レーザ孔を用いた高力ボルト摩擦接合継手の残存軸力とすべり耐力
建設構造研究室 吉田 直広
指 導 教 官 岩崎 英治
長井 正嗣
1. 序論

抜きにより行ってよいとされている．鋼道路橋の橋梁用鋼板の切断方法として，ガス切断法，プ疲労設計指針においては，孔を押し抜きせん断加

ラズマアーク切断法およびレーザ切断法が一般工した場合，強度等級を 1 等級低減すれば適用可的である．この中でレーザ切断法は，最も加工精能とされている．

度が良く，歪みを少なくする切断方法として用いこれらのことより，レーザ切断による孔あけ加られている．また，最近，板厚が 20mm を越える工が，設計で要求される機械的性質などの特性を切断能力を持ったレーザ切断の開発がされた．こ確保し，継手強度が確保できれば，押し抜きせんのことより，レーザ切断機を導入する橋梁会社が断加工同様に用いることが可能であると判断で多くなっている．レーザ切断は，輪郭切断のほかきる．また，レーザによる局所的な入熱により孔に，孔あけ加工も可能であるがレーザ加工をした周りの硬化や，溶損ノッチが入るという問題があボルト孔の継手性能が明確でないため実用化さるため，これらが継手性能に与える影響を明らかれていない．にする必要がある．そこで本研究では残存軸力と現在の鋼橋製作メーカの製造ラインは，切断工すべり耐力に着目して，レーザ加工の高力ボルト程と孔あけ工程を別ステージで施工し，各工程間摩擦接合継手への適用が可能であるか検討を行の部材ハンドリングは，作業者がローラコンベアう．

やクレーン等を操作し，工程毎に作業原点位置教示を行い施工するのが一般的である．したがって， 2. レーザ切断による孔あけの概要
今後の製造ライン合理化のためには，各工程間のレーザ切断による孔あけ加工は，中央に貫通孔ハンドリング自動制御が必須であるが，橋梁の構を通した後に所定の径となるように切断するた造部材は，形状寸法が各工事で異なる大型多品種め，写真-1 のような切断状況になる．また，切断少量生産部材であるため，部材ハンドリング作業の最後に孔内の鋼材が多少ずれることがあり，写の自動制御を適用しずらい特徴がある．一方，今真-2 のような溶損ノッチが残ることがある．本研

回のレーザ孔あけの品質およびコスト課題が解究ではこのような比較的大きな溶損ノッチがあ決されれば，切断・孔あけ工程の 1 ステージ作業る試験体も省かず試験を行っている．

が可能となり，1 つの製造方法として無人化作業が実現できることとなる．
現行の道路橋示方書では，主要部材の切断，切削は原則として自動ガス切断により行うものとし，品質が確保された場合に、プラズマアーク切断法あるいはレーザ切断法などによる自動切断法を用いてよいとされている．また，孔あけについては，所定の径に孔あけする場合は，ドリル又はドリルとリーマ通しの併用によるものとし，二次部材で板厚 16mm 以下の材片の孔あけは，押し

写真-1 切断状況

高力ボルトは M22F10T のボルトの軸部をグラインダーやヤスリで削り，ひずみゲージを貼り付けたのち，ゲージ部分をコーティングしたものを用いる．
試験体の形状は，母板 19mm，添接板 12mm を用い，この他の試験体形状はすべり耐力 Ps と降伏耐力 Py の比から定義されるすべり降伏耐力比
βが 0.9 前後になるように求めている．なお，す写真-2 溶損ノッチ

べり耐力 Ps を算出する際には，すべり係数として 0.4 を用いている．また，レーザ加工の場合，レーザ切断による孔あけ加工は，ドリル孔と異溶損ノッチの影響を見るため接触断面が最小になり切断時に孔周辺に入熱硬化が生じる．参考資なるように配置した．締付けはトルク法で行った．

料として，表-1 にガス切断，プラズマアーク切断，試験体の形状を図-1，種類を表-2 に示す．

レーザ切断の入熱量比較を示す．
表より，レーザ切断の入熱量は，ガス切断に比べて 1/5 程度の値であることが分かる．また，鋼橋技術研究会施工部会で行った硬さ試験によると，孔内面より 0〜1.0mm の範囲において硬化が見られる．これらは熱影響による硬化と考えられ
SM400B，SM490YB において顕著に現れている．
SM570TMC については硬化の度合いが低くドリル孔における硬化と同程度であることが確認されている．
表-1 入熱比較量
切断条件

平均温度

計測吸熱量 単位吸熱量

上昇（℃）

（kJ）

（J/mm2）

ガス

18385.3

22.5

プラズマ

75

28.2

7.3

レーザ

56.8

15.3

4.1

3. 試験体本研究で用いた鋼材は，SM400B，SM490YB，
SM570TMC の 3 種類である．孔あけはレーザ加工のほかに，一般的なドリル加工のものを用いている．また，すべり耐力試験では，すべてのケースでバリ取りを行っているが，残存軸力試験ではレ

図-1 試験体形状
表-2 試験体の種類
材質
SM400B
SM490YB

ーザ加工，ドリル加工ともにバリ取りを行ったものとバリ取りを行わないものを用いた．

SM570TMC

孔あけ

試験体番号

レーザ孔1L-1〜5ドリル孔

1D-1〜5レーザ孔

2L-1〜5ドリル孔

2D-1〜5レーザ孔

3L-1〜5ドリル孔

3D-1〜5

4. 残存軸力試験

100

残存軸力試験は，ボルト締め付け作業直後から99.5から１ヵ月間実施した．鋼材は，孔周りのバリ取用し，データ計測は 6 分，12 分，24 分…25 日，30 日のように適当な間隔で行った．一例として，
図-2 に SM400B の試験結果を示す．

