JP2020060028A - 鋼管の接合継手 - Google Patents

Abstract

【課題】生産コストが大きく上昇することなく、引張荷重や曲げ荷重を受けた際にねじ部が外れにくく、継手の板厚とねじ山の伝達可能な耐力から決定される想定耐力を有する鋼管の接合継手を得る。【解決手段】本発明に係る鋼管の接合継手１は、鋼管３の端部に取り付けられて鋼管３同士を接合するものであって、平行ねじからなる雄ねじを有する雄側筒体５と、平行ねじで雌ねじを有する雌側筒体７とを有し、前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山９、１１のロード面９ａ、１１ａ同士が接触したときの摩擦係数が、前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山９、１１のスタビング面９ｂ、１１ｂ同士が接触したときの摩擦係数よりも大きくなっていることを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼管杭、鋼管矢板、構真柱などの地中に打設する構造体を構成する鋼管同士を接合する鋼管の接合継手に関するものである。

橋梁の下方のように上方空間が狭い場所や、狭隘地等において鋼管杭を地盤に設置する場合、現場空間に制限があるため、短い鋼管杭を現場において継ぎ合わせながら施工する必要がある。

従来、この継ぎ杭作業は溶接によって行われていた。然しながら、作業環境の悪い現場で溶接を行なうには優れた溶接技術と慎重な施工管理が必要であり、鋼管杭を継ぎ合わせる溶接部の品質の確保が難しく、また溶接に長時間を要すること等が問題となっている。その上、近年優秀な溶接工の確保が益々困難な状況にあることや早期供用が求められる鉄道工事等の夜間工事の増加を背景に、溶接に比べてコストはかかるが簡単に鋼管杭を接続出来る機械式継手の需要は高まり、実用化されており、その１つに例えば特許文献１に開示されているようなねじ式の機械式継手がある。

機械式継手の耐力は、継手の板厚とねじ山の伝達可能な耐力から決定される。しかし、継手の板厚やねじ山の高さ、ねじ山の段数といった継手の仕様によっては引張荷重や曲げ荷重を受けた際にねじ部が外れる現象が生じ、結果的にねじ山が伝達可能な耐力が小さくなってしまい、継手として想定される耐力に到達できない場合がある。
これを防ぐため、特許文献２には、継手のねじ部を外れにくくするインロー構造を設けた鋼管の接合継手が開示されている。

特開平１０−３１１０２８号公報 特開平２０１６−８４６２１号公報

しかし、インロー加工は高い加工技術が求められ、機械加工費も大きいので生産コストが上昇するという課題がある。
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、生産コストが大きく上昇することなく、引張荷重や曲げ荷重を受けた際にねじ部が外れにくく、継手の板厚とねじ山の伝達可能な耐力から決定される想定耐力を有する鋼管の接合継手を得ることを目的としている。

（１）本発明に係る鋼管の接合継手は、鋼管の端部に取り付けられて前記鋼管同士を接合するものであって、
平行ねじからなる雄ねじを有する雄側筒体と、平行ねじで雌ねじを有する雌側筒体とを有し、前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山のロード面同士が接触したときの摩擦係数が、前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山のスタビング面同士が接触したときの摩擦係数よりも大きくなっていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記ロード面同士の摩擦係数が、０．３以上であることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記雄ねじ及び／又は前記雌ねじにおけるねじ山のロード面は、凹凸面、錆発生面、塗料被膜を有する面であることを特徴とするものである。

（４）また、本発明に係る鋼管の雄継手は、鋼管の端部に取り付けられて前記鋼管同士を接合するための雄継手であって、
平行ねじからなる雄ねじを有する雄側筒体からなり、
前記雄ねじのねじ山の側面のうち、基端側の側面が摩擦抵抗を大きくするための高摩擦力加工を施した高摩擦面となっていることを特徴とするものである。

（５）また、本発明に係る鋼管の雌継手は、鋼管の端部に取り付けられて前記鋼管同士を接合するための雌継手であって、
平行ねじからなる雌ねじを有する雌側筒体からなり、
前記雌ねじのねじ山の側面のうち、基端側の側面が摩擦抵抗を大きくするための高摩擦力加工を施した高摩擦面となっていることを特徴とするものである。

本発明に係る鋼管の接合継手は、平行ねじからなる雄ねじを有する雄側筒体と、平行ねじで雌ねじを有する雌側筒体とを有し、前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山のロード面同士が接触したときの摩擦係数が、前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山のスタビング面同士が接触したときの摩擦係数よりも大きくなっていることにより、篏合後に接合継手に引張荷重や曲げ荷重が作用しても、ねじが外れることなくかみ合いが保たれ、継手の板厚とねじ山の伝達可能な耐力から決定される想定耐力を期待することができる。

