JP2018178697A - 鋼管連結機構 - Google Patents

Abstract

【課題】経済性の高い鋼管連結機構を提供する。【解決手段】鋼管本体の一方の端部に設けられるピン継手３と、他方の端部に設けられるボックス継手４と、ピン継手３の外周面に周設された外向溝３２及びボックス継手４の内周面に、外向溝３２に対応して周設された内向溝４２に跨るように配置される荷重伝達キー７とが備えられた鋼管連結機構であって、外向溝３２の角部及び内向溝４２の角部の曲率半径ρ〔ｍｍ〕が、数式（１）１．０≦ρ<ｔ／２及び数式（２）１．０≦ρ<０．６＊ａを満たすように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、鋼管本体の一方の端部に設けられるピン継手と、他方の端部に設けられるボックス継手と、前記ピン継手の外周面に周設された外向溝及び前記ボックス継手の内周面に、前記外向溝に対応して周設された内向溝に跨るように配置される荷重伝達キーとが備えられた鋼管連結機構に関する。

特許文献１には、鋼管本体の一方の端部に設けられるピン継手と、他方の端部に設けられるボックス継手と、前記ピン継手の外周面に周設された外向溝及び前記ボックス継手の内周面に、前記外向溝に対応して周設された内向溝に跨るように配置される荷重伝達キーと、が備えられた鋼管矢板等の縦継ぎ装置が開示されている。

特許第３３３６４３０号公報

しかし、従来の縦継ぎ装置は、荷重伝達キーから外向溝に加わる力や、荷重伝達キーから内向溝に加わる力によって、外向溝や内向溝の、切削加工によって直角に形成された角部において応力分布が乱れ、局所的に応力が増大する（応力集中）。

ピン継手やボックス継手は、外向溝や内向溝が設けられている部分における厚みが、その他の部分よりも相対的に薄く、ここが構造上の弱点となることから、ピン継手及びボックス継手にはそれなりの厚みが要求される。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、経済性の高い鋼管連結機構を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するための、本発明に係る鋼管連結機構の特徴構成は、鋼管本体の一方の端部に設けられるピン継手と、他方の端部に設けられるボックス継手と、前記ピン継手の外周面に周設された外向溝及び前記ボックス継手の内周面に、前記外向溝に対応して周設された内向溝に跨るように配置される荷重伝達キーとが備えられた鋼管連結機構であって、前記外向溝の角部及び前記内向溝の角部の曲率半径ρ〔ｍｍ〕が、以下の数式（１）（ただし、ｔは前記荷重伝達キーの横断面における厚み〔ｍｍ〕である。）及び数式（２）（ただし、ａは前記荷重伝達キーの横断面における対角線の長さの半分の長さ〔ｍｍ〕である。）を満たすように構成されている点にある。

鋼管連結機構においては、各継手のうち荷重伝達キーが配置される部分における厚みが、その他の部分よりも薄く、構造上の弱点であり、ピン継手の外向溝及びボックス継手の内向溝が応力集中による破断の起点になり得る。

そこで、外向溝の角部及び内向溝の角部の曲率半径ρ〔ｍｍ〕を上記のように設定することによって、応力集中を緩和させることができるようになった。

応力集中が緩和されることで、外向溝や内向溝に作用する局所的な力が軽減されるということは、外向溝や内向溝の部分において必要な板厚を薄くすることができるため、鋼管連結機構の経済性を高めることができる。

応力集中が緩和されることで、外向溝や内向溝に作用する局所的な力が軽減されるということは、板厚がそのままであるときに、荷重伝達キーの段数を減らすことができるため、鋼管連結機構の経済性を高めることができる。

ただし、外向溝の角部及び内向溝の角部の曲率半径は大きければ大きいほど、荷重伝達キーと、外向溝及び内向溝との支圧面の面積が狭くなり、荷重伝達キーによる荷重伝達効率が低下してしまう。そこで、曲率半径ρ〔ｍｍ〕の上限は上記のように設定される。

本発明においては、前記荷重伝達キーは、横断面における四隅に設けられた面取りＣ〔ｍｍ〕が、以下の数式（３）を満たすように構成されていると好適である。

上述の構成によると、荷重伝達キーは、外向溝の角部及び内向溝の角部の曲率半径以上の面取りがなされているため、荷重伝達キーの四隅が外向溝の角部や内向溝の角部に接触することがないので、外向溝の深さ及び内向溝の深さを可能な限り浅くすることができる。なお、荷重伝達キーの、横断面における四隅に設けられた面取りを大きくすればするほど、荷重伝達キーと、外向溝及び内向溝との支圧面の面積が狭くなり、荷重伝達キーによる荷重伝達効率が低下してしまう。そこで、面取りＣ〔ｍｍ〕の上限は上記のように設定される。

