JP3552652B2

JP3552652B2 - 構造物用管フランジ継手

Info

Publication number: JP3552652B2
Application number: JP2000206910A
Authority: JP
Inventors: 経尊吉田; 一男岡村; 登久保田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: JP2002021194A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の部材を構成する管を組み上げることにより建造される構造物用の管継手であり、特に鋼管を主要部材とする送電鉄塔、橋梁などに用いられる構造物用管フランジ継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
管材を主要部材とする送電鉄塔や橋梁は、通常、山岳部或いは河川、海峡などの険しい地形環境で建設作業が行われる場合が多い。また、構造物部材である管材（以下、「構造物部材管」という）同士を接続する作業や、構造物部材管とトラスの結節部などの構造物とを接続する作業、或いは、構造物同士を接続する作業についても高所作業となる場合が多い。このため、予め工場で構造物部材管の両端又は構造物自体にフランジを取り付けておき、建設現場においてフランジ同士を突き合わせてボルトとナットで締結する方法が広く採用されている。
【０００３】
図５及び図６に示す一般的な従来のリブ付き管フランジ継手は図５や図６の（ａ）のようにフランジ２と構造物部材管１とをリブ３で補強し、図５（ｂ）のようにフランジ２の周囲一列に設けたボルト孔２ａにボルトを６本以上、さらに強度を確保する場合には、図６（ｂ）のようにボルト孔２ａを二列に配して構造物部材管１同士を締結する。
【０００４】
このような方式の管フランジ継手において、フランジの構造には様々なものがあるが、例えば特開昭５５−９５７５０号公報に開示されている一体型フランジ継手は、図７に示したような、フランジ２に続く管端部を厚肉にした一体物管フランジ継手であり、フランジ２の反対側の端部で構造物部材管１と接合する構造で、現在、送電鉄塔などで広く用いられている継手である。
【０００５】
この継手構造は、フランジ同士を突き合わせ、フランジ部全周にわたって均等に配置されたボルト孔を介してボルトとナットで締結することにより、構造物部材管同士を接続することにある。これらの管フランジ継手は、いずれも継手に作用する引張及び曲げ荷重をすべてボルトとナットで負担する構造になっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、継手に作用する引張及び曲げ荷重をすべてボルトとナットで負担する上記した構造の管フランジ継手を、送電鉄塔や橋梁のような大型構造物の接合に採用した場合には、自重に耐える静的強度と、強風、構造物の固有振動、送電鉄塔にあっては電線の振動、橋梁にあっては車両の通行による振動などの低サイクルの繰り返し引張荷重ないし曲げ荷重に耐え得るだけの疲労強度を確保するため、多くのボルトが必要となる。
【０００７】
従って、このような管フランジ継手では、継手自体の強度はもちろんのことボルト強度にも規定が設けられており、それに基づいて設計されている。すなわち、このような管フランジ継手では、ボルト軸力を低下することが継手強度の性能向上につながる。
【０００８】
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、強度性能を向上させつつ軽量化を図った構造物用管フランジ継手を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明の構造物用管フランジ継手は、一体型の構造物用管フランジ継手のボルト座面部及びナット座面部となるフランジ外表面部を座面部近傍のフランジ外表面部よりも盛り上げ、該盛り上げた部分が、ボルト及びナットの座面以外の部分も含めて、管軸を中心とした円環状に形成されていると共に、円環状に盛り上げた部分の少なくとも一箇所に、管半径方向に沿って溝部を形成し、この溝部の底面が盛り上げた部分以外のフランジ外表面と同一面上に位置することとしている。そして、このようにすることで、構造物部材管に引張力が作用した場合におけるボルト座面部の傾きが減少し、ボルトの曲げ応力も減少することになって、フランジ厚さを増加させた場合と同等の軸応力に減少し、かつ、重量は軽くなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
前述したように管フランジ継手の形状は、継手の強度性能、及び、使用するボルトに作用する軸応力によって決定される。特に、構造物部材に作用する引張或いは曲げ荷重のほとんどをボルトが受け持つため、管フランジ継手の形状設計に占めるボルト軸応力の影響は大きい。
【００１１】
