JP2016211630A - トルシア形スタッドボルト - Google Patents

Abstract

【課題】鋼構造物にボルトを通す貫通孔を形成することなく補強することが可能なトルシア形のボルトを提供する。
【解決手段】実施形態のトルシア形スタッドボルト１０は、ボルト本体１１の一端に小径部１２ａを介してピンテール１２を連結し、他端に外周の面取り部１３ａと中央の放電用突起１３ｂとを有する溶接部１３を連結してなる。溶接部１３を補強対象となる鋼構造物に溶接し、ボルト本体１１を鋼構造物にあてがった補強板の貫通孔に通し、ナットをねじ込むことで、鋼構造物自体には貫通孔を形成することなく、鋼構造物と補強板との締結が可能となる。鋼構造物に貫通孔を形成する手間が省け、また貫通孔形成に伴なう鋼構造物の強度低下を防止することができる。スタッドボルト１０は、既存のトルシア形ボルトの頭部を切断し、その切断面の外周を面取りし、中央部に穴開けし、その穴に金属球を圧入して溶接部１３を形成する改造をおこなうことで、専用の設備を要することなく作製可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルシア形スタッドボルトおよびその製造方法に関する。

高速道路の鋼床版など鋼構造物の補強の際に用いられるボルトとして、特許文献１のような、いわゆるトルシア形ボルトが知られている。
トルシア形ボルトは、外周にねじ山が形成されたボルト本体の一端に頭部が連結され、他端に小径部を介してピンテールが連結されている。

使用の際には、鋼床版のデッキプレートなどの既設の鋼構造物と、これに当接させた鋼製の補強板に、それぞれあらかじめ形成しておいた貫通孔にボルト本体を通し、ピンテールの側からナットをねじ合せることで、既設の構造物と補強板との締結をおこなう。
かかる締結作業には、アウタースリーブとインナースリーブとからなり、アウタースリーブが回転駆動可能な二重筒構造の締付機が用いられる。

締付機のアウタースリーブをナットに、インナースリーブをトルシア形高力ボルトのピンテールにそれぞれ嵌合させた状態で、アウタースリーブを回転駆動させると、インナースリーブに嵌合したピンテールには、締付トルクの反力が負荷される。その反力が所定の大きさに達した時点で、ピンテールは小径部が破断することで、ボルト本体から切り離される。
このようにして、ピンテールの破断の有無を確認することで、トルク管理が容易におこなわれる。

特許第３９３０７９９号公報

しかし、従来のトルシア形ボルトを用いた鋼構造物の補強方法では、上述のように、既設の鋼構造物にボルトを通す貫通孔を形成する作業をおこなう必要があり、作業に手間や時間がかかる。
また貫通孔の形成にともない、既設の鋼構造物の強度が低下するおそれもある。

そこで、本発明の解決すべき課題は、鋼構造物にボルトを通す貫通孔を形成することなく補強することが可能なトルシア形のボルトを提供することである。

上記した課題を解決するため、本発明にかかるトルシア形ボルトを、鋼構造物に溶接可能なスタッドボルトとしたのである。

すなわち、本発明のトルシア形スタッドボルトを、外周にねじ山が形成されたボルト本体と、所定大きさのトルクが負荷されると破断可能な小径部を介して前記ボルト本体の一端に連結されたピンテールと、前記ボルト本体の他端に連結され、中央の放電用突起と外周の面取り部を有して鋼構造物に溶接可能な溶接部と、を備えるものとしたのである。

このようにトルシア形ボルトをいわゆるスタッドボルトタイプにすると、鋼構造物に溶接することで直接固定することが可能となるため、締結のための貫通孔が不要となり、孔を穿つ作業を省くことができる。
また、鋼構造物に貫通孔を形成しないため、その強度が低下するおそれもない。

本発明のトルシア形スタッドボルトにおいて、前記ボルト本体の径が、１８〜２２ｍｍと比較的太径の場合には、前記面取り部は、前記ボルト本体の軸線方向に対する面取り角度が３０〜６０度であり、前記ボルト本体の軸線方向に対する面取り長さが２〜５ｍｍであるのが好ましい。

