專(zhuān)利名稱(chēng)：強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)及其鋼材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在連接建筑鋼結(jié)構(gòu)件或其它鋼結(jié)構(gòu)件的鋼材時(shí)可采用的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)及其所用的鋼材。
通常，在因強(qiáng)力螺栓對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行摩擦連接時(shí)，目前標(biāo)準(zhǔn)的鋼材的摩擦連接面是戶(hù)外自然生銹的鐵銹面、或者噴丸除銹面。
但是，在使其生銹為標(biāo)準(zhǔn)的方法中，在生銹面的表面的凹凸的突起高度例如大約是0.07mm，而且考慮到因突起的高度和形狀的不同而帶來(lái)的施工時(shí)的較大的偏差，則在進(jìn)行連接部設(shè)計(jì)時(shí)就不可能采用比0.45更大的摩擦系數(shù)值。這里，所說(shuō)的摩擦系數(shù)，是指摩擦阻力與強(qiáng)力螺栓的緊固力的比值(μ)。
另外，在由噴丸除銹的面為標(biāo)準(zhǔn)的方法中，表面凹凸的突起高度最大為0.07～0.10mm，而且其Rz(DIN)為0.05～0.07mm，若再考慮到在實(shí)際施工時(shí)會(huì)有偏差，則仍然很難采用比0.45更大的摩擦系數(shù)值。
鑒于這樣的情況，日本建筑學(xué)會(huì)JASS6將摩擦系數(shù)的設(shè)計(jì)值確定在μ＝0.45這一較低的水平上。
進(jìn)一步，在由鐵銹面組成摩擦連接面的場(chǎng)合，因?yàn)樘幵阡P蝕狀態(tài)，事先就不能對(duì)鋼材表面中的摩擦連接面部分進(jìn)行涂層或涂油等防止生銹的處理，而且還必須完全除去表面的附著物，這樣就使得在施工時(shí)對(duì)鋼材的品質(zhì)管理變得很麻煩。
因此，為了獲得穩(wěn)定而且大的摩擦系數(shù)，日本專(zhuān)利公報(bào)特開(kāi)昭51-52336號(hào)提出了一種在鋼材的摩擦面上實(shí)施特殊的涂層后用強(qiáng)力螺栓進(jìn)行連接的方法；日本專(zhuān)利公報(bào)特開(kāi)平1-266309號(hào)提出了一種對(duì)鋼材的摩擦面進(jìn)行陶瓷等離子體噴鍍處理后用強(qiáng)力螺栓進(jìn)行連接的方法，進(jìn)一步還提出了一種對(duì)鋼材的摩擦面進(jìn)行氧化鋁噴鍍處理或進(jìn)行富鋅涂層處理后用強(qiáng)力螺栓進(jìn)行連接等方法。
但是，在采用日本專(zhuān)利公報(bào)特開(kāi)昭51-52336號(hào)所公開(kāi)的方法時(shí)，因必須對(duì)鋼材實(shí)施特殊的涂層處理，所以很麻煩；另外在采用日本專(zhuān)利公報(bào)特開(kāi)平1-266309號(hào)所公開(kāi)的方法時(shí)，進(jìn)行鋼在結(jié)構(gòu)件加工時(shí)，由于需要用于噴鍍氧化鋁或涂裝高鋅涂層的新的專(zhuān)用設(shè)備，而且還存在鋼骨架的加工和連接施工變得麻煩這一問(wèn)題。所以目前的狀況是，上述的任何一種方法都沒(méi)有得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。
因此，本發(fā)明人開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)使由強(qiáng)力螺栓的緊固而被摩擦連接著的一側(cè)的鋼材的摩擦面?zhèn)鹊谋砻嬗捕群捅砻娲植诙缺攘硪粋?cè)的鋼材的摩擦面?zhèn)鹊谋砻嬗捕群捅砻娲植诙却?，而可以較容易地確保摩擦系數(shù)在0.6以上的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)。日本專(zhuān)利公報(bào)特開(kāi)平6-146427號(hào)公開(kāi)了該技術(shù)。
依據(jù)上述日專(zhuān)利公報(bào)特開(kāi)平6-146427號(hào)所公開(kāi)的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，可以穩(wěn)定的地確保0.60以上的摩擦系數(shù)值，但其最大值僅在比0.85稍大一些的程度上。另外，雖然公開(kāi)了由噴砂處理而使表面粗糙化的方法，但經(jīng)過(guò)噴砂處理的摩擦面的凹凸高度充其量是0.15mm左右，而且由于用十點(diǎn)部位的平均粗糙度指標(biāo)Rz(DIN)來(lái)反映其凹凸?fàn)顟B(tài)時(shí)，其凹凸形狀和分布是不確定的，所以其摩擦系數(shù)值有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可忽視的分散性。其結(jié)果是，存在不能獲得比0.85更大的摩擦系數(shù)值這一問(wèn)題。
