JP4684669B2

JP4684669B2 - 鋼材の連結構造とその形成方法

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Publication number: JP4684669B2
Application number: JP2005027088A
Authority: JP
Inventors: 一義白井; 宣人上田; 誠片桐; 勝英村上; 道夫慶伊; 博之林
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: JP2006214132A

Description

本発明は、鋼材を相互に連結する仕口構造において、アンカー部材を鋼管内部のコンクリートに埋設することによって、ボルト止めや溶接などを必要とせず、従って、接合作業が容易な鋼材の連結構造とその形成方法に関する。

従来、内部空間にコンクリートを有する鋼材の連結構造ないし接合構造として、次のような構造が知られている。
（イ）鋼管柱にＴ型金物を用いてＨ形鋼梁材を接合する構造であって、Ｈ形鋼梁材の端部にＴ型金物の突出部をボルト止めする一方、このＴ型金物の底部を鋼管柱の側面に張り合わせるように設置し、Ｔ型金物底部と鋼管柱を貫くアンカーボルトを介してＴ型金物と鋼管柱をボルト止めし、さらに鋼管柱の内部に突き出たアンカーボルトを鋼管柱内部に充填したコンクリートに埋設して接合強度を高めた構造（特許文献１および２）。
（ロ）コンクリート充填鉄骨柱を貫通する金物を用い、該金物の本体は鉄骨柱内部のコンクリートに埋設され、鉄骨柱から突き出す両端のネジ部に接合部材がネジ止めされ、該接合部材に鉄骨梁が溶接されており、該接合部材を介して鉄骨梁を鉄骨柱に突き合わせ、鉄骨柱の向こう側から金物を貫通させて接合部材にネジ止めすることによって鉄骨梁を鉄骨柱に接合した構造（特許文献３）。

上記特許文献１および２の接合構造では、鋼管柱と梁材を固定する基本的な手段はＴ型金物を介したボルト止めであり、アンカーボルトの先端がコンクリート中に突き出て埋設されているのは、アンカーボルトの安定性を高める補助的な手段である。また、上記特許文献３の接合構造では、鉄骨梁は鉄骨柱のコンクリートを貫通する金物によって鉄骨柱に接合されており、鉄骨柱の内部に充填されるコンクリートを利用した接合構造ではない。

従って、上記何れの構造においても、鋼管や鉄骨の柱部材と梁部材の接合には正確な寸法合わせが必要であり、加工誤差の許容範囲が小さいため施工に手間取り、また施工コストも高いなどの問題がある。
特開２００３−３０１５１４号公報特開２００３−３４３００８号公報特開２００４−２０４５２６号公報

本発明は、従来の接合構造の上記問題を解決したものであり、コンクリートを利用して接合することにより、加工誤差を吸収して容易に接合できるようにし、突き合わせ溶接の必要がなく、施工が容易で十分な接合強度を有する連結構造を提供する。なお、本発明においてコンクリートとはモルタルを含む。

本発明は、以下の連結構造に関する。
（１）コンクリートが充填された内部空間を端部に形成した鋼材Ａとコンクリートが充填された内部空間を仕口部に形成した鋼材Ｂをアンカー部材のみで連結する鋼材の連結構造であって、前記コンクリートが、セメント１００質量部に対して、ポゾラン質微粉末５〜５０質量部、平均粒径３〜２０μmの石英粉末５〜５０質量部、最大粒径２mm以下の骨材５０〜２５０質量部、減水剤０.１〜４.０質量部（固形分換算）および水１０〜３０質量部を含むものであり、アンカー部材の一端が鋼材Ａの内部空間を充填したコンクリートに埋設固定されると共に、アンカー部材の他端が鋼材Ａの端部から突き出て鋼材Ｂの内部空間に充填したコンクリートに埋設固定されることによって鋼材Ａと鋼材Ｂが接合されていることを特徴とする鋼材の連結構造。
（２）アンカー部材の頭部が幅広に形成されており、または該頭部の周囲に、セメント１００質量部に対して、ポゾラン質微粉末５〜５０質量部、平均粒径３〜２０μmの石英粉末５〜５０質量部、最大粒径２mm以下の骨材５０〜２５０質量部、減水剤０.１〜４.０質量部（固形分換算）および水１０〜３０質量部を含むコンクリートが入り込む凹部ないし溝部が形成されており、該アンカー部材頭部がコンクリートに埋設されてアンカーになる上記(1)の鋼材の連結構造。
（３）鋼材Ａおよび鋼材Ｂは鋼管またはＨ型鋼等の形鋼であり、鋼材Ａが梁材であって鋼材Ｂが柱材である上記(1)又は(2)の鋼材の連結構造。

