JP5136726B2 - 振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。 - Google Patents

Description

本発明は、陸上又は海上の風力発電施設等の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造に関する。
本願は、２０１１年３月２日に、日本に出願された特願２０１１−０４５７６１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

リニューアブルエネルギー（持続的利用可能エネルギー）の一つとして、風力発電設備による電気エネルギーがある。風力発電設備は、日本国内においては陸上に設置される陸上式発電設備が主流であるが、遠浅である海域を持つ欧州を中心に、海上に設置される洋上式発電設備も実用化されつつある。洋上では、陸上に比して安定的で、かつ風力発電に適した風速の風を確保することが容易であることと、建設用地の問題が陸上に比べて少ないという利点がある。しかし、洋上に発電設備を設置するためには、海面下にある海底地盤に安定的な基礎を築造する必要があり、また陸上と比べるとコスト高になる。

このような状況から、洋上とする場合の基礎として、ジャケット基礎やケーソン基礎等が考えられる。なかでも海底地盤の沈下や波力による影響を受け難く、その他の基礎構造に比べて安価に構築できる構造として、モノパイル式（単杭式）基礎構造がある（例えば、特許文献１参照）。

上記のモノパイル式基礎構造では、まず、直径が３〜５ｍ程度の鋼管杭を打撃工法等で海底地盤に設置する。次に、図１６Ａ、１６Ｂに示すように、鋼管杭１の上部に、トランジションピースと呼ばれる鋼製外管ソケット構造部材（以下、鋼製外管ソケット２）を設置する。そして、鋼管杭１と鋼製外管ソケット２とを、これらの間にグラウト１３を充填することによって一体に接合する。このような接合方法は、グラウト接合と呼ばれる。一般的に、モノパイル式基礎構造では、鋼製外管ソケット２と、その上に設置される上部構造である支柱（タワー部）１６とは、ボルト接合２５にて結合されることが多い。

グラウト接合部は、油田開発等で多数の実績があるジャケット洋上構造物で一般的に利用されている。特許文献２や特許文献３では、その構造形式の構築方法に関する発明が開示されている。このような関連技術にかかるグラウト接合部では、その機能として、上部構造から伝達される荷重を、グラウトを介して外管から鋼管杭へ伝達する必要がある。せん断力の伝達効率を向上させ、この荷重伝達を補助するために、グラウト接合部にシェアキー（せん断力を伝達するためのせん断キー）が設置されることが一般的である。非特許文献４には、このようなシェアキーの例として、溶接鉄筋や溶材を直接鋼管表面に設置するオンビードについての記載がある。

日本国特開２００６−４６０１３号公報 日本国特開２００５−１３３４８５号公報 日本国特開２００３−１９３４８６号公報 日本国特公平０６−６９５６１号公報

API (American Petroleum Institute) RECOMMENDED PRACTICE 2A-WSD (Working Stress Design), 7.4.4.a Shear key connections（２０００年１２月）

風車発電設備の基礎構造であるモノパイル式基礎構造にも、同様のグラウト接合が使用されているが、シェアキー（せん断キー）が設置されないのが一般的である。この接合構造は、せん断キーを用いた場合に比べて、鋼材表面摩擦に依存した、せん断耐力の低い構造になっている。これにもかかわらず、シェアキーの設置が一般的でない理由を以下に説明する。風車はそれ自体が振動体である。風車の基礎構造は、上部構造、下部構造とも、特有の動揺や風荷重の影響を受ける。このとき、図１６Ａ、１６Ｂに矢印で示すような、上下方向の繰り返し振動荷重Ａ（下方向荷重のみを図示）を鋼製外管ソケット２が受ける。同時に、鋼管杭１には矢印で示すような反作用Ｂが発生する。この結果、せん断キーの有無にかかわらず、グラウト１３には疲労が蓄積する。

一方、図１７Ａ、１７Ｂに鋼管杭１と鋼製外管ソケット２にせん断キー２２を設けた場合を示す。この構造では、風車に起因する上下方向の繰り返し振動荷重Ａ及び反作用Ｂが作用するとき、斜め方向の対向するせん断キー２２間において圧縮領域（圧縮斜材）２３が形成される。この結果、せん断キーがない場合に比べてより高い付着力が発揮される。ところが、せん断キー２２を設置した場合、上記のグラウト１３への疲労蓄積に加え、突起を含めた鋼材（鋼管及びそれに対するせん断キーの溶接部）にも疲労の問題が懸念される。

せん断キー２２の施工法の具体例としては、図１８Ａ、１８Ｂに示すような、鉄筋１９あるいは帯状鋼板２０等の鋼材を、鋼管杭１や鋼製外管ソケット２に溶接して設置する場合がある。また、図１８Ｃに示すような、オンビードによる施工も用いられている。いずれの場合でも溶接部に入熱をする必要があるため、一般的に溶接端に引張残留応力が導入され、耐疲労性能が著しく低下する。このため、構造物の振動に応じて溶接端に繰り返し荷重が載荷されることで、疲労亀裂が生じる恐れが高い。

このような理由から、風車構造等の、振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造におけるグラウト接合では、鋼材の表面粗度に依拠するせん断性能のみを評価した上で構造設計が行われており、合理的な構造になっていないという問題がある。

モノパイル式基礎構造における上記の課題を解決するためには、疲労性能を低下させないような構造のせん断キーを有した鋼板を使うことが望ましい。具体的には、せん断キーの問題点である残留応力を導入してしまう原因である溶接入熱に注目し、溶接以外の方法でせん断キーの設置を行うことが考えられる。