99
残存軸力率(％)

りを行った 4 シリーズと行わない 5 シリーズを使

98.5
9897.5

今回の実験では，どのケースも残存軸力率が 9697〜98％であり，導入軸力の違いによる差はあるが，96.5

レーザ加工，ドリル加工の違い，バリ取りの有無による違いはみられなかった．また，全てのケー

1L-4
1L-5
1D-4
1D-5

960.1

1スにおいて 1 ヵ月の時間経過ではリラクゼーションは収束していなかったため，回帰分析を行った

10時間(ｈ)1001000

図-2 残存軸力率（SM400B）

ところ，100 年後の残存軸力率はレーザ加工の最も小さいものでも 95％程度であり，安全上の問題

5. すべり耐力試験

はないことが分かる．ここでも，レーザ加工とドすべり耐力試験は，ボルト締め付け作業後，12リル加工の大きな違いは見られなかった．表-3 に時間から 18 時間程度経過した後に万能試験機を計測期間で最も小さくなった残存軸力率と 100 年用いて行った．すべりは，継手部が滑ったときに後の残存軸力率を示す．

発生する大きな音，または開口変位の急激な増加と共に荷重が減り始めたことで判断しており，す表-3 残存軸力率

べりの上下は目視により確認している．

試験体

計測値

100 年後計測項目は，開口変位，中央部ボルト直上の母1L-497.2395.75

材のひずみ，端部ボルト直上の添接板ひずみ，端1L-597.7596.72部母材ひずみとした．また，各ケース 1 体づつ高1D-496.62

95.15

力ボルトの軸ひずみを計測している．

1D-596.494.27

計測データは弾性域で 5tf 毎に記録し，すべり

2L-4

97.04

95.73

耐力に近づくと 2tf 毎，中央部ボルト直上の母材

2L-5

97.14

95.53

2D-497.43

96.78

2D-597.77

97.24

3L-497.88

96.60

3L-597.40

95.70

3D-498.11

97.53

3D-597.65

96.66のひずみが 1000μを越えたところで 100μ毎に記録している．また，中央部ボルト直上の母材のひずみが 10000μを越えたところで載荷を打ち切っている．ただし，滑る瞬間の計測データを採ることは難しいことから，滑った瞬間の荷重は，万能試験機のピーク値を用いる．
表-4 に各試験体のすべり耐力，すべり係数と平均すべり係数を示している．また，一例として，
図-3，4 に SM570TMC のすべり試験結果を示す．
表より 3 種類の鋼種共に，レーザ加工による平均すべり係数はドリル加工によるものを上回り，ほぼ同様の値を得ていることから，ドリル加工と同程度の機能を有していることが分かる．

図より，すべり挙動はレーザ加工，ドリル加工90のどちらも，一度大きなすべりが発生して，小さ8070

その後，再び小さなすべりが断続的に発生し，す60べりが収束した後，降伏するということが分かる．
表-4 すべり耐力試験結果

荷重（ｔｆ）

試験体

すべり耐力（tf）

すべり係数

1L-145.35

0.543

1L-247.00

0.563

1L-348.75

0.584

1D-1

44.10

0.528

1D-243.550.522

1D-3

44.65

0.535

2L-148.60

0.582

2L-246.700.559

2L-346.82

0.561

2D-143.80

0.525

2D-2

45.40

0.544

2D-348.00

0.575

3L-174.00

0.591

3L-274.00

0.591

3L-373.15

0.584

3D-1

71.35

0.570

3D-2

70.40

0.562

3D-3

66.95

0.535

平均すべり

荷重（tf）

なすべりが断続的に起こり，逆側が大きくすべる．

5040

3L-1
3D-1302010

係数0020004000
6000
ひずみ（μ）

8000

10000

0.563
図-4 中央部 荷重-ひずみ関係（SM570TMC）
6. 結論

0.526

残存軸力試験の結果，残存軸力はレーザ加工，ドリル加工の違い，バリ取りの有無による違い，鋼種による違いはみられなかった．

0.567

すべり耐力試験の結果，レーザ加工特有の溶損ノッチの影響は見られず，すべての鋼種でレーザ加工による平均すべり係数はドリル加工による0.548値を下回るものはなくほぼ同様の値を得ていた．
また，入熱硬化の大きな SM400B，SM490YBと小さな SM570TMC の間に大きな傾向の違いは0.589見られず，レーザによる入熱硬化の影響は少ない
ことが分かる．
以上のことから，残存軸力とすべり耐力に関し

0.556ては，レーザ加工はドリル加工と同程度の機能を有し高力ボルト摩擦接合継手に適用できるといえる．

90807060
50403020100

参考文献
1）(社)日本道路協会：道路橋示方書・同解説, I
3L-1
3D-1共通編,Ⅱ鋼橋編,20022）（社）日本道路協会：鋼道路橋の疲労設計指針, 2002
012

3456変位（mm）

7

図-3 荷重-変位関係（SM570TMC）

893）山口隆司，森猛，橋本国太郎：高力ボルト摩擦接合継手のすべり強度/降伏強度比とすべり係数に関する検討，構造工学論文集 Vol.51A，pp.1737-1747，2005.3.