JP3599626B2 - 鋼管柱の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば鉄骨構造物の支柱として使用される鋼管柱の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、支柱側に対してダイヤフラムを取り付ける方式として、たとえば通しダイヤフラム方式や内ダイヤフラム方式などが提供されている。
【０００３】
このうち通しダイヤフラム方式は、たとえば図１３に示されるように、支柱が、その長さ方向において下部支柱３１とパネルゾーン用のコラム３２と上部支柱３３とに切断（分断）されている。そして下部支柱３１の上端に、裏当て材を介して下部ダイヤフラム３４が溶接されるとともに、この下部ダイヤフラム３４上に裏当て材を介してコラム３２の下端が溶接される。さらにコラム３２の上端に、裏当て材を介して上部ダイヤフラム３５が溶接されるとともに、この上部ダイヤフラム３５上に裏当て材を介して上部支柱３３の下端が溶接される。
【０００４】
このようにして形成された支柱３６に対する梁材（主にＨ形鋼材）３７の連結は、この梁材３７の遊端を、両ダイヤフラム３４，３５やコラム３２に溶接することで行っていた。そして両ダイヤフラム３４，３５は、応力の伝達の役目を成していた。
【０００５】
また内ダイヤフラム方式は、たとえば図１４に示されるように、支柱が、その長さ方向において下部支柱４１と上部支柱４２とに切断（分断）されている。そして下部支柱４１内の上部と上部支柱４２内の下部とに、それぞれ裏当て材を介してダイヤフラム４３が溶接結合されている。これら下部支柱４１と上部支柱４２とは、直線状に位置されたのち、その遊端間が溶接結合されている。
【０００６】
このようにして形成された支柱４４に対する梁材４５の連結は、この梁材４５の遊端を、上下のダイヤフラム４３に対向させた状態で、下部支柱４１と上部支柱４２との外面に溶接結合することで行われていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の構成において、図１３に示される通しダイヤフラム方式によると、支柱（角形鋼管）３６は、短く切断するとともに溶接のための開先加工を行い、そして両ダイヤフラム３４，３５は、それぞれ上下の二箇所、合計四箇所を溶接することから、組立て工数が多くかつ溶接長さは長くなり、以て全体作業が複雑化するとともに製作費が高くなる。
【０００８】
また図１４に示される内ダイヤフラム方式によると、両ダイヤフラム４３のそれぞれの溶接と、下部支柱４１と上部支柱４２との溶接との、合計三箇所の溶接が必要となることから、組立て工数が多くかつ溶接長さは長くなり、以て全体作業が複雑化するとともに製作費が高くなる。さらにダイヤフラム４３は、下部支柱４１と上部支柱４２との端部近くにしか配置できず、また下部支柱４１と上部支柱４２との溶接結合部４６を跨いで梁材４５が溶接結合されることから、支柱４４は、梁材４５の連結位置に応じて短く切断され、長い一本ものの支柱にはできなかった。
【０００９】
さらに両方式ともに、支柱３６，４４側に対して梁材３７，４５を溶接結合しなくてはならず、その溶接長さによって全体作業が複雑化するとともに製作費が高くなり、しかも溶接結合後には溶接検査を行わなければならず、面倒であった。
【００１０】
なお、別に外ダイヤフラム方式もあるが、これによると支柱外部の構造物が大型、重量大となり、しかも溶接長さが長いものとなる。
そこで本発明のうち請求項１記載の発明は、二箇所の溶接でよく、しかも十分な強度を持った鋼管柱が得られる鋼管柱の製造方法を提供することを目的としたものである。
【００１１】
