JP4134459B2 - 構造物用管継手 - Google Patents
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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（以下、構造物部材管という）を組み上げる際に用いる構造物用の管継手、とく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継手に関する。
【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、山岳部あるいは河川、海峡など険しい地形の環境で建設作業が行われることが多い。また、構造物部材管同士を接続する作業、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、または構造物同士を接続する作業についても高所で行うことが多い。このため、予め工場で構造物部材管の両端または構造物自体にフランジを取り付け、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用いられている。以下、構造物部材管同士の接続を例にして説明する。
【０００３】
図９は一般的な従来技術のリブ付きフランジ継手の構造を示す概要図であり、同図（ａ１）は８個のボルト穴を円周方向１列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ａ２）はその平面図であり、同図（ｂ１）は１６個のボルト穴を円周方向２列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ｂ２）はその平面図である。
【０００４】
同図は片側の継手を示している。同図（ａ１）、（ａ２）のように、フランジ１８と構造物部材管１とをリブ２０で補強し、フランジ１８の周囲１列のフランジボルト穴１９にボルト（図示せず）を６本以上、さらに強度を確保する場合には同図（ｂ１）、（ｂ２）のようにボルトを２列に配して構造物部材管１同士を締結する。
【０００５】
この方式の管継手のフランジ構造にはさまざまなものがあり、例えば特開昭５５−９５７５０号公報には、一体型フランジ継手が開示されている。
図１０は、同公報に開示された一体型フランジ継手の構造を示す概要図であり、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。
【０００６】
同図（ａ）、（ｂ）に示すように、この管継手はフランジ１８に続く管端部を厚肉にした一体物管継手であり、フランジ１８の反対側の端部で構造物部材管１を接合する構造を有する。
【０００７】
これらの継手に共通する構造は、フランジ同士を突き合わせ、フランジ部全周にわたり均等に配置されたボルト孔を通してボルト、ナットで締結することにより管同士を接続するところにある。また、これらのフランジ継手はいずれも継手に作用する引張および曲げ荷重をすべてボルト・ナットで負担する構造になっている。
【０００８】
この構造は送電鉄塔や橋梁のような大型構造物で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、または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る疲労強度とを確保するため、多くのボルトが必要となり、締結作業に多大な工数が必要となる。すなわち、送電鉄塔や橋梁では上記締結作業は高所あるいは足場の悪い場所での手作業であるため、締結に多数のボルト、ナットを使用すると、著しく施工能率が低下し、施工費用の増大を招くことになる。
【０００９】
管同士を接続する他の方法として、ねじ継手がある。ねじ継手は片方の管端外周面に雄ねじを設け、相対する管端あるいはカップリングの内面に雌ねじを設けて、両者を締め付けることにより管を接続するものであり、特に油井管用のねじ継手には管と同等以上の強度性能を有するものもある。
【００１０】
しかし、ねじ継手は接続する際に管本体を回転させなければならず、かつその締め付け作業が人力のみでは不可能であるため、現場の手作業が必須要件である構造物用継手には適用できない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、送電鉄塔等の大型構造物の施工コストを低減できる簡便かつ安全な継手が要望されているにもかかわらず、その要望を満たすような構造物用管継手は実用化されていない。
【００１２】
本発明の目的は、強度を確保しつつ、高い施工能率で構造物部材管同士、構造物と構造物部材管、または構造物同士を接続できる安価な管継手を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来型のボルト・ナット接続によるフランジ継手の問題点を検討した。構造物用のフランジ継手には強度上の制約があるためボルト本数が多い。すなわち、前記のように静的圧縮荷重および低サイクルの繰り返し引張荷重ないしは曲げ荷重が作用するが、従来のフランジ継手では引張荷重および曲げ荷重はすべてボルト・ナットが負担する構造になっている。この引張あるいは曲げ荷重の設計荷重値は個々の構造物により異なるが、送電鉄塔の例ではおおむね接続する構造物部材管の降伏荷重（降伏応力×構造物部材管の断面積）の２／３〜１．０倍程度までの荷重に耐えなければならないため、特に大径の構造物部材管を接続するフランジ継手においてはボルト本数が多くなる。
【００１４】
さらに、ボルトはスパナ等の工具で締結を行う必要があるため、ボルト穴とボルト穴との間やボルト穴と構造部材との間に締結作業を行うためのスペースを確保する必要があり、ボルト本数が多い場合には前記締結作業のためにフランジ外径を大きくせざるを得ない場合が生じる。このようにフランジ外径を大きくすることはフランジ継手の重量増加に繋がるため、材料費および運送費などのコスト増加を招くとともに、ハンドリング性が悪くなるため作業効率を低下させるなどの問題を生じる。
【００１５】
本発明者らは、継手に作用する引張荷重および曲げ荷重を、ボルト、ナット以外の継手構造で負担するようにすればボルト・ナット本数を大幅に削減することができ、さらには高所における人力締結作業の効率を格段に向上させることができるとの着想を得た。
【００１６】
本発明者らは管継手を、１対の管端部材とカップリング部材の２種の部材で構成し、１対の管端部材を突き合わせた状態で、カップリング部材でこれを覆い、管端部材を強固に接続する構造を検討した。本発明の構造では、管端部材にかかる引張荷重、曲げ荷重またはせん断荷重はカップリング部材が負担する構造とし、カップリング部材を締め付けるボルト等の部品は管軸方向に作用する引張、曲げ荷重を直接負担しないため、締め付けのボルトは小さなボルトでよく、本数も少なくできることをねらっている。
【００１７】
本発明の管継手の基本的構造は、外周面に複数の山部を配置した１対の管端部材と、該山部と嵌め合う溝部を内面に有するカップリング部材とで構成し、カップリング部材で管端部材の外周を覆う構造である。
【００１８】
本発明者らは更に以下の検討を行って本発明を完成した。
山部の接合面側の側面と管継手軸とのなす角度を、全ての山部について同一とすると、管端部材については接合面側の山部に応力が集中し、カップリング部材については突き合わせ面側の溝部に応力が集中する。このような応力集中が生じると、繰り返しの引張あるいは曲げ荷重により、応力集中部において疲労によるき裂が発生する恐れがあり、さらに高応力により山部が塑性変形し、山部が溝部の側面を乗り越えて管端部材がカップリング部材から抜け落ちる、いわゆるジャンプアウトが発生し易くなり好ましくない。これを防止するため、山部の接合面側の側面と管継手軸とのなす角度を、接合面側および突き合わせ面側で小さくして中央側で大きくする。
【００１９】
さらに発明者らは、管継手の剛性を損なわずに管継手重量の増加を抑制することを検討した。