本発明の実施の形態に係る鋼管の接合継手の篏合前の状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る鋼管の接合継手の篏合後の状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る鋼管の接合継手の篏合途中の状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る鋼管の接合継手に引張り荷重が作用した状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る鋼管の接合継手に引張り荷重が作用したときの作用を説明する図である。 解析モデルの説明図である。 荷重比と引き抜き量との関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態の鋼管の接合継手１は、図１、図２に示すように、鋼管３の端部に取り付けられて鋼管３同士を接合するものであって、平行ねじからなる雄ねじを有する雄側筒体５と、平行ねじで雌ねじを有する雌側筒体７とを有し、雄ねじにおけるねじ山９のロード面９ａと雌ねじにおけるねじ山１１のロード面１１ａ同士が接触したときの摩擦係数が、雄ねじにおけるねじ山９のスタビング面９ｂと雌ねじにおけるねじ山１１のスタビング面１１ｂ同士が接触したときの摩擦係数よりも大きくなっていることを特徴とするものである。
以下、構成を詳細に説明する。

＜雄側筒体＞
雄側筒体５は、筒体からなり、その外周面には平行ねじからなる雄ねじが形成されている。平行ねじとすることで、雄ねじのねじ山９（以下、「雄ねじ山９」という）のロード面９ａの接触を適切に行うことができる。雄側筒体５の基端側には、鋼管３が溶接接合されている。

ここで、雄ねじ山９のロード面９ａとスタビング面９ｂについて説明する。
雄ねじ山９のロード面９ａとは、雄ねじ山９における両側面（フランク）のうち、雄側筒体５の基端側（鋼管３が接合される側）にある面であって、接合継手１が引張荷重を受けたときに雌ねじ山１１のロード面１１ａと接触する面のことである。
また、雄ねじ山９のスタビング面９ｂとは、雄ねじ山９における両側面（フランク）のうち、雄側筒体５の先端側にある面であって、雄側筒体５を雌側筒体７に預けて回転篏合する際に、雌ねじ山１１のスタビング面１１ｂと接触する面のことである。

＜雌側筒体＞
雌側筒体７は、筒体からなり、その内周面には平行ねじからなる雌ねじが形成されている。そして、雌側筒体７の基端側には、雄側筒体５と同様に鋼管３が溶接接合されている。

雌側筒体７における、雌ねじ山１１のロード面１１ａとスタビング面１１ｂの定義は、雄側筒体５の雄ねじ山９におけるロード面９ａとスタビング面９ｂと同じである。
すなわち、雌ねじ山１１のロード面１１ａとは、雌ねじ山１１における両側面（フランク）のうち、雌側筒体７の基端側（鋼管３が接合される側）にある面であって、接合継手１が引張荷重を受けたときに雄ねじ山９のロード面９ａと接触する面であり、雌ねじ山１１のスタビング面１１ｂとは、雌ねじ山１１における両側面（フランク）のうち、雌側筒体７の先端側にある面であって、接合継手１を回転篏合する際に雄ねじ山９のスタビング面９ｂと接触する面のことである。

＜ロード面、スタビング面の摩擦係数＞
上述したように、雄ねじにおけるねじ山９のロード面９ａと雌ねじにおけるねじ山１１のロード面１１ａ同士が接触したときの摩擦係数が、雄ねじにおけるねじ山９のスタビング面９ｂと雌ねじにおけるねじ山１１のスタビング面１１ｂ同士が接触したときの摩擦係数よりも大きくなっている。
ロード面９ａ、１１ａが接触したときの摩擦係数を大きくするために、ロード面９ａ及び１１ａには、摩擦係数を大きくするための処理が施されている。図１〜図５において、ロード面９ａ、１１ａには薄いグレーの色を付しており、これは当該処理が施されていることを示している。

摩擦抵抗を大きくするための処理としては、ロード面９ａ、１１ａに細かい凹凸が形成されるように面粗さを大きくするような加工、また、ロード面９ａ、１１ａに腐食剤を塗布して錆を発生させて錆発生面とするようなもの、あるいは、ロード面９ａ、１１aに高摩擦化を期待できる塗料を塗布することで塗料被膜を有する面とするようなものが例示できる。

