JP3383097B2 - Ｐｃ構造物補強体の編組方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に土木建築産業にお
けるプレストレストコンクリート（ＰＣ）構造物の補強
体の編組方法に関するものであり、特に補強体を構成す
る熱処理ＰＣ鋼棒とらせん筋の溶接接合方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ＰＣ構造物製造方法の一例として、ＰＣ
鋼棒を用いたコンクリートポール、パイルの製造方法に
ついて述べる。図２に示したように円周上に並列に配置
したＰＣ鋼棒１に軟鋼線２を螺旋状に巻き付けた後（以
後らせん筋２と称す）、ＰＣ鋼棒とらせん筋の交点３を
接合して円筒状の籠型補強体（以下補強体と略称）を製
造する。次いでこの補強体を型枠に導入し、補強体を構
成するＰＣ鋼棒の両端を固定して引張強さの７０％前後
の応力で緊張する。型枠内に注入したコンクリートが固
化した後にＰＣ鋼棒の緊張力が除去され、同時にコンク
リートに圧縮力が付与されてＰＣポール、パイルが完成
する。この製造工程中、補強体の組立を自動化するため
にＰＣ鋼棒とらせん筋の接合は電気抵抗溶接によって行
われる。

【０００３】補強体を構成する熱処理ＰＣ鋼棒は、おお
よそ０．１５〜０．３５重量％の炭素を含有する中低炭
素鋼線材に焼入れ焼戻しまたは沸騰水焼入れ等の熱処理
を施して製造される。ピアノ線材の冷間引抜きによって
製造されるＰＣ鋼線に比べて炭素の含有量が低く溶接が
可能なため、電気抵抗溶接によって編組される補強体に
多用されている。

【０００４】ところで、高い緊張力がかかった状態で使
用されるＰＣ鋼棒においては、内部に水素が侵入した場
合に遅れ破壊が発生する危険があり、特に溶接部におけ
る遅れ破壊が危惧されている。

【０００５】図３に、溶接の概念図を示す。らせん筋２
とＰＣ鋼棒１を交差して重ね、らせん筋に接する上部電
極４とＰＣ鋼棒に接する下部電極５とで挟んで加圧、通
電することによってらせん筋とＰＣ鋼棒の接触部が発熱
し、お互いが溶接される。

【０００６】補強体編組に用いられる電気抵抗溶接のよ
うに微小な熱影響部を形成させる溶接においては入熱量
が小さいため一旦溶融またはオーステナイト化した熱影
響部は急冷され、母材に比べてかたさが著しく上昇す
る。母材部のかたさがＨｖ４５０程度であるのに対し、
前記熱影響部のかたさはＨｖ５５０〜６００にまで上昇
し、遅れ破壊感受性が高くなる。

【０００７】さらにＰＣ鋼棒１が下部電極５と接する部
分にも裏スポットと称される同様の熱影響部が形成され
る。溶接によって生じたこれらのかたさの高い熱影響部
は遅れ破壊の起点となる可能性が高く、この部分の遅れ
破壊特性改善が強く求められている。

【０００８】このようなＰＣ鋼棒１の溶接部３の遅れ破
壊特性改善要求に対し、これまでにも様々な改善方法が
提案されてきた。例えば特公平３−７５３２５号公報で
は溶接機に溶接用電極の他に焼戻し用の電極を設け、溶
接直後に溶接部を通電加熱によって焼戻す方法が示され
ている。しかし、軟化に充分な温度と時間を確保し、か
つ再度溶体化しない温度範囲に制御することが難しいこ
となどから広く普及するまでには至っていない。

【０００９】一般に遅れ破壊は、引張応力の作用のもと
で水素が存在する時に発生するとされている。前記例
は、溶接部の組織を制御して遅れ破壊特性を改善すると
の視点からの発明である。これに対して引張応力を制御
して遅れ破壊特性を改善する試みも行われている。遅れ
破壊クラックは表層から発生し伝播するので、鋼材の緊
張時に表層に作用する引張応力を低減することによって
遅れ破壊特性を改善することができる。

