销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种销接合形式的结构件，也就是由轴力管以及加劲管构成的双重钢管屈曲限制结构件在压缩轴力下体现稳定的反应的双重钢管制结构件。本发明中，将加劲管(2)的相对于加强体的间隙确保成在因轴力作用于轴力管(1)而使得加强体(4)相对于轴力管(1)的轴线倾斜时，加强体的U形夹相反侧端(4b)的加劲管内面接触力和U形夹侧端(4a)的加劲管内面接触力的比(Pc2/Pc1)成为0.40至0.65。此外，将加劲管(2)和加强体重合的长度确保在加强体的重合部中的外径的至少1.1倍。
【专利说明】销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件
【技术领域】
[0001] 本发明涉及销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，详细地说，涉及在将销支 撑形式的U形夹装备在成为双重管结构的钢制结构件的轴力管两端部，由成为内管的轴力 管和覆盖它并发挥弯曲抗力的成为外管的加劲管构成的双重管结构件、由成为外管的轴力 管和被它覆盖并发挥弯曲抗力的成为内管的加劲管构成的双重管结构件中，为了特别对轴 力管端部进行加强，谋求提高作为结构件的屈曲承载力而安装的加强体。
【背景技术】
[0002] 长条的结构件有能够使力矩不作用于各端支撑结构部的销接合式和力矩作用于 支撑结构部的固定接合式。后者原则上在材端的挠曲角为〇,但是，在前者中，不存在挠曲角 为0的情况。这在由轴力管和覆盖它的加劲管构成的双重钢管制结构件的情况的内管，由 轴力管和被内包于它的加劲管构成的双重钢管制结构件的情况的外管中，也同样。日本特 开平4-149345号公报记载了后者的例。
[0003] 然而，在欲能够限制弯曲屈曲的双重钢管制结构件中，存在不会在压缩轴力下屈 曲，体现稳定的反应的课题。为了实现它，钢结构屈曲设计方针中规定了若干个条件，其中 之一有"防止部件端部的损伤"。以制止该现象为目的，采用下面说明的管头式的加强体、心 轴式的加强体。
[0004] 以双重钢管制结构件例如作为斜柱被导入柱梁的构架的情况为例。因地震等而受 到了横向力的构架的左右的柱向相同方向倾斜，上下的梁相对地横向偏移。变成平行四边 形的构架因回摆而成为倒倾斜的平行四边形。压缩?拉伸的轴力交替地作用于其间的斜 柱，在斜柱为双重管的情况下，受到该轴力的是轴力管，谋求防止脱落的加劲管仅任意一个 部位被固定，担心轴力不会波及。为了使之相对于轴力管的屈曲作为弯曲抗力管发挥功能， 有必要使加劲管维持成笔直。
[0005] 从这种情况可知，虽然在使用了十字接头等的两端固定支撑的双重管（例如，日 本特开2007-186894)中，不存在轴力管的端部的轴线与加劲管的端部的轴线交叉的情况， 但是，在销支撑结构中，轴力管端部的轴线与加劲管的端部的轴线交叉。以加劲管为外管的 情况的例子进行说明，若变形进展，则轴力管端部与加劲管的内面接触。若轴力管和加劲管 的间隙小，则轴力管端部在呈现略微弯曲的时刻与加劲管内面抵接，随着弯曲变大，轴力管 端部因来自加劲管的反作用力而不得不变形，或者加劲管因来自轴力管端部的推压而不得 不变形。
[0006] 顺带一句，为了能够将双重管销接合，如日本特开平11-193639号公报那样，采用 U形夹接头，若将各U形夹做成左右反向螺纹，旋装在管头，则能够与销之间的距离相应地 微调节轴力管的长度，即，U形钩环之间的距离。另外，若使之过度旋转，则还能够预拉伸。
[0007] 虽然作为加劲管采用压制了轴力管的弯曲那样的钢管，但是，轴力管在受到加劲 管的好处以前，存在在其端部损伤的情况。从防止这种情况，压制结构件的变形的观点出 发，在轴力管端部安装为实施加强的管状的加强体。在加劲管作为内管的情况下，在轴力 管的端部管头的U形夹相反侧设置被嵌插在加劲管的端部开口的心轴，由该心轴形成加强 体。