なお、一般的なねじ継手における雄ねじ山の両側面には特別な加工等は施されておらず、そのため雄ねじ山のロード面とスタビング面の摩擦抵抗はほぼ同等である。通常、ねじ継手の嵌合時の鋼材同士の摩擦係数としては、0.15〜0.20程度である。
これに対して、ロード面９ａ、１１ａに摩擦抵抗を大きくするような処理を施すことにより、摩擦抵抗を大きくする高摩擦化を達成することができる。この場合、好ましい摩擦係数としては、0.3以上である。

上述のように、ロード面９ａ、１１ａには高摩擦化の処理が施されており、他方、スタビング面９ｂ、１１ｂには何らの処理も施されていないので、結果として、ロード面９ａ、１１ａが接触したときの摩擦係数がスタビング面９ｂ、１１ｂが接触したときの摩擦係数よりも大きくなっている。

上記のように構成された雄側筒体５と雌側筒体７を篏合させる場合の作用について説明する。
例えば、図１に示すように、雌側筒体７を下側に配置し、雄側筒体５を上側に配置して回転篏合する場合、図３に示すように、雄側筒体５を雌側筒体７に挿入して雄側筒体５を雌側筒体７に預けるようにして、雄側筒体５を回転する。
このとき、雄ねじ山９と雌ねじ山１１の間には所定のクリアランスが設けられているが、雄側筒体５を雌側筒体７に預けた状態になることで、雄ねじ山９のスタビング面９ｂと雌ねじ山１１のスタビング面１１ｂが接した状態になる（図３参照）。スタビング面９ｂ、１１ｂには高摩擦化の処理は施されておらず、摩擦抵抗は大きくなっていないので、スムーズに篏合することができる。

雄側筒体５と雌側筒体７が篏合した状態で、接合継手１に引張荷重が作用すると、図４に示すように、雄ねじ山９のロード面９ａと雌ねじ山１１のロード面１１ａが接触する。
この時の作用について、図５に基づいて説明する。
図５には、篏合前の状態における雄側筒体５の斜視図と篏合前の状態における雌側筒体７を半割した状態の斜視図を示した図（図５（ａ））と、雄側筒体５と雌側筒体７が篏合した状態において図５（ａ）の四角の破線で囲んだ部位に相当する部位の断面図（図５（ｂ））と、図５（ｂ）の破線の楕円で囲んだ部位の拡大図（図５（ｃ））が示されている。

雄側筒体５と雌側筒体７が篏合した状態で引張荷重が作用すると、図５（ｂ）に示すように、雄ねじ山９と雌ねじ山１１のロード面９ａ、１１ａ同士が接触する。このとき、荷重の作用する軸線と雄ねじ山９と雌ねじ山１１の接触点とのずれにより、図５（ｂ）において二点鎖線の仮想線で示すように、雄側筒体５を内側に雌側筒体７を外側に曲げるような曲げモーメントが作用する。しかし、本実施の形態では、ロード面９ａ、１１ａの摩擦抵抗が大きくなっているので、ロード面９ａ、１１ａの滑りが防止され、この曲げモーメントに抵抗することができ、ねじが外れることなくかみ合いが保たれる。その結果、継手の板厚とねじ山９、１１の伝達可能な耐力から決定される想定耐力を期待することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、雄側筒体５の雄ねじ山９のロード面９ａと雌側筒体７の雌ねじ山１１のロード面１１ａに処理を施して摩擦係数を大きく設定しているので、篏合後に接合継手１に引張荷重や曲げ荷重が作用しても、ねじが外れることなくかみ合いが保たれ、継手の板厚とねじ山９、１１の伝達可能な耐力から決定される想定耐力を期待することができる。
また、特許文献２に開示されているようなインロー構造に比べ、切削加工を必要とせず、大きなコストアップとなることがない。さらに、回転篏合する際に接触する面（スタビング面９ｂ、１１ｂ）には高摩擦加工を施されておらず、ロード面９ａ、１１ａに比較して摩擦抵抗が小さいので、回転篏合のための回転抵抗には何らの悪影響がなく、施工性も確保されている。

なお、上記の実施の形態では、雄ねじ山９と雌ねじ山１１の両方のロード面９ａ、１１ａの両方に処理を施すことで両者が接触したときの摩擦係数を大きくする例を示したが、雄ねじ山９又は雌ねじ山１１のいずれか一方のロード面９ａ、１１ａに処理を施すことで摩擦係数を大きくするようにしてもよい。
また、上記の実施の形態の説明では、図１〜図４に示すように、雌側筒体７を下に雄側筒体５を上に配置して回転篏合する例であったが、回転篏合に際して雌側筒体７を上に雄側筒体５を下に配置してもよい。
なお、本発明が対象とするねじ継手のねじ山高さは製造性や高摩擦加工の実施性の観点から下限値を2mmとするのが好ましい。

