JP2011226201A - 鋼管の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部の強度を確保できると共に、施工を容易に行うことができる。
【解決手段】上部鋼管（一方の鋼管）２の下端部２に、接合用鋼管４が設けられて、接合用鋼管４が下部鋼管（他方の鋼管）３の上部側に形成された接合用鋼管挿入部５に挿入され、接合用鋼管４と接合用鋼管挿入部５との間隙部６にグラウト材７が充填される。接合用鋼管５は、上下方向に複数配列され、接合用鋼管本体１３と、接合用鋼管本体１３の下側に連接され接合用鋼管本体１３の外周面よりも外方に突出形成する第１または第２ダイヤフラム１４、１５とを有する。接合用鋼管挿入部５の内周面５ａには、第１ダイヤフラム１４の外形と略同一形状の内形に形成された第１リング部材１６と、板部材１２とが設けられ、第２ダイヤフラム１５と板部材１２とが当接し、第１ダイヤフラム１４の外周面と第１リング部材１６の内周面とが対向配置される
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管柱や鋼管杭などの鋼管の接合構造に関する。

一般的に鋼管の継手部分は、建設現場にて溶接接合されている。しかし、溶接接合は、溶接作業者の技量によって溶接部分の品質にバラツキが生じたり、天候によって施工時期が左右されて工期に影響をおよぼしたりすることがある。このような溶接接合の問題点、および、近年の地球環境問題への対応（例えば、ＣＯ_２ 排出量の低減）を考慮して、建設現場において溶接を行わない乾式接合工法を用いて鋼管の接合が行われている。
従来の乾式接合は、高力ボルト接合が一般的であるが、高力ボルト接合では、高力ボルトを多数施工するため手間がかかると共に、エレクションピースやナットが鋼管の外側に設置されるため、居住スペースが減少すると共に外観もよくなかった。

また、高力ボルト接合の他に、上部鋼管と下部鋼管との接合部にモルタルなどのグラウト材を充填する接合も行われている。このような接合では、高力ボルト接合と比べて手間がかからず、コストを下げることもできる。また、高力ボルト接合のようにエレクションピースやナットが鋼管の外側に設置されることがない。

このような上部鋼管と下部鋼管との接合部にモルタルなどのグラウト材を充填する接合として、例えば、特許文献１に、接合する角型鋼管の一方にほぞ状部が設けられ、他方にほぞ状部が挿入されるほぞ孔状部が設けられていて、ほぞ状孔部にほぞ状部を挿入し、ほぞ状孔部内面とほぞ状部外面との間隙部にグラウト材を充填する鋼管の接合構造が開示されている。
また、特許文献２には、外周面に周方向に延びる弧状の外周リブが突設された下部鋼管と、下部鋼管より大径で内周面に周方向に延びる弧状の内周リブが突設された下端継手鋼管を下端部に備える上部鋼管との接合構造が開示されている。
この接合構造では、接合時に上部鋼管と下部鋼管とを外周リブと内周リブとが、互いに当接することがなく、且つ高さ方向に重ならないように嵌合した後に、上部鋼管を回動して外周リブと内周リブとが高さ方向に重なるよう位置せしめ、その後に下端部継手鋼管と下部鋼管との間隙部にグラウト材を充填している。

特開平５−４４２６２号公報 特開平７−３３１７４８号公報

しかしながら、従来の鋼管の接合構造では以下のような問題があった。
特許文献１の鋼管の接合構造では、上部鋼管と下部鋼管との間で応力が伝達される際に、ほぞ状部およびほぞ状孔部とグラウト材との付着のみがこの応力を負担するため、接合部の強度が母材鋼管（鋼管の接合部以外の部分）と比べて極端に低くなる可能性がある。このため、この鋼管の接合構造は、主に低層建築物の小断面の柱にしか採用することができない。
また、特許文献２の柱鋼管の接合構造では、下端部継手鋼管および下部鋼管に多くのリブを突設するため、製作に手間がかかる。また、接合時に外周リブおよび内周リブの位置合わせのために、上部鋼管を回動させる必要があり、接合に手間がかかると共に、高い施工精度が必要である。