然而，近年來(lái)隨著鋼結(jié)構(gòu)件的大型化和大跨度化，所使用的鋼材的板厚也在變厚，同時(shí)還存在鋼材的高強(qiáng)度化趨勢(shì)，而且還進(jìn)一步更高地要求連接部加工的簡(jiǎn)單化、省力化以及施工時(shí)的高速化。作為適應(yīng)這些要求的一種有效手段，就必須考慮連接部的高耐力化，以及為在強(qiáng)力螺栓摩擦連接部增大緊固力而要求強(qiáng)力螺栓的的高強(qiáng)度化，和增大摩擦系數(shù)。因此，就摩擦系數(shù)來(lái)說(shuō)，必須確保是現(xiàn)在的基準(zhǔn)值的2倍(0.9)以上。
本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)及其鋼材，使其能夠在由強(qiáng)力螺栓所夾緊著的鋼材的摩擦連接部穩(wěn)定地確保0.9以上的較高的摩擦系數(shù)值、使摩擦連接面的質(zhì)量穩(wěn)定化和摩擦連接面的施工管理變得更加簡(jiǎn)單、并能在總體上降低強(qiáng)力螺栓摩擦連接部的成本。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了以下述內(nèi)容為要點(diǎn)的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)中所使用的鋼材。
(1)一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，其特征是構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的2件鋼材中，其中一側(cè)的鋼材的摩擦面的表層部的硬度與另一側(cè)的鋼材的摩擦面的表層部的硬度的比值在2.5以上；使表層部的硬度較大的層的深度為0.2mm以上；進(jìn)一步，在上述摩擦面的2個(gè)表層部中，沿其中表層部的硬度較大的一側(cè)鋼材的表面上設(shè)置三角形的波浪狀或棱錐狀的多個(gè)突起，且該突起的高度為0.2～1.0mm，并且使表層部的硬度較小的一側(cè)鋼材的表面的最大表面粗糙度與該突起的高度相比充分地小。
(2)一種由強(qiáng)力螺栓所構(gòu)成的多件鋼材的摩擦連接結(jié)構(gòu)，使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上；且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材的表層部的硬度層在0.2mm以上，同時(shí)在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2～1.0mm高度的多個(gè)突起。
(3)一種由強(qiáng)力螺栓所構(gòu)成的多件鋼材的摩擦連接結(jié)構(gòu)，使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上；且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材的表層部的硬度層在0.2mm以上，并在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2～1.0mm高度的多個(gè)突起，同時(shí)在具有2.5以下硬度比的另一個(gè)鋼材的摩擦連接面的表層部上設(shè)置高度在0.1mm以下的多個(gè)突起。
(4)一種由強(qiáng)力螺栓所構(gòu)成的多件鋼材的摩擦連接結(jié)構(gòu)，至少設(shè)置在一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的表面上的多個(gè)突起的范圍，是以為插入螺栓而設(shè)置的螺栓孔的孔心為中心的、由半徑為上述螺栓軸部半徑的3.0倍以上的圓和4倍以下的圓之間所圍的區(qū)域，或者是由分別外接于上述2個(gè)圓的多邊形之間所圍的區(qū)域。
(5)一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)所用的鋼材，其特征是構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的2件鋼材中，其中一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度的比值在2.5以上；使表層部的硬度較大的層的深度為0.2mm以上；進(jìn)一步，在上述摩擦面的2個(gè)表層部中，沿其中表層部的硬度較大的一側(cè)的表面上設(shè)置三角形的波浪狀或棱錐狀的多個(gè)突起，該突起的高度為0.2～1.0mm，并且使表層部的硬度較小的一側(cè)的表面的最大表面粗糙度與該突起的高度相比充分地小。