そこで、本発明者らはボルト軸応力を如何に低下させることができるかについて考えた。ボルト軸応力を低下させるにはボルトの本数や軸径（有効断面積）を増加すれば良いのであるが、ボルト本数を増加させた場合には締結作業の効率悪化を招く。また、単にボルト径を大きくした場合には、それに伴ってフランジ外径が大きくなって重量増となる。
【００１２】
また、ボルトに作用する軸応力は、構造物を構成する管部材（構造物部材管）に引張荷重が加わったときでも曲げ荷重が加わるため、引張による成分と曲げによる成分で構成される。すなわち、構造物部材管に引張荷重を加えた場合、構造物部材管の肉厚中心とボルト締結部との半径方向の位置が異なるために、フランジの管側はフランジ外周部よりも管軸方向へ大きく変位し、載荷前に、管軸に対して直角であったフランジ外表面は構造物部材管と鈍角をなすように変形する。ボルト座面も同様に変形するためにボルトに曲げ応力が生じるわけである。
【００１３】
上記した観点から、ボルト本数、ボルト径を増加させずにボルトの曲げ応力を緩和するには、
▲１▼ フランジ全体の構造の剛性を大きくして、フランジ外表面の傾き変形を減少すること。
▲２▼ ボルト首下からナットまでの距離を長くすること。
等が考えられる。このうちの▲２▼についてはボルト頭の曲げ変形量を等しいとすれば長い方が曲げによる軸応力成分が減少するからである。
【００１４】
そこで、本発明者らは必要なフランジ厚さに対し、ボルト及びナットの座面に対応するフランジ面のみを他のフランジ面から盛り上げることを考えた。ボルト座面を盛り上げたとしても、盛り上げ部以外のフランジ肉厚が等しい場合にはフランジ全体の剛性にはほとんど寄与しないので、上記した▲１▼の効果は期待できないものの、▲２▼の効果を有するからである。
【００１５】
さらに、ナット座面を盛り上げることによって、ナット座面部の局所的な剛性は、盛り上げない場合に比べて低下し、弾性支持ばね的な第３の効果を発揮する。すなわち、構造物部材管に引張力を加えた時に盛り上げがない場合に比べてボルト座面部の傾きは減少し、ボルトの曲げ応力も減少することになる。このようにすればフランジ厚さを増加させた場合と同等の軸応力に減少させつつ重量を軽くすることができる。
【００１６】
本発明の構造物用管フランジ継手は、上記した考えに基づいて成されたものであり、一体型の構造物用管フランジ継手であって、ボルト座面部及びナット座面部となるフランジ外表面部を座面部近傍のフランジ外表面部よりも盛り上げ、盛り上げた部分は、ボルト及びナットの座面以外の部分も含めて、管軸を中心とした円環状に形成されていることを要旨とするものである。
【００１７】
加えて、円環状に盛り上げた部分の少なくとも一箇所に、管半径方向に沿って溝部を形成し、この溝部の底面が盛り上げた部分以外のフランジ外表面と同一面上に位置するようにしている。
【００１８】
かかる構成の本発明の構造物用管フランジ継手では、風雨に曝され、雨水が溜まり易く腐食が問題となる場合に、雨水溜まりによる腐食の問題を解消することができる。
【００１９】
本発明の構造物用管フランジ継手においては、上記した効果に加えて、ボルト及びナットの座面に対応するフランジ面を盛り上げることによる付帯効果をも有する。
【００２０】
すなわち、本発明の構造物用管フランジ継手では、フランジ面を盛り上げたことにより、傾斜のついた継手ハブ部との距離が広がって、スパナ或いはトルクレンチ等の締結工具を挿入できる間隔が広くなるため、盛り上げた部分を内径側に移動することができるようになる。
【００２１】
ボルト及びナットの座面を内径側に移動した場合には、ボルトに作用する曲げによる軸応力が低減するのと共に、フランジ外径を縮小できて軽量化も可能となる。従って、軸応力が低減した分ボルトの本数を減らしたり、或いは、フランジの厚さを薄くして軽量化を図ることも可能になる。また、座面を盛り上げたことによってボルト及びナットの座りがよくなり、繰り返し荷重が作用するときの盛り上げ座面部のクッション効果によって、ボルトのゆるみ防止効果も期待できる。
【００２２】
また、上記した本発明の構造物用管フランジ継手においては、盛り上げた部分の外周側のフランジ厚さは継手剛性への寄与がほとんどないため、フランジ外表面肩部の肉厚を他のフランジ部分より小さくすることで、さらなる軽量化を図ることもできる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の構造物用管フランジ継手を図１〜図４に示す実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の構造物用管フランジ継手を締結した場合の様子を示す断面模式図、図２は本発明の構造物用管フランジ継手の、環状に盛り上げたフランジ面盛り上げ部の形状を示す概略図、図３は本発明の構造物用管フランジ継手断面模式図、図４はボルト頭上面図である。
【００２４】