溶接部の外周が面取りされていないか面取りの大きさが不十分であると、溶接対象となる鋼構造物に溶接部を当接させる際に、トルシア形スタッドボルト全体が傾いていると、溶接部の外周と鋼構造物とが物理的に干渉したり、溶接部の外周と鋼構造物とが過度に近接したりするおそれがある。
ボルト全体が傾いた状態で、溶接部の外周と鋼構造物とが干渉すると、溶接部の中央部の放電用突起が鋼構造物に十分に近接することができず、放電用突起からのアークが発生の妨げとなる。また、溶接部の外周と鋼構造物とか過度に近接すると、溶接部の外周から無駄なアークが発生するおそれがある。
溶接部の外周の面取りを上記のような十分な大きさとすることで、溶接部の外周と鋼構造物との干渉や過度の接近が防止され、その結果、放電用突起にアークを集中させることができるため、溶接不良が発生しにくくなる。

また、本発明にかかるトルシア形スタッドボルトの製造方法においては、既存のトルシア形ボルトを頭部を切断するなどして改造することで製造することとしたのである。

すなわち、本発明のトルシア形スタッドボルトの製造方法は、外周にねじ山が形成されたボルト本体と、所定大きさのトルクが負荷されると破断可能な小径部を介して前記ボルト本体の一端に連結されたピンテールと、前記ボルト本体の他端に連結された頭部と、を備えるトルシア形ボルトを準備する工程を含むものとしたのである。
また、前記トルシア形ボルトの頭部を切断してボルト本体の他端に切断面を形成する工程を含むものとしたのである。
さらに、前記切断面の外周を面取りして面取り部を形成する工程を含むものとしたのである。
そして、前記切断面の中央に穴を開け球体を圧入して放電用突起を形成する工程を含むものとしたのである。

このように既存のトルシア形ボルトを改造することで、本発明のトルシア形スタッドボルトを、鋼線材などの材料から冷間圧造をおこなうなどして最初から作り上げる必要がなくなる。
したがって、専用の製造設備を準備する必要がなくなり、少量生産等にも対応することができる。

本発明に係るトルシア形スタッドボルトの製造方法では、小径部に切込み加工をおこないその破断トルクを調整する工程をさらに含むものであってもよい。
このようにすると、溶接対象となる鋼構造物に要求される強度や損耗の状態に応じて、所望のトルクで小径部が破断するように適宜調整することができる。

本発明に係るトルシア形スタッドボルトの製造方法では、熱処理により強度を調整する工程をさらに含むものであってもよい。
このようにすると、溶接対象となる鋼構造物に要求される強度や損耗の状態に応じて、ボルトの全体強度を適宜調整することができる。

本発明のトルシア形スタッドボルトを以上のように構成したので、鋼構造物にボルトを通す貫通孔を形成することなく補強することが可能となる。

実施形態のトルシア形スタッドボルトの斜視図 実施形態のトルシア形スタッドボルトの（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は背面図 実施形態のトルシア形スタッドボルトを用いて補強された鋼床版の断面図 実施形態のトルシア形スタッドボルトの製造工程図

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態にかかるトルシア形スタッドボルトおよびその製造方法について説明する。

図１および図２のように、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０は、ボルト本体１１と、ピンテール１２と、溶接部１３とからなり、高速道路に用いられる鋼床版１のデッキプレート２など、既設の鋼構造物の補強の際に用いられる。

たとえば図３のように、複数の実施形態のトルシア形スタッドボルト１０の溶接部１３を、デッキプレート２の下面と、デッキプレート２の下方に補強のために配された縦リブとしてのＵリブ２ｂの側面にそれぞれ当接させて、公知の溶接ガンを用いてアーク溶接する。
そして、デッキプレート２の下面からＵリブ２ｂの側面にかけてあてがわれる鋼製の補強板３の貫通孔３ａに各スタッドボルト１０を通した状態で、そのボルト本体１１に締付機を用いてワッシャ２１を付属させたナット２０をねじ込む。
このようにして、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０によって、デッキプレート２ないしＵリブ２ｂと補強板３とが締結される。