本発明の効果を確認するために、ＦＥＭによるねじ継手の軸対称引張解析を実施した。
図６は解析モデルを示しており、この解析モデルでは引張荷重作用時に雄ねじと雌ねじの接触部となるロード面９ａ、１１ａのみに摩擦要素を設けている。
解析では、ロード面９ａ、１１ａの摩擦係数が、0.2、0.3、1.0の３つのケースについて、外径（Ｄ）、ねじ山数（ｎ）、ねじ山高さ（ｈ）、継手の厚さ（雄側筒体５（tjp）、雌側筒体７(tjb)）、ねじのクリアランス(δ)を適宜変更して、引張荷重を作用させたときの摩擦係数0.2時の最大引張荷重に対する比を求めた。
解析における試験条件と結果を表１に示す。

表１には、各ケースにおける試験条件に加えて、最大引張荷重を記載している。さらに、最大引張荷重は、「摩擦係数0.2時の最大引張荷重に対する比」として記載している。「摩擦係数0.2時の最大引張荷重に対する比」とは、各ケースにおける摩擦係数0.2の場合の最大引張荷重を１としたときの摩擦係数0.3、1.0の場合の最大引張荷重の比を示す。

ケース１の解析結果について、縦軸を摩擦係数0.2時の最大引張荷重に対する引張荷重の比、横軸を引き抜き量としてグラフ表示したものを図７に示す。この図７中の各摩擦係数に対し、最も大きい引張荷重の比を最大引張荷重（摩擦係数0.2時の最大引張荷重に対する比）欄として表１に示してある。さらに、表１に示した他の各ケースに対し、図７と同様に引き抜き量と引張荷重との関係を求め、各ケースの各摩擦係数における最大引張荷重を算出した。そして、各ケースの各摩擦係数において算出した最大引張荷重から、さらに「摩擦係数0.2時の最大引張荷重に対する比」を算出して、表１にまとめた。

図７、表１をみれば分かるように、摩擦係数を0.3、1.0にすることで、摩擦係数が0.2の場合に比較して、摩擦係数0.2に対する最大引張荷重の比が増加している。
ロード面９ａ、１１ａの摩擦係数が0.2ではねじ部の外れにより終局をむかえ、荷重低下を確認できないケース（ケース８、１２参照）も存在する。一方で0.3を超えることでねじ部の引張耐力が上昇し、鋼材の材料破断までねじ部のかみ合いが保たれ、荷重低下を確認できた。また、摩擦係数が1.0のものと0.3のものを比較すると、摩擦係数を大きくすることで、継手の引張耐力がさらに上昇することも確認された。

１ 接合継手
３ 鋼管
５ 雄側筒体
７ 雌側筒体
９ ねじ山（雄ねじ山）
９ａ ロード面
９ｂ スタビング面
１１ ねじ山（雌ねじ山）
１１ａ ロード面
１１ｂ スタビング面

Claims (5)

1. 鋼管の端部に取り付けられて前記鋼管同士を接合する鋼管の接合継手であって、
   平行ねじからなる雄ねじを有する雄側筒体と、平行ねじで雌ねじを有する雌側筒体とを有し、
   前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山のロード面同士が接触したときの摩擦係数が、前記雄ねじと前記雌ねじにおけるねじ山のスタビング面同士が接触したときの摩擦係数よりも大きくなっていることを特徴とする鋼管の接合継手。
2. 前記ロード面同士の摩擦係数が、０．３以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の接合継手。
3. 前記雄ねじ及び／又は前記雌ねじにおけるねじ山のロード面は、凹凸面、錆発生面、塗料被膜を有する面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管の接合継手。
4. 鋼管の端部に取り付けられて前記鋼管同士を接合するための雄継手であって、
   平行ねじからなる雄ねじを有する雄側筒体からなり、
   前記雄ねじのねじ山の側面のうち、基端側の側面が摩擦抵抗を大きくするための高摩擦力加工を施した高摩擦面となっていることを特徴とする鋼管の雄継手。
5. 鋼管の端部に取り付けられて前記鋼管同士を接合するための雌継手であって、
   平行ねじからなる雌ねじを有する雌側筒体からなり、
   前記雌ねじのねじ山の側面のうち、基端側の側面が摩擦抵抗を大きくするための高摩擦力加工を施した高摩擦面となっていることを特徴とする鋼管の雌継手。