さらに、本発明は以下の連結構造の形成方法に関する。
（４）コンクリートが充填された内部空間を端部に形成した鋼材Ａとコンクリートが充填された内部空間を仕口部に形成した鋼材Ｂをアンカー部材のみで連結する上記（１）〜（３）に記載の鋼材の連結構造の形成方法であって、鋼材Ａの端部を鋼材Ｂの仕口部に突き合わせ、鋼材Ａと鋼材Ｂが接合された角部には受材を仮設するとともに、鋼材Ａ端部の内部空間と鋼材Ｂ仕口部の内部空間にまたがるようにアンカー部材を設置し、鋼材Ａの内部空間と鋼材Ｂの内部空間に、セメント１００質量部に対して、ポゾラン質微粉末５〜５０質量部、平均粒径３〜２０μmの石英粉末５〜５０質量部、最大粒径２mm以下の骨材５０〜２５０質量部、減水剤０．１〜４．０質量部（固形分換算）および水１０〜３０質量部を含むコンクリートを充填して上記アンカー部材の頭部を含む部分を上記コンクリートに埋設固定するとともに、内部空間に充填したコンクリートが所定の強度を発現した段階で受材を取り外すことを特徴とする鋼材の連結構造の形成方法。

本発明の連結構造は、鋼材Ａの端部を鋼材Ｂに連結する仕口構造において、鋼材Ｂの仕口部の内部空間にコンクリートが充填されており、一方、鋼材Ａの端部からアンカー部材が突き出ており、該アンカー部材の頭部を含む部分が鋼材Ｂの上記コンクリートに埋設固定されることによって鋼材Ａと鋼材Ｂが接合されていることを特徴とする連結構造である。

鋼材Ｂの仕口部は仕切板によって内部に空間が形成されており、この内部空間にコンクリートが充填されている。施工上、このコンクリートは鋼材Ａおよび鋼材Ｂを突き合わせて設置した後に注入されるので、例えば、上側の仕切板にコンクリート注入用の開口ないし孔が設けられている。

鋼材Ａの端部には鋼材Ｂの仕口部に向かってアンカー部材が突き出しており、該アンカー部材の頭部を含む部分が上記内部空間のコンクリートに埋設固定されている。上記アンカー部材は、鋼材Ａの先端に溶接された板材、あるいは鋼材Ａが板材または形鋼であるときは鋼材Ａ自体の先端部などによって形成することができる。

さらに上記アンカー部材の好適な態様としては、鋼材Ａの端部に内部空間が形成されていると共に、該内部空間にコンクリートが充填されており、棒状のアンカー部材の一端が該コンクリートに埋設固定される一方、アンカー部材の他端がこの鋼材Ａの端部から鋼材Ｂに向かって突き出している構造である。

好ましくは、上記アンカー部材の頭部は幅広に形成されており、または該頭部の周囲にコンクリートが入り込む凹部ないし溝部が形成されており、該アンカー部材頭部がコンクリートに埋設された状態のときに、コンクリートと噛み合って接合強度を高める効果を発揮する。また、他の態様としては、例えば上記アンカー部材が板材のときには、その頭部に該板材を貫くボルト状の部材を設け、あるいは該板材の側方に突起を設けてもよい。この場合にも該アンカー部材頭部がコンクリートに埋設された状態のときに、アンカー部材から側方に突き出たボルト状部材または突起がコンクリートと係合して接合強度を高める効果を発揮する。

本発明の上記連結構造は、例えば、端部からアンカー部材が突き出た鋼材Ａと、仕口部に内部空間を形成した鋼材Ｂを用い、鋼材Ａの端部を鋼材Ｂの仕口部に突き合わせ、鋼材Ａ端部のアンカー部材が鋼材Ｂ仕口部の内部空間に突き出すように設置した後に、鋼材Ｂの内部空間にコンクリートを充填して上記アンカー部材の頭部を含む部分を上記コンクリートに埋設固定することによって鋼材Ａと鋼材Ｂを接合する連結構造が形成される。

本発明の上記連結構造は、端部に内部空間を形成した鋼材Ａと、仕口部に内部空間を形成した鋼材Ｂを用いて以下のように形成することもできる。すなわち、鋼材Ａの端部を鋼材Ｂの仕口部に突き合わせ、鋼材Ａ端部の内部空間と鋼材Ｂ仕口部の内部空間にまたがるようにアンカー部材を設置し、鋼材Ａの内部空間と鋼材Ｂの内部空間にコンクリートを充填して上記アンカー部材の頭部を含む部分を上記コンクリートに埋設固定することによって鋼材Ａと鋼材Ｂを接合する連結構造を形成する。