【００１０】表層部に作用する引張応力を低減するため
には、予め、表層に圧縮残留応力を付与することが効果
的であり、本出願人は以前に特開平５−２８７４４０号
公報を提案し、適切なショットピーニングによってＰＣ
鋼棒の遅れ破壊特性が改善できることを示した。しか
し、ショットピーニング後に溶接を行うと溶接熱影響部
近傍では表層に導入した圧縮残留応力が低下し、遅れ破
壊特性の改善効果も低下する恐れがある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、溶接部の組
織、成分等を制御するのではなく、新たな溶接方法の創
案による熱影響部発生位置の適正化等により、プレスト
レスをかけて緊張するときに溶接部に作用する引張応力
を低減し、ＰＣ鋼棒の遅れ破壊特性を劣化させることの
ないＰＣ構造物補強体の製造方法を提供するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の創案にあたって
は、溶接によって編組した補強体を緊張する際に、ＰＣ
鋼棒の溶接部に作用する引張応力を低減する手段につい
て種々検討をおこなった。その結果、らせん筋とＰＣ鋼
棒の接合に際してＰＣ鋼棒に引張応力を付加し、引張ひ
ずみのもとで溶接を行なうと、型枠に補強体を挿入して
再度緊張した後に溶接部に作用する引張応力が低減され
て遅れ破壊特性が改善されることを見いだした。しか
し、径の太いＰＣ鋼棒に単軸の引張り荷重で引張応力を
付与するためには一本当たり数トンないし１０数トンの
荷重を付加する必要があり、装置も大がかりとなるもの
と予測される。

【００１３】ＰＣ鋼棒に引張ひずみを付与するためには
単軸の引張荷重を付与する以外に適当な支点を設けて曲
げ応力を付与してもよく、この原理により小さな力で引
張ひずみを付与できる。ただし裏側は圧縮ひずみとなる
ため、先に図３に示したようならせん筋とＰＣ鋼棒の交
点を上下の電極で挟んで通電する通常のスポット溶接方
法では裏スポット部には効果がない。

【００１４】この問題を解決するため引張ひずみ側にら
せん筋を接合するだけでなく、ＰＣ鋼棒に接する電極も
引張ひずみ側に接触させることにより圧縮側には熱影響
部が形成されなくすることで本発明を完成した。

【００１５】すなわち本発明は、ＰＣ鋼棒とらせん筋と
を電気抵抗溶接によって接合してＰＣ構造物の補強体を
編組する際に、該ＰＣ鋼棒の表面に曲げ応力による引張
ひずみを付与し、引張ひずみが生じた側のみにらせん筋
および電極を接触させ、圧縮ひずみ側には電極を接触さ
せずに電気抵抗溶接を行うことを特徴とする、ＰＣ構造
物補強体の編組方法、である。

【００１６】

【作用】本発明は従来のＰＣ鋼棒を用いながらも、補強
体の編組に際してらせん筋とＰＣ鋼棒の接合を新たな発
想に基づく溶接方法によって補強体を構成するＰＣ鋼棒
の遅れ破壊特性を飛躍的に改善するものである。その機
構は以下のとおりである。

【００１７】一般に溶接部周辺には引張の残留応力が生
じるとされている。これに対して引張ひずみの下で溶接
を実施した場合には溶接終了後に引張ひずみを取り除く
と弾性変形していた溶接部の周囲の母材が元に戻ろうと
する動きに伴って溶接部に圧縮応力が作用する。このよ
うなＰＣ鋼棒はＰＣ構造物の補強材としてプレストレス
を付加しても溶接部に作用する引張応力が低減され、遅
れ破壊の発生が抑制されるのである。

【００１８】さらに溶接時に曲げによってＰＣ鋼棒に付
加する引張歪みの適正量について鋭意検討した結果、表
面の引張歪み量が０．０５％に満たないと改善効果が認
められず、また０．７％を越えた場合には溶接後のＰＣ
鋼棒の曲がりが大きくなって以降の補強体製造工程に支
障をきたすことがわかった。このことから溶接時に曲げ
応力によって付加する引張ひずみ量は表面で０．０５％
以上０．７％以下とするのが望ましい。

【００１９】このように、単軸の引張荷重より小さい曲
げ荷重によってＰＣ鋼棒の接合側部位のみに引張応力を
発生させ、更に、引張応力発生側部位のみに高温となる
熱影響部を発生させるように電極を当接することによっ
て、溶接による引張残留応力が著しく低減されるのであ
る。

【００２０】

【実施例】表１に示す化学組成を有する鋼の直径１０ｍ
ｍの熱風圧延線材を冷間引き抜きし、引き続いて高周波
加熱による焼入れ焼戻しを行なって製造されたJIS Ｇ
3109の異形Ｄ種に相当する線径９．２ｍｍのＰＣ鋼棒を
用いて本発明の効果を確認した。なお、焼入れ加熱温度
は９５０℃、焼戻し温度は４００℃であった。

【００２１】このＰＣ鋼棒の機械的性質を表２に示す。
０．２％耐力をもって降伏応力とし、その値は１４４０
ＭＰａであった。引張試験における伸び測定の評点距離
は線径の８倍とし、絞りは公称断面積に対する破断材の
断面積実測値の百分率で表した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】上記ＰＣ鋼棒を用い、本発明例として曲げ
応力による引張ひずみを付加した状態（表３の記号Ａ〜
Ｊ，Ｌ〜Ｎ）および比較例として引張ひずみを付加しな
い通常の条件（表３の記号Ｋ）で補強体の組立を行なっ
た。この補強体より採取したＰＣ鋼棒を遅れ破壊破壊試
験に供した。