また請求項２記載の発明は、各コーナ部の曲率半径が揃った鋼管柱が得られる鋼管柱の製造方法を提供することを目的としたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明のうちで請求項１記載の鋼管柱の製造方法は、所定の板厚の半成形長尺鋼管と、この半成形長尺鋼管よりも板厚が厚くかつ梁材連結部を形成する長さの半成形短尺鋼管とを有し、これら半成形長尺鋼管と半成形短尺鋼管とは、その内周形状を最終製品形状よりも大きくして同一状に形成されており、これら半成形長尺鋼管と半成形短尺鋼管とを、半成形短尺鋼管を梁材連結位置として長さ方向で溶接結合して半成形鋼管柱を形成し、この半成形鋼管柱を加熱したのち、その外周形状が最終製品形状になるように熱間成形することを特徴としたものである。
【００１３】
したがって請求項１の発明によると、短尺鋼管の両端に長尺鋼管を溶接結合することで、この短尺鋼管によって梁材連結部を形成し得、その際に二箇所の溶接でよいことから、組立て工数を削減し得るとともに溶接長さは短くなる。また長尺鋼管と短尺鋼管とは、その内周形状を同一状（同様な内寸）として同一直線状として位置させ、そして相当接間を溶接結合し得る。そして梁材連結部は、短尺鋼管の予め厚い板厚によって十分な強度を確保し得る。
【００１４】
さらに溶接結合を行った半成形鋼管柱に対して熱間成形を行うことで、溶接が母材（半成形鋼管柱）に一体化され、特に塑性変形性能に優れ、脆性破壊を未然に防止し得る。その際に、外側に凸状の半成形短尺鋼管が内側に凸状となるように入り込み状、すなわち板圧分だけ内側に寄せて成形し得る。これにより、全長に亘って所望の外寸であり、そして梁材連結位置が厚い板厚の鋼管柱、すなわち、外周形状を最終製品形状とした鋼管柱が得られる。
【００１５】
また本発明の請求項２記載の鋼管柱の製造方法は、上記した請求項１記載の構成において、半成形長尺角形鋼管と半成形短尺角形鋼管とが使用され、これら半成形長尺角形鋼管と半成形短尺角形鋼管とのコーナ部の外面形状は、最終製品の外面曲率半径よりも大きい外面曲率半径に形成されており、溶接結合して形成した半成形角形鋼管柱を加熱したのち、そのコーナ部が最終製品の外面曲率半径になるように熱間成形することを特徴としたものである。
【００１６】
したがって請求項２の発明によると、溶接結合を行った半成形角形鋼管柱に対して熱間成形を行うことで、その全長において各コーナ部をシャープな曲率半径に揃え、しかも平板部とコーナ部とを均質化した角形鋼管柱を製造し得る。
【００１７】
さらに本発明の請求項３記載の鋼管柱の製造方法は、上記した請求項２記載の構成において、熱間成形したのち、梁材連結部の少なくとも一側板に梁材連結用の孔を形成することを特徴としたものである。
【００１８】
したがって請求項３の発明によると、梁材連結部は、予め厚い板厚によって十分な強度を確保し得、そして、この厚い板厚に形成された十分な長さの梁材連結用の孔を利用して、角形鋼管柱に対する梁材の連結を、溶接することなく強固に行える。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１の実施の形態を、四角形の角形鋼管を採用した状態として、図１〜図８に基づいて説明する。
【００２０】
図４に示されるように、所定の板厚ｔの半成形長尺角形鋼管（半成形長尺鋼管）１と、この半成形長尺角形鋼管１の板厚ｔよりも厚い板厚Ｔでかつ梁材連結部を形成する長さ（高さ）Ｌの半成形短尺角形鋼管（半成形短尺鋼管）２とが準備される。ここで所定の板厚ｔとは、鉄骨構造物の規模に応じて採用される鋼管柱の外寸Ｗなどにより決定されるもので、たとえば外寸Ｗが６００ｍｍのときに板厚ｔは１２ｍｍである。また長尺角形鋼管１の板厚ｔと短尺角形鋼管２の板厚Ｔとは、たとえば２ｔ≒Ｔとされている。
【００２１】
その際に半成形長尺角形鋼管１と半成形短尺角形鋼管２とは、その一つの平板部に、突き合わせ溶接による突き合わせ溶接部１ａ，２ａが形成されている。そして半成形長尺角形鋼管１と半成形短尺角形鋼管２とは、その内周形状を最終製品形状（角形鋼管柱）よりも大きくして同一状に形成されている。