肉厚を増加させることなく管継手の剛性を高めるには管継手の径を増大させればよい。しかし、このことは管継手の重量および体積の増加に繋がるため、材料費および運搬費のコスト増加を招くとともに作業効率を低下させる。一方、管継手の肉厚を増加させることにより剛性を高めることは可能であるが、肉厚中心位置を変更せずに肉厚を増加させた場合にも、管継手の外径が増加するため前記問題が生じる。そこで、管継手の重量および体積の増加を極力抑制しながら剛性を高めるために、肉厚を増加させる方向を管継手内部方向とした。
【００２０】
本発明は上記した技術思想に基づき完成されたもので、下記の構造物用管継手をその要旨とする。
【００２１】
（１）１対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記山部の前記接合面側の側面と管継手軸とのなす角度について、中央側の山部の角度が接合面側および突き合わせ面側の山部の角度よりも大であり、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。
【００２２】
（２）１対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記管端部材の肉厚中心位置と管継手軸との距離が、接合面の肉厚中心位置と管継手軸との距離よりも小さく、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。
【００２３】
（３）１対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記山部の前記接合面側の側面と管継手軸とのなす角度について、中央側の山部の角度が接合面側および突き合わせ面側の山部の角度よりも大であり、さらに前記管端部材の肉厚中心位置と管継手軸との距離が、接合面の肉厚中心位置と管継手軸との距離よりも小さく、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の管継手の構造の一実施形態を示す部分断面斜視図である。
同図において、上下の管端部材２、２は上下の構造物部材管１、１と接合面３を介してそれぞれ接合されている。管端部材２の端部には突き合わせ面１０があり、上下の管端部材２、２は突き合わせ面１０を介して向き合っている。１対の管端部材２、２の外周はカップリング部材４で覆われ、管端部材２の山部８とカップリング部材４の内面の溝部９とが嵌め合って、管端部材２、２同士が離間しないようになっている。
【００２５】
一方の管端部材２の突き合わせ面１０には凹部１１が、他方の管端部材２の突き合わせ面１０には凸部１２が形成されている。同図では接合面３から山部にかけての部分はテーパーを有する筒状となっており、この部分を管部分１３という。同図の管端部材２の山部８およびカップリング部材４の溝部９の形状については後述する。
【００２６】
図２は本発明の管継手のカップリング部材４の傾視図であり、カップリング部材４の締め付ける手段を説明する図である。同図（ａ）は２つの分割体の両端をボルト取り付け部５の締結ボルト穴６を介してボルト留めとする場合、同図（ｂ）は２つの分割体１４の一端をヒンジ１５による結合、他端をボルト留めとする場合である。
【００２７】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、カップリング部材４は複数個の分割体１４に分割される。部品点数を少なくするためには２分割とするのが望ましいが、分割体１４の加工性、ハンドリング性などを考慮して分割数を決める。
【００２８】
分割体１４は図２（ａ）のように、締結ボルト穴６を分割体１４の両端に設けた構造としてもよいし、図２（ｂ）のように、分割体１４の片端または両端をヒンジまたはピン構造とし、１箇所のみをボルト・ナットで締結する構造としてもよい。強度的に許容する範囲で、ピンやヒンジ構造を用いる方が作業性がよい。
本発明の構造物用管継手の各部材の形状と寸法の限定理由について以下に説明する。なお、図１〜４および図６〜８においては、同一部品には同一符号を付す。
【００２９】
図１に示す管端部材２は、構造物部材管１と一体物としてもよいし、構造物部材管１に接合面３を介して接合される単一部材の構造でもよい。ここでいう「接合」とは、溶接、拡散接合、圧接などの溶融接合、ネジ接合または嵌合や突き合わせ後のボルト、リベット留め等である。また構造物部材管１の管軸と管端部材２の軸は必ずしも合っていなくてもよく、構造物の施工の形態に応じて必要な角度だけ傾けて接合してもよい。
【００３０】
管端部材２は構造物部材管１と接合されるほか、例えばトラス構造の結節部の構造物や基礎構造物などの管以外の構造物と接合される場合もある。また、図１、図２、図４および図８の管端部材２は中心が貫通した管形状となっているが、内面にリブ、竹の節状の部材などの補強部材が設けられていてもよい。これらを総称して便宜上管端部材という。
【００３１】
図１に示すように、管端部材２の外周面に山部８を設ける。管軸方向の断面における山部８の数は２以上とする。管軸方向の断面における山部が１本のみでは十分な引張強度を確保できないからである。管軸方向の断面における山部の数の上限は特に定めないが、加工コストおよびカップリング部材４が不必要に長くならないように、上限を片側の管端部材で５０本とするのが好ましい。
【００３２】
山部の外周面上の形状としては以下の種々の態様にできる。
（イ）山部８を円環状に全周に配置する場合、（ロ）山部８を円弧状に断続的に配置する場合、（ハ）継手軸方向に傾斜した山部８を断続的に配置する場合がある。
（イ）の形状は最も加工がしやすく、（ロ）および（ハ）は継手軸回りの回転に対する耐力を得られる特徴がある。山部形状を（ロ）または（ハ）とした場合、これに対応するカップリング部材４の溝部９は貫通穴とすることもできる。
【００３３】
図３は本発明の管端部材２の山部８の断面形状を示す断面図であり、同図（ａ）は三角形、同図（ｂ）は台形の場合である。
このように、管端部材の山部の断面形状は、荷重が作用する傾斜面を確保できる形状であれば特に限定しない。
【００３４】
図４は管端部材の山部８の断面形状の主要部を示す断面模式図である。
同図において、αは管端部材２の山部８の接合面側の側面と管継手軸とのなす傾斜角（以下、αともいう）を、βは山部８の突き合わせ面側の側面と管継手軸とのなす傾斜角（以下、βともいう）を表す。ここでｉは接合面３側からの山の番号を表し、接合面３側からｉ番目の山を第ｉ山、第ｉ山のαおよびβを夫々α（ｉ）およびβ（ｉ）として表す。山の数がＮである場合には、ｉ＝１は接合面３にもっとも近い山を、ｉ＝Ｎは突き合わせ面１０にもっとも近い山を指す。
【００３５】
このように傾斜を設けるのは、図１に示すように、カップリング部材４を締め付けたときに、カップリング部材４の溝部９を管端部材２の山部８に嵌合させ、強固に結合するためである。
【００３６】
αについては４５〜８７°とすることが好ましい。４５°未満では、引張荷重や曲げ荷重が負荷されたときに山部が溝の側壁を乗り越えて管端部材がカップリングから抜け落ちる、いわゆるジャンプアウトが発生し易くなり、また８７°を超えると、山部８と溝部９の製造精度が厳しくなり、加工コストが上昇するからである。
【００３７】
さらに、αについては、接合面側および突き合わせ面側の山部よりも中央部側の山部の方が大きくなるようにする。ここで、接合面側および突き合わせ面側の山部のαよりも中央部側の山部のαを大きくするというのは、接合面側および突き合わせ面側から中央側へかけて連続的にαを増加させる場合のみでなく、接合面側および突き合わせ面側の幾つかの山部についてのみ中央側へかけてαを増加させ、中央側の残りの山部のαを一定とする場合も含む。
【００３８】
全ての山部についてαを同一にすると、管端部材については接合面側の山部に応力が集中し、カップリング部材については突き合わせ面側の溝部に応力が集中する。このような応力集中が生じると、繰り返しの引張あるいは曲げ荷重により、応力集中部において疲労によるき裂が発生する恐れがあり、さらに高応力により山部が塑性変形し、山部が溝部の側面を乗り越えて管端部材がカップリング部材から抜け落ちる、いわゆるジャンプアウトが発生し易くなり好ましくない。
