柱梁焊接接頭及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及建筑結(jié)構(gòu)物的柱梁焊接接頭及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大樓等建筑結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)材料使用混凝土、鋼。并且，作為建筑結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)樣 式，柱構(gòu)件使用方形或圓形的鋼管、梁構(gòu)件使用H型鋼，并通過(guò)焊接或螺栓將柱構(gòu)件與梁構(gòu) 件的正交部牢固地接合的鋼筋剛架結(jié)構(gòu)形式最多地普及。
[0003] 在例如日本那樣的地震國(guó)家中，建筑結(jié)構(gòu)物的耐震性能的提高為大的問(wèn)題，阪神 淡路大地震災(zāi)害中可見(jiàn)的搖晃引起的結(jié)構(gòu)坍塌是為了保護(hù)人命而最需避免的現(xiàn)象。因此， 為了提高耐震性能，進(jìn)行了各種研究，可列舉吸收地震能量的制震?免震緩沖材料的采用、 具有高沖擊吸收能量性能的柱?梁用鋼材或梁端焊接用焊接材料的采用等（例如，參照專 利文獻(xiàn)1)。
[0004] 另外，在利用正交部將柱構(gòu)件與梁構(gòu)件接合的樣式中，已知作為不連續(xù)面的正交 接合部成為應(yīng)力集中部位而容易提前破壞的情況。因此，也較多地研究了作為瓶頸的正交 接合部的耐震性能提高。
[0005] 如圖32所示，在柱梁焊接接頭100B中，作為用于向柱構(gòu)件31A焊接接合梁構(gòu)件2 的施工方法，通常是在梁構(gòu)件2的梁腹3設(shè)置被稱為弧形缺口 6、7的空孔的弧形缺口施工 方法。設(shè)置弧形缺口 6、7的目的是因?yàn)椋簩⒘簶?gòu)件2的上下凸緣4、5與柱構(gòu)件31A進(jìn)行焊 接接合，形成由焊接金屬部10和墊板US構(gòu)成的上部完全熔透焊接部8A及下部完全熔透焊 接部9B時(shí)，在作業(yè)方面，梁腹3成為干擾，因此需要局部性地挖通梁腹3。然而，已知弧形 缺口 6、7成為最容易使耐震性能劣化的要因。并且，由于地震時(shí)作用的反復(fù)應(yīng)力，弧形缺口 6、7與上下凸緣4、5、尤其是下凸緣5與弧形缺口 7的交界部所謂弧形缺口底成為最高的應(yīng) 力集中部位，提前在下凸緣5產(chǎn)生龜裂，向梁構(gòu)件2整體傳播而導(dǎo)致坍塌。
[0006] 為了改善此問(wèn)題而進(jìn)行了多種研究。例如，進(jìn)行了弧形缺口的形狀改善。以前，是 弧形缺口底相對(duì)于凸緣呈直角地侵入的形狀，但是為了緩和應(yīng)力集中，目前采用的是被稱 為復(fù)合圓型弧形缺口的在一定程度上減小接觸角的形狀。而且，也進(jìn)行了弧形缺口形狀的 進(jìn)一步改良（參照非專利文獻(xiàn)1)。然而，均無(wú)法得到太高的耐震性能提高效果。
[0007] 相對(duì)于此，作為不存在應(yīng)力集中部位的理想的形態(tài)，不使用弧形缺口的所謂無(wú)弧 形缺口施工方法的采用不斷進(jìn)展（參照非專利文獻(xiàn)1)。在通常的弧形缺口施工方法中，將 一張長(zhǎng)條板作為墊板而安裝于焊接部底，而在無(wú)弧形缺口施工方法中，是將窄短兩張板夾 著梁腹而安裝在兩側(cè)由此將梁腹保留的施工方法。然而，無(wú)弧形缺口施工方法存在僅能從 梁構(gòu)件的外側(cè)進(jìn)行焊接的缺點(diǎn)。