【００２２】
すなわち半成形長尺角形鋼管１と半成形短尺角形鋼管２とは、各コーナ部が不揃いの内面曲率半径ではあるが、その内寸Ｓは少し長めで同一状に形成されている。また半成形長尺角形鋼管１と半成形短尺角形鋼管２の各コーナ部の外面形状は、最終製品の外面曲率半径よりも大きい外面曲率半径Ｒに形成されている。さらに最終製品の外寸Ｗに対して、半成形長尺角形鋼管１は少し長めの外寸Ｗ＋αとされ、また半成形短尺角形鋼管２も同様に長めの外寸Ｗ＋α＋２（Ｔ−ｔ）とされて、それぞれ半成形されている。
【００２３】
このような半成形長尺角形鋼管１と半成形短尺角形鋼管２とを、その内周形状を同一状として、かつ突き合わせ溶接部１ａ，２ａを同一直線状として位置させる。そして、半成形長尺角形鋼管１と半成形短尺角形鋼管２との相当接間を溶接結合３することで、図１〜図３に示すように、半成形短尺角形鋼管２を梁材連結位置として半成形角形鋼管柱（半成形鋼管柱）５を構成する。このように溶接結合３を施工する際に、その溶接箇所の内側には、必要に応じてリング状のフラットバー４がセットされる。なお、フラットバー４を使用しないときには、内外からの溶接結合３ａが採用される。
【００２４】
次いで半成形角形鋼管柱５に対して熱間成形（整形）を行う。すなわち、半成形角形鋼管柱５が加熱手段（加熱炉など）２６において加熱され、そして成形手段（成形ロール装置など）２７において熱間成形（熱間絞り成形）される。このように熱間成形されることにより、図１、図５、図６に示すように、外側に凸状の半成形短尺角形鋼管２が内側に凸状となるように入り込み状、すなわち板圧Ｔ分だけ内側に寄って成形されることになる。
【００２５】
これにより、全長に亘って所望の外寸Ｗであり、かつ各コーナ部がシャープで同様な外面曲率半径ｒであり、そして梁材連結位置が厚い板厚Ｔの角形鋼管柱（鋼管柱）６、すなわち、外周形状を最終製品形状とした角形鋼管柱６が得られる。なお、熱間成形によって、長尺鋼管の板厚ｔや短尺鋼管の板厚Ｔや梁材連結部を形成する長さＬは多少変化されることになる。
【００２６】
このような角形鋼管柱６は、所定本数が建築現場などに運搬され、そして図７や図８に示すように、梁材連結部を形成する長さＬの梁材連結部の外面に、梁材７が溶接結合８によって連結される。なお角形鋼管柱６は、積上げ状に配置されたのち、その上下間が溶接結合３されることで、所定長さ（高さ）に構成される。
【００２７】
なお、上記した第１の実施の形態において、半成形長尺角形鋼管１や半成形短尺角形鋼管２は、鋼板をプレス成形したのち突き合わせ溶接することで得たり、あるいは、鋼板を曲げ成形したのち突き合わせ溶接することで丸形鋼管を成形したのち、この丸形鋼管をプレス方式やロール方式により成形することで得ている。
【００２８】
上述した第１の実施の形態の角形鋼管柱６によると、半成形短尺角形鋼管２の両端に半成形長尺角形鋼管１を溶接結合３することで、この半成形短尺角形鋼管２によって梁材連結部を形成し得る。したがって、二箇所の溶接でよいことから組立て工数を削減し得るとともに溶接長さは短くなり、以て全体を簡略化して経済的となり、かつ溶接歪などが生じ難いものとなる。
【００２９】
また半成形長尺角形鋼管１と半成形短尺角形鋼管２とを、その内周形状を同一状（同様な内寸Ｓなど）として相当接間を長さ方向で溶接結合３することで、その溶接結合３は十分に強固にかつ綺麗に行える。
【００３０】
そして、溶接結合３を行ったのち半成形角形鋼管柱５に対して熱間成形を行うことで、溶接が母材（半成形長尺角形鋼管や半成形短尺角形鋼管）に一体化され、特に塑性変形性能に優れ、脆性破壊を未然に防止し得る。
【００３１】