【００３９】
このような応力集中を抑制するために、接合面側および突き合わせ面側でαを小さく、中央側でαを大きくする。これにより、第１山の基部および第Ｎ山に嵌合する溝底に加わる応力が他の山部の基部および他の溝部の溝底に分散され、応力集中が緩和される。
【００４０】
図５は管端部材の山部およびカップリング部材の溝部に作用する応力分布を示す概要図であり、同図（ａ）は管端部材の各山部の基部面コーナー部に発生する最大主応力の分布を、同図（ｂ）はカップリング部材の各溝部の溝底コーナー部に発生する最大主応力の分布を示す。
【００４１】
同図は山数を１６とした場合についての応力分布を示し、図中Ａはαを一定（α＝７０°）とした場合、図中Ｂはα（１）＝α（１６）＝４５°、α（２）＝α（１５）＝５０°、α（３）＝α（１４）＝５５°、α（４）〜α（１３）＝８０°とした場合の応力分布を示す。同図より、接合面側および突き合わせ面側のαより中央側のαを大きくすることにより、最大主応力の最大値を低減することができ、応力集中を抑制できることがわかる。
【００４２】
αの最大値は５０°以上とすることが好ましい。全ての山部のαを５０°未満とした場合には、管端部材２およびカップリング部材４の変形が過大となるので、これを抑制するために管端部材２およびカップリング部材４の肉厚を増加させて剛性を高める必要が生じ、その結果重量増加を招くからである。
【００４３】
βは特に限定しないが、９３〜１３５°とすることが好ましい。９３°未満とすると、山部８と溝部９の製造精度が厳しくなり、加工コストが嵩むからである。１３５°超とすると山数を確保するために継手が長大化し、加工コストが嵩むからである。より好ましくは、９５〜１２０°である。
【００４４】
図６は管端部材およびカップリング部材の断面模式図であり、同図（ａ）は管端部材の断面模式図、同図（ｂ）はカップリング部材の断面模式図である。
【００４５】
なお、同図（ａ）において、破線で示すＦ１は管端部材２の山部８の基部面を、Ｆ３は管端部材の内周面を、Ｆ４は管端部材の肉厚中心位置を、Ｆ５は接合面の肉厚中心位置を夫々表し、同図（ｂ）において、破線で示すＦ２はカップリング部材９の溝縁面を表す。
【００４６】
ここで、接合面の肉厚中心位置Ｆ５と管継手軸との距離よりも、管端部材の肉厚中心位置Ｆ４と管継手軸との距離が小さくなるようにする。管端部材の肉厚中心位置Ｆ４とは、山部８の基部面Ｆ１を外周面とし、管端部材の内周面を内周面とする仮想管体の肉厚中心位置である。
【００４７】
管端部材の肉厚中心位置Ｆ４と管継手軸との距離を、接合面の肉厚中心位置Ｆ５と管継手軸との距離よりも大きくなるようにすると、管端部材に剛性を付与するための継手重量の増加量が大きくなるからである。
【００４８】
管端部材２の山部８の基部面Ｆ１は管部分１３の外径と等しくすることが好ましい。管端部材の山部８の基部面Ｆ１を管部分１３の外径よりも小さくすると、第１山の接合面側の基部１６に作用する応力が大きくなるからであり、また、管端部材の山部８の基部面Ｆ１を管部分１３の外径よりも大きくすると、同一の剛性を得るのに重量の増加を招くからである。
【００４９】
また、山部および溝部のコーナー部には、同図に示すように適度の面取り（Ｒ：０．２〜１０．０ｍｍ）を施し、応力集中を回避することが望ましい。
【００５０】
本発明の管継手について、管端部材の各部の寸法範囲は、接続する管の外径、肉厚および材料強度に依存するため一概には言えない。構造物部材管と管継手の部材が同強度の材料から構成されているとして、おおむね下記の範囲にあることが望ましい。
【００５１】
（ａ）管端部材山部高さ
管端部材山部８の高さＨは構造物部材管１の肉厚ｔの１／８〜４／５倍とするのが好ましい。１／８倍より小さいとジャンプアウトが生じやすくなり、４／５倍より大きいと管端部材２およびカップリング部材が過度に大きくなり、重量増加およびコスト増加をまねく。
【００５２】
(ｂ) 管端部材山部幅
図４に示すように山部幅Ｄを定義すると、Ｄは構造部材管１の肉厚ｔの０．２〜１．５倍とするのが好ましい。０．２倍より小さいと十分な剛性が得られないために、引張あるいは曲げ荷重が負荷された場合に圧潰する可能性がある。１．５倍より大きいと剛性が過剰となり、さらに管端部材２が長大化し、重量増加とともにコスト増加をまねく。
【００５３】
(ｃ) 管端部材山部間隔
図４に示すように隣接する管端部材山部間隔ｄを定義すると、ｄは山部幅Ｄの０．５〜５倍とするのが好ましい。０．５倍未満では、山部に対応するカップリング部材の溝部の間隔が狭くなり強度が不足する。５倍超とすると、管端部材２およびカップリング部材４が長大化し、重量増加とコスト増加につながる。
【００５４】
(ｄ) 管端部材の山部８とカップリング部材の溝部９の隙間ＧＡＰ１、ＧＡＰ２
図７は管端部材２の山部８とカップリング部材４の溝部９の嵌合状態を示す断面図である。
【００５５】
同図に示すようにカップリング部材溝部幅Ｄｃは管端部材山部幅Ｄ（図４参照）より小さくするのが望ましい。換言すれば、カップリング部材を締め付けたとき、山部８の基部とカップリング部材の溝部９の溝縁との間に隙間ＧＡＰ１、山部８の頂上面と溝部８の溝底との間に隙間ＧＡＰ２があるようにするのが望ましい。
【００５６】
ＧＡＰ１またはＧＡＰ２は、図４に示す山部高さＨの０．０１〜０．５倍であるのが望ましい。０．０１倍未満では管端部材およびカップリング部材の製作誤差等により、カップリング部材を締め付けたとき山部の頂上面と溝部の溝底面、または山部の基部面と溝部の溝縁面が当接し、山部および溝部の側面で十分な面圧が得られないおそれがある。０．５倍を越えると、山部および溝部の側面を有効に使うことができず、山部および溝部の側面において局部的に過大な面圧が作用するとともに、山部基部面および溝底面から接触位置までの距離が長くなることにより、山部基部面および溝底面にかかる曲げモーメントが大きくなり高い応力が発生するからである。
図８は本発明の管継手の主要部を示す断面図である。
同図に示した各種寸法の範囲を以下に示す。
【００５７】
(ｅ) 管端部材肉厚
管端部材の山部基部面を外周面とし管端部材の内周面を内周面とした仮想管体の肉厚を管端部材肉厚ｔｐと定義すると、ｔｐは構造物部材管１の肉厚ｔの１〜４倍とするのが好ましい範囲である。１倍よりも小さいと引張あるいは曲げ荷重に対する剛性が十分でなく、４倍よりも大きいと重量増加とコスト増加を招くからである。
【００５８】
(ｆ) 管内側テーパー角
管内側テーパー角θについては、継手の強度性能の観点からは上限の制約がなく、また、テーパー角θの値も必ずしも一定値である必要はないので、管端部材２を製造する上で製造しやすいテーパー角θとすればよい。しかしながら、フランジを溶接した後に耐食性を付与するために溶融亜鉛メッキ処理を行う場合には、鋼管内部へのメッキ溜まりを防止するために、テーパー角θの値をメッキ処理時の鋼管部材の浸漬角度以下とすることが好ましい。
【００５９】
(ｇ) 管端部材長さ
管端部材２の長さＬｐは構造物部材管の肉厚ｔの５〜２０倍とするのが望ましい。５倍以下であると管端部材山部の個数、大きさが制限され、必要な強度性能が得られず、２０倍以上であると重量増加およびコストの増加を招くからである。
【００６０】
(ｈ) カップリング部材肉厚
カップリング部材４の肉厚ｔｃは、構造物部材管肉厚の１．０〜４．０倍とするのが望ましい。１．０倍未満であるとカップリング部材に十分な強度を付与することができないからである。また、４．０倍超とするとカップリング部材の剛性が過剰となり、重量増加とコスト増加を招くからである。
【００６１】
(ｉ) カップリング部材長さ
カップリング部材の長さＬｃは構造物部材管の肉厚ｔの８〜３８倍とするのが望ましい。８倍未満であるとカップリング部材の溝部の個数および大きさが制限され、十分な強度を得ることができず、３８倍超とすると重量およびコストが増大するからである。