[0008] 无论是被安装在加劲管为外管的情况下的内管端的加强体（例如，参见日本特开 平8-68110号公报），还是被安装在加劲管为内管的情况下的外管端的加强体（参见日本特 开平6-93654号公报），加强管和加劲管的间隙、心轴和加劲管的间隙的各自的尺寸必须被 确保到至少能够将带加强管的内管插入外管或能够将心轴插入内管的程度。
[0009] 另一方面，若该间隙过大，则不受轴力管呈现弯曲的影响，在没有接触的时刻，加 劲管不能发挥作为弯曲抗力管的功能。另外，虽然不存在加强管、心轴越过得长的情况， 但是，必须考虑导致结构件的过剩的重量增加，若过短，则由加劲管产生的屈曲限制效果减 弱。
[0010] 在先技术文献
[0011] 专利文献
[0012] 专利文献1 :日本特开平4-149345号公报
[0013] 专利文献2 :日本特开2007-186894
[0014] 专利文献3 :日本特开平11-193639号公报
[0015] 专利文献4 :日本特开平8-68110号公报
[0016] 专利文献5 :日本特开平6-93654号公报
[0017] 由于这样的情况，虽然加劲管是为相对于加强体留有适度的间隙进行覆盖的部 件，但是，轴力管不仅受到压缩轴力而收缩，还在其压缩力变大时，引起屈曲，加强体使加劲 管的开口部位扩径或产生龟裂。由加劲管产生的弯曲抗力作用急剧低下，若加强体的旋转 角度变大，即，相对于轴力管的倾角变大，则加劲管已经不作为屈曲限制体发挥功能。
[0018] 另外，不管是加强体是作为管头的加强管，还是与管头相连的心轴，到目前为止， 还等同于没有针对它和加劲管的间隙、加强体的长度的定量的研宄，只不过是根据经验、直 觉适宜选择。结果为，不得不限定在低承载力值设定，或者不得不允许导入预测了安全的过 大的尺寸。因为没有达到掌握轴力管屈曲限制时的加强体的反应，希望创造使以精度高的 分析等为基础的提高了可靠性的结构件设计成为可能的避免断颈基准。
[0019] 本发明是鉴于上述的问题作出的发明，其目的是提供一种销接合形式的结构件， 也就是通过由轴力管以及加劲管构成的双重钢管屈曲限制结构件在压缩轴力下不会屈曲 或限定在微小，能够超过轴力管的屈服承载力，作为结构件体现稳定的反应的销接合形式 的限制双重钢管屈曲的结构件。
【发明内容】
[0020] 应用于双重钢管制长条结构件，所述双重钢管制长条结构件具备同心状地安装了 抑制轴压缩力发挥作用时的部件端变形的加强体的轴力管；和与该轴力管形成双重管，且 为了制止轴力管的弯曲的增大而也外嵌于加强体，可在轴方向相对位移的加劲管，在轴力 管的两端部装备销支撑形式的U形夹。其特征在于，参见图1，加劲管2的相对于加强体4 的间隙e k被确保成在因轴力作用于轴力管1而使得加强体4相对于轴力管1的轴线倾斜 时，加强体的U形夹相反侧端4b的加劲管内面接触力P c^P U形夹侧端4a的加劲管内面接 触力Pel的比（P d/Pj为〇. 40至0. 65。而且，加劲管2和加强体4重合的长度Lin被确保 为加强体的重合部外径的至少I. 1倍。
[0021] 加强体是被安装在双重管中的内管上的厚壁圆筒状的作为管头7L的加强管4,加 劲管2作为包覆该加强管4的薄壁圆筒的外管。
[0022] 参见图7,也能够是加强体是在被安装在双重管中的外管上的厚壁圆筒体的管头 11的U形夹相反侧向轴方向突出的小径的心轴12，加劲管2也可以是将包覆该心轴的圆筒 13作为内管的结构件。
[0023] 轴力管1的外径是100至500毫米，加劲管2和加强体重合的长度为加强体的重合 部中的外径的1. 2至1. 6倍。加劲管2和加强体重合的部位中的加劲管2的相对于加强体 的间隙和该加强体中的重合部的长度的比（ek/L in)在轴力管1是普通钢的情况下，为0.01 至0.02。在轴力管1是低屈服点钢的情况下，为0.005至0.01。另外，如图8所示，也可以 在加劲管2上，在至少与加强体4重合的部位形成厚壁部14。
[0024] 发明效果