[0008] 【在先技術(shù)文獻(xiàn)】
[0009] 【專利文獻(xiàn)】
[0010] 【專利文獻(xiàn)1】日本專利第3199656號(hào)公報(bào)
[0011] 【非專利文獻(xiàn)】
[0012]【非專利文獻(xiàn)1】"鋼筋施工技術(shù)指南?工廠制作篇"，2007年改訂版，日本建筑學(xué) 會(huì)
[0013]【發(fā)明的概要】
[0014]【發(fā)明要解決的課題】
[0015]如圖33所示，在將鋼筋的柱梁接合作為局部性的組合體（柱梁焊接接頭100B)而 在工廠內(nèi)制造的被稱為工廠接合形式的形態(tài)中，（1)將凸緣的一側(cè)（上凸緣4)從梁構(gòu)件2 外側(cè)向下焊接于柱構(gòu)件31A之后，（2)利用起重機(jī)等將組合體（柱梁焊接接頭100B)上下翻 轉(zhuǎn)，（3)能夠?qū)⑾喾磦?cè)的凸緣（下凸緣5)同樣地從梁構(gòu)件2的外側(cè)向下焊接于柱構(gòu)件31A。 因此，如圖36所示，兩凸緣4、5的接合形態(tài)隔著梁腹3的中央線成為上下對(duì)稱。具體而言， 在作為上凸緣4的焊接接合部的上部完全熔透焊接部8A、作為下凸緣5的焊接接合部的下 部完全熔透焊接部9B中，兩焊接部均成為墊板US接合于弧形缺口 6、7側(cè)的方式。而且，如 圖33所示，在該被稱為工廠接合形式的形態(tài)中，能夠利用無(wú)弧形缺口施工方法對(duì)兩凸緣4、 5的焊接接合進(jìn)行施工。
[0016]另一方面，與耐震性能提高的需要不同，鋼筋對(duì)于成本下降的需要也較大。在工廠 中將柱構(gòu)件與梁構(gòu)件進(jìn)行焊接接合而形成組合體（柱梁焊接接頭）并利用卡車(chē)搬運(yùn)在建筑 現(xiàn)場(chǎng)組裝的工廠接合形式中，在現(xiàn)場(chǎng)還需要梁構(gòu)件彼此的接合，接合作業(yè)費(fèi)二遍事，而且， 由于占有體積大因此向卡車(chē)的裝載量變少，從而成本容易上升。
[0017]因此，從成本減少目的出發(fā)，將大量的不帶有梁構(gòu)件的簡(jiǎn)單的柱構(gòu)件裝載于卡車(chē)， 在現(xiàn)場(chǎng)將柱構(gòu)件和梁構(gòu)件與螺栓接合相組合而進(jìn)行總計(jì)1次焊接，由此得到柱梁焊接接頭 的現(xiàn)場(chǎng)混用接合形式（以下，稱為現(xiàn)場(chǎng)接合形式）的采用不斷增加（參照非專利文獻(xiàn)1)。 然而，在現(xiàn)場(chǎng)接合形式的情況下，無(wú)法進(jìn)行柱梁焊接接頭的上下翻轉(zhuǎn)作業(yè)。因此，下側(cè)的凸 緣的焊接只能從梁構(gòu)件內(nèi)側(cè)以向下姿態(tài)進(jìn)行焊接。以向上姿態(tài)從梁構(gòu)件外側(cè)進(jìn)行焊接雖然 在原理上可行，但是坡口內(nèi)的向上姿態(tài)焊接的視覺(jué)觀察性差，焊接金屬因重力而容易滴落， 因此效能極差，無(wú)法實(shí)用。如圖34所示，在從梁構(gòu)件2的內(nèi)側(cè)的向下焊接姿態(tài)下，如上述那 樣梁腹3成為干擾，難以進(jìn)行焊接。