(6)一種用于由強(qiáng)力螺栓所構(gòu)成的多件鋼材的摩擦連接結(jié)構(gòu)的鋼材，使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上，且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材的表層部的硬度層在0.2mm以上，同時(shí)在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2～1.0mm高度的多個(gè)突起。
(7)一種用于由強(qiáng)力螺栓所構(gòu)成的多件鋼材的摩擦連接結(jié)構(gòu)的鋼材，使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上，且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材的表層部的硬度層在0.2mm以上，并在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2～1.0mm高度的多個(gè)突起，同時(shí)使設(shè)置于具有2.5以下的硬度比的其它鋼材的摩擦連接面的表層部上的多個(gè)突起的高度在0.1mm以下。
(8)一種在上述(1)～(7)的任意1項(xiàng)中所述的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)以及摩擦連接用鋼材，其多個(gè)突起的角度(對(duì)置的兩斜面間的夾角)是60°～120°。
(9)一種在上述(1)～(8)的任意1項(xiàng)中所述的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，在其構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的一側(cè)或兩側(cè)的鋼材的摩擦面的表面上，涂布有防銹用的涂料或油層。
本發(fā)明中所說(shuō)的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，是指通過(guò)利用由強(qiáng)力螺栓緊固多件鋼材而在鋼材間產(chǎn)生的摩擦力(摩擦阻力)，而進(jìn)行鋼材間的應(yīng)力傳遞的連接結(jié)構(gòu)。在這里，連接結(jié)構(gòu)具體來(lái)說(shuō)可以在構(gòu)成結(jié)構(gòu)件的部件和起到連接該部件作用的拼接板、T型鋼、角鋼等之間表成，或者在構(gòu)成結(jié)構(gòu)件的部件相互之間形成等。


圖1表示本發(fā)明中的突起的形狀(三角形)的例子。
圖2表示本發(fā)明中的突起的另一形狀(棱錐形)的例子。
圖3為本發(fā)明中的突起的形狀(三角形)的截面圖。
圖4為本發(fā)明中的其它的突起形狀(近似三角形)的截面圖。
圖5為本發(fā)明中的三角形形狀的突起的頂部截面圖。
圖6為本發(fā)明中的三角形形狀的突起的平面圖。
圖7為相對(duì)力的傳遞方向而改變了突起的方向的本發(fā)明中的四棱錐形狀的突起的平面圖。
圖8所示的是實(shí)施本發(fā)明的摩擦試驗(yàn)體。
圖9表示對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明的，以硬度比和突起高度為參數(shù)的摩擦系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。
圖10表示對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明的，以較硬層的深度為參數(shù)的摩擦系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。
圖11表示本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明的，以硬度較小的鋼材的表面狀態(tài)為參數(shù)的摩擦參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。
圖12表示在由強(qiáng)力螺栓夾緊了的情況下，螺栓孔附近的摩擦面間的面壓的分布狀況的一個(gè)例子。
圖13為顯示了本發(fā)明的實(shí)施例的側(cè)面圖(a)和平面圖(b)。
圖14為顯示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面圖(a)和平面圖(b)。
圖15為現(xiàn)有技術(shù)的說(shuō)明圖。其中(a)是側(cè)面圖，(b)是平面圖。