【００２５】

【表３】

【００２６】表３の注： 注) 溶接後のＰＣ鋼棒の曲がりが大きいため遅れ破壊
試験は実施しなかった。

【００２７】補強体の組立には通常の自動編組機を用
い、円筒状に配置したＰＣ鋼棒１にらせん筋２を巻き付
け、ＰＣ鋼棒とらせん筋の交点をスポット溶接した。こ
の時ＰＣ鋼棒を曲げるために図１に示した機構を用いて
ＰＣ鋼棒１を交点９で支え５から圧力を加え曲げ応力を
付与し、らせん筋２が引張ひずみ側に接するようにし
た。さらに下部の電極５とＰＣ鋼棒１の間はゴムシート
８で絶縁し、引張ひずみ側のらせん筋２の上部第１電極
６にごく近いところに下部の電極５に代えて上部第２電
極７を接触させた。

【００２８】比較例として絶縁用ゴムシートを取り払っ
て圧縮ひずみ側に下部電極を接触させて溶接を行ったも
の（表３の記号Ｎ）、図３に示す通常の溶接を行ったも
の（表３の記号Ｋ）についても評価した。溶接条件は工
業的に通常とられている範囲から選定し、溶接電流の目
標値を３０００Ａ、通電時間を０．０４秒、上部第１電
極６、第２電極７への加圧力を各々４１０Ｎとした。用
いたらせん筋は線径３．２ｍｍ、ＪＩＳ規格ＳＷＲＭ６
に相当する軟鋼線である。曲げの歪み量はらせん筋２に
接する部分のＰＣ鋼棒表面に歪みゲージを張り付けて測
定し、測定後にはがして溶接を行った。

【００２９】遅れ破壊試験はＦＩＰ法にて行い、５０℃
の２０重量％ＮＨ₄ＳＣＮ 水溶液中で、２０ｍｍほど残
したらせん筋を付着させたままのＰＣ鋼棒に９９５ＭＰ
ａの引張応力を付加し、破断時間を測定した。５０時間
以上破断しない場合にはその時点で試験を打ち切った。
その結果を表３に示す。溶接時にＰＣ鋼棒に曲げ応力に
よる引張ひずみを付加し、かつ表面の引張ひずみ量が
０．０５〜０．７％である本発明例はいずれも５０時間
以内では破断せず、比較例に比べて遅れ破壊特性が格段
に向上した。

【００３０】比較例Ｉ、Ｊは曲げ応力による引張ひずみ
が過大であったため溶接後のＰＣ鋼棒が湾曲してその後
の工程に支障をきたしたため遅れ破壊試験を実施しなか
った。比較例Ｋ〜Ｍは曲げによる引張歪み量が足りず、
効果が不十分であった。また、比較例ＮはＰＣ鋼棒の圧
縮側に下部電極が接したため熱影響部が圧縮側に形成さ
れ、遅れ破壊特性が改善されなかった。

【００３１】

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明を用いれば、従来溶接によって編組したＰＣ構造物
の補強体の弱点とされていた溶接部分の遅れ破壊特性が
大幅に向上し、土木建築物の信頼性・安全性が高まる。
このように本願発明は通常の工業材料を用いながらも溶
接方法に改善を加えることによって遅れ破壊特性を顕著
に改善するものであり、土木建築業界で大量に使用され
るコンクリート構造物の性能を大幅に改善するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】曲げ応力による引張ひずみ付加と溶接の概略図
である。

【図２】補強体略図である。

【図３】ＰＣ鋼棒とらせん筋の溶接の概念図である。

【符号の説明】

１ ＰＣ鋼棒 ２ らせん筋 ３ 溶接部 ４ 上部電極 ５ 下部電極 ６ 上部第１電極 ７ 上部第２電極 ８ ゴムシート ９ 支点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 11/11 B21F 27/00 C21D 9/00 E02D 5/00 B23K 101:22

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＰＣ鋼棒とらせん筋とを電気抵抗溶接に
   よって接合してＰＣ構造物の補強体を編組する際に、該
   ＰＣ鋼棒の表面に曲げ応力による引張ひずみを付与し、
   引張ひずみが生じた側のみにらせん筋および電極を接触
   させ、圧縮ひずみ側には電極を接触させずに電気抵抗溶
   接を行うことを特徴とする、ＰＣ構造物補強体の編組方
   法。
2. 【請求項２】 ＰＣ鋼棒の表面に付与される曲げ応力に
   よる引張ひずみ量が０．０５〜０．７％であることを特
   徴とする請求項１記載の方法。