本発明は、上述する事情に鑑みてなされたもので、接合部の強度を確保できると共に、施工を容易に行うことができる鋼管の接合構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鋼管の接合構造は、上下方向に接合される鋼管のうち一方の鋼管の端部に、他方の鋼管側へ突出し前記他方の鋼管の内形より小さい外形の接合用鋼管が設けられ、前記接合用鋼管は、前記他方の鋼管の前記一方の鋼管との接合側端部に形成された接合用鋼管挿入部に挿入され、前記接合用鋼管の外周面と前記接合用鋼管挿入部の内周面との間に形成された間隙部にグラウト材が充填された鋼管の接合構造であって、前記接合用鋼管は、前記一方の鋼管より小さい外形の接合用鋼管本体と、該接合用鋼管本体における他方の鋼管側に連接され前記接合用鋼管本体の外周面よりも外方に突出形成するダイヤフラムとを有すると共に、上下方向に複数配列され、前記接合用鋼管挿入部の内周面には、前記ダイヤフラムの外形と略同一形状の内形に形成された第１リング部材と、前記接合用鋼管の最先端に配された前記ダイヤフラムと当接される板部材とが設けられ、前記一方の鋼管を前記他方の鋼管へ挿入して、前記接合用鋼管の最先端に配された前記ダイヤフラムと前記板部材とが当接したときに、前記接合用鋼管の最先端以外に配された前記ダイヤフラムの外周面と前記第１リング部材の内周面とが対向配置されることを特徴とする。

本発明では、一方の鋼管の接合用鋼管が他方の鋼管の接合用鋼管挿入部に挿入されて、接合用鋼管の外周面と接合用鋼管挿入部の内周面との間の間隙部にグラウト材が充填されると共に、接合用鋼管の最先端以外に配されたダイヤフラムの外周面と第１リング部材の内周面とが対向配置されることにより、ダイヤフラムおよび第１リング部材、グラウト材を介して一方および他方の鋼管のうち上側に位置する鋼管に作用するせん断力を下側に位置する鋼管に伝達することができる。また、接合部に作用する曲げモーメントに対しては、ダイヤフラムの縁周部側と第１リング部材との間に発生する斜め方向の圧縮ストラットと、テコ反力とによって抵抗することができる。
また、建設現場では、一方の鋼管および他方の鋼管を立設して接合用鋼管を接合用鋼管挿入部に挿入し、接合用鋼管と接合用鋼管挿入部との間隙部にグラウト材を充填するだけで接合することができ、建設現場における溶接作業がなく、接合部の品質が安定すると共に、施工を容易に行うことができる。

また、本発明に係る鋼管の接合構造では、前記接合用鋼管が上下方向に２つ配されていることが好ましい。
本発明では、接合用鋼管が上下方向に２つ配されていることにより、接合部を簡易な形状とすることができ、製作が容易であると共に製作コストを下げることができる。

また、本発明に係る鋼管の接合構造では、前記最先端に配された前記ダイヤフラムの外周面に対向する位置であって、前記板部材の上面に連接するように、前記ダイヤフラムの外形と略同一形状の内形に形成された第２リング部材が設けられていることが好ましい。
本発明では、最先端に配されたダイヤフラムの外周面に対向する位置であって、板部材の上面に連接するように、ダイヤフラムの外形と略同一形状の内形に形成された第２リング部材が設けられていることにより、最先端に配されたダイヤフラムおよび第２リング部材を介して一方および他方の鋼管のうち上側に位置する鋼管に作用するせん断力を下側に位置する鋼管に伝達することができる。
また、接合時に、最先端に配されたダイヤフラムを第２リング部材に挿入させればよいので、接合用鋼管と接合用鋼管挿入部との位置あわせを容易に行うことができる。

