JP2015074924A - 鋼管柱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】柱基部の耐力を効率よく向上させることができるうえ、変断面柱を構成することができる。【解決手段】複数の鋼管を管軸Ｏ方向に継ぎ合わせて一体とした鋼管柱構造であって、端部をテーパー状に拡管した拡管部１１を有する第１鋼管１０と、第１鋼管１０とは強度または板厚、鋼管径の異なる端部をテーパー状に縮管するとともに第１鋼管１０よりも強度の大きい縮管部２１を有する第２鋼管２０とが突っ込み接合により接合され、第１鋼管１０と第２鋼管２０とを突っ込み接合する際に、第２鋼管２０の縮管部２１に嵌合する第１鋼管１０の拡管部１１には第１鋼管１０の自重を超える軸力Ｐが導入された構成の鋼管柱構造１を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の鋼管を例えば建設現場において継ぎ合わせて一体とした構成の鋼管柱構造に関する。

この種の鋼管柱として、電信柱などの下端で固定する構造が知られている。このような下端固定構造では、作用する断面力は基部で大きくなる。また、建築の柱梁接合、ラーメン式橋脚のようにフレーム状として使用された場合においては、基部および上端部にある梁との接合部近傍で作用する断面力が大きくなる。つまり、柱構造は、変断面にした方が本質的に効率の良い構造である。さらに、変断面の柱構造として、断面力の大きい部分のみを板厚、径、または強度を大きくして構造としての重量を減らすと、地震力が作用した場合の断面力は構造の質量に依存することから、断面力を低下させることとなり、さらに構造の効率を上げることができる。加えて、変断面とすると構造の固有振動数が大きくなり、その結果として地震力の周波数から遠くなるために、多くの場合さらに断面力が低減する。そして、柱を変断面構造にするためには、溶接またはボルトを用いているのが一般的である。

ところが、鋼管柱の場合には、閉断面構造となることから、溶接による接合およびボルト接合の場合ともに施工が困難である。具体的に、突合せ溶接が行われる場合、一方の片面側から溶接をする必要があるために裏当て金を用いているが、疲労性能が低いことから、長期的な耐久性が得られないという課題があった。そして、裏当て金を使用しない場合であっても，特殊な技能を持った溶接工を要するため、製作コストが高くなるうえ、裏面側のビードの品質を確認することができないため、裏当て金を使用する場合と同様に疲労性能が著しく低くなってしまう。また、溶接にかかるコストは、柱が高強度鋼になった場合にはより高くなる。

また、ボルト接合の場合には、裏面側からナットを設置することができず、コストの高いワンサイドボルトを使うしか方法が無いため、摩擦接合は使用されていない。そのため、一旦、鋼管をフランジプレートに溶接し、そのフランジプレート同士を引張接合ボルトで接合している。しかし、この方法は鋼管の外側に大きくフランジプレートが突出するため、機能上、または美観上の点で不適な場合があった。さらに、突合せ溶接の場合と同様に溶接でフランジプレートを接合するため、疲労の問題も残っている。

そこで、溶接接合やボルト接合によらない他の接合構造として、例えば特許文献１に記載されるように、接合する一方の鋼管の端部を縮管部とし、他方の鋼管の端部を拡管部とし、双方の縮管部と拡管部とを突っ込み接合によって接合する構造も知られている。このような突っ込み接合構造は、住宅地等で電柱の施工を行うために、施工単重を小さく抑える場合に採用され、電線等のあまり大きな荷重が作用しないものを懸架するためのもので、また鋼管（柱）の高さが多少変化しても何ら問題のない場合に採用されている。

特開平６−２５７３２５号公報

しかしながら、従来の鋼管柱では、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１に記載される鋼管柱による突っ込み接合による構造では、施工時に先行して配設した鋼管に対して上方から別の鋼管をその自重によって被せることのみで施工される構造である。そのため、双方の鋼管の縮管部と拡管部とが密着してない場合があり、水平荷重の載荷時に接合部での変位が大きくなるという問題があった。

