無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構的制作方法

專利名稱：無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及直接或者通過T形接合金屬件或接合板等的接合金屬件，使構成要求耐火性的鋼結構物的柱和梁構件或者梁構件彼此間進行高強度螺栓接合時應用的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構。另外，本發明中的所謂無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構包括無耐火保護層高強度螺栓摩擦接合部結構和無耐火保護層拉伸接合部結構兩者。
背景技術：
構成要求耐火性的鋼結構物的柱和梁構件等的鋼材，由于在火災時暴露在高溫下，強度降低，不能維持作為鋼結構物的充分的功能，所以歷來在鋼材自體上實施麻煩的耐火保護層，或者使用由耐火材料形成的保護結構，以便在高溫時保護鋼材。
但是，這樣對鋼材實施耐火保護層或者使用由耐火材料形成的鋼材保護結構將增大材料成本和施工成本。為此，近年開發了許多為了能夠在與火災時間相當的時間內提高高溫強度、以實現所謂無耐火保護層的鋼結構物作為主要目的的高溫強度優良的耐熱鋼，以便使這些由耐熱鋼構成的鋼材的高強度螺栓接合部能夠達到高溫強度的要求。
對于高強度螺栓和螺母，例如，在特開平2-247355號公報(權利要求1、表7和圖1)中，提出了通過添加Mo、在室溫下具有1000N/mm2以上的螺栓抗拉強度且在600℃以上的高溫強度優良的螺栓和螺母用鋼，但是高溫強度很難說已足夠，為了得到更高的高溫強度，必須添加Ni、V等高價的合金元素，因此也存在成本上升的問題。
在特開平5-51698號公報(權利要求2、表2)和特開平5-98389號公報(權利要求1和表2)中，公開了一種在室溫下具有1000N/mm2以上的螺栓抗拉強度、且在600℃具有400N/mm2以上的屈服強度的螺栓和螺母用鋼，但是必須添加Nb、W等特殊元素，因此也存在成本上升的問題。另外，高溫強度也很難說已足夠。
另一方面，在具有上述歷來公知的耐火性的高強度螺栓的場合，即使螺栓的抗拉強度有1100N/mm2左右，但是，盡管在屈服應力以下使用，也由于擔心在將螺栓擰緊而經過一段時間之后，螺栓會發生突然斷裂的“延遲斷裂現象”，因此存在不能把作為鋼結構物的重要的接合部件的螺栓放心使用的問題，并存在歷來的螺栓抗拉強度不能以1000N/mm2級作為上限的狀況。因此，必然會因螺栓的根數和接合金屬件的長度增加而更加需要降低成本和縮短工期。
在上述公知的文獻中公開的高強度螺栓和螺母都以合金元素的添加量作為特征，除了存在如果要提高耐火性，結果就要增加高價合金元素的添加量，導致原料成本上升的本質問題以外，還存在發生延遲斷裂現象的問題。
本發明的目的是提供一種能夠在解決延遲斷裂問題的同時，又可以謀求原料成本低、施工時間短，使用可以充分確保在650℃的高溫下的強度、不依賴于耐火材料保護層或由耐火材料形成的保護結構的超高強度螺栓的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構。

發明內容
為了解決上述課題，本發明以以下(1)～(5)作為要旨。
(1)一種具有柱和/或梁的鋼結構物的具有耐火性的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，該結構使用了在常溫下具有1200N/mm2以上的螺栓抗拉強度(TS)，并且在650℃下螺栓的剪切強度(bτt)滿足下述式(1)的耐火性優良的超高強度螺栓，bτt≥μ×No/(ν×bAs) (1)這里，bτt高溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτt=TSt/3]]>TSt高溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)
μ常溫時的滑動系數No設計的螺栓張力(N)ν相對于長期負荷的安全率bAs螺栓的軸部截面積(mm2)(2)上述(1)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，在上述高強度螺栓接合部結構中，常溫時的上述梁的長期允許剪切力(Qs)滿足下述式(2)，Qs≤{ns×bτ+(nf-ns)×bτt}×bAs (2)這里，Qs常溫時梁的長期允許剪切力(N)Qs＝fs×Abfs梁的長期允許剪切強度(N/mm2)Ab梁的截面積(mm2)ns梁的上翼緣側的樓板內的拉伸螺栓根數bτ常溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτ=TS/3]]>TS常溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)nf梁的上翼緣側的拉伸螺栓根數bτt高溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτt=TSt/3]]>TSt高溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)bAs螺栓的軸部截面積(mm2)。