圖1和圖2中顯示了設(shè)置于本發(fā)明中的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)的摩擦面的表層部的硬度較高一側(cè)的表面上的突起的形狀分別為三角形的波浪狀或棱錐狀的各自的例子。圖1是突起1為三角形的波浪狀的情況，圖2是突起2為棱錐狀(四棱錐狀)的情況。在三角形的情況時(shí)，突起1的截面形狀不僅有如圖3所示的真正的三角形，而且還有如圖4所示的三角形的斜面向內(nèi)側(cè)凹入的情況(a)和向外側(cè)凸起的情況(b)。另外，三角形的突起1的頂部。如圖5所示，不僅有前端是尖的情況(a)，還有是平坦的情況(b)以及存在r部的情況(c)。因此，本發(fā)明中所說(shuō)的三角形這一術(shù)語(yǔ)，具有包含上述這樣的近似于三角形的形狀的含意。上述對(duì)突起的形狀方面所做的說(shuō)明對(duì)棱錐形的突起來(lái)說(shuō)也是一樣的。
本發(fā)明中沿表面設(shè)置有多個(gè)這樣的突起。所設(shè)置的多個(gè)的突起，通常具有相同的形狀，最好是由同一高度的三角形的波浪狀或棱錐狀的突起的重復(fù)生成而得到，或者由高度稍有不同，但形狀相似或近似的突起經(jīng)連續(xù)的重復(fù)生成而得到。上述的突起可以由切削加工、激光加工、滾花加工和等離子加工等工藝而使其有可能實(shí)現(xiàn)上述的成形加工過(guò)程，從而在沿表面的各部位上形成具有一定形狀的突起群。具有一定形狀的突起，在強(qiáng)化摩擦連接面的整個(gè)面上的連接條件、和穩(wěn)定地確保較高的摩擦系數(shù)值等方面是很有效的。
圖6中顯示了一個(gè)開(kāi)有4個(gè)螺栓孔4的、沿一側(cè)的鋼材-拼接板3的長(zhǎng)度方向用切削加工連續(xù)地刻設(shè)有三角形的波浪狀的多個(gè)突起1的例子。圖7所示的是在突起2為棱錐形的情況下，相對(duì)力的傳遞方向而改變了傾斜狀態(tài)的各個(gè)種類(lèi)(A、B、C、D)的構(gòu)型情況，圖中h是突起的高度，Q是突起的角度(對(duì)置的斜面間的夾角)。
由于本發(fā)明中的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)，與一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度和另一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度兩者之間的差值、以及設(shè)置在表層部的硬度較高一側(cè)的表面上的多個(gè)突起的高度等因素有很大的關(guān)系，所以將一側(cè)表層部的硬度與另一側(cè)表層部的硬度的比值設(shè)定在2.5以上，并將突起的高度設(shè)為0.2～1.0mm。
為此，通過(guò)改變硬度比和突起高度，對(duì)它們與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)。圖9中顯示了其試驗(yàn)結(jié)果。圖9的試驗(yàn)條件是采用由圖8所示的鋼材(其表層部的硬度較小)5、拼接板(其表層部的硬度較大)6和強(qiáng)力螺栓7所構(gòu)成的摩擦試驗(yàn)體(尺寸見(jiàn)圖示)；設(shè)置于拼接板6的摩擦面上的突起的形狀為三角形的波浪狀，突起角度為90度，突起前端的r為0。拼接板6所用的鋼材是SCM435，在由切削加工進(jìn)行了突起成形加工之后，再由熱處理工藝調(diào)整出各種所需的硬度。另一方面，鋼材5采用SS400，對(duì)其進(jìn)行過(guò)噴丸除銹處理，其維氏硬度為Hv140，Rz(DIN)值為70。在摩擦試驗(yàn)體上插入F10TM22的強(qiáng)力螺栓7，采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓拉力(22.6ton)，以測(cè)定摩擦系數(shù)值。
其測(cè)試結(jié)果如圖9所示(1)隨著硬度比的增加摩擦系數(shù)也增大，但當(dāng)硬度比超過(guò)2.5時(shí)，摩擦系數(shù)增加的趨變?nèi)酢?2)當(dāng)突起高度在0.1～0.2mm的范圍內(nèi)，以及在0.2～0.5mm的范圍內(nèi)時(shí)，摩擦系數(shù)是增加的，但當(dāng)突起高度在0.5～1.0mm的范圍內(nèi)時(shí)摩擦系數(shù)反而減少；(3)為了確保0.9以上的摩擦系數(shù)，硬度比必需在2.5以上且突起高度應(yīng)在0.2mm以上。
根據(jù)這樣的試驗(yàn)例子等，確定表層部的硬度比在2.5以上，而且突起高度為0.2～1.0mm。鑒于即使增加表層部的硬度比，摩擦系數(shù)也不會(huì)隨之有多少增加這一情況，把硬度比的上限值確定為5。
其次，本發(fā)明中將摩擦面的表層部的硬度較高的層(高硬度層)的深度定在0.2mm以上。這里所說(shuō)的層的深度，是以突起的頂部為起點(diǎn)向內(nèi)部方向測(cè)量的距離。
下面依據(jù)圖10，對(duì)高硬度層的深度的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。圖10是突起高度為0.5mm時(shí)的情況，其試驗(yàn)條件與圖9的相同。