また、鋼管柱に地震力が作用した場合には、その際の鉛直力の変動に伴って、上側の鋼管の突っ込み量が増加し、柱全体の高さが低くなるという問題があった。
さらに、この接合部を持つ構造の破壊試験をすると、互いに同径、同厚、同強度の鋼管同士を接合した場合には、縮管側の鋼管の一般部で座屈が生じ、そのときの断面力は降伏時断面力の１．１４倍程度に低下してしまうことから、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、柱基部の耐力を効率よく向上させることができるうえ、変断面柱を構成することができる鋼管柱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、本発明に係る鋼管柱構造では、複数の鋼管を管軸方向に継ぎ合わせて一体とした鋼管柱構造であって、端部をテーパー状に拡管した第１鋼管と、該第１鋼管とは強度または板厚、鋼管径の異なる端部をテーパー状に縮管するとともに前記第１鋼管よりも強度の大きい第２鋼管とが突っ込み接合により接合され、前記第１鋼管と第２鋼管とを突っ込み接合する際に、前記第２鋼管の縮管部に嵌合する前記第１鋼管の拡管部には該第１鋼管の自重を超える軸力が導入されていることを特徴としている。

本発明に係る鋼管柱構造では、強度または板厚、鋼管径を第１鋼管と異なるものとし強度を大きくした第２鋼管を縮管し、その第２鋼管を断面力の大きい部位に配置した柱構造とすることで、施工時において部材重量よりも大きな軸力を作用させることができる。
そして、鋼管柱構造の強度を大きくする場合には、第２鋼管の強度や板厚を大きくすることで対応することができるうえ、耐力（強度）を選択的に設定することが可能となる。この場合、高耐力化を図ることで総重量を小さくすることができ、発生する外力を低減することができるという利点がある。
また、本鋼管柱構造では、強度または板厚、鋼管径を第１鋼管と第２鋼管とで異なるように構成するといった低コストで、且つ簡単な構成によって変断面柱を設けることができる。

また、拡管部と縮管部との接合面間の形状が座屈強度に影響することから、拡管部を有する第１鋼管側で破壊を生じさせ得る構造となり、鋼管柱構造としての最大耐力を効率よく向上させることができ、例えば降伏時断面力の１．３５倍の強度が得られることになる。

また、本発明では、鋼管同士の接合時に第１鋼管の自重を超える軸力を予め導入しておくことで、施工後の挙動を安定させることができ、第１鋼管と第２鋼管とがオーバーラップして接合する鋼管接合部で拡管部と縮管部とが互いに密着して剛性が高くなることから、地震力等で大きな軸力が作用した場合であっても管軸方向の変位を抑制することができる。そのため、管軸方向の負荷の変動に伴って鋼管柱の高さが低くなるのを防止することができる。

また、本発明に係る鋼管柱構造では、前記拡管部の軸力導入時における前記縮管部とのオーバーラップ長は、前記拡管部の設定オーバーラップ長に、前記第１鋼管の前記拡管部の基端側における鋼管一般部の鋼管外径の０．１倍を加えた長さ寸法以上となることが好ましい。

この場合には、オーバーラップ長を拡管部の設定オーバーラップ長に拡管部の鋼管径の０．１倍を加えた長さ寸法とすることで、作用する軸力が予想し難い場合であっても、予め鋼管に導入される軸力を１．４Ｎ／ｍｍ^２×鋼管断面積以上に設定することができる。ここで、鋼管断面積は、第１鋼管の拡管部の基端側における鋼管一般部の断面積である。つまり、導入軸力が１．４Ｎ／ｍｍ^２×鋼管断面積以上であれば、その後に生じる管軸方向の縮み量（変位）を数ミリのオーダーに抑制することが可能となる。また、１．４Ｎ／ｍｍ^２×鋼管断面積以上の軸力を予め導入しておくことで、拡管部と縮管部の接合面で生じる変位は小さい側で安定するという利点がある。

また、本発明に係る鋼管柱構造では、接合された前記第１鋼管及び前記第２鋼管の内部の一部または全部に固化材料が充填されていることが好ましい。

この場合には、第１鋼管と第２鋼管とが接合された鋼管の内部に例えばコンクリートの固化材料が充填されると、コンクリート充填鋼管となることから、高耐力化を図ることができるうえ、管軸方向の縮み量がほぼ無くなるように抑制することができる。
また、固化材料を第１鋼管と第２鋼管の全部に充填することで、鋼管全体の剛性を高めることができる。そして、固化材料を第１鋼管と第２鋼管の例えば基部のみに充填することで、鋼管全体の重量が大きくなるのを抑えることができ、重量が大きくなることに伴う地震力の増加を防止することができる。