(3)上述(1)或(2)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，上述高強度螺栓接合部結構用高強度螺栓、螺母、墊片組和接合金屬件構成，上述螺母和墊片是沒有規定耐火性能的一般結構用六角螺母和結構用高強度平面墊片。
(4)上述(1)或(2)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，上述高強度螺栓接合部結構用高強度螺栓、螺母、墊片組和接合金屬件構成，上述接合金屬件的一部分或全部由能夠保證高溫強度的鋼材形成。
(5)上述(1)或(2)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，在上述高強度螺栓接合部結構中使用的上述的柱和/或梁的一部分或全部由能夠保證高溫強度的鋼材形成。
(6)上述(1)或(2)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10％、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質組成、并且滿足下述式(3)、(4)式的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000) (4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mb/4)+(V/14)。
(7)上述(3)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10％、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質組成、并且滿足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850)(3)TS≤(550×Ceq+1000) (4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mb/4)+(V/14)。
(8)上述(4)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10％、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質組成、并且滿足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000) (4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
(9)上述(5)中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質組成、并且滿足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000)(4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mb/4)+(V/14)


圖1是表示本發明中作為接合對象的梁構件的高強度螺栓摩擦接合的結構例的立體說明圖。
圖2是表示本發明中作為接合對象的厚板構件的高強度螺栓摩擦接合的結構例的剖面說明圖。
圖3是表示本發明中作為接合對象的梁-T形接合金屬件的高強度螺栓摩擦接合部結構和柱-T形接合金屬件的高強度螺栓拉伸接合部結構的例子的部分立體說明圖。
圖4(a)是表示圖3的梁-T形接合金屬件的高強度螺栓摩擦接合部結構和柱-T形接合金屬件的高強度螺栓拉伸接合部結構的例子中的部分剖面說明圖。
圖4(b)是圖4(a)的部分俯視說明圖。
圖5是表示在梁-T形接合金屬件的高強度螺栓摩擦接合部結構和柱-T形接合金屬件的高強度螺栓拉伸接合部結構的例子中將樓板配置在梁上翼緣的上部的場合的部分剖面說明圖。
圖6是表示鋼材的回火溫度和抗拉強度(TS)和延遲斷裂有無關系的說明圖。
圖7是表示鋼材的碳當量(Ceq％)和抗拉強度(TS)與延遲斷裂有無關系的說明圖。
圖8是表示試驗溫度和螺栓的剪切強度( )的關系(使用M22螺栓時)的說明圖。
圖9是表示試驗溫度和螺栓的剪切強度( )的關系(使用M16螺栓時)的說明圖。
圖10是表示試驗溫度和螺栓的剪切強度( )的關系(使用M20螺栓時)的說明圖。
圖11是表示試驗溫度和螺栓的剪切強度( )的關系(使用M24螺栓時)的說明圖。
圖12(a)是表示配置樓板的柱-梁的高強度螺栓拉伸接合部結構例(樓板內的T形接合金屬件使用的螺栓為2根時)的部分剖面說明圖。
圖12(b)是圖12(a)的T形接合金屬件的側視說明圖。
圖12(c)是圖12(a)的俯視說明圖。