其試驗(yàn)結(jié)果是(1)當(dāng)表層部的高硬度層的深度在0.2mm附近時(shí)，摩擦系數(shù)急劇增加，但當(dāng)在0.2mm以上時(shí)，摩擦系數(shù)幾乎不再變化；(2)當(dāng)高硬度層的深度在0.2mm以上時(shí)，可以確保摩擦系數(shù)在0.9以上，另外，摩擦系數(shù)的上限1.5左右；(3)即使鋼材沿其厚度方向不全部是硬化層，但只要在從摩擦表面向內(nèi)0.2mm以上的這一層中能保證規(guī)定的硬度比即可；(4)依據(jù)以上所述，只要將本發(fā)明中的表層部的高硬度層的深度從表面算起保持在0.2mm以上即可。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，只要高硬度層的深度具有與突起高度相當(dāng)?shù)臄?shù)值就足夠了。但至于上述高硬度層的深度的上限值，可以使用在鋼材的整個(gè)厚度方向上都為高硬度的鋼材。
另外，對(duì)突起部的硬化處理，在由切削加工形成突起的情況下，可在切削加工形成突起之后通過(guò)熱處理而進(jìn)行?？梢允褂玫妮^合適的熱處理方法有真空熱處理、滲炭淬火、氰化淬火、火焰粹火等。在由激光加工或等離子加工而進(jìn)行突起的成形加工的情況時(shí)，可以由伴隨加工而產(chǎn)生的突起部的驟冷而使之硬化。對(duì)具有高硬度的一側(cè)的鋼材，使用可淬火的鋼，如SCM435或S45C等。另外，也可以使用高速鋼、耐磨鋼，以及只是其表層部分為高硬度鋼的復(fù)合鋼板等。
下面，對(duì)在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，就其突起的幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
(1)當(dāng)突起的角度(對(duì)置的兩斜面間的夾角)在90度附近時(shí)，摩擦系數(shù)最大，所以為確保摩擦系數(shù)在0.9以上，最好是將突起的角度設(shè)定在60度到120度之間。選取60至120度的突起角度的其他理由是，當(dāng)角度變得比60度小時(shí)，突起形狀的加工需要很精密的高技術(shù)，而且不適合大批量生產(chǎn)；而當(dāng)角度大于120度時(shí)，加工時(shí)需要消耗大量的能量，使得想以低成本而快速地對(duì)突起進(jìn)行加工變得很困難。
(2)突起的頂部最好是如圖5(a)所示的尖的形狀。但從確保摩擦系數(shù)在0.9以上這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，則最好是如圖5(b)所示的形狀，此時(shí)其突起頂部的平坦寬度W設(shè)在突起高度h以下；而在如圖5(c)所示的形狀，此時(shí)將其連接突起斜面和r曲面的接點(diǎn)的距離設(shè)在突起高度h(相當(dāng)于突起頂部的平坦寬度W的界限值)以下。
(3)在突起形狀為棱錐狀(例如為四棱錐)的情況時(shí)，棱錐向著力的傳遞方向所投影的面積越大，摩擦系數(shù)就越大。在圖7中，與類(lèi)型A相比，類(lèi)型B的摩擦系數(shù)要大一些；另外，與類(lèi)型C相比，類(lèi)型D的摩擦系數(shù)為大。
另外，本發(fā)明中的在表層部的表面上設(shè)置突起的范圍，最好是在以用于插入螺栓用的螺栓孔的孔心為中心的、由半徑為強(qiáng)力螺栓軸部半徑的3.0倍以上的圓和4.0倍以下的圓之間所圍的區(qū)域，或者是由分別外接于上述2個(gè)圓的2個(gè)多邊形之間所圍的區(qū)域。這是因?yàn)?，由?qiáng)力螺栓的緊固所產(chǎn)生的摩擦面間的面壓，靠螺栓孔最近處其值最大，而向著以螺栓孔的孔心為中心的外方向呈遞減趁勢(shì)，所以即使在超出上述范圍的地方設(shè)置突起，對(duì)摩擦系數(shù)增大的效果也很小了。取3.0倍以上的半徑的原因，是因?yàn)樵诒?.0倍小的范圍內(nèi)，強(qiáng)力螺栓的夾緊力的約90％以上是以摩擦面間的面壓(kgf/mm2)的形式而分布著的。另外，如果其半徑為4.0倍時(shí)，則可以包括面壓作用的幾乎全部區(qū)域。在本發(fā)明中，將強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)的突起設(shè)置于這樣的范圍內(nèi)是有效的。圖12中顯示了在由強(qiáng)力螺栓所夾緊著的情況下，位于螺栓孔附近的摩擦面間的面壓的分布狀況的一個(gè)例子。
圖12中，(a)圖所示的是當(dāng)拼接板的厚度為16mm時(shí)摩擦面間面壓的分布情況；(b)圖所示的是當(dāng)拼接板的厚度為8mm時(shí)的摩擦面間面壓的分布情況。試驗(yàn)條件是強(qiáng)力螺栓采用F10TM22，用標(biāo)準(zhǔn)螺栓拉力(22.6ton)使之夾緊。圖中符號(hào)a是3.0倍螺栓軸部半徑(11mm)的距離，b是4.0倍螺栓軸部半徑的距離。