図１は本発明の構造物用管継手の構造を示す断面模式図である。図１に示すように、構造物部材管１１とフランジ１２ａ，１２ｂは溶接によって接合されており、上下のフランジ１２ａ，１２ｂは夫々のフランジ突合わせ面１２ａａ，１２ｂａを突合わせ、ボルト孔１２ａｂ，１２ｂｂを介してボルト１３及びナット１４によって締結される。
【００２５】
このような一体型の管フランジ継手において、本発明では、ボルト座面１３ａおよびナット座面１４ａに対応するフランジ外表面を、図１に示すように、他のフランジ外表面１２ａｄ，１２ｂｄに対し盛り上げている。この部位を、以下、フランジ外表面盛り上げ座面構造部１２ａｃ，１２ｂｃと呼ぶ。
【００２６】
このフランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の形状の例を図２に示す。同図はフランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）を管軸を中心とした円環状に形成し、このフランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の一部に溝部１５を設けたものである。
【００２７】
また、図１に示した実施例では、フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ，１２ｂｃの外周側のフランジ部の肩部をフランジ外表面より低くなしたものを示している。この低くなした部分をフランジ外表面肩下げ部１２ａｅ，１２ｂｅと呼ぶ。
【００２８】
本発明の構造物用管継手は上記した構成であれば、特にその寸法等は問わないが、各部材の形状や寸法を下記のように設定した場合には、より効果的であることを、本発明者らは確認している。
【００２９】
１）フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の高さｈについて
図３に本発明の構造物用管継手の主要部位の概要を示している。
この図３及び図２に示したフランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の高さｈは、フランジ１２ａ（１２ｂ）の厚さをＴで表すと、０．０１×Ｔより小さい場合にはボルト軸応力低減効果が顕著に現れなかった。反対に、０．４×Ｔより大きいと重量増に対するボルト軸力低減効果が飽和し、さらにコスト増にもつながる。このことから、フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の高さｈは、０．０１×Ｔ≦ｈ≦０．４×Ｔが好ましい範囲であるといえる。
【００３０】
２）フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の幅ｄについて
図２及び図３で示すフランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の幅ｄは、締結するボルト１３及びナット１４に依存する。図４に示すボルト１３の頭部径Ｂとボルト１３の頭部内接円Ｃで表すと、幅ｄが０．８×Ｃより小さいと、フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）がボルト１３の座面１３ａ及びナット１４の座面１４ａより受ける力が増加し、当該部の発生応力が圧縮応力とはいえ、強度的に厳しくなる。一方、１．２×Ｂより大きいと当該部を確保するために外径が大きくなり、重量増につながる。このことから、フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の幅ｄは、０．９×Ｃ≦ｄ≦１．２×Ｂが好ましい範囲であるといえる。
【００３１】
３）フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の形状について
フランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）の形状は、当部がフランジ外表面１２ａｄ（１２ｂｄ）に対し、前述１）、２）で規定した範囲で盛り上がっていればよく、特に限定されない。例えば先に説明した図２に示したものでも良い。
【００３２】
図２で示した溝部１５は、本発明の構造物用管フランジ継手が風雨に曝され、雨水が溜まり易く腐食が問題となる場合に有効である。雨水が溜まることによる腐食が問題とならない場合、或いは、屋内、地中に埋設される場合等は特に設ける必要はない。
【００３３】
この溝部１５の幅や個数は、環状のフランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）内部に雨水が溜まることなく流れればよいので、特に規定しないが、溝部１５の個数は最大でもボルト１３とボルト１３の間に一つあれば十分である。すなわち、溝部の数は、ボルト本数以上設けると加工工程が増加するだけでコスト高となるので、ボルト本数以下とするのが好ましい範囲である。
【００３４】
４）フランジ外表面肩下げ部１２ａｅ（１２ｂｅ）の形状について