圖13(a)是表示配置樓板的柱-梁的高強度螺栓拉伸接合部結構例(樓板內的T形接合金屬件使用的螺栓為4根時)的部分剖面說明圖。
圖13(b)是圖13(a)的T形接合金屬件的側視說明圖。
圖13(c)是圖13(a)的俯視說明圖。
具體實施例方式
本發明是建筑要求耐火性的鋼架結構物的高強度螺栓接合部結構，即，它是一種在高強度螺栓摩擦接合部結構和高強度螺栓拉伸接合部結構中被應用的結構，該結構使用在常溫時和650℃的高溫時可以確保充分的強度(剪切強度)，沒有延遲斷裂問題的超高強度螺栓，螺栓的根數和接合金屬件的長度可以減少，因而在謀求降低螺栓接合部整體的成本和縮短施工時間的同時，可以實現不依賴于耐火材料保護層和由耐火材料形成的保護結構的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構。
作為高強度螺栓接合結構，有高強度螺栓摩擦接合部結構和高強度螺栓拉伸接合部結構，在日本建筑學會1973年制定、1993年重新規定的“高強度螺栓接合設計施工指南”中，在常溫時的長期和抗震設計中，要求分別獨立處理摩擦接合部、拉伸接合部而進行設計。因而，在本發明中也分別說明高溫時的高強度螺栓接合部結構，提供根據各接合部的耐火安全性驗證的考慮方法的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，即，提供無耐火保護層的高強度螺栓摩擦接合部結構和無耐火保護層的高強度螺栓拉伸接合部結構。
在本發明中，高強度螺栓摩擦接合部結構和高強度螺栓拉伸接合部結構的任一場合，都基本上使用常溫時具有1200N/mm2以上至1600N/mm2以下的螺栓抗拉強度、并且650℃下的剪切強度、即耐火性和耐延遲斷裂性優良的超高強度螺栓(包括扭轉(トルシア)形超高強度螺栓，以下稱為“超高強度螺栓”)，以實現被構成的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構。
作為實現本發明的耐火性優良的高強度螺栓用鋼材，例如可以使用由本申請人申請的在特開2002-276637號公報中公開的鋼材。該發明中公開的鋼材其特征是耐延遲斷裂特性優良，由于常溫時具有充分的強度和在650℃的高溫下具有充分的強度，所以作為用來實現本發明的無耐火保護層的高強度螺栓接合結構的耐火性優良的超高強度螺栓的原材料具有很好的適應性。
例如，將該鋼材軋制，制成線材，由該線材制成螺紋部例如是M22的高強度螺栓，進行淬火、回火，將螺栓的抗拉強度調整到1200～1600N/mm2的范圍內，從而可以得到本發明中使用的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓。作為該超高強度螺栓的形狀，為了緩和螺紋部的應力集中，其有效的方法是，按照上述特開2002-276637號公報的發明中公開的那樣，使螺紋部的牙根的形狀形成弧狀曲線。
另外，在本發明中使用的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓可以在全部的部位上使用，但由于使用部位要求的特性不同，所以應根據其要求的特性，嚴格選擇使用部位，以考慮減輕原材料成本的負擔。
在本發明的高強度螺栓接合部結構中，要求高強度螺栓的高溫強度、特別是剪切強度的水平要高，但由于火災時螺栓接合部轉換成承壓狀態時，使用的螺母和墊片沒有高強度螺栓那樣的剪切應力作用，所以沒有必要具有與高強度螺栓同樣的高溫強度，例如，即使用不規定耐火性能的一般結構用高強度六角螺母、結構用高強度平面墊片也能夠確保充分的高溫強度。
另外，在應用本發明的高強度螺栓接合部結構中使用的柱和梁構件、接合金屬件等構件，全部是在600℃以上具有充分的高溫強度的耐熱鋼材，例如，可以由NSFR400B、490B等形成，但由于使用部位要求的特性不同，所以應嚴格選擇用成本負擔大的、600℃以上具有充分的高溫強度的耐熱鋼材形成的部位，以考慮減輕原材料成本的負擔。
以下詳細地說明本發明。
1.高強度螺栓摩擦接合部結構的場合(1)高強度螺栓摩擦接合部結構的例子高強度螺栓摩擦接合是用高強度螺栓將接頭構件緊固，通過構件間產生的摩擦力來傳遞應力的接合方法。作為高強度螺栓摩擦接合部結構可以以下述例為代表，例如，如圖1所示，用高強度螺栓3通過外側接合板2a和內側接合板2b及側部接合板2c使H形梁構件1a和1b接合的高強度螺栓接合部結構，或者如圖2所示，用高強度螺栓3通過上側接合板2d和下側接合板2e象橫撐材那樣將厚板部件1d和1e接合的高強度螺栓接合部結構，或者如圖3所示，用高強度螺栓9使梁構件6與T形接合金屬件7接合的高強度螺栓接合部結構等。另外，如圖3所示，用高強度螺栓9使梁構件6與T形接合金屬件7接合、并用高強度螺栓8使T形接合金屬件7與柱構件5接合的接合部結構具有高強度螺栓摩擦接合部結構和高強度螺栓拉伸接合的結構，而用高強度螺栓8使T形接合金屬件7與柱構件5接合的接合部結構與后述的高強度螺栓拉伸接合部結構相當。
本發明的第一發明適用于這種高強度的螺栓摩擦接合部結構中。