本発明においては、前記外向溝及び前記内向溝がそれぞれ一条であり、前記ボックス継手の長さＬｂ〔ｍｍ〕、前記内向溝の前記ボックス継手の先端からの距離Ｌ〔ｍｍ〕は、以下の数式（４）（ただし、Ｍｙは前記ボックス継手に作用する曲げモーメント〔ｋＮ・ｍ〕であり、Ｐｙは前記ボックス継手の先端にかかる曲げ荷重〔Ｎ〕である。）、及び、数式（５）（ただし、Ｔは前記ボックス継手の先端から内向溝の支圧面に対して荷重伝達キーから作用する圧縮荷重〔Ｎ〕であり、ｄは内向溝の深さ〔ｍｍ〕である。）を満たすように構成されていると好適である。

鋼管連結機構における二次曲げは、鋼管連結機構の軸心方向における外向溝及び内向溝の位置により大きく影響を受けることがわかっている。しかし、従来は、ピン継手及びボックス継手の軸心方向の長さや、荷重伝達キーの位置を設計する指標がなかったため、ピン継手及びボックス継手の軸心方向の長さが、必要以上の長さになっていたり、荷重伝達キーの位置が適切な位置に配置されていない虞もあった。

上述の構成によると、鋼管連結機構の二次曲げを抑制しつつ、ピン継手及びボックス継手の軸心方向の長さを短くすることができ、荷重伝達キーも適切な位置に配置することができるようになった。なお、曲げモーメントＭｙ〔ｋＮ・ｍ〕の上限は上記のように設定される。なお、２１６〔ｋＮ・ｍ〕という値は、実験及び解析から得られた閾値である。また、応力集中が緩和されることで、溝に作用する局所的な力が軽減されるため、荷重伝達キーを一段とすることができ、これにより鋼管連結機構の経済性を高めることができる。

本発明に係る鋼管連結機構が備えられた鋼管杭の説明図である。 鋼管連結機構の要部拡大図である。 ボックス継手の要部説明図である。 曲率半径と応力集中係数との関係を説明するグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る鋼管連結機構を図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、鋼管杭１（１Ａ，１Ｂ）は、円筒状のスパイラル鋼管等の鋼管本体２の一方の管端部に小径円筒状のピン継手３が溶接によって設けられるとともに、鋼管本体２の他方の管端部にピン継手３を嵌合可能な円筒状のボックス継手４が溶接によって設けられ、全長に亘って略一定の外径を備えた円筒状に形成されている。

複数の鋼管本体２の、軸心方向に沿った連結は、本発明による鋼管連結機構Ａによってなされる。以下、ピン継手３及びボックス継手４を中心に、本発明による鋼管連結機構Ａについて詳述する。

図１及び図２に示すように、ピン継手３は、鋼管本体２の外径と略同径とした基筒部３０と、基筒部３０に延設され基筒部３０より小径とした嵌挿部３１とを備えている。嵌挿部３１の外周面３１ａには、後述する荷重伝達キー７を係合可能な外向溝３２が周設されている。外向溝３２は、荷重伝達キー７の厚み方向の半分を収容可能な深さを有している。

ボックス継手４は、鋼管本体２の外径と略同径とした嵌受部４１が備えられている。嵌受部４１の内周に、外周面３１ａと対応する形状であり、ピン継手３の嵌挿部３１を受け入れ可能な内周面４１ａが形成されている。内周面４１ａには、外向溝３２に対応する位置に、荷重伝達キー７を収容可能な一条の内向溝４２が周設されている。内向溝４２は、荷重伝達キー７の厚み方向の全部を収容可能な深さを有している。

図２に示すように、外向溝３２の角部３２ｃ及び内向溝４２の角部４２ｃの曲率半径ρ〔ｍｍ〕が、以下の数式（１）（ただし、ｔは荷重伝達キー７の横断面における厚み〔ｍｍ〕である。）及び数式（２）（ただし、ａは荷重伝達キー７の横断面における対角線の長さの半分の長さ〔ｍｍ〕である。）を満たすように構成されている。

なお、本実施形態において、荷重伝達キー７は、横断面における高さｌが約１７．６〔ｍｍ〕であり、横断面における厚みｔが約１０．５〔ｍｍ〕であり、横断面における対角線の長さの半分の長さａが約１０．２〔ｍｍ〕である。このときの、曲率半径ρ〔ｍｍ〕と応力集中係数αの関係を下記表に示す。この表に基づいて、図４に、ρ/aを横軸にし、応力集中係数αを縦軸としたグラフを示す。なお、応力集中係数αは、下記数式（６）から算出した。