本発明の鋼管柱構造によれば、発生断面力の大きくなる柱基部の耐力を効率良く向上させることができるとともに、重量の低減と固有振動数の変化によって発生する曲げモーメントを低減させることができ、変断面柱を構成することができる。そして、拡管部に縮管部を突っ込み接合することで、縮管部を有する第２鋼管側の板厚、鋼管径、強度を大きくすることで耐力を向上させることができる。

本発明の実施の形態による鋼管柱構造を示す側面図である。 図１に示す鋼管柱構造の縦断面図である。 図２に示す鋼管柱構造で第１鋼管と第２鋼管の接合前の状態を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、Ｄ３＜Ｄ１において、第１鋼管と第２鋼管の接合時の各寸法を説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）は、Ｄ３＞Ｄ１において、第１鋼管と第２鋼管の接合時の各寸法を説明するための図である。 実施例による軸力の影響を示す図であって、オーバーラップ長と軸力の関係を示す図である。 実施例による接合面のずれ量を示す図であって、ずれ変位と水平荷重の関係を示す図である。 第１変形例による鋼管柱構造を示す縦断面図である。 第２変形例による鋼管柱構造を示す縦断面図である。 第３変形例による鋼管柱構造を示す縦断面図である。 第４変形例による鋼管柱構造を示す縦断面図である。 第５変形例による鋼管柱構造を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態による鋼管柱構造について、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態の鋼管柱構造１は、例えば電信柱やゴルフ場のネット用のポール等の複数（本実施の形態では２本）の鋼管を鋼管接合部Ｔを介して管軸方向に直列に継ぎ合わせて一体とした構造となっている。

鋼管柱構造１は、一端部又は両端部（本実施の形態では下端部）をテーパー状に拡管した第１鋼管１０と、第１鋼管１０とは強度または板厚、鋼管径の異なる一端部又は両端部（本実施の形態では上端部）をテーパー状に縮管するとともに第１鋼管１０よりも強度の大きい第２鋼管２０とを備え、第１鋼管１０と第２鋼管２０とが突っ込み接合により接合されている。ここで、第２鋼管２０は、支持地盤４に埋設されている。第１鋼管１０は、下端部を第２鋼管２０の上端部に接合させて立設されている。そして、鋼管柱構造１は、第１鋼管１０と第２鋼管２０とを突っ込み接合する際に、第２鋼管２０の縮管部２１に嵌合する第１鋼管１０の拡管部１１には該第１鋼管１０の自重を超える軸力Ｐが導入された構成となっている。

すなわち、鋼管１０、２０同士の接合部（以下、鋼管接合部Ｔ）は、上下方向に接合される一対の第１鋼管１０及び第２鋼管２０のうち上側に接合される第１鋼管１０の下端に形成された拡管部１１を、同じく下側に接合される第２鋼管２０の上端に形成された縮管部２１に嵌合させることにより接合される構造となっており、拡管部１１と縮管部２１とは、所定のオーバーラップ長Ｌでオーバーラップしており、このオーバーラップ部において、上述した軸力Ｐをもって密接している。

ここで、接合された一対の鋼管１０、２０の中心軸線を管軸Ｏといい、この管軸Ｏに直交する方向を径方向とする。なお、本実施の形態では、鋼管柱構造１は管軸Ｏを上下方向に向けて配置され、上述のように拡管部１１を有する第１鋼管１０が管軸Ｏに沿って上側、縮管部２１を有する第２鋼管２０が管軸Ｏに沿って下側に位置し、互いに直列に配置されている。

図２及び図３に示すように、第１鋼管１０の拡管部１１は、管軸方向の下端１０ａ側部分において上方の本体部分から下端１０ａに向かうに従い漸次、拡径されるテーパー状に形成されている。第２鋼管２０の縮管部２１は、管軸Ｏ方向の上端２０ａ側部分において下方の本体部分から上端２０ａに向かうに従い漸次、縮径されるテーパー状に形成されている。
そして、上述したように第２鋼管２０は、第１鋼管１０よりも強度が大きくなるように、第１鋼管１０に対して強度または板厚、径の異なる部材が採用されている。