[0025] 根据本发明，因为加劲管的相对于加强体的间隙被确保成在加强体相对于轴力管 倾斜时，加强体的U形夹相反侧端的加劲管内面接触力和U形夹侧端的加劲管内面接触力 的比为0. 40至0. 65,加劲管和加强体重合的长度被确保为加强体的重合部外径的至少I. 1 倍，所以，能够使双重钢管制结构件的设计用轴力超过轴力管的屈服轴力的L 3倍。
[0026] 在加强体作为被安装在双重管中的内管的厚壁圆筒状的管头的情况下，加劲管能 够作为包覆其管头的薄壁圆筒的外管。或者，在加强体作为在被安装在双重管中的外管上 的厚壁圆筒体的管头的U形夹相反侧向轴方向突出的小径的心轴的情况下，加劲管只要作 为包覆其心轴的薄壁圆筒的内管即可。
[0027] 若轴力管的外径为100至500毫米，加劲管和加强体重合的长度为加强体的重合 部中的外径的1. 2至1. 6倍，则还能够使加强体的提前倾斜消失，且谋求避免导致重量增加 的长尺寸化。
[0028] 若使加劲管和加强体重合了的部位中的加劲管的相对于加强体的间隙和该加强 体中的重合部的长度的比（e k/Lin)为0. 01至0. 02,则能够将它应用在普通钢制轴力管。若 为0. 005至0. 01，则能够应用在低屈服点钢制轴力管。
[0029] 若在加劲管上，在至少与加强体重合的部位设置厚壁部，则由加劲管产生的加劲 效果进一步增强。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是应用本发明的双重钢管制结构件的一例的主要部分，也就是加强管的U形 夹侧端的加劲管内面接触力以及U形夹相反侧端的加劲管内面接触力的作用说明图。
[0031] 图2是将在加劲管内加强管断颈的反应夸张了的说明图。
[0032] 图3是以双重管中的加强管长度、间隙的大小为基础的变形的定性的说明图。
[0033] 图4是表示针对修正贯入比的无纲量化最大轴力的计算结果的座标图。
[0034] 图5是表示双重钢管制结构件的设计用轴力超过轴力管的屈服轴力的L 3倍的计 算例。
[0035] 图6是轴力管外径相对于加强管外径不同的例中的结构图。
[0036] 图7是内管成为加劲管的例的双重钢管制结构件的内部结构图及其变形状态说 明图。
[0037] 图8是开口部，即，与加强体重叠部中的加劲管的加强形态说明图。
【具体实施方式】
[0038] 下面，根据附图，详细说明有关本发明的销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构 件。作为应用例的结构件如将长度夸张地描绘得短的图2的（a)所示，由作为内管的轴力 管1和作为外管的加劲管2构成，成为销接合形式的双重管3。
[0039] 详细地进行阐述，在轴力管1的一端部同心状地安装在压缩的轴力发挥作用时抑 制屈曲的加强管4。加劲管2是通过沿轴方向覆盖加强管4来制止轴力管1的弯曲增大的 部件，相对于加强管4可向轴方向相对位移地被外嵌。轴力管1是薄壁的钢管，但是，加强 管4为厚壁，是与轴力管相比能够忽视变形的程度的强硬的部件。加劲管2是径厚比比较 大，容易轻型化的薄壁的钢管。
[0040] 在轴力管1的两端装备具备销支撑形式的接合用钩环5的U形夹6。各U形夹像 左旋螺纹、右旋螺纹这样以反向螺纹结构旋装在各自的管头7L、7R，能够与构架侧的销孔间 隔相应地对U形钩环之间的距离螺丝扣性地进行微调节。上述的加劲管2仅仅由环状焊 珠8焊接在右侧的管头7R的外周，不存在被导入轴力的情况，因此，也不存在呈现弯曲的情 况。顺带一句，左侧的U形夹6L表示正视，右侧的U形夹6R表示俯视。符号9是支撑销。
[0041] 稍稍进行补充。加劲管2由于在管头7R通过焊接被固定，所以，在管头7L的一侧， 成为非限制状态。因此，若轴力发挥作用，则如图2(b)的左部所示，在没有将加劲管固定的 一侧提前产生局部屈曲。为了防止这种情况，上述的加强管4在该例中，兼作管头7L被导 入。
