ｍｍのベースプレートに長さ１ｍの鋼管を立上げ、その基部をＵ形状の補強リブで補強したものである。なお溶接はいずれも炭酸ガスアーク溶接であり、使用した鋼鈑はいずれもＳＭ４００鋼材である。
【００２１】
これらの試験体の鋼管曲げ荷重に対する疲労強度を周知の方法により測定した結果を図１７に示す。図示の通り、従来技術に対応する試験体は鉄道橋の設計示方書の設計寿命曲線のＧ等級程度であったのに対し、本発明に対応する試験体はＡ〜Ｂ等級に相当するものとなり、本発明の構造とすることにより疲労強度が大幅に向上したことが確認できた。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、接合構造体における板状の部材の止端部の応力集中および溶接熱残留応力を大幅に緩和することができ、接合構造体の耐力や疲労性能を従来よりも大幅に向上させることができる。このため本発明は、実施形態および参考形態に示したような幅広い用途において、信頼性の向上に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の参考形態を示す斜視図である。
【図２】 第２の参考形態を示す斜視図である。
【図３】 第３の参考形態を示す斜視図である。
【図４】 図３の接合構造体の正面図である。
【図５】 図３の接合構造体の平面図である。
【図６】 図３の変形例の正面図である。
【図７】 図３の変形例の平面図である。
【図８】 第２の参考形態の接合構造体をＦＥＭ解析した応力集中図である。
【図９】 従来の平板状の補強リブを持つ接合構造体の応力集中図である。
【図１０】 第４の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】 図１０の接合構造体の正面図である。
【図１２】 図１０の接合構造体の平面図である。
【図１３】 第５の参考形態を示す斜視図である。
【図１４】 図１３の接合構造体の正面図である。
【図１５】 図１３の接合構造体の平面図である。
【図１６】 第１の実施形態を示す斜視図である。
【図１７】 実施例における疲労強度試験結果を示すＳ-Ｎ曲線である。
【図１８】 従来の接合構造体を示す斜視図である。
【図１９】 従来の他の接合構造体を示す斜視図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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