また、本実施の形態の鋼管柱構造１において、第１鋼管１０の軸力導入時における拡管部１１と縮管部２１とが接合するオーバーラップ長Ｌは、図２に示すように、拡管部１１の設定オーバーラップ長Ｌ_０に前記第１鋼管１０の拡管部１１の基端側鋼管外径Ｄ（鋼管一般部１０ｂの外径）の０．１倍を加えた長さ寸法（（１）式で算出される数値）以上となっている。なお、設定オーバーラップ長Ｌ_０とは、第１鋼管１０の拡管部１１の内面と、第２鋼管２０の縮管部２１の外面が最初に接するときの長さである。すなわち、基本的にその時点では、拡管部１１と縮管部２１による周方向の接合によって発生する応力はゼロである。

ここで、（１）式を、以下、「オーバーラップ長算出式」という。双方の鋼管１０、２０を上記オーバーラップ長Ｌで接合することにより、前記軸力Ｐが導入された鋼管柱構造１を製造、施工することができる。

また、鋼管柱構造１に導入される上述した軸力Ｐ（ｋＮ）は、設計で想定される最大荷重によって発生する応力σ_ｍａｘに対して（２）式により算出される数値以上であり、１．４Ｎ／ｍｍ^２×鋼管断面積Ａ_Ｐ以上を導入することが好ましい。ここで、（２）式において、Ａ_Ｐは第１鋼管１０の鋼管一般部１０ｂにおける断面積である。なお、導入される軸力Ｐとオーバーラップ長Ｌの関係は（３）式で示される。（３）式において、ｔ_１は第１鋼管１０の板厚（ｍｍ）、ｔ_２は第２鋼管２０の板厚（ｍｍ）である。
例えば、軸力導入側となる第１鋼管１０の鋼管一般部１０ｂの鋼管外径Ｄが３５５．６ｍｍ、板厚ｔ_１が６．４ｍｍであり、その第１鋼管１０の自重による荷重が５ｋＮの場合には、さらにこの自重による荷重の他に約５ｋＮ以上の荷重をかけることで、前記オーバーラップ長Ｌが確保でき、前記軸力Ｐを導入することができる。

本実施の形態の鋼管柱構造１では、設計時に柱構造に作用する軸力Ｐが予想できる場合において、上記（２）式で与える軸力Ｐを算出することができ、鋼管柱の軸変位を要求値内に収めることができる。

ここで、第１鋼管１０と第２鋼管２０との接合時の各寸法について、具体的に説明する。
先ず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１鋼管１０の拡管部１１における基端側の鋼管一般部１０ｂの内径（鋼管内径Ｄ１）よりも、第２鋼管２０の縮管部２１における上端２０ａの縮管外径Ｄ３が小さいケース（Ｄ３＜Ｄ１）について説明する。
鋼管内径Ｄ１は、Ｄ１＝Ｄ−２ｔ_１で表され、縮管外径Ｄ３は、Ｄ３＝Ｄ１−２Ｌ_１×αで表される。ここで、式中のαは、鋼管一般部１０ｂと、縮管部２１の上端２０ａ、及び拡管部１１の下端１０ａとのそれぞれの間をつなぐ面、すなわち拡管部１１及び縮管部２１のテーパー角である。
この接合状態において、第１鋼管１０における拡管部１１の開始位置１１ａから縮管部２１の上端２０ａまで（縮管外径Ｄ３まで）の拡管距離Ｌ１は、（４）式で示される。そして、第１鋼管１０における拡管部１１の全長をＬｕとすると、設定オーバーラップ長Ｌ_０は、（５）式により算出することができる。

また、図４（ｂ）に示すように、第２鋼管２０の縮管部２１の全長Ｌｄが比較的長めに設定されているために、鋼管内径Ｄ１よりも縮管外径Ｄ３が小さい場合（Ｄ３＜Ｄ１）には、第１鋼管１０の鋼管一般部１０ｂに、第２鋼管２０の縮管部２１の上端部分一部（縮管外径Ｄ３の部分）が接触されずに挿入されることになる。また、第１鋼管１０の拡管部１１の下端内径Ｄ２は、（６）式により表される。
そして、図４（ａ）に示すように、拡管部１１の下端内径Ｄ２が第２鋼管２０の鋼管一般部２０ｂの径Ｄｄ以下の場合（Ｄ２≦Ｄｄ）において、拡管部１１と縮管部２１のテーパー部分同士が接する長さ寸法（接触長Ｌ_Ｓ）は、（７）式により表される。