フランジ外表面肩下げ部１２ａｅ（１２ｂｅ）の形状についても特には規定しない。フランジ外表面１２ａｄ（１２ｂｄ）の角部はフランジ１２ａ（１２ｂ）の剛性にほとんど寄与しないため、例えば、図１のようにフランジ外表面盛り上げ座面構造１２ａｃ（１２ｂｃ）からフランジ外周面へテーパ状にすることで軽量化を図れる。また、同図のようにすれば加工も容易である。
【００３５】
次に、本発明の構造物用管フランジ継手の効果を確認するために、本発明の構造物用管フランジ継手を適用した試験の一例として送電鉄塔用継手の試験結果を示す。
【００３６】
本発明の構造物用管フランジ継手（本発明例Ａ及び本発明例Ｂ）と従来技術の構造物用管フランジ継手（従来例Ｃ及び従来例Ｄ）を施工試験及び引張の疲労試験に供し、比較した。下記表１に試験に供した構造物部材管と構造物用管フランジ継手のサイズ、材料の種類を示す。ここで、継手材質はＡ，Ｂ，Ｃ、Ｄとも同じにした。
【００３７】
下記表２に試験に供試した構造物用管フランジ継手を示す。本発明の構造物用管フランジ継手Ａ及びＢのフランジ外表面盛り上げ座面構造は、図２に示した形状であり、本発明の構造物用管フランジ継手Ａの継手重量は従来技術の構造物用管フランジ継手Ｄと等しい。また本発明の構造物用管フランジ継手Ｂはフランジ外表面盛り上げ座面構造による効果を利用し、ボルト孔を内径側に寄せ、さらにフランジ外径を縮小したものである。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
試験：繰り返し引張試験
上記の締結試験にて締結した供試材を繰り返し引張試験に供試し、ボルトあるいは継手部材（カップリング部材及び管端部材）の回復不可能な損傷（破損、欠損あるいは過度の塑性変形）が生じるまでの荷重の繰り返し数を記録した。試験は構造物部材管の降伏強度の２／３の応力が構造物部材管に発生する荷重Ｐ_０＝３９６．５トンを平均応力とし、１．０Ｐ_０ ±０．５Ｐ_０の繰り返し引張荷重を負荷した。
【００４１】
試験結果
下記表３に繰り返し引張試験の結果を示す。表３より、本発明の構造物用管フランジ継手は、従来技術の構造物用管フランジ継手よりも、良い強度特性を示すことが明らかになった。
【００４２】
【表３】

【００４３】
なお、本発明の構造物用管フランジ継手は主に送電鉄塔や橋梁などの鋼構造物を想定したもので、「構造物部材管」や「フランジ」の材料にも鋼が用いられるが、非鉄金属でもよく、ポリアセタールやポリアミドなどのエンジニアリングプラスチックや、カーボン繊維、ガラス繊維などで強化された繊維強化樹脂などであってもよい。また、構造物部材管、フランジは同じ材質であってもよいし、異なる材質でもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構造物用管フランジ継手を適用することにより、従来の構造物用管フランジ継手と同等以下の重量で、従来の構造物用管フランジ継手以上の疲労強度性能を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構造物用管フランジ継手を締結した場合の様子を示す断面模式図である。
【図２】本発明の構造物用管フランジ継手の、環状に盛り上げたフランジ面盛り上げ部の形状を示す概略図である。
【図３】本発明の構造物用管フランジ継手断面模式図である。
【図４】ボルト頭上面図である。
【図５】従来技術のリブ付フランジ継手のボルト孔が１列の場合の構造を示す概要図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図である。
【図６】従来技術のリブ付フランジ継手のボルト孔が２列の場合の構造を示す概要図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図である。
【図７】従来技術の一体型フランジ継手の構造を示す概要図である。
【符号の説明】
１１構造物部材管
１２ａフランジ
１２ａｂボルト孔
１２ａｃフランジ外表面盛り上げ座面構造
１２ａｄフランジ外表面
１２ａｅフランジ外表面肩下げ部
１２ｂフランジ
１２ｂｂボルト孔
１２ｂｃフランジ外表面盛り上げ座面構造
１２ｂｄフランジ外表面
１２ｂｅフランジ外表面肩下げ部
１３ボルト
１３ａ座面
１４ナット
１５溝部

Claims

一体型の構造物用管フランジ継手であって、ボルト座面部及びナット座面部となるフランジ外表面部を座面部近傍のフランジ外表面部よりも盛り上げ、該盛り上げた部分が、ボルト及びナットの座面以外の部分も含めて、管軸を中心とした円環状に形成されていると共に、円環状に盛り上げた部分の少なくとも一箇所に、管半径方向に沿って溝部を形成し、この溝部の底面が盛り上げた部分以外のフランジ外表面と同一面上に位置することを特徴とする構造物用管フランジ継手。
フランジ外表面肩部の肉厚を他のフランジ部分より小さくしたことを特徴とする請求項１記載の構造物用管フランジ継手。