さらに半成形角形鋼管柱５に対して熱間成形を行うことで、その全長において各コーナ部の外面曲率半径ｒをシャープにして揃え、しかも突き合わせ溶接部１ａ，２ａが傾斜せず直線状のままであるなどの変形が生じない角形鋼管柱６を製造し得る。さらに熱間成形によって、平板部とコーナ部とを均質化した角形鋼管柱６を製造し得る。
【００３２】
しかも梁材連結部は、半成形短尺角形鋼管２の予め厚い板厚Ｔによって十分な強度を確保し得、梁材７の溶接結合８は何ら支障なく行える。そして角形鋼管柱６はパイプジョイント形式で得られ、内蔵リブや裏当て金などがない状態に仕上げ得る。したがって、中にコンクリートなどを充填させる構成も容易に採用し得る。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施の形態を、図９、図１０に基づいて説明する。
すなわち、半成形角形鋼管柱５に対して熱間成形を行ったのちに、角形鋼管柱６における梁材連結部の各側板２Ａには、梁材連結用の螺子孔（梁材連結用の孔の一例）１０が形成されている。ここで螺子孔１０は、上下方向の３箇所（単数箇所または複数箇所）でかつ横方向の２列（単数列または複数列）に形成されている。
【００３４】
このような角形鋼管柱６は、所定本数が建築現場などに運搬され、そして梁材連結部の外面に、梁材１１が結合具を介して連結される。すなわちＨ形鋼材からなる梁材１１の端部には、連結用ブラケット１２が溶接などにより予め一体化されており、この連結用ブラケット１２には、前記螺子孔１０群に合致（連通）自在な通し孔１３が形成されている。
【００３５】
そして螺子孔１０群に通し孔１３群が合致（連通）された状態で、通し孔１３群に外側から通された螺子ボルト（結合具の一例）１４群が螺子孔１０群に螺合され、以て締め付けによって、連結用ブラケット１２を介して梁材１１が角形鋼管柱６における梁材連結部の外面に連結される。
【００３６】
上述した第２の実施の形態の角形鋼管柱６によると、梁材連結部は、予め厚い板厚Ｔによって十分な強度を確保し得、この厚い板厚Ｔに形成された十分な長さの螺子孔１０群に螺子ボルト１４群を螺合させることで、梁材１１の連結は十分な螺合長さをして強固に行える。しかも梁材１１の連結は、溶接することなく角形鋼管柱６に連結し得る。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施の形態を、図１１に基づいて説明する。
前記角形鋼管柱６における梁材連結部の各側板２Ａには、梁材連結用の貫通孔（梁材連結用の孔の別例）１６が形成されている。ここで貫通孔１６は、上下方向の３箇所（単数箇所または複数箇所）でかつ横方向の２列（単数列または複数列）に形成されている。
【００３８】
そして貫通孔１６群に通し孔１３群が合致（連通）された状態で、通し孔１３群に外側から通されたハックボルト（結合具の別例）１７群が貫通孔１６群に通され、以てハックボルト１７の係止部１７ａが側板２Ａの内面側に突出されて係止されることによって、連結用ブラケット１２を介して梁材１１が角形鋼管柱６における梁材連結部の外面に連結される。なお貫通孔１６の場合、リベットによる連結も可能となる。１８はワッシャを示す。
【００３９】
上記した第２や第３の実施の形態においては、梁材連結部の各側板２Ａに螺子孔１０や貫通孔１６が形成された形式としているが、これは角形鋼管支柱６の使用箇所によっては、梁材連結部の四側板のうち、３辺の側板２Ａに螺子孔１０や貫通孔１６が形成された形式、コーナの両側に位置された２辺の側板２Ａに螺子孔１０や貫通孔１６が形成された形式などであってもよい。また一部の側板２Ａに対して、外ダイヤフラム形式により梁材を連結した組み合せ形式であってもよい。
【００４０】
上記した第１〜第３の実施の形態において、半成形角形鋼管としては、たとえば、ロール成形によるワンシーム角形鋼管、プレス成形による一対のみぞ形材を向き合わせて突き合わせ溶接したツーシーム角形鋼管、一対の圧延みぞ形材を溶接してなるツーシーム角形鋼管、圧延山形材を一対、向き合わせて溶接したツーシーム角形鋼管など、いずれも既製の角形鋼管が使用される。