この点では、鋼管杭１及び鋼製外管ソケット２自体に、表面に凹凸が形成された鋼管を利用する方法等がある。例えば、突起付き単管の利用が考えられる。圧延時に圧延方向と平行した連続した突起を設けた鋼帯を用意し、この鋼帯を、突起が鋼管の内面または外面になるようにスパイラル造管機で成形する。この後、アーク溶接によって鋼管を製造する。この方法は、日本工業規格（ＪＩＳＡ ５５２５）にも規定されている。但し、日本工業規格に規定された製造方法あるいは製造設備では、モノパイルに用いられるような極厚板は製造されておらず、一般的には、鋼板板厚３０ｍｍ以下がスパイラル鋼管の製造範囲となっている。このため、風車設備における基礎構造には、この方法を適用できない。更に、このＪＩＳ規格の製造方法では、スパイラル部分の溶接管理が難しく、疲労性能を向上させることが難しい。

また、仮に設備上の制約がなく、板表面に突起が設けられた極厚板が製造された場合においても、モノパイル構造の鋼管を製造するためには、鋼板をロール成形によりベンド（曲げ加工）する必要がある。この曲げ加工の際、鋼板板厚が３５ｍｍ未満なら鋼板の突起が潰れる恐れはないが、鋼板板厚が４０ｍｍ程度以上の極厚板になると、ロール圧荷荷重が格段に大きくなり、鋼板の突起を潰してしまう恐れが大きい。このことから関連技術である突起付き単管の延長線上の技術では、本課題を現実的に解決することができない。

また、上記の風車発電設備のみならず、潮流発電設備の基礎構造でも同様の問題がある。この基礎構造では、鋼管杭の上部に、グラウト接合により鋼製外管を接合し、この鋼製外管に潮流発電設備を設ける。潮流発電設備は、左右対称に配置された回転翼を有するため、鋼製外管及びそのグラウト接合部に振動が作用し、鋼管杭に伝達される。

上記のように、風車発電設備あるいは潮力発電設備のいずれの場合も、設置される設備に起因して、鋼製外管及びそのグラウト接合部に振動が生じる。このような場合に、グラウト接合部に作用するせん断力に対して、せん断耐力を確保でき、溶接部の疲労性能の低下を抑制したグラウト接合部が望まれている。

このような観点から、本発明では、溶接部の疲労性能低下を抑制した上でグラウト接合におけるせん断耐力を向上可能な鋼管杭と鋼製外管との接合構造を提供することを目的とする。

（１） 本発明の一態様は、振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造であって、その鋼管杭と前記鋼管杭の外側に間隔をおいて配置された鋼製外管との接合構造は、複数の外向き突起を有し、第１の溶接部によって前記鋼管杭の外周面に固定された外向き突起付き鋼板と；複数の内向き突起を有し、第２の溶接部によって前記鋼製外管の内周面に固定された内向き突起付き鋼板と；少なくとも前記外向き突起付き鋼板と前記内向き突起付き鋼板とを埋め込むように前記間隔に充填されたグラウトと；を備え、前記複数の外向き突起は、互いに上下方向に間隔をおいて配置され、前記鋼管杭の周方向に渡って延びており；前記複数の内向き突起は、互いに上下方向に間隔をおいて配置され、前記鋼製外管の周方向に渡って延びており；前記第１の溶接部は、前記鋼管杭の軸方向の溶接線のみを持つ隅肉溶接または突合せ溶接であり、前記第２の溶接部は、前記鋼製外管の前記軸方向の溶接線のみを持つ隅肉溶接または突合せ溶接である。

（２） 上記（１）に記載の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造で、前記外向き突起付き鋼板は、前記鋼管杭の軸方向と一致する方向の第１縦部分を有する切欠き又はスリットを備え、前記内向き突起付き鋼板は、前記鋼製外管の軸方向と一致する方向の第２縦部分を有する切欠き又はスリットを備え、前記第１の溶接部は、前記鋼管杭の前記外周面と前記第１縦部分の間に設けられており、前記第２の溶接部は、前記鋼製外管の前記内周面と前記第２縦部分の間に設けられていてもよい。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造で、前記複数の外向き突起及び前記複数の内向き突起は、圧延加工により形成された突起であってもよい。

（４） 上記（１）から（３）のいずれか一項に記載の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造で、前記外向き突起付き鋼板及び前記内向き突起付き鋼板はそれぞれ、水平方向よりも垂直方向が長い長方形の複数の突起付き板を含み、前記複数の突起付き板は前記鋼管杭又は前記鋼製外管の周方向に互いに間隔をおいて設置されていてもよい。

（５） 上記（１）から（４）のいずれか一項に記載の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造で、前記複数の外向き突起は、前記鋼管杭の周方向と平行に延びており；前記複数の内向き突起は、前記鋼製外管の周方向と平行に延びていてもよい。

（６） 上記（１）から（４）のいずれか一項に記載の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造で、前記複数の外向き突起は、前記鋼管杭の周方向に対して傾斜をなして延びており；前記複数の内向き突起は、前記鋼製外管の周方向に対して傾斜をなして延びていてもよい。

（７） 上記（１）から（６）のいずれか一項に記載の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造で、前記外向き突起付き鋼板及び前記内向き突起付き鋼板の下端部は、前記グラウトの下端部よりも上方に離れた位置に配置されていてもよい。

