超高耐久性メカニカルファスナーによる鋼構造物メンテナンスの改善

使用超耐用的机械紧固件改善钢结构维护

• 批准号: 20H02235
• 负责人: 山口 隆司
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022-2023)Osaka City University (2020-2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02235/
• 关键词: 構造工学・地震工学; 高力ボルト; 摩擦接合継手; メカニカルファスナー; 皿型形状; 高耐久; 高力ボルト，摩擦接合継手，メカニカルファスナー; 砂時計型

本研究の目的は，突出部が一切ない砂時計型形状のメカニカルファスナー（Double Spindle Fastener: DSF）を開発することであり，①皿型形状を両端に有する超高耐久性メカニカルファスナーの開発，②試作ファスナーおよびそれによる摩擦接合継手の耐荷性・防食性・疲労耐久性の評価，③実構造への適用，の3つの課題を解決することで達成される．DSFはファスナー内部にねじ部を有しており，呼び径よりも有効径が小さい構造となる．そのため，F8T-M22高力ボルトと同等の締結性能を確保するために引張強度が1400 MPaを超える高強度材料が必要となる．一方，高強度材料の使用には遅れ破壊の防止が必要条件であり，ねじ部の応力集中の改善が要求される．2021年度までは，ねじ部を詳細にモデル化した数値解析およびDSF用ナットの締付解析より，ねじ開き角度は55 ~ 60°，皿型形状のナットのねじ部を貫通式と決定し，DSFを高力皿型ボルトと高力皿型ナットで構成することとした．2022年度は，試作DSFを製作して，DSF自体の引張試験・締付試験・DSFを用いた摩擦接合継手の引張数値解析を実施した．引張試験の結果，DSFは皿型ボルト側で破断し，その最大荷重は既存の高力六角ボルト用の設計耐力で安全側に評価できることがわかった．締付試験では，導入トルク-導入軸力-回転角-頭部ひずみの関係を整理し，トルク係数よりも回転係数（軸力―回転角関係の傾き）が安定していることを確認し，DSFの軸力管理法には回転角法を採用することととした．DSFを用いた2面摩擦接合継手の引張数値解析では，DSFの締付軸力がざぐり面から伝達されることで接合面の接触圧分布が拡大し，継手端部の離間が抑制された．また，DSF継手のすべり係数は，高力六角ボルト・皿型高力ボルト継手のそれよりも低下しないことを確認した．

本研究的目的是开发一种无突出部分的沙漏形机械紧固件（双轴紧固件：DSF），这将通过解决三个问题来实现：（3）承载性能、耐腐蚀性和疲劳性的评估；紧固件及其摩擦接头的耐久性，以及（3）在实际结构中的应用。 DSF紧固件内部有螺纹部分，其有效直径小于公称直径。因此，需要抗拉强度超过1400MPa的高强度材料才能保证与F8T-M22高强螺栓相同的紧固性能。另一方面，使用高强度材料需要防止延迟断裂，这就需要改善螺纹零件的应力集中。到2021年，基于使用螺纹部分的详细模型的数值分析和紧固分析，我们决定螺纹开口角度为55°至60°，沉头螺母的螺纹部分为通孔型决定由高强度沉头螺栓和高强度平板螺母组成。 2022财年，我们生产了DSF原型机，并对DSF本身进行了拉伸试验和紧固试验，以及使用DSF对摩擦焊接接头进行了拉伸数值分析。拉伸试验结果发现，DSF在沉头螺栓一侧断裂，根据现有高强度六角螺栓的设计强度，最大载荷可以评价为安全。在紧固试验中，我们整理了引入扭矩、引入轴向力、旋转角度和头部应变之间的关系，并确认旋转系数（轴向力-旋转角度关系的斜率）比扭矩系数更稳定。我们决定采用旋转角度法作为 DSF 的轴向力管理方法。使用DSF对双面摩擦焊接接头进行拉伸数值分析表明，DSF的紧固轴向力从沉孔表面传递，扩大了接头表面的接触压力分布，抑制了接头端部的分离。此外，还证实DSF接头的滑移系数不低于高强六角螺栓和沉头高强螺栓接头。

项目成果

双皿型高耐久性高力ボルトセット（ダブルスピンドルファスナー）に使用するねじ形状の検討

检查双盘型高耐久性高强度螺栓组（双轴紧固件）中使用的螺纹形状

• 发表时间: 2021
• 作者: 中嶋誠;栗原貴之;橋本達也，山口隆司，林厳，森山仁志
• 通讯作者: 橋本達也，山口隆司，林厳，森山仁志

両端に皿頭を有する高耐久・高強度ボルトセットを用いた摩擦接合継手のすべり挙動

使用两端沉头的高耐用性和高强度螺栓组的摩擦接头的滑动行为

• 发表时间: 2023
• 作者: Waqar Ahmad;Uchimura Taro and Muhammad Umar;橋本達也，森山仁志，林厳，山口隆司
• 通讯作者: 橋本達也，森山仁志，林厳，山口隆司

両側に皿頭を有する高強度・高耐久ボルトセットの引張実験

双沉头高强高耐用螺栓组拉伸试验

• 发表时间: 2023
• 作者: Wang Lin;Ichiro Seko;Makoto Fukuhara;Ikuo Towhata;Taro Uchimura;Shangning Tao;京谷麟太郎，八木知己，野口恭平，Thinzar Hnin，Manoj Pradhan;高山昌士，森山仁志，橋本達也，山口隆司，林厳，吉見正頼
• 通讯作者: 高山昌士，森山仁志，橋本達也，山口隆司，林厳，吉見正頼

Prototype of no-projected and Sandglass-shaped Bolt with High-Strength and Durability for Efficient Steel Structures Maintenance

用于高效钢结构维护的高强度和耐用性无凸沙漏形螺栓原型

• 发表时间: 2021
• 作者: Tatsuya Hashimoto;Gen Hayashi;Takashi Yamaguchi;Hitoshi Moriyama:
• 通讯作者: Hitoshi Moriyama:

双皿型高耐久性ボルトセット（ダブルスピンドルファスナー）のナット形状に関する解析的検討

双盘型高耐久性螺栓组（双轴紧固件）螺母形状分析研究

• 发表时间: 2021
• 作者: 中畑和之;武藤健太;橋爪謙治;大平克己;髙田篤史，八木知己，山本宗一郎，宮元鴻，野口恭平;橋本達也，山口隆司，林厳，森山仁志
• 通讯作者: 橋本達也，山口隆司，林厳，森山仁志