【００６２】
(ｊ) カップリング部材リップ部長さ
図８に示すカップリング部材のリップ部７は、管端部材山部８の第１山に対応する溝の強度を確保するとともに、構造物部材に引張あるいは曲げ荷重が加わったとき、過度に開口するのを防止するため必要である。リップ部７の長さＬｃｌは、構造物部材管の肉厚ｔの０．５〜５倍が好ましい範囲である。０．５倍より小さいと管端部材山部８の第１山に対応する溝部の強度が確保できず、カップリング部材リップ部の開口が大きくなり、管端部材２がジャンプアウトする可能性がある。５倍超とすると剛性が過剰となり、重量とコスト増大につながる。
【００６３】
なお、芯出し作業の効率を向上させるため、図１および図８に示すように、管端部材の突き合わせ面の一方に凸部を設け、他方の管端部材の突き合わせ面には、前記凸部と雄雌をなすような凹部を設け、凸部を案内にして管端部材をはめ合わせるようにするとよい。管端部同士を突き合わせたとき、凸部と凹部がちょうど嵌合する構造とすれば、継手に作用するせん断荷重を凸部と凹部が分担し、せん断強度が飛躍的に向上する効果も得られる。
【００６４】
本発明の管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」、「管端部材」および「カップリング部材」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。構造物部材管、管端部材およびカップリング部材は同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。
【００６５】
【実施例】
本発明の効果を実証するために、本発明の管継手（請求項３に係る本発明例、識別Ａ）および従来技術のフランジボルト留め型（比較例、識別ＢおよびＣ）の管継手を施工試験および引張の疲労試験に供し比較した。
【００６６】
表１に試験に供した構造物部材管のサイズ、材料種類を示す。本発明例および比較例の管継手の材料は構造物部材管の材料と同程度のものを使用した。
【００６７】
【表１】
【００６８】
本発明の構造物用管継手のカップリングは２分割でかつヒンジ式のものを使用した。
表２に供試した構造物用管継手の仕様を示す。
【００６９】
【表２】
【００７０】
表２に示すように、本発明の継手は、既存の継手と比べて大幅に軽量化できており、製造コストおよび運搬費を低減でき、取り扱い容易で作業性に優れるものとなった。
表２に示す継手を以下の試験に供試した。
【００７１】
（ａ）締結試験
上側の管端部材を溶接した構造物部材管をクレーンで吊るし、地上で、地面に水平に据えられた下側の管端部材の上部にクレーンを操作して設置し、芯合わせ後に専用のレンチにてボルトを締結する試験を行った。作業員２名にてこの作業を行い、芯合わせからボルト締結完了までの時間を測定した。
【００７２】
（ｂ）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り試験に供試し、ボルトあるいは継手部材（カップリング部材および管端部材）に回復不可能な損傷（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、構造物部材管に降伏強度の２／３の応力が発生する荷重Ｐｏ（＝３．１０７×１０3 ｋＮ）を平均荷重とし、１．０Ｐｏ±０．５Ｐｏの繰り返し引張荷重を負荷した。
表３に締結試験および繰り返し引張試験の結果を示す。
【００７３】
【表３】
【００７４】
表３に示すように、本発明の継手は既存の継手と比べ、必要な継手強度を保持しつつ飛躍的に作業時間を短縮することができた。
【００７５】
本施工試験は地上にて行ったが、実際の施工現場では高所あるいは足場の悪い場所での作業になるため、本発明の管継手の作業性は従来品に比べ、一層向上すると考えられる。また、従来のボルト・ナット接続のフランジ継手では、１組の継手を締結するのに必要なボルトを一度に作業現場まで持って上がることができないため、本発明の管継手の場合より締結作業時間は多くなる。したがって、本発明は一層有利なものとなる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の管継手を適用することにより、従来のフランジ継手と同等以上の強度性能を有しつつ、かつ締結作業効率を格段に向上させることができることから、鋼管を主体にした構造物を簡便かつ短期間で建造でき、経済効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の管継手の構造を示す部分断面斜視図である。
【図２】本発明の管継手のカップリング部材の斜視図であり、同図（ａ）は２つの分割体の両端をボルト留めとする場合、同図（ｂ）は２つの分割体の１個所をヒンジ結合、１個所をボルト留めとする場合である。
【図３】本発明の山部の断面形状を示す断面図であり、同図（ａ）は三角形、同図（ｂ）は台形の場合である。
【図４】本発明の管端部材山部の断面形状の主要部を示す断面模式図である。
【図５】管端部材の山部およびカップリング部材の溝部に作用する応力分布を示す概要図であり、同図（ａ）は管端部材の各山部の基部面コーナー部に発生する最大主応力の分布を、同図（ｂ）はカップリング部材の各溝部の溝底コーナー部に発生する最大主応力の分布を示す。
【図６】本発明の管端部材およびカップリング部材の断面模式図であり、同図（ａ）は管端部材の断面模式図、同図（ｂ）はカップリング部材の断面模式図である。
【図７】本発明の管端部材の山部とカップリング部材の溝部の嵌合状態を示す断面図である。
【図８】本発明の管継手の主要部を示す断面図である。
【図９】従来技術のリブ付きフランジ継手の構造を示す概要図であり、同図（ａ１）は８個のボルト穴を円周方向１列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ａ２）はその平面図であり、同図（ｂ１）は１６個のボルト穴を円周方向２列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ｂ２）はその平面図である。
【図１０】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り、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１ 構造物部材管 ２ 管端部材
３ 接合面 ４ カップリング部材
５ ボルト取り付け部 ６ ボルト穴
７ リップ部 ８ 山部
９ 溝部 １０ 突き合わせ面
１１ 凹部 １２ 凸部
１３ 管部分 １４ 分割体
１５ ヒンジ １６ 第１山基部面
１７ 第Ｎ溝底面 １８ フランジ
１９ フランジボルト穴 ２０ リブ
Ｆ１ 基部面 Ｆ２ 溝縁面
Ｆ３ 管端部材内周面 Ｆ４ 管端部材肉厚中心位置
Ｆ５ 接合面肉厚中心位置
α 山部の接合面側側面と管継手軸とのなす角度
β 山部の突き合わせ面側側面と管継手軸とのなす角度
ｔ 構造物部材肉厚 ｔｐ 管端部材肉厚
ｔｃ カップリング部材肉厚 θ 管内側テーパー角
Ｈ 山部高さ Ｄ 山部幅
ｄ 山部間隔 Ｎ 山個数
Ｄｃ 溝部幅 Ｌｐ 管端部材長さ
Ｌｃ カップリング部材長さ Ｌｃ１ リップ部長さ
ＧＡＰ１ 山部基部面と溝縁面とのギャップ
ＧＡＰ２ 山部頂上面と溝底面とのギャップ
【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（以下、構造物部材管という）を組み上げる際に用いる構造物用の管継手、とく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継手に関する。