また、図４（ｂ）に示すように、拡管部１１の下端内径Ｄ２が第２鋼管２０の鋼管一般部径Ｄｄより大きい場合（Ｄ２＞Ｄｄ）において、拡管部１１と縮管部２１のテーパー部分同士が接する長さ寸法（接触長Ｌ_Ｓ）は、（８）式により表される。

また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、第２鋼管２０の縮管部２１における上端２０ａの縮管外径Ｄ３が第１鋼管１０の拡管部１１における基端側の鋼管一般部１０ｂの内径（鋼管内径Ｄ１）以上となるケース（Ｄ３≧Ｄ１）について説明する。
この場合の接合状態において、第１鋼管１０における拡管部１１の開始位置１１ａから縮管部２１の上端２０ａまで（縮管外径Ｄ３まで）の拡管距離Ｌ１は、（９）式で示される。そして、第１鋼管１０における拡管部１１の全長をＬｕとすると、設定オーバーラップ長Ｌ_０は、（１０）式により算出することができる。

また、図５（ｂ）に示すように、第２鋼管２０の縮管部２１の全長Ｌｄが比較的長めに設定されているために、縮管外径Ｄ３が鋼管内径Ｄ１以上となる場合（Ｄ３≧Ｄ１）には、第１鋼管１０の鋼管一般部１０ｂに、第２鋼管２０の縮管部２１の上端部分一部（縮管外径Ｄ３の部分）が挿入されない。また、第１鋼管１０の拡管部１１の下端内径Ｄ２は、（６）式により表される。
そして、図５（ａ）に示すように、拡管部１１の下端内径Ｄ２が第２鋼管２０の鋼管一般部２０ｂの径Ｄｄ以下の場合（Ｄ２≦Ｄｄ）において、拡管部１１と縮管部２１のテーパー部分同士が接する長さ寸法（接触長Ｌ_Ｓ）は、（１１）式により表される。

また、図５（ｂ）に示すように、拡管部１１の下端内径Ｄ２が第２鋼管２０の鋼管一般部径Ｄｄより大きい場合（Ｄ２＞Ｄｄ）において、拡管部１１と縮管部２１のテーパー部分同士が接する長さ寸法（接触長Ｌ_Ｓ）は、（１２）式により表される。

次に、鋼管柱構造１の製造方法および施工方法について説明する。
先ず、図１に示すように、本実施の形態の鋼管柱構造１を工場などで製造する場合においては、１．４Ｎ／ｍｍ^２×鋼管断面積の軸力Ｐを導入して両鋼管１０、２０を接合する場合、下側の第２鋼管２０を所定位置に固定し、その第２鋼管２０の縮管部２１に対して、上側の第１鋼管１０の拡管部１１を所定の軸力Ｐを導入しつつ管軸Ｏ方向に嵌合させることで、双方の鋼管１０、２０同士が接合される。このときの軸力Ｐの導入方法としては、例えば軸力導入側の第１鋼管１０にワイヤを取り付けて、そのワイヤを油圧ジャッキ等で引っ張る方法により行うことができる。さらに、第２鋼管２０を管軸Ｏを上下方向に向けて縮管部２１を上にした状態で固定しておき、その縮管部２１に第１鋼管１０の拡管部１１を被せつつ嵌合させる場合には、導入する軸力Ｐは拡管部１１の自重による荷重が作用するので、残りの荷重分を前記油圧ジャッキ等で導入することにより行うことができる。

また、本実施の形態の鋼管柱構造１を現場などで施工する場合においても、鋼管柱構造１の設置位置において、先行して第２鋼管２０を管軸Ｏを上下方向に向けて縮管部２１を上にした状態で設置し、その後、縮管部２１に第１鋼管１０の拡管部１１を被せつつ嵌合させる。このとき、導入する軸力Ｐは拡管部１１の自重による荷重が作用するので、残りの荷重分を前記油圧ジャッキ等で導入することにより行うようにする。

次に、上述した鋼管柱構造１の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図２及び図３に示すように、本実施の形態の鋼管柱構造１では、強度または板厚、鋼管径を第１鋼管１０と異なるものとし強度を大きくした第２鋼管２０を縮管し、その第２鋼管２０を断面力の大きい部位に配置した柱構造とすることで、施工時において部材重量よりも大きな軸力Ｐを作用させることができる。