たとえば、デッキプレート２の上面に施された舗装２ａ上を通行する車両の重量負荷により、鋼床版１のデッキプレート２とＵリブ２ｂとの溶接部をなす溶接ビードに亀裂が走るなどの損傷が生じた場合に、かかる補強工法が実施される。
補強対象物たるデッキプレート２等に貫通孔を形成する必要がないため、孔形成の手間が省ける。特に鋼床版１のデッキプレート２に貫通孔を形成する場合には、車両を通行止めし、その上面の舗装２ａを剥がしたうえで孔を穿つ作業をする必要があることから、スタッドボルト方式に変更することで、多大な労力を削減することができる。
また、貫通孔形成に伴なうデッキプレート２等の強度の低下が防止でき、鋼床版１は無論のこと、一般に強度の低下が忌避される鋼構造物については大きなメリットとなる。

ここで、デッキプレート２と補強板３の締結作業時には、所定のトルク（反力）が負荷されると、公知の締付機のインナースリーブに保持されたピンテール１２はその小径部１２ａが破断してボルト本体１１から切り離される。
このピンテール１２の破断の有無を目視により確認することで、トルク管理がなされるようになっている。
なお、図３では説明の便宜のため、一部のトルシア形スタッドボルト１０のピンテール１２が残存しているように描いているが、実際には施工を終えた状態ではすべてのピンテール１２がボルト本体１１から切り離された状態となる。

つぎに図１および図２を参照して、図１および図２のように、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０の詳細な構成について説明する。
実施形態のトルシア形スタッドボルト１０のボルト本体１１は、円柱形をなしており、その外周にねじ山１１ａが形成されている。
このボルト本体１１の径は特に限定されないが、引張強さなどとの関係から、太径のものが好ましく、１８〜２２ｍｍが例示できる。
このようなボルト本体１１の構造については、従来のトルシア形ボルトと同様である。

また図１および図２のように、ピンテール１２は、締付機のインナースリーブに嵌合可能な多角柱形であって、通常は山部と谷部とが交互に繰り返される二十四角柱形をなしている。
ピンテール１２は、ボルト本体１１と軸線が一致するように、そのボルト本体１１の一端に連結されている。
このピンテール１２のボルト本体１１との境界箇所が、ピンテール１２の他の箇所よりも細径の小径部１２ａとなっている。すなわち、ピンテール１２は小径部１２ａを介してボルト本体１１に連結されている。
このようなピンテール１２の構造については、従来のトルシア形ボルトと同様である。

一方、図１および図２のように、溶接部１３は、ボルト本体１１とほぼ同径の円柱形をなしている。
溶接部１３は、ボルト本体１１と軸線が一致するようにそのボルト本体１１の他端、すなわちピンテール１２が連結された端部とは逆側の端部に連結されている。
この溶接部１３は、外周部の面取り部１３ａと中央部の放電用突起１３ｂとを有している。

さらに詳しくは、図１および図２のように、溶接部１３の端面の外周の全周は、面取りされて面取り部１３ａとなっている。
面取り部１３ａの面取りの大きさは特に限定されないが、ボルト本体１１の径が１８〜２２ｍｍと比較的太径の場合には、これに対応して、比較的大きめであるのが好ましい。
具体的には、ボルト本体１１の軸線方向に対する面取り角度が３０〜６０度であり、ボルト本体１１の軸線方向の面取り長さが２〜５ｍｍであることが好ましい、特に、面取り角度が約４５度であり、面取り長さが約３ｍｍであるのがより好ましい。
ボルト本体１１が太径の場合には、溶接部１３を補強対象となるデッキプレート２等の鋼構造物に当接させる際に少しでも傾くと、溶接部１３の外周が鋼構造物と干渉しやすくなったり、鋼構造物と過度に接近するおそれがある。
そうなると、アーク溶接時に放電用突起１３ｂと鋼構造物との間に十分なアークが発生しにくくなったり、溶接部の外周と鋼構造物の間に無駄なアークが発生しやすくなったりし、溶接不良につながるおそれがある。
このため、溶接部１３の外周を大きめに面取りしておき、外周の鋼構造物との干渉および鋼構造物に対する過度の接近を阻止する必要があるからである。
その一方で、過度に大きく面取りすると、溶接部１３と鋼構造物との接触面積が小さくなり、溶接強度を確保できないからである。

