JP2018178697A - 鋼管連結機構 - Google Patents

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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。
Figure 2018178697
Figure 2018178697
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。
Figure 2018178697
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。
Figure 2018178697
Figure 2018178697
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。
Figure 2018178697
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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。
Figure 2018178697
Figure 2018178697
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。
Figure 2018178697
Figure 2018178697
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。
Figure 2018178697
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。
    Figure 2018178697
    Figure 2018178697
  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。
    Figure 2018178697
  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。
    Figure 2018178697
    Figure 2018178697
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