上記表及び図４に記載のように、曲率半径ρ〔ｍｍ〕を大きくしていくと、応力集中係数αは指数関数的に低下し、曲率半径ρが１．０〔ｍｍ〕であるときは、０．４〔ｍｍ〕であるときよりも応力集中係数αが低下していることがわかる。また、ρ/aの値が０．６以上ともなると、応力集中係数の低下の効果が小さい。なお、本実施形態においては、荷重伝達キー７の厚みｔは１０．５〔ｍｍ〕であることから、曲率半径ρ〔ｍｍ〕は、５．２５〔ｍｍ〕より小さい必要がある。上記から曲率半径ρ〔ｍｍ〕は、１．０≦ρ≦３．０程度であることが好ましいことがわかる。

鋼管連結機構Ａにおいては、ピン継手３及びボックス継手４は、それぞれ荷重伝達キー７が配置される部分における厚みが、その他の部分よりも薄く、構造上の弱点であり、外向溝３２の角部３２ｃ及び内向溝４２の角部４２ｃが応力集中による破断の起点になり得る。

そこで、外向溝３２の角部３２ｃ及び内向溝４２の角部４２ｃの曲率半径ρ〔ｍｍ〕を上記のように設定することによって、応力集中を緩和させることができるようになった。

応力集中が緩和されることで、外向溝３２及び内向溝４２に作用する局所的な力が軽減されるということは、ピン継手３の外向溝３２及びボックス継手４の内向溝４２の部分において必要な板厚を薄くすることができるため、鋼管連結機構Ａの経済性を高めることができる。

換言すると、応力集中が緩和されることで、ピン継手３の外向溝３２及びボックス継手４の内向溝４２に作用する局所的な力が軽減されるということは、板厚がそのままであるときに、荷重伝達キー７の段数を減らすことができるため、鋼管連結機構Ａの経済性を高めることができる。

ただし、外向溝３２の角部３２ｃ及び内向溝４２の角部４２ｃの曲率半径ρ〔ｍｍ〕は大きければ大きいほど、荷重伝達キー７と、外向溝３２及び内向溝４２との支圧面の面積が狭くなり、荷重伝達キー７による荷重伝達効率が低下してしまう。そこで、曲率半径ρ〔ｍｍ〕の上限は上記のように設定される。なお、曲率半径ρ≦３．０〔ｍｍ〕であることが好ましい。

本実施形態において、外向溝３２及び内向溝４２はそれぞれ一条であり、したがって荷重伝達キー７は一段である。応力集中が緩和されることで、外向溝３２や内向溝４２に作用する局所的な力が軽減されるため、荷重伝達キー７を一段とすることができる。

外周面３１ａ及び内周面４１ａの軸心方向の長さや、外向溝３２の外周面３１ａにおける位置及び内向溝４２の内周面４１ａにおける位置は以下のようにして設定することができる。外周面３１ａ及び内周面４１ａの軸心方向の長さは、一方の長さが他方の長さに対応し、外向溝３２の外周面３１ａにおける位置及び内向溝４２の内周面４１ａにおける位置は、一方の位置が他方の位置に対応するため、ここでは、内周面４１ａの軸心方向の長さ及び内向溝４２の内周面４１ａにおける位置について説明する。

図３に示すように、ボックス継手４の長さＬｂ〔ｍｍ〕、内向溝４２のボックス継手４の先端からの距離Ｌ〔ｍｍ〕は、以下の数式（４）（ただし、Ｍｙはボックス継手４に作用する曲げモーメント〔ｋＮ・ｍ〕であり、Ｐｙはボックス継手４の先端にかかる曲げ荷重〔Ｎ〕である。）、及び、数式（５）（ただし、Ｔはボックス継手４の先端から内向溝４２の支圧面に対して荷重伝達キー７から作用する圧縮荷重〔Ｎ〕であり、ｄは内向溝４２の深さ〔ｍｍ〕である。）を満たすように構成されている。

なお、曲げモーメントＭｙ〔ｋＮ・ｍ〕が２１６〔ｋＮ・ｍ〕に収まるように構成する。なお、２１６〔ｋＮ・ｍ〕は、実験及び解析から得られた閾値である。上述のように構成することによって、鋼管連結機構Ａの二次曲げを抑制しつつ、ピン継手３及びボックス継手４の軸心方向の長さを短くすることができ、荷重伝達キー７も適切な位置に配置することができるようになった。

内向溝４２には、ボックス継手４の周方向に所定の間隔をおいて、ボックス継手４の外周面に連通するように複数のネジ孔４３が設けられている。ネジ孔４３にはセットボルト８が螺合されている。そして、セットボルト８は内向溝４２の内部において荷重伝達キー７と螺合されている。

荷重伝達キー７は、外向溝３２の曲率に沿った曲率を有する円弧状のキー部材であり、外向溝３２の周方向に所定間隔をおいて複数設けられる。図２に示すように、荷重伝達キー７は、横断面における四隅に設けられた面取りＣ〔ｍｍ〕が、以下の数式（３）を満たすように構成されている。