（８） 上記（１）から（７）のいずれか一項に記載の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造で、前記複数の外向き突起の間隔と、前記複数の内向き突起の間隔とが、同じであってもよい。

上記（１）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、関連技術とは違い、鋼管杭あるいは鋼製外管に対して、突起を直接溶接しない。このため溶接箇所が大きく減少し、溶接熱による残留応力問題を大きく低減でき、疲労性能を改善できる。また、関連技術の鋼材表面摩擦のみに依存したグラウト接合部に比べて、一般的に３〜５倍のせん断耐力を確保できる等の効果が得られる。
また、上記（１）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、鋼管杭あるいは鋼製外管の軸方向を横切る溶接線が存在しない。このため、溶接部における引張残留応力に起因する脆弱性が生じず、接合構造全体の疲労性能を向上できる。

上記（２）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、切欠き又はスリットを設けることで容易に縦部分を形成することができる。また、周方向に隣り合う突起付き鋼板相互の縦部分が干渉することはないので、突起付き鋼板の縦部分の溶接が容易になる。

上記（３）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、各突起付き鋼板の突起は、熱間圧延加工時に形成されている。このため、関連技術のように、溶接により突起を鋼管杭あるいは鋼製外管ソケットに固着する形態とは異なり、溶接による残留引張応力の問題もなく、溶接部の疲労性能を確実に向上できる。

上記（４）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、各突起付き鋼板が細長い長方形とされているので、突起付き鋼板を鋼管杭や鋼製外管の曲率に合わせて加工することが簡易となり、各突起付き鋼板の設置が容易である。

上記（５）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、上部構造から伝達される荷重を、グラウトを介して、効率よく、外管から鋼管杭へ伝達することができる。

上記（６）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造は、ねじりトルクへの耐性が向上する点で有利である。特に、基礎構造の上に設置される設備の特性上、設備から基礎構造へねじりトルクが頻繁に伝達される場合（例えば水流発電設備）に有利な効果を発揮する。

上記（７）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、各突起付き鋼板の端部の防錆効果を高めることができ、鋼管杭と鋼製外管との接合部の耐食性を高めることができる。

上記（８）の振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造では、同規格の帯状鋼板から外向き突起付き鋼板および内向き突起付き鋼板を製造できる。また、鋼管の軸方向（上下方向）に渡って、強弱の分布の少ない、一様なせん断耐力を得ることができる。

本発明の第１実施形態にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造を示す一部縦断正面図である。 図１のａ−ａ線断面図である。 突起が形成された板を鋼管杭に設置する工程の説明図である。 突起が形成された板を鋼管杭に設置する工程の説明図である。 突起が形成された板を鋼管杭に設置する工程の説明図である。 鋼管杭の外面に突起が形成された板を設置した状態を示す正面図である。 鋼製外管の内側に突起が形成された板を設置した状態を示す縦断正面図である。 突起が形成された帯状鋼板を示す斜視図である。 図６における突起が形成された帯状鋼板を拡大して示す正面図である。 本発明の第２実施形態にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造を示す一部縦断正面図である。 図８のｂ−ｂ線断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造の変形形態を示す一部縦断正面図である。 図１０のｃ−ｃ線断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造を示す一部縦断正面図である。 本発明の第４実施形態にかかる鋼管杭を示す正面図である。 同実施形態にかかる鋼製外管を示す縦断正面図である。 鋼管杭の上部に接合された鋼製外管に風車用支柱を設置した風車発電設備を示す正面図である。 関連技術にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造を示す一部縦断斜視図である。 図１６Ａにおける２点鎖線で示す部位を拡大して示す縦断正面図である。 別の関連技術にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造を示す一部縦断斜視図である。 図１７Ａの接合構造に荷重が作用した場合の断面変化を示す説明図で、図１７Ａにおける２点鎖線で示す付近を示す断面図である。 上記関連技術の接合構造の一種で、鉄筋を固着した形態を示す断面図である。 上記関連技術の接合構造の一種で、帯鋼板を固着した形態を示す断面図である。 上記関連技術の接合構造の一種で、溶接により肉盛りしたオンビードを設けた形態を示す断面図である。 突起の高さ（ｈ）やその個数（ｓ）と、付着力との一般的な関係の概略を示す概念図である。各軸の単位はＭＰａ等、強度の単位となる。概念図であるため、ｈの単位および各軸のスケールは特定しない。

次に、本発明の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１〜図７には、洋上におけるモノパイル式基礎構造におけるグラウト接合部に適用した本発明の第１実施形態にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造が示されている。

図１は、鋼管杭と鋼製外管との接合構造の一部縦断正面図である。図２は、図１のａ−ａ線断面図である。図３Ａから３Ｃは、突起が形成された板を鋼管杭に設置する工程の説明図である。図４は、鋼管杭の外面に突起が形成された板を設置した状態を示す正面図である。図５は、鋼製外管の内側に突起が形成された板を設置した状態を示す縦断正面図である。図６は、突起が形成された帯状鋼板を示す斜視図である。図７は、図６における突起が形成された帯状鋼板を拡大して示す正面図である。