本発明によれば、接合部の強度を確保でき、また建設現場での溶接を行わずに鋼管を接合することができるので、接合部分の品質を安定させることができると共に、施工を容易に行うことができる。

（ａ）は本発明の第一の実施の形態による鋼管の接合構造の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 上部鋼管の一例を示す図である。 下部鋼管の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は上部鋼管と下側鋼管とを接合する工程を示す図である （ａ）は上部鋼管および下側鋼管に作用する軸力の伝達の様子を示す図、（ｂ）はせん断力の伝達を示す図、（ｃ）は曲げモーメントへの抵抗力を示す図である。 （ａ）は本発明の第二の実施の形態による鋼管の接合構造の一例を示す図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

以下、本発明の第一の実施の形態による鋼管の接合構造について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１に示すように、第一の実施の形態による鋼管の接合構造１は、鋼管柱や鋼管杭などの上下方向に配列された上部鋼管（一方の鋼管）２と下部鋼管（他方の鋼管）３との接合構造である。
鋼管の接合構造１は、上部鋼管２の下部に設けられた接合用鋼管４が、下部鋼管３の上部側に形成された接合用鋼管挿入部５に挿入され、接合用鋼管４の外周面４ａと接合用鋼管挿入部５の内周面５ａと間の間隙部６にグラウト材７が充填されることにより接合される構造である。
ここで、接合された状態の接合用鋼管４と、接合用鋼管挿入部５と、間隙部６のグラウト材７とからなる部分を接合部１０として以下説明する。

図１に示すように、上部鋼管２は、下端部２ａに上部鋼管２の軸方向に直交する方向を面方向とする底板１１が接合されている。接合用鋼管４は、この底板１１に接合される。
下部鋼管３は、上端部３ａから接合用鋼管４の高さ分下がった位置の内部に、下部鋼管３の軸方向に直交する方向を面方向とする底板（板部材）１２が設けられている。下部鋼管３の上端部３ａは開放されていて、底板１２の上側が接合用鋼管挿入部５となる。
上部鋼管２および下部鋼管３は、断面形状が同じ円形である円筒状の鋼管である。

接合用鋼管４は、上部鋼管２および下部鋼管３よりも小さい外形で円筒状の接合用鋼管本体１３と、接合用鋼管本体１３の下端部に連接されたダイヤフラム１４、１５とから構成される。
接合用鋼管４は、上下方向に２つ配されており、上側の接合用鋼管４が上部鋼管２の底板１１に接合されている。
ここで、上側の接合用鋼管本体１３の下端部に連接されたダイヤフラムを第１ダイヤフラム１４とし、下側の接合用鋼管本体１３の下端部に連接されたダイヤフラムを第２ダイヤフラム１５として以下説明する。

第１および第２ダイヤフラム１４、１５は、接合用鋼管本体１３の断面形状の円形よりも大きい円形の板材で、その中心軸を接合用鋼管４の中心軸と同じくして配設されている。このため、第１および第２ダイヤフラム１４、１５は、外縁部１４ａ、１５ａが接合用鋼管本体１３の外周面１３ａから外方に突出している。
接合用鋼管４は、工場等で製作されて上部鋼管２に接合されている。

図１および図３に示すように、接合用鋼管挿入部５は、内部の高さ方向の中間部に、下部鋼管３に設けられた底板１２と平行で、中央部に貫通孔１６ａを備える第１リング部材１６が接合されている。
接合用鋼管挿入部５に接合用鋼管４が挿入された際に、第１リング部材１６の貫通孔１６ａに接合用鋼管４の第１ダイヤフラム１４が嵌合して、第１ダイヤフラム１４の外周面と第１リング部材１６の内周面とが対向配置する。また、このとき、接合用鋼管４の第２ダイヤフラム１５と接合用鋼管挿入部５の底板１２とが当接する。