荷重伝達キー７は、外向溝３２の角部３２ｃ及び内向溝４２の角部４２ｃの曲率半径ρ〔ｍｍ〕以上の大きさ面取りＣ〔ｍｍ〕がなされているため、荷重伝達キー７の四隅が外向溝３２の角部３２ｃや内向溝４２の角部４２ｃに接触することがないので外向溝３２の深さ及び内向溝４２の深さを可能な限り浅くすることができる。なお、荷重伝達キー７の、横断面における四隅に設けられた面取りＣ〔ｍｍ〕を大きくすればするほど、荷重伝達キー７と、外向溝３２及び内向溝４２との支圧面の面積が狭くなり、荷重伝達キー７による荷重伝達効率が低下してしまう。そこで、面取りＣ〔ｍｍ〕の上限は上記のように設定される。

各荷重伝達キー７は、それぞれに螺合したセットボルト８を正（右）回転させれば、内向溝４２内の収容位置から嵌挿部３１の外向溝３２と内向溝４２とに跨る位置まで前進し、逆（左）回転させれば荷重伝達キー７が外向溝３２と内向溝４２とに跨る位置から内向溝４２内の収容位置まで後退する。

図１に示すように、鋼管杭１Ａ及び鋼管杭１Ｂを連結するには、鋼管杭１Ｂをクレーンで吊り上げ、鋼管杭１Ａの直上に運んで吊り降ろし、鋼管杭１Ｂ側のピン継手３を鋼管杭１Ａ側のボックス継手４の中へ挿入していけば、鋼管杭１Ａと鋼管杭１Ｂとが嵌合される。その後、セットボルト８を螺進させて、内向溝４２に収まっている荷重伝達キー７を外向溝３２に向け押し入れる。それによって、荷重伝達キー７は、外向溝３２及び内向溝４２に跨り、鋼管杭１Ａ及び鋼管杭１Ｂは荷重伝達キー７を介して抜き差し不能に連結される。なお、必要に応じて、ピン継手３及びボックス継手４に跨るように、回転抑止キーを配置し、鋼管杭１Ａ及び鋼管杭１Ｂの軸心周りの相対回転が防止されるように構成してもよい。

本発明に係る鋼管連結機構Ａは、上述のような鋼管杭１に限らず、鋼管本体２の外周面に長手方向に沿って、隣り合う鋼管矢板に同じく設けられた継手と連結可能な、継手が設けられた鋼管矢板にも採用することができる。

上述した実施形態は、いずれも本発明の一例であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲において適宜変更設計可能である。

２ ：鋼管本体
３ ：ピン継手
４ ：ボックス継手
７ ：荷重伝達キー
３１ａ ：外周面
３２ ：外向溝
３２ｃ ：角部
４１ａ ：内周面
４２ ：内向溝
４２ｃ ：角部
Ａ ：鋼管連結機構

Claims (3)

1. 鋼管本体の一方の端部に設けられるピン継手と、他方の端部に設けられるボックス継手と、前記ピン継手の外周面に周設された外向溝及び前記ボックス継手の内周面に、前記外向溝に対応して周設された内向溝に跨るように配置される荷重伝達キーとが備えられた鋼管連結機構であって、
   前記外向溝の角部及び前記内向溝の角部の曲率半径ρ〔ｍｍ〕が、以下の数式（１）（ただし、ｔは前記荷重伝達キーの横断面における厚み〔ｍｍ〕である。）及び数式（２）（ただし、ａは前記荷重伝達キーの横断面における対角線の長さの半分の長さ〔ｍｍ〕である。）を満たすように構成されている鋼管連結機構。
   

   

   
2. 前記荷重伝達キーは、横断面における四隅に設けられた面取りＣ〔ｍｍ〕が、以下の数式（３）を満たすように構成されている請求項１に記載の鋼管連結機構。
   

   
3. 前記外向溝及び前記内向溝がそれぞれ一条であり、
   前記ボックス継手の長さＬｂ〔ｍｍ〕、前記内向溝の前記ボックス継手の先端からの距離Ｌ〔ｍｍ〕は、以下の数式（４）（ただし、Ｍｙは前記ボックス継手に作用する曲げモーメント〔ｋＮ・ｍ〕であり、Ｐｙは前記ボックス継手の先端にかかる曲げ荷重〔Ｎ〕である。）、及び、数式（５）（ただし、Ｔは前記ボックス継手の先端から内向溝の支圧面に対して荷重伝達キーから作用する圧縮荷重〔Ｎ〕であり、ｄは内向溝の深さ〔ｍｍ〕である。）を満たすように構成されている請求項１又は２に記載の鋼管連結機構。
   

   

   

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