【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、山岳部あるいは河川、海峡など険しい地形の環境で建設作業が行われることが多い。また、構造物部材管同士を接続する作業、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、または構造物同士を接続する作業についても高所で行うことが多い。このため、予め工場で構造物部材管の両端または構造物自体にフランジを取り付け、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用いられている。以下、構造物部材管同士の接続を例にして説明する。
【０００３】
図９は一般的な従来技術のリブ付きフランジ継手の構造を示す概要図であり、同図（ａ１）は８個のボルト穴を円周方向１列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ａ２）はその平面図であり、同図（ｂ１）は１６個のボルト穴を円周方向２列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ｂ２）はその平面図である。
【０００４】
同図は片側の継手を示している。同図（ａ１）、（ａ２）のように、フランジ１８と構造物部材管１とをリブ２０で補強し、フランジ１８の周囲１列のフランジボルト穴１９にボルト（図示せず）を６本以上、さらに強度を確保する場合には同図（ｂ１）、（ｂ２）のようにボルトを２列に配して構造物部材管１同士を締結する。
【０００５】
この方式の管継手のフランジ構造にはさまざまなものがあり、例えば特開昭５５−９５７５０号公報には、一体型フランジ継手が開示されている。
図１０は、同公報に開示された一体型フランジ継手の構造を示す概要図であり、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。
【０００６】
同図（ａ）、（ｂ）に示すように、この管継手はフランジ１８に続く管端部を厚肉にした一体物管継手であり、フランジ１８の反対側の端部で構造物部材管１を接合する構造を有する。
【０００７】
これらの継手に共通する構造は、フランジ同士を突き合わせ、フランジ部全周にわたり均等に配置されたボルト孔を通してボルト、ナットで締結することにより管同士を接続するところにある。また、これらのフランジ継手はいずれも継手に作用する引張および曲げ荷重をすべてボルト・ナットで負担する構造になっている。
【０００８】
この構造は送電鉄塔や橋梁のような大型構造物で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、または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る疲労強度とを確保するため、多くのボルトが必要となり、締結作業に多大な工数が必要となる。すなわち、送電鉄塔や橋梁では上記締結作業は高所あるいは足場の悪い場所での手作業であるため、締結に多数のボルト、ナットを使用すると、著しく施工能率が低下し、施工費用の増大を招くことになる。
【０００９】
管同士を接続する他の方法として、ねじ継手がある。ねじ継手は片方の管端外周面に雄ねじを設け、相対する管端あるいはカップリングの内面に雌ねじを設けて、両者を締め付けることにより管を接続するものであり、特に油井管用のねじ継手には管と同等以上の強度性能を有するものもある。
【００１０】
しかし、ねじ継手は接続する際に管本体を回転させなければならず、かつその締め付け作業が人力のみでは不可能であるため、現場の手作業が必須要件である構造物用継手には適用できない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、送電鉄塔等の大型構造物の施工コストを低減できる簡便かつ安全な継手が要望されているにもかかわらず、その要望を満たすような構造物用管継手は実用化されていない。
【００１２】
本発明の目的は、強度を確保しつつ、高い施工能率で構造物部材管同士、構造物と構造物部材管、または構造物同士を接続できる安価な管継手を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来型のボルト・ナット接続によるフランジ継手の問題点を検討した。構造物用のフランジ継手には強度上の制約があるためボルト本数が多い。すなわち、前記のように静的圧縮荷重および低サイクルの繰り返し引張荷重ないしは曲げ荷重が作用するが、従来のフランジ継手では引張荷重および曲げ荷重はすべてボルト・ナットが負担する構造になっている。この引張あるいは曲げ荷重の設計荷重値は個々の構造物により異なるが、送電鉄塔の例ではおおむね接続する構造物部材管の降伏荷重（降伏応力×構造物部材管の断面積）の２／３〜１．０倍程度までの荷重に耐えなければならないため、特に大径の構造物部材管を接続するフランジ継手においてはボルト本数が多くなる。
【００１４】
さらに、ボルトはスパナ等の工具で締結を行う必要があるため、ボルト穴とボルト穴との間やボルト穴と構造部材との間に締結作業を行うためのスペースを確保する必要があり、ボルト本数が多い場合には前記締結作業のためにフランジ外径を大きくせざるを得ない場合が生じる。このようにフランジ外径を大きくすることはフランジ継手の重量増加に繋がるため、材料費および運送費などのコスト増加を招くとともに、ハンドリング性が悪くなるため作業効率を低下させるなどの問題を生じる。
【００１５】
本発明者らは、継手に作用する引張荷重および曲げ荷重を、ボルト、ナット以外の継手構造で負担するようにすればボルト・ナット本数を大幅に削減することができ、さらには高所における人力締結作業の効率を格段に向上させることができるとの着想を得た。
【００１６】
本発明者らは管継手を、１対の管端部材とカップリング部材の２種の部材で構成し、１対の管端部材を突き合わせた状態で、カップリング部材でこれを覆い、管端部材を強固に接続する構造を検討した。本発明の構造では、管端部材にかかる引張荷重、曲げ荷重またはせん断荷重はカップリング部材が負担する構造とし、カップリング部材を締め付けるボルト等の部品は管軸方向に作用する引張、曲げ荷重を直接負担しないため、締め付けのボルトは小さなボルトでよく、本数も少なくできることをねらっている。
【００１７】
本発明の管継手の基本的構造は、外周面に複数の山部を配置した１対の管端部材と、該山部と嵌め合う溝部を内面に有するカップリング部材とで構成し、カップリング部材で管端部材の外周を覆う構造である。
【００１８】
本発明者らは更に以下の検討を行って本発明を完成した。
山部の接合面側の側面と管継手軸とのなす角度を、全ての山部について同一とすると、管端部材については接合面側の山部に応力が集中し、カップリング部材については突き合わせ面側の溝部に応力が集中する。このような応力集中が生じると、繰り返しの引張あるいは曲げ荷重により、応力集中部において疲労によるき裂が発生する恐れがあり、さらに高応力により山部が塑性変形し、山部が溝部の側面を乗り越えて管端部材がカップリング部材から抜け落ちる、いわゆるジャンプアウトが発生し易くなり好ましくない。これを防止するため、山部の接合面側の側面と管継手軸とのなす角度を、接合面側および突き合わせ面側で小さくして中央側で大きくする。
【００１９】
さらに発明者らは、管継手の剛性を損なわずに管継手重量の増加を抑制することを検討した。
肉厚を増加させることなく管継手の剛性を高めるには管継手の径を増大させればよい。しかし、このことは管継手の重量および体積の増加に繋がるため、材料費および運搬費のコスト増加を招くとともに作業効率を低下させる。一方、管継手の肉厚を増加させることにより剛性を高めることは可能であるが、肉厚中心位置を変更せずに肉厚を増加させた場合にも、管継手の外径が増加するため前記問題が生じる。そこで、管継手の重量および体積の増加を極力抑制しながら剛性を高めるために、肉厚を増加させる方向を管継手内部方向とした。
【００２０】
本発明は上記した技術思想に基づき完成されたもので、下記の構造物用管継手をその要旨とする。
【００２１】
（１）１対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記山部の前記接合面側の側面と管継手軸とのなす角度について、中央側の山部の角度が接合面側および突き合わせ面側の山部の角度よりも大であり、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。