また、図１および図２のように、溶接部１３の端面の中央部には、半球形に突出する放電用突起１３ｂが形成されている。
放電用突起１３ｂはアーク溶接をおこなう際に、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０とデッキプレート２等の鋼構造物との間に集中的にアークを発生させる箇所として機能する。
放電用突起１３ｂの形成方法については特に限定されないが、溶接部１３の端面の中央部に穴を開け、アルミ球などの金属製の球体を圧入することが例示できる。
図示においては、このような圧入により放電用突起１３ｂが形成されており、金属製の球体の穴に収まりきらない箇所が圧入作業時の熱により軟化して、穴からあふれ出た分が扁平に広がっている。
なお放電用突起１３ｂの形状は、アーク発生の妨げとならない限り、特に限定はなく、円錐形などでもよい。

ここで実施形態のトルシア形スタッドボルト１０の強度は特に限定されないが、デッキプレート２等の鋼構造物と補強板３を摩擦接合法により連結するのに好適なものとして、引張強さが６００〜１０００Ｎ／ｍｍ^２であるのが好ましい。
引張強さが６００Ｎ／ｍｍ^２を下回ると、強度が不十分となるおそれがあり、引張強さが１０００Ｎ／ｍｍ^２を上回ると、スタッドボルト１０と鋼構造物との溶接箇所のほうが先に破断するおそれがあり、性能を十分に発揮できなくなるからである。
鋼床版１の補強など特に強度が要請される用途に用いられるトルシア形スタッドボルト１０においては、一般に高力ボルトと称される、引張強さが８００〜１０００Ｎ／ｍｍ^２と大きなものがなお好ましい。

また実施形態のトルシア形スタッドボルト１０のビッカース硬さは特に限定されないが、引張強さなどとの関係から、硬すぎても柔らかすぎても強度やじん性に影響があるため、２５０〜３５０Ｈｖであることが例示できる。
このようなビッカース硬さ等は、熱処理（ＱＴ処理：焼き入れおよび焼き戻し処理）により適宜調節可能である。
実施形態のトルシア形スタッドボルト１０の組成も特に限定されないが、引張強さ、ビッカース硬さなどとの関係から、炭素当量が０．３５〜０．４５重量％の炭素鋼であることが例示できる。またホウ素が０．０００５〜０．００２０重量％含まれているのが好ましい。

実施形態のトルシア形スタッドボルト１０の構成については以上のようであり、その製造方法の一例として、つぎに図４を参照して実施形態のトルシア形スタッドボルトの製造方法について説明する。

まず図４（ａ）のように、ボルト本体１１の一端に小径部１２ａを介してピンテール１２が連結され、他端に頭部１４が連結された既存のトルシア形ボルト１０´を準備する。このような既存のトルシア形ボルト１０´は、例えばボロン鋼線材を冷間圧造することにより作製され、市販されている。

ここで必要あれば、このような既存のトルシア形ボルト１０´を熱処理することでその引張強さ、ビッカース硬さ等の強度を調整する。
たとえば処理前には引張強さが５００Ｎ／ｍｍ^２であったものを、公知の焼き入れ、焼き戻し処理により８００Ｎ／ｍｍ^２と使用目的に応じて高強度化することが例示できる。なお、このような工程は省略可能である。
また必要あれば、既存のトルシア形ボルト１０´に公知の表面処理を施して潤滑性を向上させてトルク係数の安定化を図ったり、錆の発生を抑制したりしてもよい。

次いで図４（ｂ）のように、公知のバイトを用いるなどして既存のトルシア形ボルト１０´の頭部１４を切断加工し、ボルト本体１１から切り離す。
このとき、ボルト本体１１の長さ調整を併せて行いたい場合には、頭部１４に連続するボルト本体１１の一部を頭部１４とともに切断するものとする。
こうしてできた切断面の中央部には、公知のドリルを用いるなどして穴開け加工をおこない圧入穴１４ａを形成する。

