柱梁焊接接头及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑结构物的柱梁焊接接头及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 大楼等建筑结构物的结构材料使用混凝土、钢。并且，作为建筑结构物的结构样 式，柱构件使用方形或圆形的钢管、梁构件使用H型钢，并通过焊接或螺栓将柱构件与梁构 件的正交部牢固地接合的钢筋刚架结构形式最多地普及。
[0003] 在例如日本那样的地震国家中，建筑结构物的耐震性能的提高为大的问题，阪神 淡路大地震灾害中可见的摇晃引起的结构坍塌是为了保护人命而最需避免的现象。因此， 为了提高耐震性能，进行了各种研究，可列举吸收地震能量的制震?免震缓冲材料的采用、 具有高冲击吸收能量性能的柱?梁用钢材或梁端焊接用焊接材料的采用等（例如，参照专 利文献1)。
[0004] 另外，在利用正交部将柱构件与梁构件接合的样式中，已知作为不连续面的正交 接合部成为应力集中部位而容易提前破坏的情况。因此，也较多地研究了作为瓶颈的正交 接合部的耐震性能提高。
[0005] 如图32所示，在柱梁焊接接头100B中，作为用于向柱构件31A焊接接合梁构件2 的施工方法，通常是在梁构件2的梁腹3设置被称为弧形缺口 6、7的空孔的弧形缺口施工 方法。设置弧形缺口 6、7的目的是因为：将梁构件2的上下凸缘4、5与柱构件31A进行焊 接接合，形成由焊接金属部10和垫板US构成的上部完全熔透焊接部8A及下部完全熔透焊 接部9B时，在作业方面，梁腹3成为干扰，因此需要局部性地挖通梁腹3。然而，已知弧形 缺口 6、7成为最容易使耐震性能劣化的要因。并且，由于地震时作用的反复应力，弧形缺口 6、7与上下凸缘4、5、尤其是下凸缘5与弧形缺口 7的交界部所谓弧形缺口底成为最高的应 力集中部位，提前在下凸缘5产生龟裂，向梁构件2整体传播而导致坍塌。
[0006] 为了改善此问题而进行了多种研究。例如，进行了弧形缺口的形状改善。以前，是 弧形缺口底相对于凸缘呈直角地侵入的形状，但是为了缓和应力集中，目前采用的是被称 为复合圆型弧形缺口的在一定程度上减小接触角的形状。而且，也进行了弧形缺口形状的 进一步改良（参照非专利文献1)。然而，均无法得到太高的耐震性能提高效果。
[0007] 相对于此，作为不存在应力集中部位的理想的形态，不使用弧形缺口的所谓无弧 形缺口施工方法的采用不断进展（参照非专利文献1)。在通常的弧形缺口施工方法中，将 一张长条板作为垫板而安装于焊接部底，而在无弧形缺口施工方法中，是将窄短两张板夹 着梁腹而安装在两侧由此将梁腹保留的施工方法。然而，无弧形缺口施工方法存在仅能从 梁构件的外侧进行焊接的缺点。
[0008] 【在先技术文献】
[0009] 【专利文献】
[0010] 【专利文献1】日本专利第3199656号公报
[0011] 【非专利文献】
[0012]【非专利文献1】"钢筋施工技术指南?工厂制作篇"，2007年改订版，日本建筑学 会
[0013]【发明的概要】
[0014]【发明要解决的课题】
[0015]如图33所示，在将钢筋的柱梁接合作为局部性的组合体（柱梁焊接接头100B)而 在工厂内制造的被称为工厂接合形式的形态中，（1)将凸缘的一侧（上凸缘4)从梁构件2 外侧向下焊接于柱构件31A之后，（2)利用起重机等将组合体（柱梁焊接接头100B)上下翻 转，（3)能够将相反侧的凸缘（下凸缘5)同样地从梁构件2的外侧向下焊接于柱构件31A。 因此，如图36所示，两凸缘4、5的接合形态隔着梁腹3的中央线成为上下对称。具体而言， 在作为上凸缘4的焊接接合部的上部完全熔透焊接部8A、作为下凸缘5的焊接接合部的下 部完全熔透焊接部9B中，两焊接部均成为垫板US接合于弧形缺口 6、7侧的方式。而且，如 图33所示，在该被称为工厂接合形式的形态中，能够利用无弧形缺口施工方法对两凸缘4、 5的焊接接合进行施工。