【００２２】
（２）１対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記管端部材の肉厚中心位置と管継手軸との距離が、接合面の肉厚中心位置と管継手軸との距離よりも小さく、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。
【００２３】
（３）１対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記山部の前記接合面側の側面と管継手軸とのなす角度について、中央側の山部の角度が接合面側および突き合わせ面側の山部の角度よりも大であり、さらに前記管端部材の肉厚中心位置と管継手軸との距離が、接合面の肉厚中心位置と管継手軸との距離よりも小さく、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の管継手の構造の一実施形態を示す部分断面斜視図である。
同図において、上下の管端部材２、２は上下の構造物部材管１、１と接合面３を介してそれぞれ接合されている。管端部材２の端部には突き合わせ面１０があり、上下の管端部材２、２は突き合わせ面１０を介して向き合っている。１対の管端部材２、２の外周はカップリング部材４で覆われ、管端部材２の山部８とカップリング部材４の内面の溝部９とが嵌め合って、管端部材２、２同士が離間しないようになっている。
【００２５】
一方の管端部材２の突き合わせ面１０には凹部１１が、他方の管端部材２の突き合わせ面１０には凸部１２が形成されている。同図では接合面３から山部にかけての部分はテーパーを有する筒状となっており、この部分を管部分１３という。同図の管端部材２の山部８およびカップリング部材４の溝部９の形状については後述する。
【００２６】
図２は本発明の管継手のカップリング部材４の傾視図であり、カップリング部材４の締め付ける手段を説明する図である。同図（ａ）は２つの分割体の両端をボルト取り付け部５の締結ボルト穴６を介してボルト留めとする場合、同図（ｂ）は２つの分割体１４の一端をヒンジ１５による結合、他端をボルト留めとする場合である。
【００２７】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、カップリング部材４は複数個の分割体１４に分割される。部品点数を少なくするためには２分割とするのが望ましいが、分割体１４の加工性、ハンドリング性などを考慮して分割数を決める。
【００２８】
分割体１４は図２（ａ）のように、締結ボルト穴６を分割体１４の両端に設けた構造としてもよいし、図２（ｂ）のように、分割体１４の片端または両端をヒンジまたはピン構造とし、１箇所のみをボルト・ナットで締結する構造としてもよい。強度的に許容する範囲で、ピンやヒンジ構造を用いる方が作業性がよい。
本発明の構造物用管継手の各部材の形状と寸法の限定理由について以下に説明する。なお、図１〜４および図６〜８においては、同一部品には同一符号を付す。
【００２９】
図１に示す管端部材２は、構造物部材管１と一体物としてもよいし、構造物部材管１に接合面３を介して接合される単一部材の構造でもよい。ここでいう「接合」とは、溶接、拡散接合、圧接などの溶融接合、ネジ接合または嵌合や突き合わせ後のボルト、リベット留め等である。また構造物部材管１の管軸と管端部材２の軸は必ずしも合っていなくてもよく、構造物の施工の形態に応じて必要な角度だけ傾けて接合してもよい。
【００３０】
管端部材２は構造物部材管１と接合されるほか、例えばトラス構造の結節部の構造物や基礎構造物などの管以外の構造物と接合される場合もある。また、図１、図２、図４および図８の管端部材２は中心が貫通した管形状となっているが、内面にリブ、竹の節状の部材などの補強部材が設けられていてもよい。これらを総称して便宜上管端部材という。
【００３１】
図１に示すように、管端部材２の外周面に山部８を設ける。管軸方向の断面における山部８の数は２以上とする。管軸方向の断面における山部が１本のみでは十分な引張強度を確保できないからである。管軸方向の断面における山部の数の上限は特に定めないが、加工コストおよびカップリング部材４が不必要に長くならないように、上限を片側の管端部材で５０本とするのが好ましい。
【００３２】
山部の外周面上の形状としては以下の種々の態様にできる。
（イ）山部８を円環状に全周に配置する場合、（ロ）山部８を円弧状に断続的に配置する場合、（ハ）継手軸方向に傾斜した山部８を断続的に配置する場合がある。
（イ）の形状は最も加工がしやすく、（ロ）および（ハ）は継手軸回りの回転に対する耐力を得られる特徴がある。山部形状を（ロ）または（ハ）とした場合、これに対応するカップリング部材４の溝部９は貫通穴とすることもできる。
【００３３】
図３は本発明の管端部材２の山部８の断面形状を示す断面図であり、同図（ａ）は三角形、同図（ｂ）は台形の場合である。
このように、管端部材の山部の断面形状は、荷重が作用する傾斜面を確保できる形状であれば特に限定しない。
【００３４】
図４は管端部材の山部８の断面形状の主要部を示す断面模式図である。
同図において、αは管端部材２の山部８の接合面側の側面と管継手軸とのなす傾斜角（以下、αともいう）を、βは山部８の突き合わせ面側の側面と管継手軸とのなす傾斜角（以下、βともいう）を表す。ここでｉは接合面３側からの山の番号を表し、接合面３側からｉ番目の山を第ｉ山、第ｉ山のαおよびβを夫々α（ｉ）およびβ（ｉ）として表す。山の数がＮである場合には、ｉ＝１は接合面３にもっとも近い山を、ｉ＝Ｎは突き合わせ面１０にもっとも近い山を指す。
【００３５】
このように傾斜を設けるのは、図１に示すように、カップリング部材４を締め付けたときに、カップリング部材４の溝部９を管端部材２の山部８に嵌合させ、強固に結合するためである。
【００３６】
αについては４５〜８７°とすることが好ましい。４５°未満では、引張荷重や曲げ荷重が負荷されたときに山部が溝の側壁を乗り越えて管端部材がカップリングから抜け落ちる、いわゆるジャンプアウトが発生し易くなり、また８７°を超えると、山部８と溝部９の製造精度が厳しくなり、加工コストが上昇するからである。
【００３７】
さらに、αについては、接合面側および突き合わせ面側の山部よりも中央部側の山部の方が大きくなるようにする。ここで、接合面側および突き合わせ面側の山部のαよりも中央部側の山部のαを大きくするというのは、接合面側および突き合わせ面側から中央側へかけて連続的にαを増加させる場合のみでなく、接合面側および突き合わせ面側の幾つかの山部についてのみ中央側へかけてαを増加させ、中央側の残りの山部のαを一定とする場合も含む。
【００３８】
全ての山部についてαを同一にすると、管端部材については接合面側の山部に応力が集中し、カップリング部材については突き合わせ面側の溝部に応力が集中する。このような応力集中が生じると、繰り返しの引張あるいは曲げ荷重により、応力集中部において疲労によるき裂が発生する恐れがあり、さらに高応力により山部が塑性変形し、山部が溝部の側面を乗り越えて管端部材がカップリング部材から抜け落ちる、いわゆるジャンプアウトが発生し易くなり好ましくない。
【００３９】
このような応力集中を抑制するために、接合面側および突き合わせ面側でαを小さく、中央側でαを大きくする。これにより、第１山の基部および第Ｎ山に嵌合する溝底に加わる応力が他の山部の基部および他の溝部の溝底に分散され、応力集中が緩和される。
【００４０】
図５は管端部材の山部およびカップリング部材の溝部に作用する応力分布を示す概要図であり、同図（ａ）は管端部材の各山部の基部面コーナー部に発生する最大主応力の分布を、同図（ｂ）はカップリング部材の各溝部の溝底コーナー部に発生する最大主応力の分布を示す。
【００４１】