本実施形態にかかる接合構造は、鋼管杭１と鋼管杭１の周囲に間隔をおいて配置された鋼製外管（鋼製外管ソケット２）との接合構造である。この接合構造は、 複数の外向き突起（突起６）を有し、鋼管杭１の外周面に溶接部（第１の溶接部）によって固定された外向き突起付き鋼板４と；複数の内向き突起（突起６）を有し、鋼製外管ソケット２の内周面に溶接部（第２の溶接部）によって固定された内向き突起付き鋼板５と；少なくとも外向き突起付き鋼板４と内向き突起付き鋼板５とを埋め込むように、鋼管杭１と鋼製外管ソケット２との間に充填されたグラウト１３と；を備える。上記複数の外向き突起（突起６）は、互いに上下方向に間隔をおいて配置され、鋼管杭１の周方向に渡って延びている。上記複数の内向き突起（突起６）は、互いに上下方向に間隔をおいて配置され、鋼製外管ソケット２の周方向に渡って延びている。グラウト１３は、鋼管杭１の内周面と鋼管杭１の外周面との間隙に充填されている。この間隙のうち、外向き突起付き鋼板４と内向き突起付き鋼板５とが設置されている場所のみならず、両鋼板４，５が設置されていない場所も含めて充填されていてもよい。

上記及び以降の説明において、外向き、内向きとは、鋼管（鋼管杭１または鋼製外管ソケット２）の管軸から離れる方向、及び管軸に近づく方向をそれぞれ示す。

上記及び以降の説明において、「突起が周方向に渡って延びている」とは、完全に周方向に一致する方向を必ずしも意味せず、突起の延長方向が、周方向の成分を有することを意味する。この関係を、「突起付き鋼板の特定箇所に対して垂直な視線で見た場合に、その箇所の突起が鋼管の管軸と交差する方向に延びている」と規定してもよい。このとき、突起の延長方向の軸方向成分よりも周方向成分が大きいことが望ましい。具体的には、「複数の外向き突起が鋼管杭の周方向に実質的に沿って延びている」とは、複数の外向き突起の延長方向が、鋼管杭の周方向成分を有することを意味する。同延長方向が鋼管杭の軸方向よりも周方向に近いことが望ましい。また、「複数の内向き突起が鋼製外管の周方向に実質的に沿って延びている」とは、複数の内向き突起の延長方向が、鋼製外管の周方向成分を有することを意味する。同延長方向が鋼製外管の軸方向よりも周方向に近いことが望ましい。

本実施形態にかかるモノパイル式基礎構造では、鋼管杭１と、鋼製外管ソケット２（鋼製スリーブ、トランジションピース、または鋼製外管３とも呼ばれる）とが、グラウト１３を用いたグラウト接合部により接合されている。

鋼管杭１及び鋼製外管ソケット２を構成する厚鋼板の板厚寸法は、一般的には３５ｍｍ〜１１０ｍｍの範囲内であり、特に、４０ｍｍ〜１１０ｍｍの範囲内であることが多い。大型の洋上設備においては、１００ｍｍ近辺の板厚を持つ鋼板が用いられることが多い。

上記鋼管杭１及び鋼製外管ソケット２は、例えば以下のような工程で形成する。まず、所要の板厚の厚鋼板をロール成形によりベンド（曲げ加工）して一定の曲率を与える。その後、これらの鋼板を、鋼管の周方向に沿って数枚並べて溶接接合し、環状の鋼管ユニットを形成する。この鋼管ユニットを複数形成して、互いに長手方向に溶接し、設計上必要な長さの鋼管を形成する。具体的には、鋼製外管ソケット２の長さは、例えば鋼管径の１〜２倍程度が必要となる。鋼管杭１の長さは、１０ｍ以上、（一般的には５０ｍ〜６０ｍ）が必要となる。

関連技術にかかる鋼管杭或は鋼製外管ソケットは、突起付きの厚鋼板を曲げ加工して造管されていた。厚鋼板の造管加工では、鋼板の板厚さに相応する加工圧力が印加されるため、この曲げ加工中に、厚鋼板の突起が潰れる恐れが大きかった。

これに対して、本発明の各実施形態では、鋼管杭１あるいは鋼製外管ソケット２といった鋼管構造の本体とは別個に、突起付き鋼板が形成される。そして、これらの突起付き鋼板を鋼管杭１の外周面あるいは鋼製外管ソケット２の内周面に固定する。つまり、鋼管杭１の外周面には、外向き突起付き鋼板４が取り付けられている。また、鋼製外管ソケット２の内周面には、内向き突起付き鋼板５が取り付けられている。外向き突起付き鋼板４と内向き突起付き鋼板５とは、互いの突起の突出方向が向かい合うように、対向して設けられる。

なお、モノパイル式基礎構造２１においては、鋼管杭１の軸方向の全長は、例えば６０ｍ程度になる。鋼管杭１の中心軸線は、施工誤差による位置ずれのため、鉛直線に対して傾斜した状態で設置される場合が多い。このため、鋼管杭１の外側の鋼製外管ソケット２を鉛直（水平面に対して垂直）に設置することで、鋼管杭１の打設施工誤差を吸収するように、各部材が設計される。このため、鋼管杭１の外周面と鋼製外管ソケット２の内周面との間に比較的余裕のあるギャップＧが形成されている。

図３Ａから図７に示すように、本発明の各実施形態において用いる上記の外向き突起付き鋼板４と内向き突起付き鋼板５は、帯状鋼板７が適宜、切断及び曲げ加工されて製作される。帯状鋼板７には、圧延加工によって圧延方向と平行した連続した突起６（ここでは圧延突起と呼ぶ）が形成されている。この突起６が、後述の突起６（外向き突起及び内向き突起）となる。

図７に示すように、上記の突起付き帯状鋼板７としては、突起６の高さｈが２．５ｍｍ以上で、突起６の幅Ｂが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下で、突起６の間隔Ｌが３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下で、板厚方向の厚さ寸法（突起６の高さを含まない）が３５ｍｍ未満、例えば、３０ｍｍ以下の突起付き帯状鋼板を用いる。