また、接合用鋼管挿入部５の内周面５ａの上端部には、リング状のズレ止め部材１７が設けられており、接合された上部鋼管２と下部鋼管３の位置がずれることを防止している。
接合用鋼管挿入部５は、工場等で下部鋼管３の上部側に形成されている。

グラウト材７は、高流動性のモルタルなどで、接合用鋼管挿入部５に形成された図示しないグラウト充填孔から接合用鋼管４と接合用鋼管挿入部５との間隙部６に充填される。接合用鋼管挿入部５には、間隙部６の空気と余分なグラウト材７を排出する図示しないグラウト排出孔が形成されている。
グラウト充填口およびグラウト排出孔は、第１リング部材１６の上方および下方にそれぞれ設けられていて、第１リング部材１６の上方の間隙部６と下方の間隙部６とにそれぞれグラウト材７を充填することができる。

次に、第一の実施の形態による鋼管の接合方法について図面を用いて説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、下部鋼管３を立設し、上部鋼管２を吊上げて下部鋼管３の接合用鋼管挿入部５に接合用鋼管４を挿入する。
このとき、図４（ｂ）に示すように、接合用鋼管４の第１ダイヤフラム１４を、接合用鋼管挿入部５の第１リング部材１６の貫通孔１６ａに嵌合させ、接合用鋼管４の第２ダイヤフラム１５を接合用鋼管挿入部５の底板１２に当接させる。

続いて、図４（ｃ）に示すように、図示しないグラウト充填口から接合用鋼管４と接合用鋼管挿入部５との間隙部６にグラウト材７を充填する。このとき、接合用鋼管挿入部５の底板１２は、第１ダイヤフラム１４の下側の間隙部６に充填されたグラウト材７が下方に流出することを防止している。このため、底板１２の形状は、第２ダイヤフラム１５との間に隙間ができない形状であればよく、リング状に形成されていてもよい。
そして、グラウト材７が硬化することによって、接合用鋼管４と接合用鋼管挿入部５とが接合し、上部鋼管２と下部鋼管３とが接合される。

次に、上述した鋼管の接合構造１における応力について説明する。
図５（ａ）に示すように、上部鋼管２から下部鋼管３に伝達する軸力は、図中の矢印に示すように上部鋼管２から下部鋼管３に直接伝達する。

また、図５（ｂ）に示すように、上部鋼管２に作用したせん断力は、図中の矢印に示すように、接合用鋼管４およびグラウト材７を介して下部鋼管３に伝達する。このとき、接合用鋼管４の第１ダイヤフラム１４から接合用鋼管挿入部５の第１リング部材１６にせん断力が伝達している。

また、図５（ｃ）に示すように、接合部１０に曲げモーメントが作用すると、第１リング部材１６と下部鋼管３間に生じるテコ反力１８と、第２ダイヤフラム１５と第１リング部材１６との間に発生する斜め方向の圧縮ストラット１９によって抵抗している。
また、グラウト材７によって接合用鋼管４と接合用鋼管挿入部５とが一体化しているので、接合部１０の座屈を防ぐことができる。

次に、上述した鋼管の接合構造１の効果について図面を用いて説明する。
第一の実施の形態による鋼管の接合構造１によれば、予め上部鋼管２に接合用鋼管４が接合され、下部鋼管３に接合用鋼管挿入部５が形成されていることにより、現場での作業は下部鋼管３および上部鋼管２を立設し、接合用鋼管４と接合用鋼管挿入部５との間隙部６にグラウト材７を充填すればよいので、現場における溶接作業がなく、接合部１０の品質が安定すると共に施工が行いやすい効果を奏する。
また、接合部１０を介して上部鋼管２から下部鋼管３に軸力およびせん断力が伝達すると共に、接合部１０に作用する曲げモーメントに抵抗することができるので、接合部１０の強度を十分に確保することができる。
これにより、構造建築物の下層部の大断面柱などの接合部に採用することができると共に、従来の鋼管の接合構造のように接合用鋼管４や接合用鋼管挿入部５に多数のリブを設ける必要がなく、簡易な構成とすることができる。