同図は山数を１６とした場合についての応力分布を示し、図中Ａはαを一定（α＝７０°）とした場合、図中Ｂはα（１）＝α（１６）＝４５°、α（２）＝α（１５）＝５０°、α（３）＝α（１４）＝５５°、α（４）〜α（１３）＝８０°とした場合の応力分布を示す。同図より、接合面側および突き合わせ面側のαより中央側のαを大きくすることにより、最大主応力の最大値を低減することができ、応力集中を抑制できることがわかる。
【００４２】
αの最大値は５０°以上とすることが好ましい。全ての山部のαを５０°未満とした場合には、管端部材２およびカップリング部材４の変形が過大となるので、これを抑制するために管端部材２およびカップリング部材４の肉厚を増加させて剛性を高める必要が生じ、その結果重量増加を招くからである。
【００４３】
βは特に限定しないが、９３〜１３５°とすることが好ましい。９３°未満とすると、山部８と溝部９の製造精度が厳しくなり、加工コストが嵩むからである。１３５°超とすると山数を確保するために継手が長大化し、加工コストが嵩むからである。より好ましくは、９５〜１２０°である。
【００４４】
図６は管端部材およびカップリング部材の断面模式図であり、同図（ａ）は管端部材の断面模式図、同図（ｂ）はカップリング部材の断面模式図である。
【００４５】
なお、同図（ａ）において、破線で示すＦ１は管端部材２の山部８の基部面を、Ｆ３は管端部材の内周面を、Ｆ４は管端部材の肉厚中心位置を、Ｆ５は接合面の肉厚中心位置を夫々表し、同図（ｂ）において、破線で示すＦ２はカップリング部材９の溝縁面を表す。
【００４６】
ここで、接合面の肉厚中心位置Ｆ５と管継手軸との距離よりも、管端部材の肉厚中心位置Ｆ４と管継手軸との距離が小さくなるようにする。管端部材の肉厚中心位置Ｆ４とは、山部８の基部面Ｆ１を外周面とし、管端部材の内周面を内周面とする仮想管体の肉厚中心位置である。
【００４７】
管端部材の肉厚中心位置Ｆ４と管継手軸との距離を、接合面の肉厚中心位置Ｆ５と管継手軸との距離よりも大きくなるようにすると、管端部材に剛性を付与するための継手重量の増加量が大きくなるからである。
【００４８】
管端部材２の山部８の基部面Ｆ１は管部分１３の外径と等しくすることが好ましい。管端部材の山部８の基部面Ｆ１を管部分１３の外径よりも小さくすると、第１山の接合面側の基部１６に作用する応力が大きくなるからであり、また、管端部材の山部８の基部面Ｆ１を管部分１３の外径よりも大きくすると、同一の剛性を得るのに重量の増加を招くからである。
【００４９】
また、山部および溝部のコーナー部には、同図に示すように適度の面取り（Ｒ：０．２〜１０．０ｍｍ）を施し、応力集中を回避することが望ましい。
【００５０】
本発明の管継手について、管端部材の各部の寸法範囲は、接続する管の外径、肉厚および材料強度に依存するため一概には言えない。構造物部材管と管継手の部材が同強度の材料から構成されているとして、おおむね下記の範囲にあることが望ましい。
【００５１】
（ａ）管端部材山部高さ
管端部材山部８の高さＨは構造物部材管１の肉厚ｔの１／８〜４／５倍とするのが好ましい。１／８倍より小さいとジャンプアウトが生じやすくなり、４／５倍より大きいと管端部材２およびカップリング部材が過度に大きくなり、重量増加およびコスト増加をまねく。
【００５２】
(ｂ) 管端部材山部幅
図４に示すように山部幅Ｄを定義すると、Ｄは構造部材管１の肉厚ｔの０．２〜１．５倍とするのが好ましい。０．２倍より小さいと十分な剛性が得られないために、引張あるいは曲げ荷重が負荷された場合に圧潰する可能性がある。１．５倍より大きいと剛性が過剰となり、さらに管端部材２が長大化し、重量増加とともにコスト増加をまねく。
【００５３】
(ｃ) 管端部材山部間隔
図４に示すように隣接する管端部材山部間隔ｄを定義すると、ｄは山部幅Ｄの０．５〜５倍とするのが好ましい。０．５倍未満では、山部に対応するカップリング部材の溝部の間隔が狭くなり強度が不足する。５倍超とすると、管端部材２およびカップリング部材４が長大化し、重量増加とコスト増加につながる。
【００５４】
(ｄ) 管端部材の山部８とカップリング部材の溝部９の隙間ＧＡＰ１、ＧＡＰ２
図７は管端部材２の山部８とカップリング部材４の溝部９の嵌合状態を示す断面図である。
【００５５】
同図に示すようにカップリング部材溝部幅Ｄｃは管端部材山部幅Ｄ（図４参照）より小さくするのが望ましい。換言すれば、カップリング部材を締め付けたとき、山部８の基部とカップリング部材の溝部９の溝縁との間に隙間ＧＡＰ１、山部８の頂上面と溝部８の溝底との間に隙間ＧＡＰ２があるようにするのが望ましい。
【００５６】
ＧＡＰ１またはＧＡＰ２は、図４に示す山部高さＨの０．０１〜０．５倍であるのが望ましい。０．０１倍未満では管端部材およびカップリング部材の製作誤差等により、カップリング部材を締め付けたとき山部の頂上面と溝部の溝底面、または山部の基部面と溝部の溝縁面が当接し、山部および溝部の側面で十分な面圧が得られないおそれがある。０．５倍を越えると、山部および溝部の側面を有効に使うことができず、山部および溝部の側面において局部的に過大な面圧が作用するとともに、山部基部面および溝底面から接触位置までの距離が長くなることにより、山部基部面および溝底面にかかる曲げモーメントが大きくなり高い応力が発生するからである。
図８は本発明の管継手の主要部を示す断面図である。
同図に示した各種寸法の範囲を以下に示す。
【００５７】
(ｅ) 管端部材肉厚
管端部材の山部基部面を外周面とし管端部材の内周面を内周面とした仮想管体の肉厚を管端部材肉厚ｔｐと定義すると、ｔｐは構造物部材管１の肉厚ｔの１〜４倍とするのが好ましい範囲である。１倍よりも小さいと引張あるいは曲げ荷重に対する剛性が十分でなく、４倍よりも大きいと重量増加とコスト増加を招くからである。
【００５８】
(ｆ) 管内側テーパー角
管内側テーパー角θについては、継手の強度性能の観点からは上限の制約がなく、また、テーパー角θの値も必ずしも一定値である必要はないので、管端部材２を製造する上で製造しやすいテーパー角θとすればよい。しかしながら、フランジを溶接した後に耐食性を付与するために溶融亜鉛メッキ処理を行う場合には、鋼管内部へのメッキ溜まりを防止するために、テーパー角θの値をメッキ処理時の鋼管部材の浸漬角度以下とすることが好ましい。
【００５９】
(ｇ) 管端部材長さ
管端部材２の長さＬｐは構造物部材管の肉厚ｔの５〜２０倍とするのが望ましい。５倍以下であると管端部材山部の個数、大きさが制限され、必要な強度性能が得られず、２０倍以上であると重量増加およびコストの増加を招くからである。
【００６０】
(ｈ) カップリング部材肉厚
カップリング部材４の肉厚ｔｃは、構造物部材管肉厚の１．０〜４．０倍とするのが望ましい。１．０倍未満であるとカップリング部材に十分な強度を付与することができないからである。また、４．０倍超とするとカップリング部材の剛性が過剰となり、重量増加とコスト増加を招くからである。
【００６１】
(ｉ) カップリング部材長さ
カップリング部材の長さＬｃは構造物部材管の肉厚ｔの８〜３８倍とするのが望ましい。８倍未満であるとカップリング部材の溝部の個数および大きさが制限され、十分な強度を得ることができず、３８倍超とすると重量およびコストが増大するからである。
【００６２】
(ｊ) カップリング部材リップ部長さ
図８に示すカップリング部材のリップ部７は、管端部材山部８の第１山に対応する溝の強度を確保するとともに、構造物部材に引張あるいは曲げ荷重が加わったとき、過度に開口するのを防止するため必要である。リップ部７の長さＬｃｌは、構造物部材管の肉厚ｔの０．５〜５倍が好ましい範囲である。０．５倍より小さいと管端部材山部８の第１山に対応する溝部の強度が確保できず、カップリング部材リップ部の開口が大きくなり、管端部材２がジャンプアウトする可能性がある。５倍超とすると剛性が過剰となり、重量とコスト増大につながる。
【００６３】