(2)高強度螺栓摩擦接合部的耐火安全性驗證的考慮方法鋼架結構的高強度螺栓摩擦接合部，在由火災產生的高溫時，因螺栓3和梁構件(厚板構件)、接合板的松弛及縱彈性模量的降低，使導入的軸向力弛緩，并使滑動負荷降低。然而，由于火災時高強度螺栓接合部只要最終能夠支持長期負荷就行，所以耐火設計中的高強度螺栓接合部的安全評價并不需要以滑動耐受力而以支承耐受力(螺栓長期允許剪切強度)進行許價即可。
根據日本建筑學會1973年制定、1993年重新規定的“高強度螺栓接合設計施工指南”規定的各式(2.3)、(2.4)、表2.2、表2.3(相當于F10T(JISB 1186))考慮時，如果火災時的高強度螺栓接合部的高溫時的螺栓剪切強度bτt(N/mm2)滿足關系式(1)，就可以驗證摩擦接合部的耐火安全性。
bτt≥μ×No/(ν×bAs) (1)這里，bτt高溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτt=TSt/3]]>TSt高溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)μ常溫時的滑動系數No設計的螺栓拉力(N)ν相對于長期負荷的安全率bAs螺栓的軸部截面積(mm2)但是，設計的螺栓拉力(No)，例如，如果由上述日本建筑學會“高強度螺栓接合設計施工指南”，則用下式表示。
No＝0.675×TS×bAe這里，TS常溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)
bAe螺栓螺紋部的有效截面積(mm2)例如，滑動系數(μ)為0.45、而且相對于長期負荷的安全率(ν)為1.5的場合，式(1)可以直接如(1a)那樣表示。
bτt≥0.2025×TS×(bAe/bAs) (1a)此外，例如常溫時螺栓的抗拉強度(TS)為1400N/mm2、而且螺栓螺紋部的有效截面積/螺栓的軸部截面積(bAe/bAs)，在M16、M20、M24(JIS B 0123)時為0.816，在M22(JIS B 0123)時為0.832的場合，顯然，根據式(1a)，bτt只要在M16、M20、M24時滿足231N/mm2以上、在M22時滿足236N/mm2以上就行。
另外，本發明人發現，在高強度螺栓摩擦接合部的耐火設計中，由于用螺栓的長期允許剪切強度進行評價，所以對滑動負荷可能多少有一些影響，可是最終可以忽視螺母和墊片的高溫耐受力。因而，對于摩擦接合用的高強度螺栓接合部中使用的結構用高強度六角螺母、結構用高強度平面墊片就可以不要求賦予特別的耐火特性。
另外，柱、梁和接合金屬件使用基本上能夠保證高溫強度的，對于柱和梁，通過使其一部分實施耐火保護層，即便使用高溫強度小的材料形成，實際上也能夠形成沒有問題的接合部結構。
2.高強度螺栓拉伸接合部結構的場合(1)高強度螺栓拉伸接合部結構的例子高強度螺栓拉伸接合是傳遞高強度螺栓軸方向的應力的接合方法，與摩擦接合同樣，利用緊固高強度螺栓得到的材料間的壓縮力來傳遞應力。作為高強度螺栓拉伸接合部結構，可以以下述例為代表，例如，如圖3、圖4(a)、圖4(b)所示，用高強度螺栓8(以下，將使該T形金屬件與柱接合的高強度螺栓稱為拉伸螺栓8)通過T形接合金屬件7使梁(包括合成梁)6與柱5接合的接合部結構。另外，如圖3、圖4(a)、圖4(b)所示，T形接合金屬件7和梁6通過高強度螺栓9被高強度螺栓摩擦接合。
(2)高強度螺栓拉伸接合部的耐火安全性驗證的考慮方法高強度螺栓拉伸接合部在火災加熱時，因柱限制梁的熱膨脹，所以在拉伸接合部產生由梁導致的壓縮力，并且由于滑動負荷降低，所以必須用螺栓的支承(剪切)來支持長期負荷(梁的長期允許剪切力)。此時例如圖5所示，由于通常在梁6的上翼緣6a側存在樓板10，所以可以認為，樓板10內的高強度螺栓8a具有常溫時的螺栓的剪切強度，其余的高強度螺栓8具有高溫時的螺栓的剪切強度。另外，在上翼緣6a側通過樓板10內的高強度螺栓9a，在下翼緣6b側通過高強度螺栓9，使T形接合金屬件7和梁6形成高強度螺栓摩擦接合。另外，通常在樓板10內設有柱狀螺栓11，從而向梁6的上翼緣6a賦予防止樓板10斷裂的功能。
與此相反，在火災加熱后的冷卻過程中，因柱5限制梁6的收縮，所以在拉伸接合部產生由梁6產生的拉伸力，并且與火災加熱時同樣，由于滑動負荷降低，所以必須用螺栓的支承(剪切)來支持長期負荷(梁的長期允許剪切力)。此外，因由梁6的收縮產生的拉伸力作為附加軸向力而作用，所以可以設想，不能期待樓板10協力的梁6的下翼緣6b(和梁腹)的高強度螺栓8會象被拉成碎片那樣斷裂。可以認為，此時，梁6的上翼緣6a側的樓板10內的高強度螺栓8a具有常溫時的高強度螺栓的剪切強度，而梁6的上翼緣6a側的樓板10外的高強度螺栓8具有高溫時的高強度螺栓剪切強度。
綜上所述的結果是，高強度螺栓拉伸接合部由能夠支持長期負荷(梁的長期允許剪切力)的螺栓根數少的火災加熱后的冷卻過程決定耐火安全性。因此，在滿足關系式(1)后，如果選定使常溫時的梁的長期允許剪切力Qs(N)和常溫時的螺栓的剪切強度bτ(N/mm2)及高溫時的螺栓剪切強度bτt(N/mm2)滿足關系式(2)的、以常溫時的梁的長期允許剪切力Qs(N)作為上限的梁，就可以驗證拉伸接合部的耐火安全性。