鋼材Ａおよび鋼材Ｂは、例えば、鋼管またはＨ型鋼等の形鋼であり、具体的な適用例としては、鋼材Ａの梁材に鋼材Ｂの柱材を接合する構造物の連結構造などに適用される。なお、本発明において使用するアンカー部材の大きさ（太さ）や、アンカー部材の設置個所などは慣用の設計手法によって決定することができる。

本発明で使用するコンクリートは、セメント、ポゾラン質微粉末、平均粒径３〜２０μｍの石英粉末、最大粒径２ｍｍ以下の骨材、減水剤および水を含むものである。セメントの種類は限定されず、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメントなどの各種ポルトランドセメントや高炉セメント、フライアッシュセメントなどの混合セメントを使用することができる。

ポゾラン質微粉末としては、シリカフューム、シリカダスト、フライアッシュ、スラグ、火山灰、シリカゾル、沈降シリカなどが挙げられる。一般に、シリカフュームやシリカダストでは、その平均粒径は１.０μｍ以下であり、粉砕などする必要がないので本発明のポゾラン質微粉末として好適である。ポゾラン質微粉末の配合量は、コンクリートの流動性や硬化後の強度等から、セメント１００質量部に対して５〜５０質量部が好ましい。

石英粉末は、コンクリートの流動性や硬化後の強度などから、平均粒径３〜２０μｍ、より好ましくは平均粒径４〜１０μｍの石英粉末を用いる。石英粉末としては、石英や非晶質石英、オパール質やクリストバライト質のシリカ含有粉末などが挙げられる。石英粉末の配合量は、コンクリートの流動性や硬化後の強度などから、セメント１００質量部に対して５〜５０質量部が好ましく、１０〜４５質量部がより好ましい。

骨材は、コンクリートの流動性や硬化後の強度などから、最大粒径２ｍｍ以下の骨材を用いる。骨材としては、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂およびこれらの混合物を使用することができる。骨材の配合量は、コンクリートの流動性や硬化後の強度などから、セメント１００質量部に対して５０〜２５０質量部が好ましく、８０〜１８０質量部がより好ましい。

減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系の減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤を使用することができる。これらのうち、減水効果の大きな高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤を使用することが好ましく、特に、ポリカルボン酸系の高性能減水剤または高性能ＡＥ減水剤を使用することがより好ましい。減水剤の配合量は、セメント１００質量部に対して、固形分換算で０.１〜４.０質量部が好ましく、０.２〜１.０質量部がより好ましい。セメント１００質量部に対して、減水剤量が固形分換算で０.１質量部未満では、混練が困難であり、流動性も低下する。一方、セメント１００質量部に対して、減水剤量が固形分換算で４.０質量部を超えると、凝結が遅延するうえ、硬化後の強度が低下する。なお、減水剤は、液状又は粉末状どちらでも使用可能である。

水量は、セメント１００質量部に対して１０〜３０質量部が好ましく、より好ましくは１５〜２５質量部である。セメント１００質量部に対して、水量が１０質量部未満では、混練が困難であり、流動性も低下する。一方、セメント１００質量部に対して、水量が３０質量部を超えると硬化後の強度が低下する。

本発明で使用するコンクリートにおいては、硬化後の引張強度および靱性を向上させる観点から、金属繊維、特に綱繊維を含むことが好ましい。金属繊維としては、コンクリートの流動性や硬化後の破壊強度などから、径０.０１〜１.０mm、長さ５〜３０mmの金属繊維を用いることが好ましい。金属繊維の配合量は、コンクリート中の体積の４％以下が好ましく、より好ましくは２％以下である。金属繊維の含有量が多くなると混練時の作業性等を確保するために単位水量が増大し硬化後の強度が低下するので、金属繊維の配合量は上記の量が好ましい。

なお、本発明で使用するコンクリートは、綱材Ａの端部の内部空間や綱材Ｂの仕口部の内部空間への充填作業等から、日本工業規格「JIS R 5201(セメントの物理試験方法）11.フロー試験」に記載された方法において１５回の落下運動を行わないで測定したフロー値が２００mm以上であることが好ましい。また、本発明で使用するコンクリートは、材令２８日で１００N/mm２以上の圧縮強度を発現することが好ましい。