[0018]由于以上的理由，在現(xiàn)場(chǎng)接合形式中，如圖35所示，兩凸緣4、5的接合形態(tài)隔著梁 構(gòu)件2的中央線成為上下非對(duì)稱的形態(tài)。具體而言，成為如下方式：在上部完全熔透焊接部 8A，墊板US接合于弧形缺口 6側(cè)，在下部完全熔透焊接部9A，焊接金屬部10接合于弧形缺 口 7側(cè)。因此，在制造成本廉價(jià)的現(xiàn)場(chǎng)接合形式中，無(wú)法應(yīng)用從梁構(gòu)件外側(cè)向下側(cè)的凸緣進(jìn) 行焊接的無(wú)弧形缺口施工方法，存在耐震性能差這樣的問(wèn)題。
[0019]另外，以往在柱梁焊接接頭中，存在另一個(gè)問(wèn)題。即，作為緊接著弧形缺口底的導(dǎo) 致柱-梁接合部的提前破壞的大的不良影響因子，是安裝于對(duì)焊部的墊板的問(wèn)題。在柱梁 焊接接頭中，安裝墊板的理由如下所述。
[0020] 在柱梁焊接接頭中，通常將坡口的最狹窄間隔稱為焊縫根部間隙，但是當(dāng)焊縫根 部間隙為零時(shí)，產(chǎn)生熔透殘留而整個(gè)截面未熔融，即產(chǎn)生無(wú)法進(jìn)行完全熔透的情況。而且， 原本因應(yīng)變等而焊縫根部間隙不可避免地發(fā)生的情況也無(wú)法避免。因此，在大部分的對(duì)焊 的情況下，設(shè)置焊縫根部間隙地進(jìn)行焊接。在該焊縫根部間隙的焊接中，在焊接時(shí)熔化的鐵 容易熔落，因此要求高的技能。作為用于將其避免的手段，經(jīng)常使用如下的焊接手法：將坡 口設(shè)為V型或 >型，在作為最深部的焊縫根部間隙預(yù)設(shè)鋼制的墊板，在坡口內(nèi)的焊接時(shí)，與 母材鋼板一起地進(jìn)行一體接合。在該焊接手法中，能夠?qū)⒆鳛楹附硬课坏匿摪逶谝粋?cè)、大部 分的情況是向下完全焊接，具有高效率的優(yōu)點(diǎn)。
[0021] 然而，該安裝墊板的方案作為接合部品質(zhì)而存在較大的缺點(diǎn)。例如圖37所示，將 板厚不同的鋼板A、B對(duì)接，在板厚較薄的鋼板B側(cè)設(shè)置向鉛垂上側(cè)開(kāi)口的 > 型坡口，而且使 墊板US抵碰于底部地進(jìn)行焊接。鋼板A與鋼板B在整個(gè)截面處被焊接，能確保作為接頭的 靜態(tài)的拉伸強(qiáng)度。然而，在此，鋼板A被固定，在鋼板B受到作為地震應(yīng)力的彎曲方向或軸 向的相當(dāng)于周期性的變動(dòng)的力f時(shí)，應(yīng)力集中施加于板厚不連續(xù)的焊接部，有時(shí)會(huì)引起脆 性的破壞。
[0022] 正如廣為周知那樣，在柱梁焊接接頭中，不連續(xù)部點(diǎn)的角度越小，應(yīng)力集中越大， 容易導(dǎo)致破壞。在圖37的情況下，墊板US被焊接的端部即B1或B2呈所謂切口（也稱為缺 口）狀，相對(duì)于平滑地與母材相接的F點(diǎn)，成為非常大的應(yīng)力集中部位。因此，在柱梁焊接 接頭中，從B1或B2地點(diǎn)如箭頭所示那樣產(chǎn)生龜裂，以貫通鋼板B或?qū)附饘俚姆绞竭M(jìn)展， 從而達(dá)到斷裂。因此，使用墊板US的焊接方法的耐震性容易劣化，難以稱之為優(yōu)異的接頭 品質(zhì)。