[0016]另一方面，与耐震性能提高的需要不同，钢筋对于成本下降的需要也较大。在工厂 中将柱构件与梁构件进行焊接接合而形成组合体（柱梁焊接接头）并利用卡车搬运在建筑 现场组装的工厂接合形式中，在现场还需要梁构件彼此的接合，接合作业费二遍事，而且， 由于占有体积大因此向卡车的装载量变少，从而成本容易上升。
[0017]因此，从成本减少目的出发，将大量的不带有梁构件的简单的柱构件装载于卡车， 在现场将柱构件和梁构件与螺栓接合相组合而进行总计1次焊接，由此得到柱梁焊接接头 的现场混用接合形式（以下，称为现场接合形式）的采用不断增加（参照非专利文献1)。 然而，在现场接合形式的情况下，无法进行柱梁焊接接头的上下翻转作业。因此，下侧的凸 缘的焊接只能从梁构件内侧以向下姿态进行焊接。以向上姿态从梁构件外侧进行焊接虽然 在原理上可行，但是坡口内的向上姿态焊接的视觉观察性差，焊接金属因重力而容易滴落， 因此效能极差，无法实用。如图34所示，在从梁构件2的内侧的向下焊接姿态下，如上述那 样梁腹3成为干扰，难以进行焊接。
[0018]由于以上的理由，在现场接合形式中，如图35所示，两凸缘4、5的接合形态隔着梁 构件2的中央线成为上下非对称的形态。具体而言，成为如下方式：在上部完全熔透焊接部 8A，垫板US接合于弧形缺口 6侧，在下部完全熔透焊接部9A，焊接金属部10接合于弧形缺 口 7侧。因此，在制造成本廉价的现场接合形式中，无法应用从梁构件外侧向下侧的凸缘进 行焊接的无弧形缺口施工方法，存在耐震性能差这样的问题。
[0019]另外，以往在柱梁焊接接头中，存在另一个问题。即，作为紧接着弧形缺口底的导 致柱-梁接合部的提前破坏的大的不良影响因子，是安装于对焊部的垫板的问题。在柱梁 焊接接头中，安装垫板的理由如下所述。
[0020] 在柱梁焊接接头中，通常将坡口的最狭窄间隔称为焊缝根部间隙，但是当焊缝根 部间隙为零时，产生熔透残留而整个截面未熔融，即产生无法进行完全熔透的情况。而且， 原本因应变等而焊缝根部间隙不可避免地发生的情况也无法避免。因此，在大部分的对焊 的情况下，设置焊缝根部间隙地进行焊接。在该焊缝根部间隙的焊接中，在焊接时熔化的铁 容易熔落，因此要求高的技能。作为用于将其避免的手段，经常使用如下的焊接手法：将坡 口设为V型或 >型，在作为最深部的焊缝根部间隙预设钢制的垫板，在坡口内的焊接时，与 母材钢板一起地进行一体接合。在该焊接手法中，能够将作为焊接部位的钢板在一侧、大部 分的情况是向下完全焊接，具有高效率的优点。
[0021] 然而，该安装垫板的方案作为接合部品质而存在较大的缺点。例如图37所示，将 板厚不同的钢板A、B对接，在板厚较薄的钢板B侧设置向铅垂上侧开口的 > 型坡口，而且使 垫板US抵碰于底部地进行焊接。钢板A与钢板B在整个截面处被焊接，能确保作为接头的 静态的拉伸强度。然而，在此，钢板A被固定，在钢板B受到作为地震应力的弯曲方向或轴 向的相当于周期性的变动的力f时，应力集中施加于板厚不连续的焊接部，有时会引起脆 性的破坏。
[0022] 正如广为周知那样，在柱梁焊接接头中，不连续部点的角度越小，应力集中越大， 容易导致破坏。在图37的情况下，垫板US被焊接的端部即B1或B2呈所谓切口（也称为缺 口）状，相对于平滑地与母材相接的F点，成为非常大的应力集中部位。因此，在柱梁焊接 接头中，从B1或B2地点如箭头所示那样产生龟裂，以贯通钢板B或对焊金属的方式进展， 从而达到断裂。因此，使用垫板US的焊接方法的耐震性容易劣化，难以称之为优异的接头 品质。