以下，對(duì)與設(shè)置有突起的一側(cè)鋼材相對(duì)的，其表層部的硬度較低的另一側(cè)鋼材的表面狀態(tài)進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)硬度較低的一側(cè)鋼材，使用例如SS400、SS600、SM490等，其表面可以不要求有機(jī)械精加工面那樣的平滑程度，在對(duì)其進(jìn)行噴丸除銹處理或者噴砂處理時(shí)，將其表面加工至十點(diǎn)部位平均粗糙度Rz(DIN)值為70μm以下，或當(dāng)用最大突起高度來(lái)表示時(shí)為0.1mm以下即可。另外，也有時(shí)并不進(jìn)行特殊的處理，而保持坯料的原本黑皮狀態(tài)的表面粗糙度。
以下，依據(jù)圖11對(duì)硬度較低的一側(cè)鋼材的表面狀態(tài)做更加具體的說(shuō)明。
圖11所示的是以表層部較軟的鋼材的表面狀態(tài)為參數(shù)而進(jìn)行的摩擦試驗(yàn)的結(jié)果。
圖11中所用的摩擦試驗(yàn)體同圖8，其具體試驗(yàn)條件如下設(shè)置于較硬的一側(cè)鋼材的摩擦面上的突起的形狀為三角形的波浪形，其突起角度為90度、突起前端r為0；另一方面，表層部較軟的另一側(cè)鋼材是SS400，其硬度為Hv140，表面狀態(tài)分6個(gè)水平A(坯料狀態(tài))、B(噴丸除銹)、C(機(jī)械精加工)、D(噴砂十涂膜)、E(噴丸除銹十涂膜)、F(機(jī)械精加工十涂油脂)。這樣，在試驗(yàn)體上插入F10TM22強(qiáng)力螺栓，采用標(biāo)準(zhǔn)螺栓拉力(22.6ton)，以測(cè)定摩擦系數(shù)值。
其試驗(yàn)結(jié)果如下(1)對(duì)表層部較軟的一側(cè)鋼材來(lái)說(shuō)，其摩擦面的狀態(tài)在坯料、噴丸除銹、機(jī)械精加工或噴砂的任意一種粗糙度的情況下，或者在具有涂膜、油脂等被覆層的情況下(即不管是否有被覆層)，都能確保摩擦系數(shù)在0.9以上。
(2)在對(duì)具有高硬度的一側(cè)鋼材進(jìn)行加工的工廠階段，即使對(duì)摩擦面進(jìn)行了防銹涂飾等防銹處理，對(duì)摩擦系數(shù)的數(shù)值也幾乎沒(méi)有什么影響，所以可以對(duì)其進(jìn)行防銹處理。
(3)對(duì)低硬度一側(cè)的鋼材的摩擦面是否進(jìn)行表面處理，以及采用什么方法進(jìn)行處理是有相當(dāng)大的靈活性的。根據(jù)這一觀點(diǎn)，現(xiàn)行的被規(guī)定為必須做的對(duì)鋼材進(jìn)行涂飾時(shí)的摩擦面處的遮蔽等處理就可以省略了，由此可以實(shí)現(xiàn)加工和施工時(shí)的省力化，并可以縮短加工和施工時(shí)的工序。進(jìn)一步，由于對(duì)摩擦面的管理不需要特殊的費(fèi)心，所以容易確保施工的質(zhì)量。
依據(jù)如上所述的本發(fā)明，其由強(qiáng)力螺栓所夾緊著的連接部處的突起會(huì)吃入硬度較低的一側(cè)鋼材的表層部，由此產(chǎn)生很大的對(duì)滑動(dòng)的摩擦阻止作用，所以能獲得大的摩擦系數(shù)值。另外，由于突起的形狀和大小大致上的是一定的，。所以可以減少形成于摩擦面上的對(duì)滑動(dòng)起阻止作用的構(gòu)造狀態(tài)隨部位的不同而引起的分散性，從而能夠確保穩(wěn)定的摩擦系數(shù)值。
進(jìn)一步，在構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的2件鋼材中，即使在單側(cè)或雙側(cè)鋼材的，至少是其摩擦面?zhèn)鹊谋砻嫔贤磕朔冷P用的涂料或油層，由于突起可以貫通上述涂料或油層而吃入硬度較低的一側(cè)鋼材的表面部，所以并不會(huì)降低摩擦系數(shù)值，從而使以往不能進(jìn)行的摩擦面的防銹處理變得可行了。
以下，依據(jù)實(shí)施例對(duì)實(shí)施本發(fā)明的最佳形式進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)施例(實(shí)施例1)如圖13所示，本發(fā)明中的應(yīng)進(jìn)行摩擦連接的鋼材9是H900×300×16(腹板厚)×28(凸緣厚)，其材質(zhì)是SM490(硬度為Hv170)，該鋼材9是本發(fā)明中稱(chēng)之為低硬度的鋼材。進(jìn)行摩擦連接的鋼材9的表層部，是經(jīng)過(guò)噴丸除銹處理的，其Rz(DIN)＝50μm。
另外，拼接板10采用SCM435，通過(guò)機(jī)械切削加工使其表面形成峰高0.5mm的三角形的波浪狀的突起，通過(guò)熱處理使其表層部獲得Hv595的硬度值，得到硬度比為3.5(高硬度層的深度為0.4mm)。
由強(qiáng)力螺栓F10TM22夾緊這樣的鋼材，給鋼材施加長(zhǎng)度方向(圖中的左右方向)的力，得到1.25的摩擦系數(shù)值。此時(shí)所需的螺栓根數(shù)為36根。