Qs≤{ns×bτ+(nf-ns)×bτt}×bAs (2)這里，Qs常溫時梁的長期允許剪切力(N)Qs＝fs×Abfs梁的長期允許剪切強度(N/mm2)Ab梁的截面積(mm2)ns梁的上翼緣側的樓板內的拉伸螺栓根數
bτ常溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτ=TS/3]]>TS常溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)nf梁的上翼緣側的拉伸螺栓根數bτt高溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτt=TSt/3]]>TSt高溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)bAs螺栓的軸部截面積(mm2)例如，如圖5所示的高強度螺栓拉伸接合部，用M22螺栓構成，在650℃的高溫時的場合，當常溫時的螺栓的剪切強度(bτ)為815N/mm2，650℃的高溫時的螺栓的剪切強度(bτt)為238N/mm2，梁6的上翼緣6a側的拉伸螺栓8的根數(nf)例如為4根，梁的上翼緣6a側的樓板10內的拉伸螺栓8a的根數(ns)例如為2根，螺栓的軸部截面積(bAs)為380mm2時，顯然，根據式(2)，常溫時的梁的長期允許剪切力Qs可以選定為800kN以下。
另外，本發明人發現，高強度螺栓拉伸接合部的耐火設計由于用螺栓的常溫時和高溫時的剪切強度進行評價，所以最終可以忽視螺母和墊片的高溫耐受力。因而，在拉伸接合部中，用于螺母、墊片的結構用高強度六角螺母、結構用高強度平面墊片也可以不要求賦予特別的耐火特性。
另外，柱5、梁6和接合金屬件7使用基本上能夠保證高溫強度的，對于柱和梁，通過使其一部分實施耐火保護層，即便使用高溫強度小的材料來形成，實際上也能夠形成沒有問題的接合部結構。
3.高強度螺栓用鋼所要求的特性關于在本發明的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構、即無耐火保護層的高強度螺栓摩擦接合結構和無耐火保護層的高強度螺栓拉伸接合結構中使用的高強度螺栓用鋼，例如，如特開平1-191762號公報和特開平3-173745號公報的發明公開的那樣，著眼于由延遲斷裂產生的螺栓的斷裂面出現晶界裂紋，在降低構成鋼材的化學成分中的P、S等條質和強化晶界的同時，從控制組織的觀點出發，通過添加Mo、Cr和在400℃以上進行高溫回火來賦予一種即使是延遲斷裂原因的氫侵入到鋼材中也不至于容易斷裂的特性。還如特開平5-9653號公報的發明公開的那樣，在降低晶界P的偏析以謀求晶界強化方面，降低雜質P是極為有效的。
但是，在上述鋼中，如果某濃度以上的氫侵入到鋼材成分中，則會引起延遲斷裂，因而，為了進一步提高螺栓的耐延遲斷裂特性，有效的方法是，要讓氫難以侵入到鋼材成分中，或者減少氫向原始奧氏體晶界的集聚。
例如，如特開平5-70890號公報的發明公開的那樣，提出了通過同時向鋼材成分中添加Si、Ni以抑制氫向鋼材侵入和擴散的技術。但是，這樣不僅添加Si會損害螺栓的冷鍛性，而且添加Ni也會使成本變高。
另外，特開平7-278735號公報的發明根據上述要求，公開了一種螺栓用鋼，這種鋼通過復合添加在回火時可以引起明顯二次硬化的元素Mo、Cr、V，即使在450℃以上高溫回火，在室溫下也具有1200N/mm2以上的抗拉強度，而且耐延遲斷裂特性優良。但是，即使在該場合也存在因在450℃以上的溫度下回火，使抗拉強度調質到1400N/mm2以上時延遲斷裂的發生率變高的問題。
鑒于上述問題，本發明人反復進行種種研究的結果發現，可以導出螺栓抗拉強度與回火溫度的關系式及由螺栓抗拉強度和鋼材的化學成分計算的碳當量的關系式，并確認，按照滿足這兩個關系式那樣設定鋼的化學成分，通過淬火和回火處理，就能夠得到螺栓抗拉強度可以調質到1200n/mm2以上的耐延遲斷裂特性可以優良使用的作為高強度螺栓用鋼的適應性高的鋼。
另一方面，對于鋼材的耐火溫度，可以確認，以Fe作為主成分，含有C、Si、Mn，向其中添加例如在耐熱鋼中被利用的Cr、Mo、Mn、V等合金元素，就可以使耐火溫度的水平強化到600℃以上。
本發明人發現，根據以上所述，從鋼材化學成分的觀點出發，耐延遲斷裂特性優良的高強度螺栓和耐火性優良的高強度螺栓具有共通的課題，解決此課題，就可以使兩者的特性同時具有，從而能夠實現650℃耐火性出色的無耐火保護層的接合部，得到超高強度螺栓。
(1)超高強度螺栓用鋼的化學成分以下說明作為在本發明的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構、即無耐火保護層的螺栓摩擦接合結構和無耐火保護層的高強度螺栓拉伸接合結構中使用的超高強度螺栓用鋼的適應性高的鋼的化學成分(質量％)的例子。