本発明の連結構造は、一方の鋼材Ａの端部から突き出たアンカー部材の頭部を含む部分が他方の鋼材Ｂの仕口部内部空間に充填したコンクリートに埋設固定することによって鋼材Ａと鋼材Ｂを接合する構造であり、鋼材Ａおよび鋼材Ｂを突き合わせて設置した後に、鋼材Ｂの仕口部の内部空間にコンクリートを注入するので、鋼材Ａ、Ｂの仕口部の加工誤差を吸収して容易に接合でき、突き合わせ溶接やボルト止めの必要がなく、施工が容易であり、コンクリートが硬化することによって十分な接合強度を得ることができる。

とくに、鋼材Ａの端部と鋼材Ｂの仕口部内部空間の両方にコンクリートを充填し、両方のコンクリートにまたがってアンカー部材を埋設する構造によれば、仕口部の加工誤差の許容範囲が大きく、従って正確な寸法合わせが不要であり、鋼材Ａ、Ｂを容易に接合することができる。

以下、図１〜図４に示す実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。
図１は本発明に係る連結構造を示す模式的な縦断面図であり、Ｈ型鋼からなる鋼柱Ｂの両側にＨ型鋼からなる梁材Ａを接合した構造である。鋼柱Ｂの仕口部には、図２に示すように、鋼柱の上側を塞ぐ仕切板１０と側部を塞ぐ仕切板１１によって内部空間２０が形成されている。一方、梁材Ａの先端には、図２に示すように、側部を塞ぐ仕切板１２と先端を塞ぐ仕切板１３によって内部空間２１が形成されている。この鋼柱Ｂと梁材Ａの突き合わせ面にはアンカー部材３０が貫通する孔１４がおのおの複数設けられている。また、鋼柱Ｂの上側仕切板１０と梁材Ａの上端部にはコンクリートを導入するための注入口１５、１６がおのおの設けられている。さらに、鋼柱Ｂと梁材Ａが接合された角部には受材１７が仮設されている。なお、この受材１７は、例えば、内部空間に充填したコンクリートが所定の強度（５０N/mm²以上）を発現した段階で取り外すことができる。

鋼柱Ｂと梁材Ａの内部空間２０、２１にまたがってアンカー部材３０が設置されており、
該アンカー部材３０は内部空間２０、２１の内部に充填したコンクリート中に埋設されている。また、該アンカー部材３０はアンカー効果を高めるよう、図２に示すように、その頭部の周囲に溝３１を形成することもできる。該アンカー部材３０が内部空間２０、２１の硬化したコンクリート中に埋設固定されることによって、梁材Ａが鋼柱Ｂの側面に一体に連結固定される。

図１および図２に示す例では、梁材Ａの端部を鋼柱Ｂの仕口部に突き合わせ、梁材Ａの端部内部空間２１と鋼材Ｂ仕口部の内部空間２０にまたがるようにアンカー部材３０を設置した後に、おのおの注入口１５、１６を通じて梁材Ａの内部空間２１と鋼柱Ｂの内部空間２０にコンクリート４０を充填し、硬化したコンクリート中にアンカー部材３０を埋設して固定させることによって、梁材Ａの鋼柱Ｂが一体に連結される。

図１および図２に示す例は、鋼柱Ｂと梁材Ａの両方に内部空間を形成し、これらの内部空間にまたがってアンカー部材をコンクリート中に埋設固定する例であるが、アンカー部材を直接に梁材Ａに溶接ないしボルト止めによって接合し、このアンカー部材を鋼柱Ｂの内部空間に充填したコンクリート中に埋設固定してもよい。その一例を図３および図４に示す。

図３に示す例は、鋼材Ａは板材によって形成されており、その先端に凹部ないし切欠部５０が形成されている。一方、鋼材Ｂは鋼管によって形成されており、その周面には鋼材Ａの先端が差し込まれるスリット５１が形成されている。該スリット５１は鋼材Ａの接合方向に応じて形成され、図示する例では、鋼材Ｂの四方から鋼材Ａを接合するよう、４カ所にスリット５１が設けられている。また、鋼材Ｂの底部は塞がれており、上部には蓋材５２が設けられている。蓋材５２の上面にはコンクリートの注入口５３が形成されている。

図４に示す例は、先端に十字型断面の板材５４を突設した鋼材Ａを用いたものであり、該板材５４には凹部ないし孔部５５が形成されている。一方、鋼材Ｂは鋼管によって形成されており、その周面には鋼材Ａの先端が差し込まれる十字型のスリット５６が形成されている。また、鋼材Ｂの上部と底部は蓋材５７、５８によって塞がれている。