そして、鋼管柱構造１の強度を大きくする場合には、第２鋼管２０の強度や板厚を大きくすることで対応することができるうえ、耐力（強度）を選択的に設定することが可能となる。この場合、高耐力化を図ることで総重量を小さくすることができ、発生する外力を低減することができるという利点がある。
また、本鋼管柱構造１では、強度または板厚、鋼管径を第１鋼管１０と第２鋼管２０とで異なるように構成するといった低コストで、且つ簡単な構成によって変断面柱を設けることができる。

また、拡管部１１と縮管部２１との接合面間の形状が座屈強度に影響することから、拡管部１１を有する第１鋼管１０側で破壊を生じさせ得る構造となり、鋼管柱構造１としての最大耐力を効率よく向上させることができ、例えば降伏時断面力の１．３５倍の強度が得られることになる。

また、本実施の形態では、オーバーラップ長Ｌを拡管部１１の設定オーバーラップ長Ｌ_０に拡管部１１の鋼管径の０．１倍を加えた長さ寸法とすることで、特に作用する軸力Ｐが予想し難い場合であっても、予め鋼管に導入される軸力Ｐを１．４Ｎ／ｍｍ^２×鋼管断面積以上に設定することができる。

ここで、図６は、第２鋼管（下管）に第１鋼管（上管）を管軸方向に沿って押し込んで嵌合させときのオーバーラップ長Ｌ（ｍｍ）と軸力Ｐ（ｋＮ）荷重を測定した一例を示している。この測定に用いた試験体は、上管及び下管の板厚がそれぞれ６．４ｍｍであり、鋼管径はそれぞれ３５５．８ｍｍであり、上管の拡管部及び下管の縮管部の長さはそれぞれおおよそ７００ｍｍである。１．４Ｎ／ｍｍ^２×鋼管断面積のため、荷重としては約１０ｋＮとなっている。

図６の結果より、導入する軸力が１０ｋＮ未満のときには、オーバーラップ長Ｌ７５０ｍｍから略７８２ｍｍとなって略３０ｍｍの変位が生じており、軸力Ｐを１０ｋＮから２０ｋＮまで付与したときにはオーバーラップ長Ｌが略７９０ｍｍで略８ｍｍの変位であり、さらに軸力Ｐを２０ｋＮから３０ｋＮまで付与したときにはオーバーラップ長Ｌが略７９３ｍｍで略３ｍｍの変位であり、さらにまた軸力Ｐを３０ｋＮから４０ｋＮまで付与したときには、オーバーラップ長Ｌが略７９５ｍｍで略２ｍｍの変位となる。このことから、軸力Ｐが１０ｋＮ未満の場合には、１０ｋＮ以上の場合に比べて発生する管軸方向の変位が大きいことが確認できる。
そして、この結果において、上述した本実施の形態のオーバーラップ長算出式（上記（１）式、Ｌ_０＋０．１×Ｄ）によって計算されるオーバーラップ長Ｌが略７８６ｍｍとなり、このときの軸力は図６において１０ｋＮを超えていることから、上記（１）式の妥当性も確認することができる。

この図６の結果からもわかるように、導入軸力Ｐが１０ｋＮ以上であれば、その後に生じる管軸方向の縮み量（変位）を数ミリのオーダーに抑制することが可能となる。そして、図２に示すように、オーバーラップ長Ｌを拡管部１１の設定オーバーラップ長Ｌ_０に拡管部１１の鋼管径の０．１倍を加えた長さ寸法（（１）式のオーバーラップ長算出式）以上で第１鋼管１０と第２鋼管２０をオーバーラップさせて接合することで、その鋼管接合部Ｔに１０ｋＮ以上の軸力Ｐを導入することができる。
また、１０ｋＮ以上の軸力Ｐを予め導入しておくことで、拡管部１１と縮管部２１の接合面で生じる変位は小さい側で安定するという利点がある。