なお、芯出し作業の効率を向上させるため、図１および図８に示すように、管端部材の突き合わせ面の一方に凸部を設け、他方の管端部材の突き合わせ面には、前記凸部と雄雌をなすような凹部を設け、凸部を案内にして管端部材をはめ合わせるようにするとよい。管端部同士を突き合わせたとき、凸部と凹部がちょうど嵌合する構造とすれば、継手に作用するせん断荷重を凸部と凹部が分担し、せん断強度が飛躍的に向上する効果も得られる。
【００６４】
本発明の管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」、「管端部材」および「カップリング部材」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。構造物部材管、管端部材およびカップリング部材は同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。
【００６５】
【実施例】
本発明の効果を実証するために、本発明の管継手（請求項３に係る本発明例、識別Ａ）および従来技術のフランジボルト留め型（比較例、識別ＢおよびＣ）の管継手を施工試験および引張の疲労試験に供し比較した。
【００６６】
表１に試験に供した構造物部材管のサイズ、材料種類を示す。本発明例および比較例の管継手の材料は構造物部材管の材料と同程度のものを使用した。
【００６７】
【表１】
本発明の構造物用管継手のカップリングは２分割でかつヒンジ式のものを使用した。
表２に供試した構造物用管継手の仕様を示す。
【００６９】
【表２】
表２に示すように、本発明の継手は、既存の継手と比べて大幅に軽量化できており、製造コストおよび運搬費を低減でき、取り扱い容易で作業性に優れるものとなった。
表２に示す継手を以下の試験に供試した。
【００７１】
（ａ）締結試験
上側の管端部材を溶接した構造物部材管をクレーンで吊るし、地上で、地面に水平に据えられた下側の管端部材の上部にクレーンを操作して設置し、芯合わせ後に専用のレンチにてボルトを締結する試験を行った。作業員２名にてこの作業を行い、芯合わせからボルト締結完了までの時間を測定した。
【００７２】
（ｂ）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り試験に供試し、ボルトあるいは継手部材（カップリング部材および管端部材）に回復不可能な損傷（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、構造物部材管に降伏強度の２／３の応力が発生する荷重Ｐｏ（＝３．１０７×１０3 ｋＮ）を平均荷重とし、１．０Ｐｏ±０．５Ｐｏの繰り返し引張荷重を負荷した。
表３に締結試験および繰り返し引張試験の結果を示す。
【００７３】
【表３】
表３に示すように、本発明の継手は既存の継手と比べ、必要な継手強度を保持しつつ飛躍的に作業時間を短縮することができた。
【００７５】
本施工試験は地上にて行ったが、実際の施工現場では高所あるいは足場の悪い場所での作業になるため、本発明の管継手の作業性は従来品に比べ、一層向上すると考えられる。また、従来のボルト・ナット接続のフランジ継手では、１組の継手を締結するのに必要なボルトを一度に作業現場まで持って上がることができないため、本発明の管継手の場合より締結作業時間は多くなる。したがって、本発明は一層有利なものとなる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の管継手を適用することにより、従来のフランジ継手と同等以上の強度性能を有しつつ、かつ締結作業効率を格段に向上させることができることから、鋼管を主体にした構造物を簡便かつ短期間で建造でき、経済効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の管継手の構造を示す部分断面斜視図である。
【図２】本発明の管継手のカップリング部材の斜視図であり、同図（ａ）は２つの分割体の両端をボルト留めとする場合、同図（ｂ）は２つの分割体の１個所をヒンジ結合、１個所をボルト留めとする場合である。
【図３】本発明の山部の断面形状を示す断面図であり、同図（ａ）は三角形、同図（ｂ）は台形の場合である。
【図４】本発明の管端部材山部の断面形状の主要部を示す断面模式図である。
【図５】管端部材の山部およびカップリング部材の溝部に作用する応力分布を示す概要図であり、同図（ａ）は管端部材の各山部の基部面コーナー部に発生する最大主応力の分布を、同図（ｂ）はカップリング部材の各溝部の溝底コーナー部に発生する最大主応力の分布を示す。
【図６】本発明の管端部材およびカップリング部材の断面模式図であり、同図（ａ）は管端部材の断面模式図、同図（ｂ）はカップリング部材の断面模式図である。
【図７】本発明の管端部材の山部とカップリング部材の溝部の嵌合状態を示す断面図である。
【図８】本発明の管継手の主要部を示す断面図である。
【図９】従来技術のリブ付きフランジ継手の構造を示す概要図であり、同図（ａ１）は８個のボルト穴を円周方向１列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ａ２）はその平面図であり、同図（ｂ１）は１６個のボルト穴を円周方向２列に有するリブ付きフランジ継手の側面図、同図（ｂ２）はその平面図である。
【図１０】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り、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１ 構造物部材管 ２ 管端部材
３ 接合面 ４ カップリング部材
５ ボルト取り付け部 ６ ボルト穴
７ リップ部 ８ 山部
９ 溝部 １０ 突き合わせ面
１１ 凹部 １２ 凸部
１３ 管部分 １４ 分割体
１５ ヒンジ １６ 第１山基部面
１７ 第Ｎ溝底面 １８ フランジ
１９ フランジボルト穴 ２０ リブ
Ｆ１ 基部面 Ｆ２ 溝縁面
Ｆ３ 管端部材内周面 Ｆ４ 管端部材肉厚中心位置
Ｆ５ 接合面肉厚中心位置
α 山部の接合面側側面と管継手軸とのなす角度
β 山部の突き合わせ面側側面と管継手軸とのなす角度
ｔ 構造物部材肉厚 ｔｐ 管端部材肉厚
ｔｃ カップリング部材肉厚 θ 管内側テーパー角
Ｈ 山部高さ Ｄ 山部幅
ｄ 山部間隔 Ｎ 山個数
Ｄｃ 溝部幅 Ｌｐ 管端部材長さ
Ｌｃ カップリング部材長さ Ｌｃ１ リップ部長さ
ＧＡＰ１ 山部基部面と溝縁面とのギャップ
ＧＡＰ２ 山部頂上面と溝底面とのギャップ
Claims (3)
- １対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記山部の前記接合面側の側面と管継手軸とのなす角度について、中央側の山部の角度が接合面側および突き合わせ面側の山部の角度よりも大であり、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。 - １対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記管端部材の肉厚中心位置と管継手軸との距離が、接合面の肉厚中心位置と管継手軸との距離よりも小さく、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。 - １対の管端部材とカップリング部材とで構成された構造物用管継手であって、
前記管端部材は、一端に構造物部材と接合する接合面を、他端に他方の管端部材と向き合う突き合わせ面を、外周面に複数の山部を有し、さらに前記山部の前記接合面側の側面と管継手軸とのなす角度について、中央側の山部の角度が接合面側および突き合わせ面側の山部の角度よりも大であり、さらに前記管端部材の肉厚中心位置と管継手軸との距離が、接合面の肉厚中心位置と管継手軸との距離よりも小さく、
前記カップリング部材は、円周方向に分割した複数個の分割体で構成され、内面には管端部材が組み立てられ分割体間が締め付けられた状態で管端部材の山部と嵌め合う溝部を有し、かつ前記分割体間を締め付ける手段を有することを特徴とする構造物用管継手。
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