[0023] 如以上敘述那樣，在以往的柱梁接合接頭中，存在（1)弧形缺口底和（2)墊板這樣 的兩個(gè)較大的應(yīng)力集中部位，僅是其中一方的改善的話，無(wú)法估計(jì)到較大的耐震性提高。因 此要求能夠改善雙方的問(wèn)題的新的柱梁焊接接頭、焊接施工方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 因此，本發(fā)明為了解決這樣的問(wèn)題而創(chuàng)立，其課題在于提供一種無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)形式， 還是工廠形式，都為容易且廉價(jià)的作業(yè)且耐震性能優(yōu)異的柱梁焊接接頭及其制造方法。 [0025]【用于解決課題的方案】
[0026] 本發(fā)明者們研究了以有弧形缺口為前提的耐震性能提高法，完成了本發(fā)明?；⌒?缺口的問(wèn)題歸結(jié)于弧形缺口底的應(yīng)力集中及相接的梁構(gòu)件的凸緣厚的板厚薄且剛性低。因 此，通過(guò)對(duì)弧形缺口底周?chē)┘舆m當(dāng)管理的堆焊，解決了所述課題。
[0027]S卩，解決所述課題的本發(fā)明的柱梁焊接接頭具備：柱構(gòu)件；梁構(gòu)件，其通過(guò)梁腹和 在該梁腹的上端部側(cè)及下端部側(cè)設(shè)置的上凸緣及下凸緣形成了H型的截面；上弧形缺口， 其通過(guò)在所述柱構(gòu)件側(cè)對(duì)所述梁腹的上端部進(jìn)行局部切口而形成；下弧形缺口，其通過(guò)在 所述柱構(gòu)件側(cè)對(duì)所述梁腹的下端部進(jìn)行局部切口而形成；上部完全熔透焊接部，其由形成 在所述柱構(gòu)件的側(cè)面與所述上凸緣的端面的對(duì)接位置的焊接金屬部構(gòu)成；下部完全熔透焊 接部，其由在所述柱構(gòu)件的側(cè)面與所述下凸緣的端面的對(duì)接位置無(wú)墊板地形成的架橋用底 層焊接部、及在該架橋用底層焊接部進(jìn)行坡口內(nèi)填充層疊而形成的焊接金屬部構(gòu)成；下部 堆焊部，其通過(guò)堆焊而從所述下弧形缺口的與所述下凸緣抵接的下弧形缺口底向所述柱構(gòu) 件側(cè)、所述柱構(gòu)件的相反側(cè)及所述梁腹的厚度方向的兩側(cè)形成。
[0028] 另外，所述的柱梁焊接接頭是，在所述下部完全熔透焊接部中，與所述架橋用底層 焊接部接合的所述焊接金屬部的頂點(diǎn)部設(shè)置在所述下弧形缺口側(cè)，所述下部堆焊部的向所 述梁腹側(cè)的焊腳長(zhǎng)（La)為所述梁腹的厚度（Tw)以上的長(zhǎng)度，且所述下部堆焊部的向所述 下凸緣側(cè)的焊腳長(zhǎng)（Ld)為所述梁腹的厚度（Tw)以上的長(zhǎng)度，所述下部堆焊部的從所述下 弧形缺口底向所述柱構(gòu)件側(cè)的長(zhǎng)度（Lc)為超過(guò)所述焊接金屬部的頂點(diǎn)部的長(zhǎng)度，且所述 下部堆焊部的從所述下弧形缺口底向所述柱構(gòu)件的相反側(cè)的長(zhǎng)度（Lb)為所述梁腹的厚度 (Tw)的3倍以上的長(zhǎng)度。