また、本実施の形態では、鋼管に軸力Ｐを予め導入しておくことで、施工後の挙動を安定させることができ、第１鋼管１０と第２鋼管２０とがオーバーラップして接合する鋼管接合部Ｔで拡管部１１と縮管部２１とが互いに密着して剛性が高くなることから、地震力等で大きな軸力Ｐが作用した場合であっても管軸Ｏ方向の変位を抑制することができる。そのため、管軸Ｏ方向の変位に伴って鋼管柱の高さが低くなるのを防止することができる。

ここで、図７に示すグラフは、第２鋼管（下管）に第１鋼管（上管）を管軸Ｏ方向に沿って押し込んで嵌合させ際に導入する軸力Ｐの大きさを変えたときの、鋼管接合部Ｔにおける上管と下管の接合面のずれ量を測定した一例であって、横軸に水平方向のずれ変位（ｍｍ）をとり、縦軸に水平荷重（ｋＮ）をとったときのずれ量の挙動を示している。測定に使用した試験体による上管及び下管は、上記試験体と同じ寸法のものを使用しているので、ここでは詳しい説明は省略する。
そして、試験では、上記試験体に対して５ｋＮ、１０ｋＮ、４０ｋＮの軸力を付与したときの、接合面のずれ変位（ｍｍ）と水平荷重（ｋＮ）を測定している。

図７の結果より、導入する軸力が１０ｋＮのケースと４０ｋＮのケースは、ほぼ差が無く同じ挙動を示しており、軸力が５ｋＮのケースよりもずれ変位が小さくなっている。これは、軸力を上記のように１０ｋＮ以上に大きくすることで、上管の拡管部と下管の縮管部との密着度が大きくなり剛性が高くなるためである。

このように、本実施の形態の鋼管柱構造１では、発生断面力の大きくなる柱基部の耐力を効率良く向上させることができるとともに、重量の低減と固有振動数の変化によって発生する曲げモーメントを低減させることができ、変断面柱を構成することができる。
そして、拡管部１１に縮管部２１を突っ込み接合することで、縮管部２１を有する第２鋼管２０側の板厚、鋼管径、強度を大きくすることで耐力を向上させることができる。
なお、鋼管接合部に加えられた軸力は、Ｘ線回折法などの金属の応力を絶対値で計測できる方法を用いれば、非破壊でおおまかに推定することも可能である。現在では、小型の可搬式で現場適用が可能なＸ線応力測定装置が実用化されており、これを用いることができる。

以上、本発明による鋼管柱構造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、本実施の形態の鋼管柱構造１では、鋼管のみを対象としているが、これに限定されることはなく、接合された第１鋼管１０及び第２鋼管２０の内部の一部または全部にコンクリート等の固化材料が充填されていてもよい。すなわち、第１鋼管１０と第２鋼管２０とが接合された鋼管の内部に例えばコンクリートが充填されると、鋼管柱構造がコンクリート充填鋼管となることから、さらに高耐力化を図ることができるうえ、管軸Ｏ方向の縮み量（変位）がほぼ無くなるように抑制することができる。

なお、図８に示す第１変形例のように、コンクリート３（固化材料）を第１鋼管１０と第２鋼管２０の全部に充填することで、鋼管全体の剛性を高めることができる。
一方、図９に示す第２変形例のように、コンクリート３（固化材料）を鋼管柱構造１の支持地盤４に設置される基部のみに充填する構成であってもよい。すなわち、第２鋼管２０の内部において、縮管部２１の直下の位置から支持地盤４までの領域にコンクリート３が充填されている。第２変形例の構成では、鋼管全体の重量を鋼管柱構造１の全体にコンクリートを充填する場合に比べて小さくすることができ、重量が大きくなることに伴う地震力の増加を防止することができる。