[0023] 如以上叙述那样，在以往的柱梁接合接头中，存在（1)弧形缺口底和（2)垫板这样 的两个较大的应力集中部位，仅是其中一方的改善的话，无法估计到较大的耐震性提高。因 此要求能够改善双方的问题的新的柱梁焊接接头、焊接施工方法。
【发明内容】
[0024] 因此，本发明为了解决这样的问题而创立，其课题在于提供一种无论是现场形式， 还是工厂形式，都为容易且廉价的作业且耐震性能优异的柱梁焊接接头及其制造方法。 [0025]【用于解决课题的方案】
[0026] 本发明者们研究了以有弧形缺口为前提的耐震性能提高法，完成了本发明。弧形 缺口的问题归结于弧形缺口底的应力集中及相接的梁构件的凸缘厚的板厚薄且刚性低。因 此，通过对弧形缺口底周围施加适当管理的堆焊，解决了所述课题。
[0027]S卩，解决所述课题的本发明的柱梁焊接接头具备：柱构件；梁构件，其通过梁腹和 在该梁腹的上端部侧及下端部侧设置的上凸缘及下凸缘形成了H型的截面；上弧形缺口， 其通过在所述柱构件侧对所述梁腹的上端部进行局部切口而形成；下弧形缺口，其通过在 所述柱构件侧对所述梁腹的下端部进行局部切口而形成；上部完全熔透焊接部，其由形成 在所述柱构件的侧面与所述上凸缘的端面的对接位置的焊接金属部构成；下部完全熔透焊 接部，其由在所述柱构件的侧面与所述下凸缘的端面的对接位置无垫板地形成的架桥用底 层焊接部、及在该架桥用底层焊接部进行坡口内填充层叠而形成的焊接金属部构成；下部 堆焊部，其通过堆焊而从所述下弧形缺口的与所述下凸缘抵接的下弧形缺口底向所述柱构 件侧、所述柱构件的相反侧及所述梁腹的厚度方向的两侧形成。
[0028] 另外，所述的柱梁焊接接头是，在所述下部完全熔透焊接部中，与所述架桥用底层 焊接部接合的所述焊接金属部的顶点部设置在所述下弧形缺口侧，所述下部堆焊部的向所 述梁腹侧的焊脚长（La)为所述梁腹的厚度（Tw)以上的长度，且所述下部堆焊部的向所述 下凸缘侧的焊脚长（Ld)为所述梁腹的厚度（Tw)以上的长度，所述下部堆焊部的从所述下 弧形缺口底向所述柱构件侧的长度（Lc)为超过所述焊接金属部的顶点部的长度，且所述 下部堆焊部的从所述下弧形缺口底向所述柱构件的相反侧的长度（Lb)为所述梁腹的厚度 (Tw)的3倍以上的长度。
[0029] 此外，所述的柱梁焊接接头是，在所述下部完全熔透焊接部中，所述架桥用底层焊 接部设置在所述下弧形缺口侧，所述下部堆焊部的向所述梁腹侧的焊脚长（La)为所述梁 腹的厚度（Tw)以上的长度，且所述下部堆焊部的向所述下凸缘侧的焊脚长（Ld)为所述梁 腹的厚度（Tw)以上的长度，所述下部堆焊部的从所述下弧形缺口底向所述柱构件侧的长 度（Lc)为超过所述柱构件的隔板端面的长度，且所述下部堆焊部的从所述下弧形缺口底 向所述柱构件的相反侧的长度（Lb)为所述梁腹的厚度（Tw)的3倍以上的长度。
[0030] 根据所述结构，本发明的柱梁焊接接头通过具备下部堆焊部，借助其形状的作用， 使作用于下弧形缺口的应力集中向周围分散。而且，柱梁焊接接头若将已存建筑物构成为 无垫板的形式，则在柱梁焊接接头再加上下部堆焊部就能得到，因此修补容易且廉价。