C是為了通過淬火·回火處理來確保抗拉強度所必要的元素，但其含量小于0.30％時不能確保室溫強度，而添加量大于0.45％時，韌性劣化。因而，其成分范圍限定在0.30％以上～0.45％以下。
Si是脫氧必要的元素，對提高鋼的強度是有效的，但是，其含量在0.1％以上時韌性劣化，鋼的脆性顯著。另外，由于Si是鐵素體固溶強化作用大的元素，所以即使是進行球化退火，冷鍛也變得困難。進一步熱處理時，容易引起晶界氧化，由于具有這些缺點的效果，因此是一種使螺栓的耐延遲斷裂特性劣化的元素，所以應當極力降低。因此，將其成分范圍限定為小于0.10％。
Mn是對提高淬透性有效的元素，但其添加量在0.40％以下時就不能得到期望的效果，另外，由于添加1.00％以上時，產生回火脆化，使耐延遲斷裂特性劣化，所以其成分范圍限定在大于0.40％～小于1.00％。
P是在晶界偏析、降低晶界強度、使耐延遲斷裂特性劣化的元素。另外，在顯著的腐蝕環境的鹽酸中，P是通過促進鋼材表面產生氫的效果而使鋼的腐蝕量增加的元素，因此應當極力降低。因其含量在0.010％以上時，侵入鋼材中的氫含量顯著增加，所以將其限定為小于0.010％。
S是在晶界偏析、促進鋼脆化的元素，因而S的含量應當極力降低。由于其含量在大于0.010％時，脆化顯著，所以限定在0.010％以下。
Cr是在提高鋼的淬透性的同時提高高溫強度的元素，而且具有向鋼賦予抗回火軟化的效果，但其添加量在小于0.5％時，不能得到上述作用的效果，另一方面，考慮經濟性，其添加量限定在0.5％以上～小于1.5％。
Mo是對提高高溫強度最有效的元素，而且由于可以進行高溫回火，因此它是提高耐延遲斷裂特性的元素，但其添加量在小于0.35％時，不能得到期望的效果，另一方面，當添加量大于1.5％時，由于淬火時未熔化的碳化物難以固溶于母相中而損害延伸性，所以其添加量限定在大于0.35％～小于1.5％。
V是在回火時作為微細的氮化物、碳化物析出以提高鋼的強度(包括高溫強度)、可以進行高溫回火的元素，而且有使原始奧氏體晶粒微細化的效果。另外在回火時，晶粒內析出的碳氮化物成為氫的捕獲點，因此降低了集聚在晶界上的氫，從而具有使耐延遲斷裂特性大幅度提高的效果。但其添加量在0.3％以下時，不能使原始奧氏體晶粒度達到No.10，以至于不能提高耐延遲斷裂特性。另外，當添加量大于1.0％時，損害螺栓的冷鍛性。另外由于V是高價元素而要考慮經濟性，所以其含量限定在超過0.3％～1.0％以下。
(2)回火溫度的特性延遲斷裂是由于原始奧氏體晶界出現裂紋，所以為了提高螺栓的延遲斷裂特性，最好避開250～400℃的低溫回火脆性溫度區域，另外為了抑制薄片狀滲碳體在原始奧氏體晶界的析出，升高回火溫度以控制碳化物的形態是有效的，另外析出成為氫的捕獲點的V碳氮化物，降低集聚在晶界的氫是有效的。因而，可以將回火溫度取為450℃以上。
但是，本發明人由試驗結果發現，不限定于上述條件，只要在螺栓的耐延遲斷裂特性的高強度螺栓的抗拉強度TS(N/mm2)和回火溫度(℃)滿足關系式(3)以及高強度螺栓的抗拉強度TS(N/mm2)和碳當量Ceq(％)滿足關系式(4)的回火溫度下進行回火，就能夠充分地防止延遲斷裂。
由于將滿足這樣條件的鋼材用于高強度螺栓，所以就能夠得到例如在常溫時的螺栓的抗拉強度(TS)為1200N/mm2以上，而且650℃的螺栓的剪切強度(bτt)滿足上述關系式(1)的耐火性優良的超高強度螺栓，通過使用該超高強度螺栓，就可以實現無耐火保護層的高強度螺栓摩擦接合部和無耐火保護層的高強度螺栓拉伸接合部。
TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000)(4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)回火實驗例使用具有表1所示的化學成分組成的本發明供試驗鋼(1-10)，對線徑Φ21.5mm的線材實施熱軋，由得到的各種線材，制成螺紋部是M22的高強度螺栓，通過淬火、回火制成螺栓的抗拉強度調整在1200～1700(N/mm2)范圍內的超高強度螺栓。
這里，螺栓的抗拉強度用成分和回火溫度調整，回火溫度在290～700℃的范圍內進行。為了評價高溫特性，回火在高溫條件下進行。將該回火溫度T(℃)和回火后的實驗例(供試驗鋼1～10)的超高強度螺栓的抗拉強度TS(N/mm2)與比較例(供試驗鋼11～18)的高強度螺栓的場合一同示于表2。
圖6和圖7，由使用表1中所示的本發明供試驗鋼(1～10)和比較例供試驗鋼(11～18)得到的許多具體的實驗數據，將回火后延遲斷裂發生的有無，在圖中用記號×(發生延遲斷裂)和記號(不發生延遲斷裂)表示。兩圖都顯示出，在滿足上述關系式(3)和(4)的區域內，不發生延遲斷裂。
表1

Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)
表2

Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)滿足上式○ 不滿足上式×