[0029] 此外，所述的柱梁焊接接頭是，在所述下部完全熔透焊接部中，所述架橋用底層焊 接部設(shè)置在所述下弧形缺口側(cè)，所述下部堆焊部的向所述梁腹側(cè)的焊腳長(zhǎng)（La)為所述梁 腹的厚度（Tw)以上的長(zhǎng)度，且所述下部堆焊部的向所述下凸緣側(cè)的焊腳長(zhǎng)（Ld)為所述梁 腹的厚度（Tw)以上的長(zhǎng)度，所述下部堆焊部的從所述下弧形缺口底向所述柱構(gòu)件側(cè)的長(zhǎng) 度（Lc)為超過(guò)所述柱構(gòu)件的隔板端面的長(zhǎng)度，且所述下部堆焊部的從所述下弧形缺口底 向所述柱構(gòu)件的相反側(cè)的長(zhǎng)度（Lb)為所述梁腹的厚度（Tw)的3倍以上的長(zhǎng)度。
[0030] 根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的柱梁焊接接頭通過(guò)具備下部堆焊部，借助其形狀的作用， 使作用于下弧形缺口的應(yīng)力集中向周?chē)稚?。而且，柱梁焊接接頭若將已存建筑物構(gòu)成為 無(wú)墊板的形式，則在柱梁焊接接頭再加上下部堆焊部就能得到，因此修補(bǔ)容易且廉價(jià)。
[0031] 需要說(shuō)明的是，在增加對(duì)于向弧形缺口底的應(yīng)力的阻力這一點(diǎn)上，若僅僅是提高 以往的H型鋼梁構(gòu)件的凸緣的設(shè)計(jì)厚度，則具有一定程度效果。然而，由于作為梁構(gòu)件的成 本大幅增加的情況、完全熔透焊接部的厚度也增加而焊接材料的使用量增加導(dǎo)致效能下降 的情況、應(yīng)力分散效果完全不起作用因此在大的地震力作用時(shí)容易引起凸緣的脆性的破壞 的情況、以及無(wú)法應(yīng)用于建筑完或中途的建造物（已存建筑物）的情況，因而對(duì)本發(fā)明的柱 梁焊接接頭來(lái)說(shuō)不利。而且，本發(fā)明的柱梁焊接接頭至少使作用于下弧形缺口的應(yīng)力集中 分散，由此與以往的結(jié)構(gòu)相比耐震性能優(yōu)異。因此，本發(fā)明的柱梁焊接接頭的上凸緣側(cè)的結(jié) 構(gòu)可以通過(guò)墊板來(lái)形成焊接金屬部。但是，上凸緣側(cè)也優(yōu)選無(wú)墊板，通過(guò)架橋用底層焊接和 坡口內(nèi)填充層疊焊接來(lái)接合。此外，更優(yōu)選具備與架橋用底層焊接部局部或整面地重疊、將 1焊道以上向柱構(gòu)件的相反方向沿著凸緣面進(jìn)行底層堆焊而形成的底層堆焊部。
[0032] 另外，柱梁焊接接頭對(duì)于下部堆焊部的梁腹側(cè)的焊腳長(zhǎng)（La)及下凸緣側(cè)的焊腳 長(zhǎng)（Ld)，通過(guò)增加與梁腹的厚度（Tw)相同以上的角焊縫焊腳長(zhǎng)的壁厚，能夠提高對(duì)于上下 彎曲應(yīng)力的剛性而增大破壞阻力。
[0033] 此外，柱梁焊接接頭將下部堆焊部的向柱構(gòu)件側(cè)的長(zhǎng)度（Lc)在現(xiàn)場(chǎng)接合形式下 比焊接金屬部的頂點(diǎn)部向柱構(gòu)件側(cè)延長(zhǎng)，在工廠接合形式下延長(zhǎng)為覆蓋架橋用底層焊接部 并超過(guò)隔板端面的長(zhǎng)度，由此，不僅能夠減小接觸角來(lái)緩和應(yīng)力集中，而且利用下部完全熔 透焊接部的焊接金屬部的多余部及架橋用底層焊接部作為應(yīng)力緩和的有效厚度，提高應(yīng)力 集中部位的剛性而增大破壞阻力。