上記構造において、鋼材Ｂのスリット５１または５６に鋼材Ａの先端を差し込み、蓋材５３または５７、５８を鋼材Ｂに冠着した後に、注入口５３を通じてコンクリートを鋼材Ｂの内部に充填し、または鋼材Ｂの内部にコンクリートを充填した後に蓋材５７を冠着し、鋼材Ｂの内部に突き出た鋼材Ａの先端をコンクリート中に埋設する。鋼材Ａの先端はコンクリートによって押し固められ、さらに該先端の凹部ないし切欠部５０、５５にコンクリートが入り込んで固化するので該先端部がコンクリートに係合した状態になり、コンクリート中に安定に固定される。これによって鋼材Ａが鋼材Ｂに一体に強固に連結される。なお、鋼材Ａの先端板材の凹部ないし孔部にボルト等を取り付けてアンカー効果をさらに高めるようにしてもよい。

本発明に係る連結構造を示す模式的な縦断面図図１の連結構造の組立状態を示す模式図本発明に係る他の連結構造を示す模式斜視図本発明に係る他の連結構造を示す模式斜視図

符号の説明

Ａ−鋼材（梁材）、Ｂ−鋼材（鋼柱）、１０〜１３−仕切板、１４−貫通孔、１５、１６−注入口、１７−受材、２０、２１−内部空間、３０−アンカー部材、３１−溝、４０−コンクリート、５０−凹部（切欠部）、５１−スリット、５２−蓋材、５３−注入口、５４−十字型板材、５５−孔部（凹部）、５６−スリット、５７、５８−蓋材

Claims

コンクリートが充填された内部空間を端部に形成した鋼材Ａとコンクリートが充填された内部空間を仕口部に形成した鋼材Ｂをアンカー部材のみで連結する鋼材の連結構造であって、
前記コンクリートが、セメント１００質量部に対して、ポゾラン質微粉末５〜５０質量部、平均粒径３〜２０μmの石英粉末５〜５０質量部、最大粒径２mm以下の骨材５０〜２５０質量部、減水剤０．１〜４．０質量部（固形分換算）および水１０〜３０質量部を含むものであり、
アンカー部材の一端が鋼材Ａの内部空間を充填したコンクリートに埋設固定されると共に、アンカー部材の他端が鋼材Ａの端部から突き出て鋼材Ｂの内部空間を充填したコンクリートに埋設固定されることによって鋼材Ａと鋼材Ｂが接合されていることを特徴とする鋼材の連結構造。
アンカー部材の頭部が幅広に形成されており、または該頭部の周囲に、セメント１００質量部に対して、ポゾラン質微粉末５〜５０質量部、平均粒径３〜２０μmの石英粉末５〜５０質量部、最大粒径２mm以下の骨材５０〜２５０質量部、減水剤０．１〜４．０質量部（固形分換算）および水１０〜３０質量部を含むコンクリートが入り込む凹部ないし溝部が形成されており、該アンカー部材頭部がコンクリートに埋設されてアンカーになる請求項１記載の鋼材の連結構造。
鋼材Ａおよび鋼材Ｂは鋼管またはＨ型鋼等の形鋼であり、鋼材Ａが梁材であって鋼材Ｂが柱材である請求項１又は２に記載の鋼材の連結構造。
コンクリートが充填された内部空間を端部に形成した鋼材Ａとコンクリートが充填された内部空間を仕口部に形成した鋼材Ｂをアンカー部材のみで連結する請求項１〜３に記載の鋼材の連結構造の形成方法であって、
鋼材Ａの端部を鋼材Ｂの仕口部に突き合わせ、鋼材Ａと鋼材Ｂが接合された角部には受材を仮設するとともに、鋼材Ａ端部の内部空間と鋼材Ｂ仕口部の内部空間にまたがるようにアンカー部材を設置し、鋼材Ａの内部空間と鋼材Ｂの内部空間に、セメント１００質量部に対して、ポゾラン質微粉末５〜５０質量部、平均粒径３〜２０μmの石英粉末５〜５０質量部、最大粒径２mm以下の骨材５０〜２５０質量部、減水剤０．１〜４．０質量部（固形分換算）および水１０〜３０質量部を含むコンクリートを充填して上記アンカー部材の頭部を含む部分を上記コンクリートに埋設固定するとともに、内部空間に充填したコンクリートが所定の強度を発現した段階で受材を取り外すことを特徴とする鋼材の連結構造の形成方法。