【００４１】
上記した第１〜第３の実施の形態では、角形鋼管として断面で正四角形状の鋼管を採用しているが、これは断面で長方形の鋼管も同様に採用し得るものである。さらには、正五角形や正六角形など、各種の多角形の鋼管にも同様に採用し得るものである。
【００４２】
次に、本発明の第４の実施の形態を、図１２に基づいて説明する。
すなわち図１２（ａ）に示すように、半成形長尺丸形鋼管（半成形長尺鋼管）２１と半成形短尺丸形鋼管（半成形短尺鋼管）２２とは、その周方向の一箇所に、突き合わせ溶接による突き合わせ溶接部２１ａ，２２ａが形成されており、少し大きめの内面直径ｄとして半成形されている。そして突き合わせ溶接部２１ａ，２２ａを同一直線状として、半成形長尺丸形鋼管２１と半成形短尺丸形鋼管２２との相当接間を溶接結合することで、半成形短尺丸形鋼管２２を梁材連結位置として半成形丸形鋼管柱（半成形鋼管柱）２３を構成する。
【００４３】
次いで半成形丸形鋼管柱２３に対して熱間成形（整形）を行うことにより、図１２（ｂ）に示すように、全長に亘って所望の外面直径Ｄであり、かつ梁材連結位置が厚い板厚Ｔの丸形鋼管柱（鋼管柱）２４、すなわち、外周形状を最終製品形状とした丸形鋼管柱２４が得られる。
【００４４】
上記した各実施の形態では、エレクトロスラグ溶接機やエレクトロガスアーク溶接機による溶接であり、これによると、短時間で高品質の溶接を行うことができる。なお、レーザなど他の溶接方式であってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
上記した本発明の請求項１によると、短尺鋼管の両端に長尺鋼管を溶接結合することで、この短尺鋼管によって梁材連結部を形成でき、その際に二箇所の溶接でよいことから、組立て工数を削減できるとともに溶接長さを短くでき、以て全体を簡略化して経済的となり、かつ溶接歪などが生じ難いものにできる。また長尺鋼管と短尺鋼管とは、その外周形状を同一状として相当接間を長さ方向で溶接結合することで、その溶接結合は十分に強固にかつ綺麗に行うことができる。そして梁材連結部は、短尺鋼管の予め厚い板厚によって十分な強度を確保でき、梁材の溶接結合は何ら支障なく行うことができる。
【００４６】
さらに、溶接結合を行った半成形鋼管柱に対して熱間成形を行うことで、溶接を母材（半成形鋼管柱）に一体化でき、特に塑性変形性能に優れ、脆性破壊を未然に防止した鋼管柱を製造できる。その際に、外側に凸状の半成形短尺鋼管を内側に凸状となるように入り込み状、すなわち板圧分だけ内側に寄せて成形でき、これにより、全長に亘って所望の外寸であり、そして梁材連結位置が厚い板厚の鋼管柱、すなわち、外周形状を最終製品形状とした鋼管柱を得ることができる。
【００４７】
また上記した本発明の請求項２によると、溶接結合を行った半成形角形鋼管柱に対して熱間成形を行うことで、その全長において各コーナ部をシャープな外面曲率半径に揃ることができ、しかも平板部とコーナ部とを均質化した角形鋼管柱を製造できる。
【００４８】
そして上記した本発明の請求項３によると、梁材連結部は、予め厚い板厚によって十分な強度を確保でき、この厚い板厚に形成した十分な長さの梁材連結用の孔を利用して、角形鋼管柱に対する梁材の連結を、溶接することなく強固にかつ何ら支障なく行うことができる。したがって、梁材連結時における溶接長さを短くでき、以て全体を簡略化して経済的となり、かつ溶接歪などが生じ難いものにできるとともに、溶接検査などを不要にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、鋼管柱の製造方法における工程説明図である。