上記のような外向き突起付き鋼板４あるいは内向き突起付き鋼板５を設置する場合、下記（１）〜（５）のようにするのがよい。（１）各突起付き鋼板４，５の板表面の突起６及び突起６間の凹所は片面のみに形成され、板厚は、溶接により各鋼管に設置するに十分であれば、より板厚が小さいものが望ましい。（２）外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５は、熱間圧延により製造したものがより望ましい。これは、突起６を設置する工程において溶接熱の影響によって疲労性能が低下する可能性を排除できるためである。（３）各突起付き鋼板４，５は、突起付き帯状鋼板７を必要な長さにカットした後に、鋼管の曲率に合わせてベンドする必要がある。各突起付き鋼板４，５の板厚は３５ｍｍ未満であり、鋼管杭１及び鋼製外管ソケット２の板厚より小さいため、ロール圧延（プレス曲げも可）の圧荷時に突起６が潰れるような大きな荷重を作用させる必要がない。（４）各突起付き鋼板は、主に隅肉溶接により鋼管に設置される。この時の溶接箇所について、鋼管の曲げ発生時に引張が作用する鋼管杭１の軸方向と直角をなす溶接線を避け、鋼管杭１の軸方向に一致する方向での溶接（例えば、隅肉溶接）１０を行うことが望ましい。このように、鋼管の曲げ発生時に発生するせん断力の方向に沿って溶接線を配置した溶接を、本明細書ではせん断溶接と呼ぶ。このせん断溶接は、疲労に対して問題が少ないことが知られている。（５）上記の観点から、各突起付き鋼板４，５の材料となる突起付き帯状鋼板７を所定のサイズに切断する際、鋼管杭軸方向における溶接部分の長さを多くすることが望ましい。このために、単純な四角形状よりも、管軸方向と一致する辺（端部）である縦部分８（第１縦部分、第２縦部分）を有する形状がより望ましい。これらの部分は、縦辺部分と呼ぶことも出来る。望ましい形状の例として、角をカットすることによって縦部分８を作った切欠き部９、又は管軸方向と一致する縦部分８を有するスリット（図示を省略した）を有する形状があげられる。また、溶接箇所を増加させることで、溶接脚長の最小化、ひいては各突起付き鋼板４，５の最小化を図ることが可能である。この結果として、より曲率加工しやすくなるとともに、鋼材重量の低減にもなり、コスト低減に貢献する。

次に、外向き突起付き鋼板４の突起６（外向き突起）及び内向き突起付き鋼板５の突起６（内向き突起）についてさらに具体的に説明する。外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５に設ける上記の突起６の高さｈとしては、例えば、２．５ｍｍ〜２５ｍｍ程度に形成される。なお、鋼管杭１と鋼製外管との間にグラウト１３が充填された状態（図１）では、図１９に示すように、突起６の高さｈやその個数が大きくなると、付着力が向上し、突起６同士の間隔Ｌが大きくなると付着力が低下する非線形な相関がある。例えば、突起がない関連技術の風車発電におけるモノパイル式基礎構造では、図１９の横軸の値が０の部分になり、付着力は小さくなる。図１９の縦軸はグラウト接合構造の付着強度（単位は例えばＭＰａ）を表し、横軸は〔グラウト強度〕×ｈ／Ｌ（単位は例えばＭＰａ）を表す。ここで、ｈは突起の高さを表し、Ｌは突起６同士の上下方向の間隔を表す。図１９は一般的な対応関係の概略を示す概念図であるため、各軸のスケール及び各変数の単位は特定しない。

外向き突起付き鋼板４の突起６（外向き突起）同士の上下方向の間隔Ｌ（ピッチ）と、内向き突起付き鋼板５の突起６（内向き突起）同士の上下方向の間隔Ｌとの関係は、必ずしも同じでなくてもよいが、同じであることが好ましい。この場合、同規格の帯状鋼板７から外向き突起付き鋼板４および内向き突起付き鋼板５を製造できる。

上記のような突起付き帯状鋼板７を以下の工程で加工する。まず突起付き帯状鋼板７を所定形状に切断して平板状の突起付き鋼板を形成する。そして、突起６が外側又は内側となり横方向に延びるように突起付き鋼板を配置して、鋼管杭１の外周面の曲率又は鋼製外管ソケット２の内周面に合致するように、ロール成形によりベンド（曲げ加工）する（図３Ａ〜３Ｃ参照）。これらの工程で、外向き突起付き鋼板４（図４参照）又は内向き突起付き鋼板５（図５参照）が製造される。外向き突起付き鋼板４は、鋼管杭１の外周面に、軸方向の隅肉溶接１０（第１の溶接部、軸方向の溶接線を有する隅肉溶接）により固定される。また、内向き突起付き鋼板５は、鋼製外管ソケット２の内周面に、管軸方向の隅肉溶接１０（第２の溶接部、軸方向の溶接線を有する隅肉溶接）により固定される。