[0031] 需要说明的是，在增加对于向弧形缺口底的应力的阻力这一点上，若仅仅是提高 以往的H型钢梁构件的凸缘的设计厚度，则具有一定程度效果。然而，由于作为梁构件的成 本大幅增加的情况、完全熔透焊接部的厚度也增加而焊接材料的使用量增加导致效能下降 的情况、应力分散效果完全不起作用因此在大的地震力作用时容易引起凸缘的脆性的破坏 的情况、以及无法应用于建筑完或中途的建造物（已存建筑物）的情况，因而对本发明的柱 梁焊接接头来说不利。而且，本发明的柱梁焊接接头至少使作用于下弧形缺口的应力集中 分散，由此与以往的结构相比耐震性能优异。因此，本发明的柱梁焊接接头的上凸缘侧的结 构可以通过垫板来形成焊接金属部。但是，上凸缘侧也优选无垫板，通过架桥用底层焊接和 坡口内填充层叠焊接来接合。此外，更优选具备与架桥用底层焊接部局部或整面地重叠、将 1焊道以上向柱构件的相反方向沿着凸缘面进行底层堆焊而形成的底层堆焊部。
[0032] 另外，柱梁焊接接头对于下部堆焊部的梁腹侧的焊脚长（La)及下凸缘侧的焊脚 长（Ld)，通过增加与梁腹的厚度（Tw)相同以上的角焊缝焊脚长的壁厚，能够提高对于上下 弯曲应力的刚性而增大破坏阻力。
[0033] 此外，柱梁焊接接头将下部堆焊部的向柱构件侧的长度（Lc)在现场接合形式下 比焊接金属部的顶点部向柱构件侧延长，在工厂接合形式下延长为覆盖架桥用底层焊接部 并超过隔板端面的长度，由此，不仅能够减小接触角来缓和应力集中，而且利用下部完全熔 透焊接部的焊接金属部的多余部及架桥用底层焊接部作为应力缓和的有效厚度，提高应力 集中部位的刚性而增大破坏阻力。
[0034]需要说明的是，柱梁焊接接头在超过焊接金属部（现场接合形式的情况）或架桥 用底层焊接部（工厂接合形式的情况）而将下部堆焊部进一步向柱构件侧延长时，焊接金 属部的多余部或架桥用底层焊接部的厚度未成为有效厚度，但是取而代之，通常比凸缘厚 更厚的隔板厚作为有效厚度发挥作用，接触角也进一步减小而应力集中的缓和效果提高， 因此能够充分抑制破坏。
[0035] 另外，柱梁焊接接头将下部堆焊部的朝向柱构件的相反侧即梁构件的长度方向中 央的长度（Lb)设为梁腹的厚度（Tw)的3倍以上的长度，由此使应力集中适度地分散，能够 抑制在下部堆焊部和梁腹界面容易产生的龟裂的发生。
[0036] 此外，在所述柱梁焊接接头中，具备与所述架桥用底层焊接部局部或整面地重叠、 将1焊道以上向所述柱构件的相反方向沿着凸缘面进行底层堆焊而形成的底层堆焊部。
[0037] 通过上述结构，柱梁焊接接头中，距柱构件远的一侧的焊接金属部的凸缘面处的 焊接止端部与底层堆焊部的距柱构件远的一侧的凸缘面处的焊接止端部的距离减小，作用 在焊接金属部的焊接止端部和底层堆焊部的焊接止端部上的力矩的值成为接近的值，应力 传递平衡在凸缘上表面及凸缘下表面处接近于上下均等，因此能够进一步改善耐震性。
[0038] 另外，还具备通过堆焊而从所述上弧形缺口的与所述上凸缘抵接的上弧形缺口底 向所述柱构件侧、所述柱构件的相反侧及所述梁腹的厚度方向的两侧形成的上部堆焊部。
[0039] 并且，所述上部堆焊部的向所述梁腹侧的焊脚长（La)为所述梁腹的厚度（Tw)以 上的长度，且所述上部堆焊部的向所述上凸缘侧的焊脚长（Ld)为所述梁腹的厚度（Tw)以 上的长度，所述上部堆焊部的从所述上弧形缺口底向所述柱构件侧的长度（Lc)为超过所 述柱构件的隔板端面的长度，且所述上部堆焊部的从所述上弧形缺口底向所述柱构件的相 反侧的长度（Lb)为所述梁腹的厚度（Tw)的3倍以上的长度。
[0040] 此外，具备与形成在所述柱构件的侧面和所述上凸缘的端面之间的架桥用底层焊 接部局部或整面地重叠、将1焊道以上向所述柱构件的相反方向沿着凸缘面进行底层堆焊 而形成的底层堆焊部。
[0041] 根据所述结构，柱梁焊接接头还具备上部堆焊部，该上部堆焊部的焊脚长、向柱构 件侧的长度及向柱构件的相反侧的长度为规定范围，由此能够使上弧形缺口处的应力集中 向周围分散，并且能够提高应力集中部位的刚性而增大破坏阻力。
[0042] 而且，柱梁焊接接头具备：柱构件；梁构件，其通过梁腹和在该梁腹的上端部侧及 下端部侧设置的上凸缘及下凸缘形成了H型