(實(shí)施例2)如圖14所示，本發(fā)明中的應(yīng)進(jìn)行摩擦連接的鋼材9是H900×300×16(腹板厚)×28(凸緣厚)，其材質(zhì)是SM490(硬度為Hv170)，該鋼材9是本發(fā)明中稱(chēng)之為低硬度的鋼材。應(yīng)進(jìn)行摩擦連接的鋼材9的表層部，是經(jīng)過(guò)噴丸除銹處理的，其Rz(DIN)＝50μm。
另一方面，拼接板11采用SCM435，由機(jī)械切削加工使其表面形成峰高0.5mm的四棱錐形狀的突起，通過(guò)熱處理使其表層部獲得Hv425的硬度值，得到硬度比為2.5的高硬度層(該高硬度層的深度為0.2mm)。
由強(qiáng)力螺栓F10TM22夾緊這樣的鋼材，給鋼材施加長(zhǎng)度方向(圖中的左右方向)的力，得到0.9的摩擦系數(shù)值此時(shí)所需的螺栓根數(shù)為46根。
在圖14所示的情況時(shí)，應(yīng)連接的鋼材9是H900×300×16(腹板厚)×28(凸緣厚)，其材質(zhì)是SM490(硬度為Hv170)，拼接板12的材質(zhì)是SM490(硬度為Hv170)，所用的強(qiáng)力螺栓是F10TM22，并且鋼材9和拼接板12的摩擦連接面為鐵銹狀態(tài)。
圖15的試驗(yàn)結(jié)果是，其摩擦系數(shù)為0.45(等于現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)值)，所需的螺栓數(shù)是86根。
所以本發(fā)明可以提高摩擦系數(shù)，并且能大幅度地減少所需的螺栓根數(shù)。
依據(jù)本發(fā)明，可以獲得以下效果(1)可以穩(wěn)定地確保0.9以上的摩擦系數(shù)值。其結(jié)果是，即使是高強(qiáng)度的、有極厚的板厚尺寸的鋼材，也能將連接部設(shè)計(jì)得很緊湊，從而可以大幅度地減少所需的強(qiáng)力螺栓的根數(shù)。另外，由于與現(xiàn)有的連接部相比變得緊湊了，所以可以使加工和施工變得省力一些，并縮短工序，從而可以減少建設(shè)費(fèi)用。
(2)由于強(qiáng)力螺栓摩擦連接部的摩擦阻力的極限值變得很大，所以還有可能進(jìn)行新的連接部的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單化。例如，有可能進(jìn)行不必考慮螺栓孔的截面缺損的、使整個(gè)截面都是有效的連接部的設(shè)計(jì)。另外，采用了本發(fā)明中的連接結(jié)構(gòu)的骨架，由于在地震時(shí)具有更穩(wěn)定的耐久性能(履歷性狀-原文)，所以能提高抗震性能。
(3)對(duì)摩擦面的表面狀態(tài)的管理變得簡(jiǎn)單，且不需要特殊的技能，所以以前所必需的繁雜的質(zhì)量管理就可以省略。另外，與以往的方法相比，能得到特別穩(wěn)定的性能。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，其特征是在構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的2件鋼材中，其中一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度的比值在2.5以上；使表層部的硬度較大的層的深度為0.2mm以上；進(jìn)一步，在上述摩擦面的2個(gè)表層部中，沿其中表層部硬度較大的一側(cè)的表面上設(shè)置三角形的波浪狀或棱錐狀的多個(gè)突起，且該突直的高度為0.2～1.0mm，同時(shí)使表層部硬度較小的另一側(cè)的表面的最大表面粗糙度與該突起的高度相比充分地小。
2.一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，包括多件鋼材和強(qiáng)力螺栓，其特征是使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上；且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材的表層部的硬度層在0.2mm以上，同時(shí)在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2～1.0mm高度的多個(gè)突起。
3.一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，包括多件鋼材和強(qiáng)力螺栓，其特征是使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上；且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材的表層部的硬度層在0.2mm以上，并在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2～1.0mm高度的多個(gè)突起；同時(shí)在具有2.5以下硬度比的另一個(gè)鋼材摩擦連接面的表層部上設(shè)置高度在0.1mm以下的多個(gè)突起。