[0042] 这里，定性地评价双重管3的反应。在没有超过屈服轴力的压缩力作用于轴力管 1的期间，加劲管2中仅弹性地收缩，但是，若超过屈服轴力地发挥作用，则屈曲并弯曲成弓 形。由于变形或容易受到损伤的是部件端部，所以，以加强该部分为目的，上述的加强管4 通过溶接等被安装。因为加强管4采用刚性比轴力管1大的材料，所以，加强管基本不变 形。在受到超过屈服轴力的压缩力而变形成为加强管4和轴力管1的连接部10。若连接部 折曲，则如夸张地描绘弯曲的图2 (b)所示，加强管4倾斜。如图1所示，若加强管4的U形 夹侧端4a以及U形夹相反侧端4b与加劲管2的内面接触，则加劲管2暂时欲制止加强管 4的在此以上的倾斜、轴力管1的变形。
[0043] 参见图3,首先，着眼于中央的（a)。若加劲管2的内径H和加强管4的外径比的 差，即，间隙e k像（b)那样小，则（H^H)，提前发现由加劲管2产生的加劲作用，若像（c)、 (d)那样大，则OKH2)，由加劲管2产生的加劲作用不会产生或迟缓。另一方面，若加强管4 短（L 1OJ，则像（e)那样断颈容易变得严重，若像⑴那样长（IXL2)，则成为虽然具有在倾 角Θ比θ 4小的时刻，受到加劲作用，弯曲减轻的优点，但是，带来重量增加的加强管。顺 带一句，（g)表示加强管4的倾斜变大，带来加劲管2的端部扩径那样的变形的样子。
[0044] 然而，双重钢管制结构件的轴力管1、加劲管2采用其外径为100至500毫米，长度 为3, 500至5, 500毫米，壁厚为6至16毫米这样的程度的管。以这样的尺寸为前提，且使 加劲管2和加强管4的间隙为4至25毫米，以两端销支撑形式的双重管模型为对象，进行 FEM分析。虽然省略了细节，但是，调查了稳定地发挥双重钢管制结构件的设计用轴力超过 轴力管的屈服轴力的I. 3倍的承载力的条件。
[0045] 返回到图1，得到将产生加强体4的U形夹相反侧端4b的加劲管内面接触力Pc2和 U形夹侧端4a的加劲管内面接触力Pel的比（=P e2/Pel)被纳入0· 40至0· 65的值的接触 力平衡的间隙ek给予加劲管2和加强管4之间是重要的这样的知识。若加强管4和加劲管 2的重叠长，S卩，加强管4的相对于加劲管2的贯入量L in过大，则P。2的相对于P ^的比例低 下。可以认为若匕比？。2大，则外管（加劲管）的端部变形严重，例如，在PcVP ca= 0.6等 时，接触面积扩大，有助于承载力提高。此时，发现贯入量Lin被确保在加强管4的重合部外 径（在加强管整体的外径相同的情况下，单单为外径，虽未图示出，在加强管的一部分处于 加劲管外，其外径比重合部的径大时，指加强管的重合部的外径）的至少1. 1倍也是重要条 件。
[0046] 根据进一步的分析，充分地判明了若贯入量Lin为加强管外径的1. 2倍，则就双重 钢管制结构件的承载力而言，实现了超过轴力管1的屈服轴力的1. 3倍。另一方面，查明作 为上限是1.6倍。据此，避免无用地采用长、重的加强管。顺带一句，若使加劲管2和加强 管4重合的部位中的加劲管2的相对于加强管4的间隙e k和加强管4中的重合部的长度 的比（ek/Lin)在轴力管是普通钢的情况下，为0· 01至0· 02,则进一步成为承载力的增强为 万无一失的双重钢管制结构件，若在轴力管是低屈服点钢的情况下，为0. 005至0. 01，则承 载力的增强效果明显。
[0047] 换言之，在是普通钢的情况下，给予能够得到0. 57至1. 15度的加强管的倾角Θ 那样的间隙ek，在是低屈服点钢的情况下，给予能够得到0. 29至0. 57度的倾角那样的间 隙ek。在前者的情况下，若贯入量Lin为250毫米，则为2.5至5.0毫米。若用于将内管插 通到外管的操作上的必要的间隙为4毫米，则进行在4至5毫米的范围的选定。由于若贯 入量L in为350毫米，则为3. 5至7. 0毫米，所以，进行4至7毫米的选定。另外，能够掌握 由于低屈服点钢的情况下的ek/Lin为在普通钢的情况下的大致一半，使得屈曲容易严重，所 以，加劲作用的产生提早。