實施例1實施例1是圖1所示的用高強度螺栓3通過外側接合板2a和內側接合板2b及側部接合板2c使梁1a和1b接合的高強度螺栓摩擦接合的結構的場合，這里，作為梁1a、1b、外側接合板2a和內側接合板2b和側部接合板2c，皆使用能夠保證在650℃下的高溫強度的材料。
圖8是對于螺紋部為M22(JIS B 0123)的高強度螺栓，將本發明的超高強度螺栓的剪切強度 和試驗溫度(℃)的關系與比較例1(一般F10T(JIS B 1186)螺栓)、比較例2(耐火F10T(JIS B 1186)螺栓)的場合一并表示的圖。本發明的超高強度螺栓是將常溫的抗拉強度調質處理到1400N/mm2以上，該超高強度螺栓的長期允許剪切強度是236N/mm2。另外，比較例1、2長期允許剪切強度是147N/mm2。
由圖8可以明顯看出，本發明的超高強度螺栓常溫時的抗拉強度是1412 650℃的螺栓剪切強度(bτt)滿足上述關系式1，而且在650℃時具有比較例2的1.3倍的剪切強度(bτt)。
圖9、圖10、圖11是分別表示對于螺紋部為M16、M20、M24的本發明的超高強度螺栓，螺栓的剪切強度 和試驗溫度(℃)的關系的圖。各圖都顯示出，本發明的超高強度螺栓在650℃的螺栓剪切強度(bτt)滿足上述關系式(1)。
實施例2如圖5所示，實施例2是用高強度螺栓8使T形接合金屬件7與柱5接合的高強度螺栓拉伸接合部結構，是在有樓板10的場合，這里，作為柱5、T形接合金屬件7，使用能夠保證在650℃下的高溫強度的材料，作為梁，使用抗拉強度為400N/mm2級的材料。
圖12、圖13別分是表示在梁6的上翼緣6a側的樓板10內的拉伸螺栓8a的根數為2根、4根的場合，將用螺紋部為M22(JSI B 0123)的高強度螺栓接合的柱5和T形接合金屬件7的拉伸接合部的例子的圖。
表3是表示對于圖12、圖13的高強度螺栓接合部結構，根據圖8所示的諸數值，由上述關系式(2)求出650℃下梁的長期允許剪切強度Qs，可以選定的梁的斷面(H形斷面梁)的上限的例子。由表3可以看出，本發明的超高強度螺栓在樓板10內的拉伸螺栓8a的根數為2根的場合(圖12)可以選定H-400×200×8×13，在樓板10內的拉伸螺栓8a的根數為4根的場合(圖13)可以選定H-600×200×12×22，與比較例螺栓的場合相比，可以選定長期允許剪切力Qs大的梁。
表3

綜上所述，本發明的超高強度螺栓，在常溫時和650℃的高溫時，耐火性(高溫強度)和耐延遲斷裂特性優良，具有能夠充分滿足日本建筑學會1973年制定、1993年重新規定的“高強度螺栓接合設計施工指南”規定的特性，由于使用這樣的超高強度螺栓，可以確認，能夠實現無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，即，實現無耐火保護層的高強度螺栓摩擦接合部結構和無耐火保護層的高強度螺栓拉伸接合部結構。
另外，本發明不受上述的結構例和實施例的內容的限定，在接合部結構條件、高強度螺栓(包括形成耐熱鋼)條件等方面，可以根據由對象接合部、使用部位、環境條件要求的諸特征，在上述各權利要求范圍內進行變更。
在形成要求耐火性的鋼結構物的高強度螺栓接合部結構中，本發明以成為接合對象的主構件(例如柱和梁或者厚板)在650℃時具有充分的高溫強度、能夠實現無耐火保護層的接合結構作為前提，為了充分發揮該主構件(例如柱和梁或者厚板)的高溫強度，例如，可以使用常溫時具有以往的F10T螺栓的1.4倍左右以上的螺栓抗拉強度、而且650℃時具有以往的耐火F10T螺栓的1.3倍的剪切強度、耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，籍此就可以實現在650℃的高溫時無耐火保護層高強度螺栓接合部結構，可以實現成本降低、工期縮短。
另外，在本發明中使用的螺母和墊片的場合，當火災時螺栓接合部轉換成支承狀態時，由于沒有用高強度螺栓所要求的那樣的剪切應力作用，所以相應于用不規定耐火性能的一般結構用高強度六角螺母、結構用高強度平面墊片，就能夠抑制成本的上升。
另外，本發明中使用的梁構件和接合金屬件的一部分等，通過根據由其使用部位要求的特性進行嚴格選擇，也可以降低原材料成本和縮短施工時間。
權利要求
1.一種具有柱和/或梁的鋼結構物的具有耐火性的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，該結構使用在常溫下具有1200N/mm2以上的螺栓抗拉強度(TS)、并且在650℃下螺栓的剪切強度(bτt)滿足下述式(1)的耐火性優良的超高強度螺栓，bτt≥μ×No/(ν×bAs)(1)這里，bτt高溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτt=TSt/3]]>TSt高溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)μ常溫時的滑動系數No設計的螺栓張力(N)ν相對于長期負荷的安全率bAs螺栓的軸部截面積(mm2)。