また、本実施の形態では、鋼管柱構造として、鋼管は上側に拡管部１１を下端１０ａ側に配置した第１鋼管１０を配置し、下側に縮管部２１を上端２０ａ側に配置した第２鋼管２０を配置した構成としているが、これに限定されることはなく、他の形態とすることも可能である。例えば、鋼管柱構造として配置される鋼管を上下逆に配置することもできる。すなわち、鋼管柱構造の上下方向の上側に縮管部を下に向けた第２鋼管を配置し、下側に拡管部を上に向けた第１鋼管を配置するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、２本の鋼管（第１鋼管１０、第２鋼管２０）同士を接合し、１箇所の鋼管接合部Ｔとしているが、図１０に示す第３変形例ように、鋼管接合部Ｔ（Ｔ１、Ｔ２）が２箇所以上（図１０では２箇所）であってもかまわない。図１０では、管軸Ｏ方向に３本の鋼管１０Ａ、２０Ａ、３０Ａが直線上に継ぎ合わされて接合されている。その中央に位置する第１鋼管１０Ａは、下端１０ａに拡管部１１を有し、上端１０ｃに縮管部１２を有している。最下部に位置する第２鋼管２０Ａは、下端が地盤等に固定され、上端２０ａに縮管部２１を有している。そして、最上部に位置する第３鋼管３０Ａは、上端３０ａが通常外径をなし、下端３０ｂが第１鋼管１０Ａの縮管部１２に被せられて嵌合する拡管部３１を有している。なお、第１鋼管１０Ａと第２鋼管２０Ａとの間が第１鋼管接合部Ｔ１とし、第２鋼管２０Ａと第３鋼管３０Ａとの間が第２鋼管接合部Ｔ２とする。
なお、この場合、軸力Ｐの導入方法は、各鋼管接合部Ｔ１、Ｔ２においてそれぞれ個別に軸力Ｐを付与しても良いし、最も下の第２鋼管２０Ａ上に第１鋼管１０Ａ、第３鋼管３０Ａを順次自重のみで嵌合させてから、３本同時に所定の軸力Ｐを付与するようにしてもよい。

さらにまた、本発明の鋼管柱構造は、図１１に示す第４変形例ように、建築物の梁５と接合する柱にとして用いることも可能である。この場合、支持地盤４に埋設された第２鋼管２０Ｂの縮管部２１に接合される第１鋼管１０Ｂは、管軸Ｏ方向の両端が共に拡管部１１、１３を形成している。そして、第１鋼管１０Ｂの上端側の拡管部１３には、第２鋼管接合部Ｔ２において管軸Ｏ方向の両端が共に縮管部３２、３３を形成した第３鋼管３０Ｂが接合され、さらにその第３鋼管３０Ｂの上端側の縮管部３３には、第３鋼管接合部Ｔ３において第１鋼管１０Ｂと同様に管軸Ｏ方向の両端が共に拡管部４１（図１１では下端側の拡管部のみが示されている）を形成した第４鋼管４０Ｂが接合されている。このように管軸Ｏ方向の両端が拡管部のみの鋼管と、縮管部のみの鋼管とを交互に接続するように構成することも可能である。

また、図１２に示す第５変形例による鋼管柱構造は、上述した図１１に示す第４変形例の鋼管柱構造の内部の一部にコンクリート３が充填されている。具体的には、縮管部を形成した第２鋼管２０Ｃ、及び第３鋼管３０Ｃの内部のみにコンクリート３が充填された構成となっている。

１ 鋼管柱構造
３ コンクリート（固化材料）
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 第１鋼管
１０ａ 下端
１０ｂ 鋼管一般部
１１ 拡管部
１２ 縮管部
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 第２鋼管
２０ａ 上端
２１ 縮管部
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 第３鋼管
３１ 拡管部
４０Ｂ、４０Ｃ 第４鋼管
Ｌ オーバーラップ長
Ｌ_０ 設定オーバーラップ長
Ｏ 管軸
Ｐ 軸力
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ 鋼管接合部

Claims (3)

1. 複数の鋼管を管軸方向に継ぎ合わせて一体とした鋼管柱構造であって、
   端部をテーパー状に拡管した第１鋼管と、該第１鋼管とは強度または板厚、鋼管径の異なる端部をテーパー状に縮管するとともに前記第１鋼管よりも強度の大きい第２鋼管とが突っ込み接合により接合され、
   前記第１鋼管と第２鋼管とを突っ込み接合する際に、前記第２鋼管の縮管部に嵌合する前記第１鋼管の拡管部には該第１鋼管の自重を超える軸力が導入されていることを特徴とする鋼管柱構造。
2. 前記拡管部の軸力導入時における前記縮管部とのオーバーラップ長は、前記拡管部の設定オーバーラップ長に、前記第１鋼管の前記拡管部の基端側における鋼管一般部の鋼管外径の０．１倍を加えた長さ寸法となることを特徴とする請求項１に記載の鋼管柱構造。
3. 接合された前記第１鋼管及び前記第２鋼管の内部の一部または全部に固化材料が充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管柱構造。

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