[0034]需要說(shuō)明的是，柱梁焊接接頭在超過(guò)焊接金屬部（現(xiàn)場(chǎng)接合形式的情況）或架橋 用底層焊接部（工廠接合形式的情況）而將下部堆焊部進(jìn)一步向柱構(gòu)件側(cè)延長(zhǎng)時(shí)，焊接金 屬部的多余部或架橋用底層焊接部的厚度未成為有效厚度，但是取而代之，通常比凸緣厚 更厚的隔板厚作為有效厚度發(fā)揮作用，接觸角也進(jìn)一步減小而應(yīng)力集中的緩和效果提高， 因此能夠充分抑制破壞。
[0035] 另外，柱梁焊接接頭將下部堆焊部的朝向柱構(gòu)件的相反側(cè)即梁構(gòu)件的長(zhǎng)度方向中 央的長(zhǎng)度（Lb)設(shè)為梁腹的厚度（Tw)的3倍以上的長(zhǎng)度，由此使應(yīng)力集中適度地分散，能夠 抑制在下部堆焊部和梁腹界面容易產(chǎn)生的龜裂的發(fā)生。
[0036] 此外，在所述柱梁焊接接頭中，具備與所述架橋用底層焊接部局部或整面地重疊、 將1焊道以上向所述柱構(gòu)件的相反方向沿著凸緣面進(jìn)行底層堆焊而形成的底層堆焊部。
[0037] 通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，柱梁焊接接頭中，距柱構(gòu)件遠(yuǎn)的一側(cè)的焊接金屬部的凸緣面處的 焊接止端部與底層堆焊部的距柱構(gòu)件遠(yuǎn)的一側(cè)的凸緣面處的焊接止端部的距離減小，作用 在焊接金屬部的焊接止端部和底層堆焊部的焊接止端部上的力矩的值成為接近的值，應(yīng)力 傳遞平衡在凸緣上表面及凸緣下表面處接近于上下均等，因此能夠進(jìn)一步改善耐震性。
[0038] 另外，還具備通過(guò)堆焊而從所述上弧形缺口的與所述上凸緣抵接的上弧形缺口底 向所述柱構(gòu)件側(cè)、所述柱構(gòu)件的相反側(cè)及所述梁腹的厚度方向的兩側(cè)形成的上部堆焊部。
[0039] 并且，所述上部堆焊部的向所述梁腹側(cè)的焊腳長(zhǎng)（La)為所述梁腹的厚度（Tw)以 上的長(zhǎng)度，且所述上部堆焊部的向所述上凸緣側(cè)的焊腳長(zhǎng)（Ld)為所述梁腹的厚度（Tw)以 上的長(zhǎng)度，所述上部堆焊部的從所述上弧形缺口底向所述柱構(gòu)件側(cè)的長(zhǎng)度（Lc)為超過(guò)所 述柱構(gòu)件的隔板端面的長(zhǎng)度，且所述上部堆焊部的從所述上弧形缺口底向所述柱構(gòu)件的相 反側(cè)的長(zhǎng)度（Lb)為所述梁腹的厚度（Tw)的3倍以上的長(zhǎng)度。
[0040] 此外，具備與形成在所述柱構(gòu)件的側(cè)面和所述上凸緣的端面之間的架橋用底層焊 接部局部或整面地重疊、將1焊道以上向所述柱構(gòu)件的相反方向沿著凸緣面進(jìn)行底層堆焊 而形成的底層堆焊部。
[0041] 根據(jù)所述結(jié)構(gòu)，柱梁焊接接頭還具備上部堆焊部，該上部堆焊部的焊腳長(zhǎng)、向柱構(gòu) 件側(cè)的長(zhǎng)度及向柱構(gòu)件的相反側(cè)的長(zhǎng)度為規(guī)定范圍，由此能夠使上弧形缺口處的應(yīng)力集中 向周?chē)稚?，并且能夠提高?yīng)力集中部位的剛性而增大破壞阻力。
[0042] 而且，柱梁焊接接頭具備：柱構(gòu)件；梁構(gòu)件，其通過(guò)梁腹和在該梁腹的上端部側(cè)及 下端部側(cè)設(shè)置的上凸緣及下凸緣形成了H型