上記のように、外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５は、それぞれ鋼管杭１の軸方向及び鋼製外管ソケット２の軸方向と一致する方向の隅肉溶接により固定される。好ましくは、軸方向と一致する方向の隅肉溶接のみを用いて各突起付き鋼板４，５を固定する。これによって、溶接線が上下方向の振動荷重と同じ方向になり、溶接部のせん断抵抗に、より強く抵抗できる。これに対して、鋼管周方向の隅肉溶接２４（図１８Ａ〜１８Ｃ参照）により、各突起付き鋼板４，５を固定した場合、隅肉溶接によって生じる溶接接合部の残留応力と振動荷重との方向が一致し、溶接部の疲労性能が低下する。そのため、本実施形態においては、外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５の上下部及び切欠き９又はスリットにおいて、水平方向（周方向）の溶接を行わないことが好ましい。つまり、外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５は、鋼管の軸方向と平行な溶接線を持つ隅肉溶接のみによって固定されるのが好ましい。つまり、鋼管杭１の外周面の上記隅肉溶接１０と、鋼製外管ソケット２の内周面の上記隅肉溶接１０とは、軸方向の溶接線のみを持つ隅肉溶接であることが望ましい。

上記のような溶接接合を可能にするために、図３Ａから図５に示すように、各外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５の両側部には、鋼管杭あるいは鋼製外管側の管軸方向と一致する方向の縦部分８（縦辺、鋼板端部）を有する切欠き部９又はスリットを備える。その縦部分８において、隅肉溶接１０により、外向き突起付き鋼板４は鋼管杭１の外周面に固定され、内向き突起付き鋼板５は鋼製外管ソケット２の内周面に固定されている。つまり、鋼管杭１の外周面の隅肉溶接１０（第１の溶接部）は、鋼管杭１の外周面と外向き突起付き鋼板４の縦部分（第１縦部分）の間に配置されている。鋼製外管ソケット２の内周面の隅肉溶接１０（第２の溶接部）は、鋼製外管ソケット２の内周面と内向き突起付き鋼板５の縦部分（第２縦部分）の間に配置されている。これら縦部分のみの溶接で各突起付き鋼板が固定されていることが望ましい。

図３Ａ〜３Ｃ及び図４に示す形態では、鋼管杭の外周面に、周方向に並んだ複数枚（例えば２枚）の外向き突起付き鋼板４が設けられる。各外向き突起付き鋼板４は両側部の上部および下部にそれぞれ切欠き部９を備えている。上下の切欠き部９の間に位置する中間部は、周方向に突出した中間突出部１１を備えている。周方向に隣り合う２枚の外向き突起付き鋼板４の中間突出部１１同士は、突合せ溶接１２により接合される。この接合によって、複数の外向き突起付き鋼板４は、管状に一体化されている。この状態では、隣り合う外向き突起付き鋼板４同士の切欠き部９により、スリット９ｂが上部及び下部に形成されている。

同様に、図５に示すように、鋼製外管ソケット２の内周面に、周方向に並んだ複数枚（例えば２枚）の内向き突起付き鋼板５が設けられる。各内向き突起付き鋼板５は両側部の上部および下部にそれぞれ切欠き部９を備えている。上下の切欠き部９の間に位置する中間部は、周方向に突出した中間突出部１１を備えている。周方向に隣り合う２枚の内向き突起付き鋼板５の中間突出部１１同士は、突合せ溶接１２により接合される。この接合によって複数の内向き突起付き鋼板５は、管状に一体化されている。この状態では、上下に切欠き部９が合わされたスリットが形成されている。この状態では、隣り合う内向き突起付き鋼板５同士の切欠き部９により、スリット９ｂが上部及び下部に形成されている。

図４及び５に示すように、外向き突起付き鋼板４あるいは内向き突起付き鋼板５の両側部に切欠き部９を設けてもよい。また、外向き突起付き鋼板４あるいは内向き突起付き鋼板５の、周方向の中間部における上下部の一方又は両方に、管軸方向のスリット（不図示）を設けてもよい。切欠き部９又はスリットによって隅肉溶接により接合するための縦部分８を形成できる。

なお、図４及び５に示すように、各外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５における中間突出部１１の周方向の先端部では、突起６を切除して、突起６が周方向の先端から離れた位置から始まるようにしてもよい。この場合、突き合せ溶接が一定の板厚間で行える。また、隣り合う外向き突起付き鋼板４同士又は内向き突起付き鋼板５同士の中間突出部１１は、周方向の先端の板厚寸法を同じにしておくことが望ましい。

次に、上記のような鋼管杭１と鋼製外管ソケット２とをグラウト１３を用いて接合する工程について、図１５に示す風車発電設備を参照しながら説明する。

鋼管杭１が水底地盤又は海底地盤１８に立設するように施工された後、クレーン船により所要枚数の外向き突起付き鋼板４を搬送して所定の位置に配置する。そして、鋼管杭１の上端部外周面に、仮固定治具等を用いて外向き突起付き鋼板４を仮固定する。この後、外向き突起付き鋼板４を溶接により固着する。そして、工場又は現場において組立てられた鋼製外管ソケット２の内周面に、内向き突起付き鋼板５を所要枚数固着する。こののち、内向き突起付き鋼板５を備えた鋼製外管ソケット２を、外向き突起付き鋼板４を備えた鋼管杭１の上端部に鉛直に遊嵌状態で配置する。そして、鋼製外管ソケット２を、適宜、仮保持治具（図示を省略し）等により鋼管杭１に保持する。そして、鋼管杭１と鋼製外管ソケット２内の空間に、モルタル等のセメント系のグラウト１３を充填・硬化して、鋼管杭１の上端部に鋼製外管ソケット２を固着する。その後、関連技術と同様に、鋼製外管ソケット２の上部フランジ１４とタワー（支柱）１６の下部の下部フランジ１５をボルト接合２５により接合する。そして、支柱１６の上部に翼２６を備えた風車発電機を設置する。