次に、他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第一の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。
図６に示すように、第二の実施の形態による鋼管の接合構造２１は、接合用鋼管挿入部５の底板１２の上面に、第２リング部材２２が設置されている。
この第２リング部材２２は、外形が第１リング部材１６と同形の円形で、中央部に接合用鋼管４の第２ダイヤフラム１５が嵌合する貫通孔２２ａを備えている。

第二の実施の形態による鋼管の接合構造２１によれば、第一の実施の形態と同様の効果を奏すると共に、第２ダイヤフラム１５および第２リング部材２２を介して上部鋼管２に作用するせん断力を下部鋼管３に伝達させることができる。
また、接合時に第２ダイヤフラム１５を第２リング部材２２の貫通孔２２ａに挿入させればよいので、接合用鋼管４と接合用鋼管挿入部５との位置あわせを容易に行うことができる。

以上、本発明による鋼管の接合構造１、２１の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、上部鋼管２、下部鋼管３および接合用鋼管４は断面形状が円型であるが、角型鋼管など他の形状の鋼管を使用してもよい。この場合、底板１１、１２や、第１および第２ダイヤフラム１４、１５、第１リング部材１６、第２リング部材２２なども鋼管の形状に合わせた形状のものとする
また、例えば、上述した実施の形態では、上部鋼管２に接合用鋼管４が設けられて、下部鋼管３に接合用鋼管挿入部５が形成されているが、上部鋼管２に接合用鋼管挿入部５を形成し、下部鋼管３に接合用鋼管４を設けてもよい。
また、例えば、上述した実施の形態では、接合用鋼管４が上下方向に２つ配列されているが、上下方向に３つ以上配列されていてもよい。

１、２１ 鋼管の接合構造
２ 上部鋼管（一方の鋼管）
３ 下部鋼管（他方の鋼管）
４ 接合用鋼管
４ａ 外周面
５ 接合用鋼管挿入部
５ａ 内周面
６ 間隙部
７ グラウト材
１０ 接合部
１２ 底板（板部材）
１３ 接合用鋼管本体
１４ 第１ダイヤフラム
１５ 第２ダイヤフラム
１６ 第１リング部材
２２ 第２リング部材

Claims (3)

1. 上下方向に接合される鋼管のうち一方の鋼管の端部に、他方の鋼管側へ突出し前記他方の鋼管の内形より小さい外形の接合用鋼管が設けられ、
   前記接合用鋼管は、前記他方の鋼管の前記一方の鋼管との接合側端部に形成された接合用鋼管挿入部に挿入され、
   前記接合用鋼管の外周面と前記接合用鋼管挿入部の内周面との間に形成された間隙部にグラウト材が充填された鋼管の接合構造であって、
   前記接合用鋼管は、前記一方の鋼管より小さい外形の接合用鋼管本体と、該接合用鋼管本体における他方の鋼管側に連接され前記接合用鋼管本体の外周面よりも外方に突出形成するダイヤフラムとを有すると共に、上下方向に複数配列され、
   前記接合用鋼管挿入部の内周面には、前記ダイヤフラムの外形と略同一形状の内形に形成された第１リング部材と、前記接合用鋼管の最先端に配された前記ダイヤフラムと当接される板部材とが設けられ、
   前記一方の鋼管を前記他方の鋼管へ挿入して、前記接合用鋼管の最先端に配された前記ダイヤフラムと前記板部材とが当接したときに、前記接合用鋼管の最先端以外に配された前記ダイヤフラムの外周面と前記第１リング部材の内周面とが対向配置されることを特徴とする鋼管の接合構造。
2. 前記接合用鋼管が上下方向に２つ配されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の接合構造。
3. 前記最先端に配された前記ダイヤフラムの外周面に対向する位置であって、前記板部材の上面に連接するように、前記ダイヤフラムの外形と略同一形状の内形に形成された第２リング部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の接合構造。

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