[0048] 任意的范围都没有成为若脱离了它，则加强管4的U形夹相反侧端的加劲管内面 接触力和U形夹侧端的加劲管内面接触力的比满足0· 40至0· 65的范围，因此，双重管结构 件的设计用轴力超过轴力管的屈服轴力的1. 3倍的承载力没有被稳定地发挥。
[0049] 根据分析，虽然求出了贯入比（贯入量除以加强管的外径的值：Lin/Dj和无纲量 化最大轴力（双重管的屈曲界限强度除以内管的屈服轴力的值：N/Ny)的计算结果，但是， 因为其中残留有尺寸的影响，所以，通过导入贯入比乘以了截面积比（外管的断面积除以 内管的截面积的值^/A 1)的"修正贯入量"的概念，使相关性好，它表示在图4。据此，无纲 量化最大轴力如下面的式（1)所示。另外，座标图中的No. 1、No. 2等的表示是作为计算对 象的双重管样本的号码。
[0050] [数 1]
[0051]
【权利要求】
1. 一种销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，是双重钢管制长条结构件，所述双 重钢管制长条结构件具备同心状地安装了抑制轴压缩力发挥作用时的部件端变形的加强 体的轴力管；和与该轴力管形成双重管，且为了制止轴力管的弯曲的增大而也外嵌于前述 加强体，可在轴方向相对位移的加劲管，在前述轴力管的两端部装备销支撑形式的U形夹， 其特征在于， 加劲管的相对于加强体的间隙被确保成在因轴力作用于轴力管而使得前述加强体相 对于轴力管倾斜时，加强体的U形夹相反侧端的加劲管内面接触力和U形夹侧端的加劲管 内面接触力的比为〇? 40至0? 65， 前述加劲管和加强体重合的长度被确保为加强体的重合部外径的至少1. 1倍。
2. 如权利要求1所述的销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，其特征在于，前述 加强体是被安装在双重管中的内管上的厚壁圆筒状的作为管头的加强管，前述加劲管是包 覆该加强管的薄壁圆筒的外管。
3. 如权利要求1所述的销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，其特征在于，前述 加强体是在被安装在双重管中的外管上的厚壁圆筒体的管头的U形夹相反侧向轴方向突 出的小径的心轴，前述加劲管是包覆该心轴的薄壁圆筒的内管。
4. 如权利要求1至3中的任一项所述的销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，其 特征在于，前述轴力管的外径为100至500毫米，前述加劲管和加强体重合的长度为加强体 的重合部中的外径的1. 2至1. 6倍。
5. 如权利要求1至3中的任一项所述的销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，其 特征在于，前述轴力管的外径为100至500毫米，前述加劲管和加强体重合的部位中的加劲 管的相对于加强体的间隙和该加强体中的重合部的长度的比在轴力管是普通钢的情况下， 为 0. 01 至 0. 02。
6. 如权利要求1至3中的任一项所述的销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，其 特征在于，前述轴力管的外径为100至500毫米，前述加劲管和加强体重合的部位中的加劲 管的相对于加强体的间隙和该加强体中的重合部的长度的比在轴力管是低屈服点钢的情 况下，为0.005至0.01。
7. 如权利要求1至6中的任一项所述的销接合形式的限制双重钢管屈曲的结构件，其 特征在于，在前述加劲管上，至少在与前述加强体重合的部位设置厚壁部。
【文档编号】E04B1/24GK104508216SQ201380029091
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2012年7月30日
【发明者】宫川和明, 喜多村亘, 木下智裕, 石井匠 申请人:Jfe土木株式会社, 杰富意钢铁株式会社