なお、グラウト１３を用いたグラウト接合において、突起付き鋼板４，５をグラウト接合の軸方向全長に渡って設置することが、設計せん断耐力の増加面からは望ましいと考えられる。一方、グラウト接合の端部（上端部）はグラウト充填において施工不良が起こる恐れがある。また、風による曲げ荷重作用時には、グラウトの上端部におよび下端部にクラックが入る恐れがある。このため、上端部および下端部においてせん断耐力を期待しない方が良い。この観点から、突起付き鋼板４，５の設置範囲は、グラウト接合の全長分ではなく、端部部分を省略し、グラウト端部から離れた状態として、端部より中央部分に近いところに設置することが望ましい。

（第２実施形態）
図８及び図９には、本発明の第２実施形態にかかる鋼管杭１と鋼製外管ソケット２との接合構造が示されている。図８は一部縦断正面図、図９は図８のｂ−ｂ線断面図である。

この第２実施形態にかかる接合構造では、外向き突起付き鋼板４および内向き突起付き鋼板５を水平方向よりも垂直方向が長い長方形（以降細長の長方形と呼ぶ）とする。この場合、複数の突起付き鋼板４，５が、鋼管杭１の外周面及び鋼製外管ソケット２の内周面に、周方向に並べて設置される。この場合、図８に示すように、周方向に隣り合う突起付き鋼板４（５）同士の間隔は開いていてもよい。また、本実施形態の変形形態として、図１０及び図１１に示すように、周方向に隣り合う突起付き鋼板４（５）同士の間隔が狭く、突起付き鋼板４（５）それぞれの隅肉溶接を重ねた溶接に相当する突き合わせ溶接がされていると同時に、鋼管杭１の外周面及び鋼製外管ソケット２の内周面にこの溶接により固定されていてもよい。また、図示を省略するが、突起付き鋼板４，５が、その上下方向の中間部に中間突出部１１を備えている場合には、周方向に隣り合う中間突出部１１同士を突き合わせ溶接により一体化して、全体として管状の突起付き部材を形成してもよい。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同様な部分には、同様な符号を付している。

（第３実施形態）
図１２は、本発明の第３実施形態にかかる、鋼管杭１と鋼製外管ソケット２との接合構造を示す一部縦断正面図である。
この実施形態では、鋼管杭１の上部に、細長い長方形の複数の外向き突起付き鋼板４を周方向に間隔（等角度間隔）をおいて配置する。さらに、鋼管杭１の下部に、細長い長方形の複数の外向き突起付き鋼板４を周方向に間隔（等角度間隔）をおいて配置する。上部の外向き突起付き鋼板４と下部の外向き突起付き鋼板４とは、鋼管杭１の軸方向に沿って互いに間隔を置いて配置される。同様に、鋼製外管ソケット２の内周面の上部及び下部に、細長い長方形の内向き突起付き鋼板５を周方向に間隔（等角度間隔）をおくと共に、上下に間隔をおいて設置する。外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５を細長い長方形の突起付き鋼板とすると、突起付き鋼板を鋼管杭の外周面や鋼製外管の内周面の曲率に合わせて曲げ加工することが簡易となる。また、半筒状の突起付き鋼板とする場合に比べて、搬送及び設置が容易である。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同様な部分には、同様な符号を付している。これらの外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５は、水平方向よりも垂直方向が長い長方形であることが好ましい。

外向き突起付き鋼板４及び内向き突起付き鋼板５の突起６の延びる方向は、鋼管杭１または鋼製外管ソケット２の周方向と必ずしも平行である必要はなく、各鋼管の周方向に渡って延びていればよい。具体的には、各鋼管の軸方向よりも周方向に近い角度で突起６が延びていることが好ましい。

上記実施形態１〜３では、外向き突起付き鋼板４の突起６の延びる方向は、鋼管杭１の周方向（鋼管杭１の軸方向に垂直な方向）と平行である。また、内向き突起付き鋼板５の突起６の延びる方向は、鋼製外管ソケット２の周方向（鋼製外管ソケット２の軸方向に垂直な方向）と平行である。これらの実施形態では、上部構造から伝達される荷重を、グラウトを介して、効率よく、外管から鋼管杭へ伝達することができる。ここで言う平行とは、厳密な平行でなくてもよく、実質的に平行であれば上記の効果が得られる。

（第４実施形態）
図１３、１４は、本発明の第４実施形態にかかる、鋼管杭１と鋼製外管ソケット２とをそれぞれ示す正面図である。本実施形態では、外向き突起付き鋼板４の突起６は、鋼管杭１の周方向に対して傾斜をなして延びている。また、内向き突起付き鋼板５の突起６は、鋼製外管ソケット２の周方向に対して傾斜をなして延びている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、同様な部分には、同様な符号を付している。

突起６の傾斜角αの絶対値は、５０°以下であることが好ましい。図１３、１４に示すように、突起６の傾斜角度αは、鋼管の周方向（水平方向）を基準として、鋼管外側から見て反時計回りの傾斜角度を正の値で表し、時計回りの傾斜角度を負の値で表す。図１３、１４に示す一例では、αは３０°である。