【図２】同鋼管柱の製造方法における半成形角形鋼管柱の要部の縦断正面図である。
【図３】同鋼管柱の製造方法における半成形角形鋼管柱の横断平面図である。
【図４】同鋼管柱の製造方法における溶接結合前の一部切り欠き斜視図である。
【図５】同鋼管柱の製造方法における角形鋼管柱の要部の縦断正面図である。
【図６】同鋼管柱の製造方法における角形鋼管柱の横断平面図である。
【図７】同鋼管柱の製造方法における角形鋼管柱の縦断正面図である。
【図８】同鋼管柱の製造方法における角形鋼管柱の一部切り欠き斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態を示し、鋼管柱の製造方法における角形鋼管柱の要部の縦断正面図である。
【図１０】同鋼管柱の製造方法における角形鋼管柱の横断平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態を示し、鋼管柱の製造方法における角形鋼管柱の要部の縦断正面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態を示し、鋼管柱の製造方法の説明図で、（ａ）は半成形丸形鋼管柱の横断平面図、（ｂ）は丸形鋼管柱の横断平面図である。
【図１３】従来例を示し、鋼管柱の一部切り欠き斜視図である。
【図１４】別の従来例を示し、鋼管柱の一部切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１ 半成形長尺角形鋼管（半成形長尺鋼管）
１ａ 突き合わせ溶接部
２ 半成形短尺角形鋼管（半成形短尺鋼管）
２ａ 突き合わせ溶接部
２Ａ 梁材連結部の側板
３ 溶接結合
５ 半成形角形鋼管柱（半成形鋼管柱）
６ 角形鋼管柱（鋼管柱）
７ 梁材
１０ 梁材連結用の螺子孔（梁材連結用の孔）
１１ 梁材
１３ 通し孔
１４ 螺子ボルト（結合具）
１６ 梁材連結用の貫通孔（梁材連結用の孔）
１７ ハックボルト（結合具）
２１ 半成形長尺丸形鋼管（半成形長尺鋼管）
２１ａ 突き合わせ溶接部
２２ 半成形短尺丸形鋼管（半成形短尺鋼管）
２２ａ 突き合わせ溶接部
２３ 半成形丸形鋼管柱（半成形鋼管柱）
２４ 丸形鋼管柱（鋼管柱）
２６ 加熱手段
２７ 成形手段
ｔ 長尺鋼管の板厚
Ｔ 短尺鋼管の板厚
Ｌ 梁材連結部を形成する長さ
Ｗ 鋼管柱の外寸
Ｗ＋α 半成形長尺角形鋼管柱の外寸
Ｗ＋α＋２（Ｔ−ｔ） 半成形短尺角形鋼管の外寸
Ｒ 半成形角形鋼管の外面曲率半径
ｒ 鋼管柱のコーナ部の外面曲率半径
ｄ 半成形丸形鋼管の内面直径
Ｄ 丸形鋼管柱の外面直径
Ｓ 半成形角形鋼管柱の内寸

Claims (3)

1. 所定の板厚の半成形長尺鋼管と、この半成形長尺鋼管よりも板厚が厚くかつ梁材連結部を形成する長さの半成形短尺鋼管とを有し、これら半成形長尺鋼管と半成形短尺鋼管とは、その内周形状を最終製品形状よりも大きくして同一状に形成されており、これら半成形長尺鋼管と半成形短尺鋼管とを、半成形短尺鋼管を梁材連結位置として長さ方向で溶接結合して半成形鋼管柱を形成し、この半成形鋼管柱を加熱したのち、その外周形状が最終製品形状になるように熱間成形することを特徴とする鋼管柱の製造方法。
2. 半成形長尺角形鋼管と半成形短尺角形鋼管とが使用され、これら半成形長尺角形鋼管と半成形短尺角形鋼管とのコーナ部の外面形状は、最終製品の外面曲率半径よりも大きい外面曲率半径に形成されており、溶接結合して形成した半成形角形鋼管柱を加熱したのち、そのコーナ部が最終製品の外面曲率半径になるように熱間成形することを特徴とする請求項１記載の鋼管柱の製造方法。
3. 熱間成形したのち、梁材連結部の少なくとも一側板に梁材連結用の孔を形成することを特徴とする請求項２記載の鋼管柱の製造方法。

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