ここで必要あれば、頭部１４の切断加工に前後して、ピンテール１２の小径部１２ａに切込み加工をおこない、小径部１２ａの破断強度を使用目的に応じて調整する。
たとえば上述した熱処理により全体の強度が過剰に向上したような場合には、切込み加工により小径部１２ａを一層小径化させ断面積を減少させることで、その破断強度を使用目的に応じて低下させることが例示できる。なお、このような工程は省略可能である。

さらに図４（ｃ）のように、既存のトルシア形ボルト１０´の頭部１４を切断してできた切断面の外周について、公知のバイトを用いるなどして面取り加工をおこなう。これにより面取り部１３ａが形成される。

同時に、別途準備したアルミ球などの金属球を公知のプレス機を用いるなどして圧入穴１４ａに圧入する。圧入した金属球の半部は、穴から突出して放電用突起１３ｂを形成する。
この圧入作業に先立って、適宜、ボルトの洗油、脱脂等の作業が行われてもよい。
このようにして、既存のトルシア形ボルト１０´を改造することで、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０が完成する。

汎用されており入手の容易な既存のトルシア形ボルト１０´を改造して、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０を作製することで、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０製造用の専用設備を設ける必要がなく、また小ロットの製造に好適に対応可能である。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。

たとえば、実施形態のトルシア形スタッドボルト１０を製造するための方法は、実施形態の製造方法に限定されない。
既存のトルシア形ボルト１０´を経由することなく、専用の設備を準備しこれによりボロン鋼線材などを冷間圧造することで、はじめから頭部１４の存在しないボルトを直接的に製造することも可能である。
また、実施形態の製造方法の各工程の実施の順番は上記したものに限定されず、たとえば圧入穴１４ａの穴開け加工に先立って、面取り加工を行ってもよい。

１ 鋼床版
２ デッキプレート
２ａ 舗装
２ｂ Ｕリブ
３ 補強板
３ａ 貫通孔
１０ 実施形態のトルシア形スタッドボルト
１０´ 既存のトルシア形ボルト
１１ ボルト本体
１１ａ ねじ山
１２ ピンテール
１２ａ 小径部
１３ 溶接部
１３ａ 面取り部
１３ｂ 放電用突起
１４ 頭部
１４ａ 圧入穴
２０ ナット
２１ ワッシャ

Claims (5)

1. 外周にねじ山が形成されたボルト本体と、
   所定大きさのトルクが負荷されると破断可能な小径部を介して前記ボルト本体の一端に連結されたピンテールと、
   前記ボルト本体の他端に連結され、中央の放電用突起と外周の面取り部を有して鋼構造物に溶接可能な溶接部と、を備えるトルシア形スタッドボルト。
2. 前記ボルト本体の径は、１８〜２２ｍｍであり、
   前記面取り部は、前記ボルト本体の軸線方向に対する面取り角度が３０〜６０度であり、前記ボルト本体の軸線方向の面取り長さが２〜５ｍｍである請求項１に記載のトルシア形スタッドボルト。
3. 外周にねじ山が形成されたボルト本体と、所定大きさのトルクが負荷されると破断可能な小径部を介して前記ボルト本体の一端に連結されたピンテールと、前記ボルト本体の他端に連結された頭部と、を備えるトルシア形ボルトを準備する工程と、
   前記トルシア形ボルトの頭部を切断してボルト本体の他端に切断面を形成する工程と、
   前記切断面の外周を面取りして面取り部を形成する工程と、
   前記切断面の中央に穴を開け球体を圧入して放電用突起を形成する工程と、を含むトルシア形スタッドボルトの製造方法。
4. 前記小径部に切込み加工をおこないその破断トルクを調整する工程をさらに含む請求項３に記載のトルシア形スタッドボルトの製造方法。
5. 熱処理により強度を調整する工程をさらに含む請求項３又は４に記載のトルシア形スタッドボルトの製造方法。

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