2.根據權利要求1中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，在上述高強度螺栓接合部結構中，常溫時的上述梁的長期允許剪切力(Qs)滿足下述式(2)，Qs≤{ns×bτ+(nf-ns)×bτt}×bAs (2)這里，Qs常溫時梁的長期允許剪切力(N)Qs＝fs×Abfs梁的長期允許剪切強度(N/mm2)Ab梁的截面積(mm2)ns梁的上翼緣側的樓板內的拉伸螺栓根數bτ常溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτ=TS/3]]>TS常溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)nf梁的上翼緣側的拉伸螺栓根數bτt高溫時螺栓的剪切強度(N/mm2)bτt=TSt/3]]>TSt高溫時螺栓的抗拉強度(N/mm2)bAs螺栓的軸部截面積(mm2)。
3.根據權利要求1或2中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，上述高強度螺栓接合部結構用高強度螺栓、螺母、墊片組和接合金屬件構成，上述螺母和墊片是沒有規定耐火性能的一投結構用六角螺母和結構用高強度平面墊片。
4.根據權利要求1或2中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，上述高強度螺栓接合部結構用高強度螺栓、螺母、墊片組和接合金屬件構成，上述接合金屬件的一部分或全部由能夠保證高溫強度的鋼材形成。
5.根據權利要求1或2中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，在上述高強度螺栓接合部結構中使用的上述的柱和/或梁的一部分或全部由能夠保證高溫強度的鋼材形成。
6.根據權利要求1或2中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10％、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質組成、并且滿足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000)(4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
7.根據權利要求3中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10％、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質組成、并且滿足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000) (4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
8.根據權利要求4中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10％、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質構成、而且滿足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000) (4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
9.根據權利要求5中所述的無耐火保護層的高強度螺栓接合部結構，其特征在于，以質量％表示，上述高強度螺栓是由含有C0.30％～0.45％、Si小于0.10％、Mn大于0.40％～小于1.00％、P小于0.010％、S0.010％以下、Cr0.5％以上～小于1.5％、Mo大于0.35％～小于1.5％、V大于0.30％～1.0％以下、其余為Fe和不可避免的雜質組成、并且滿足下述式(3)、式(4)的耐火性和耐延遲斷裂特性優良的超高強度螺栓，TS≤(1.1×T+850) (3)TS≤(550×Ceq+1000)(4)這里，TS常溫時高強度螺栓的抗拉強度(N/mm2)T回火溫度(℃)Ceq碳當量(％)Ceq＝C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/40)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)。
全文摘要
本發明可以提供在650℃的高溫區域能夠充分確保接合部的高溫強度、能夠實現不依賴于耐火材料保護層或由耐火材料形成的保護結構的鋼結構物的無耐火保護層結構的高強度螺栓接合部結構，該無耐火保護層螺栓接合部結構使用在常溫時具有1200N/mm
文檔編號F16B35/00GK1488825SQ0315709
公開日2004年4月14日 申請日期2003年9月12日 優先權日2002年9月12日
發明者岡田忠義, 宇野暢芳, 洼田伸, 芳 申請人:新日本制鐵株式會社