4.一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，包括多件鋼材和強(qiáng)力螺栓，其特征是至少在一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的表面上設(shè)置多個(gè)突起的范圍，是以用于插入螺栓用的螺栓孔的孔心為中心的，由半徑為上述螺栓軸部半徑的3.0倍以上的圓和4倍以下的圓之間所圍的區(qū)域，或者是由分別外接于上述2個(gè)圓的多邊形之間所圍的區(qū)域。
5.一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)所用的鋼材，其特征是在構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的2件鋼材中，其中一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度的比值在2.5以上；使表層部的硬度較大的層的深度為0.2mm以上；而且在上述摩擦面的2個(gè)表層部中，沿其中表層部的硬度較大的一側(cè)的表面上設(shè)置三角形的波浪狀或棱錐狀的多個(gè)突起，且使該突起的高度為0.2～1.0mm，同時(shí)使表層部的硬度較小的另一側(cè)的表面的最大表面粗糙度與該突起的高度相比充分地小。
6.一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接用鋼材，該鋼材用于包括多件鋼材和強(qiáng)力螺栓的摩擦連接結(jié)構(gòu)中，其特征是使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上；且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材表層部的硬度層在0.2mm以上，同時(shí)在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2-1.0mm高度的多個(gè)突起。
7.一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接用鋼材，該鋼材用于包括多件鋼材和強(qiáng)力螺栓的摩擦連接結(jié)構(gòu)中，其特征是使構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的至少一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦連接面的表層部的硬度的比值在2.5以上；且使具有2.5以上的上述硬度比的鋼材表層部的硬度層在0.2mm以上，并在其表面的一部分以至整個(gè)面上設(shè)置具有0.2～1.0mm高度的多個(gè)突起；同時(shí)在具有2.5以下硬度比的其它鋼材摩擦連接面的表層部上設(shè)置高度在0.1mm以下的多個(gè)突起。
8.一種如同權(quán)利要求1～7的任意一項(xiàng)中所述的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)以及摩擦連接用鋼材，其特征是多個(gè)突起的角度，即對(duì)置的兩斜面間的夾角是60°～120°。
9.一種如同權(quán)利要求1～8的任意一項(xiàng)中所述的強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)，其特征是在構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的一側(cè)或兩側(cè)的鋼材的摩擦面的表面上，涂布有防銹用的涂料或油層。
全文摘要
一種強(qiáng)力螺栓摩擦連接結(jié)構(gòu)在構(gòu)成一個(gè)摩擦連接面的多件鋼材中，至少一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度與另一側(cè)鋼材的摩擦面的表層部的硬度的比值在2.5以上；使表層部的硬度較高的層的深度在0.2mm以上；而且在一個(gè)摩擦面的二個(gè)表層部中，沿其中表層部的硬度較高的一側(cè)的表面上設(shè)置高度為0.2～1.0mm的三角形的波浪狀或棱錐狀的多個(gè)突起，從而能確保0.9以上的摩擦系數(shù)，提高摩擦連接面的質(zhì)量和連接性能；同時(shí)使摩擦連接部緊湊化，可提高施工性能，降低施工費(fèi)用。
文檔編號(hào)B23K20/12GK1148422SQ96190151
公開(kāi)日1997年4月23日 申請(qǐng)日期1996年2月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月6日
發(fā)明者宇野暢芳, 志村保美 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社