本実施形態では、外向き突起付き鋼板４の突起６の傾斜角度と、内向き突起付き鋼板５の突起６の傾斜角度との関係は、同じ角度（互いに平行）であっても、異なる角度（互いに非平行）であってもよく、同じ符号（例えば正の角度と正の角度）であっても、異なる符合（例えば正の角度と負の角度；互いに交差するように傾斜）であってもよい。圧縮領域（圧縮斜材）２３を効率よく形成し、付着力を高めるためには、外向き突起付き鋼板４の突起６の傾斜角度と内向き突起付き鋼板５の突起６の傾斜角度とを同じ角度とし、互いに平行にするのが望ましい。

本実施形態では、鋼管杭１又は鋼製外管ソケット２に対する各突起付き鋼板４、５の設置角度の自由度が高くなる。また、本実施形態にかかる接合構造を用いた基礎構造は、ねじりトルクへの耐性が向上する点で有利である。特に、基礎構造の上に設置される設備の特性上、設備から基礎構造へねじりトルクが頻繁に伝達される場合（例えば水流発電設備）に有利な効果を発揮する。

図１３、１４に示す第４実施形態は、第１実施形態を元にした変形例として記載したが、第２実施形態または第３実施形態を元にして、突起６の延びる角度を傾斜させてもよい。

以上、本発明の各実施形態を図面を用いて説明したが、本発明は図示した形状には必ずしも限定されない。例えば、細長の長方形の突起付き鋼板の形態としては、管軸方向と一致する縦部分８を有すれば、適宜の形態でよい。例えば、中間部に中間突出部１１とは逆に、中間凹部を有する形態でもよい。

また、本発明の各実施形態において、外向き突起付き鋼板及び内向き突起付き鋼板の下端部は、グラウトの下端部よりも上方に離れた位置に配置されていてもよい。この場合、各突起付き鋼板の端部の防錆効果を高めることができ、鋼管杭と鋼製外管との接合部の耐食性を高めることができる。

本発明にかかる鋼管杭と鋼製外管との接合構造によると、溶接熱による残留応力問題を大きく低減し、疲労性能を改善させた上で、十分なせん断耐力を確保することができる。

１ 鋼管杭
２ 鋼製外管ソケット
３ 鋼製外管
４ 外向き突起付き鋼板
５ 内向き突起付き鋼板
６ 突起（内向き突起又は外向き突起）
７ 突起付き帯状鋼板
８ 縦部分
９ 切欠き部
１０ 隅肉溶接
１１ 中間突出部
１２ 突合せ溶接
１３ グラウト
１４ 上部フランジ
１５ 下部フランジ
１６ 支柱
１７ 風車発電設備
１８ 水底地盤又は海底地盤
１９ 鉄筋
２０ 帯状鋼板
２１ モノパイル式基礎構造
２２ せん断キー
２３ 圧縮領域（圧縮斜材）
２４ 鋼管周方向の溶接
２５ ボルト接合
２６ 翼

Claims (8)

1. 振動が生じる構造物を支持するモノパイル式基礎構造であって、
   その鋼管杭と前記鋼管杭の外側に間隔をおいて配置された鋼製外管との接合構造は、
   複数の外向き突起を有し、第１の溶接部によって前記鋼管杭の外周面に固定された外向き突起付き鋼板と；
   複数の内向き突起を有し、第２の溶接部によって前記鋼製外管の内周面に固定された内向き突起付き鋼板と；
   少なくとも前記外向き突起付き鋼板と前記内向き突起付き鋼板とを埋め込むように前記間隔に充填されたグラウトと；
   を備え、
   前記複数の外向き突起は、互いに上下方向に間隔をおいて配置され、前記鋼管杭の周方向に渡って延びており；
   前記複数の内向き突起は、互いに上下方向に間隔をおいて配置され、前記鋼製外管の周方向に渡って延びており；
   前記第１の溶接部は、前記鋼管杭の軸方向の溶接線のみを持つ隅肉溶接または突合せ溶接であり、
   前記第２の溶接部は、前記鋼製外管の前記軸方向の溶接線のみを持つ隅肉溶接または突合せ溶接である
   ことを特徴とする振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。
2. 前記外向き突起付き鋼板は、前記鋼管杭の軸方向と一致する方向の第１縦部分を有する切欠き又はスリットを備え、
   前記内向き突起付き鋼板は、前記鋼製外管の軸方向と一致する方向の第２縦部分を有する切欠き又はスリットを備え、
   前記第１の溶接部は、前記鋼管杭の前記外周面と前記第１縦部分の間に配置されており、
   前記第２の溶接部は、前記鋼製外管の前記内周面と前記第２縦部分の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。
3. 前記複数の外向き突起及び前記複数の内向き突起は、圧延加工により形成された突起であることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。
4. 前記外向き突起付き鋼板及び前記内向き突起付き鋼板はそれぞれ、水平方向よりも垂直方向が長い長方形の複数の突起付き板を含み、
   前記複数の突起付き板は前記鋼管杭又は前記鋼製外管の周方向に互いに間隔をおいて設置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。
5. 前記複数の外向き突起は、前記鋼管杭の周方向と平行に延びており；
   前記複数の内向き突起は、前記鋼製外管の周方向と平行に延びていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。
6. 前記複数の外向き突起は、前記鋼管杭の周方向に対して傾斜をなして延びており；
   前記複数の内向き突起は、前記鋼製外管の周方向に対して傾斜をなして延びていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。
7. 前記外向き突起付き鋼板及び前記内向き突起付き鋼板の下端部は、前記グラウトの下端部よりも上方に離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。
8. 前記複数の外向き突起の間隔と、前記複数の内向き突起の間隔とが、同じであることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の振動が生じる構造物のモノパイル式基礎構造。

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