JP6213503B2 - 異径管の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、径の異なる２つの管（大径管と小径管）の接合構造に関するものであり、例えば、杭頭部が拡頭した拡頭杭に適用されるものである。

本発明に関する先行技術として、特許文献１および特許文献２が知られている。

すなわち、特許文献１では、図１３に示すように、先に掘削した穴に沈設するための拡頭杭２０において、下端部の根固め球根部での支持力低下を抑えるために、小径部２２上部の外径面と大径部２１下部の内径面とを放射線状に配置された複数のリブ２３で連結することによって、大径部２１と該大径部２１の下側の小径部２２との間の接合部に、杭の外側から内部に向けて流動物が流入可能な流入部２４を設けている。また、小径部２２上部の外径面に対するリブ２３下端部の接合角度θ２及び大径部２１下部の内径面に対するリブ２３上端部の接合角度θ１を共に鋭角にして応力集中を緩和している。

また、特許文献２では、耐震性に優れた合理的かつ経済的な異径鋼管杭を提供するために、大径の杭材と結合することができる同径の第１端部と、前記小径の杭材と結合することができる同径の第２端部を備え、前記第１端部及び前記第２端部のそれぞれから長手中心方向に第１直管部及び第２直管部が設けられ、前記第１直管部から前記第２直管部に向かうに従い縮径する縮径部を有し、前記第２端部の鋼管厚は前記第１端部の鋼管厚よりも厚く、前記縮径部の鋼管厚は連続的に変化するとしている。

特開２００６−１３２１００号公報 特開２００８−２５１５６号公報

ところが、上記した特許文献１では、次のような問題がある。

すなわち、小径部上部の外径面と大径部下部の内径面とを放射線状に配置された複数のリブで連結するため、部材数および接合箇所が多く、加工に手間がかかるため経済性が低い。

また、上記した特許文献２では、次のような問題がある。

すなわち、第１直管部から前記第２直管部に向かうに従い縮径する縮径部を有しているため、縮径の加工費用が嵩むため経済性が低い。

本発明は、上記のような問題点を解決するために成されたもので、径の異なる大径管と小径管との接合構造として、接合部に必要の曲げ耐力、軸耐力、せん断耐力を確保しつつ、接合部の加工量が少なく経済性の高い、管内を流動物が通過できる異径管の接合構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。

［１］径の異なる大径管と小径管との接合構造であって、前記大径管端部内に前記小径管端部を管軸方向に挿通させ、前記大径管と前記小径管との間に平らな略扇形の継手板を管軸方向に対し傾斜して設置し、前記継手板の外側の楕円弧部を前記大径管の内径部に接合し、前記継手板の内側の楕円弧部を前記小径管の外径部に接合した、管内を流動物が通過できる異径管の接合構造。

［２］前記大径管と前記小径管と前記略扇形の継手板が金属であることを特徴とする前記［１］に記載の異径管の接合構造。

［３］前記継手板の外側の楕円弧部と前記大径管の内径部、及び前記継手板の内側の楕円弧部と前記小径管の外径部を溶接により接合したことを特徴とする前記［２］に記載の異径管の接合構造。

［４］鋼管杭の杭頭構造に適用され、頭部が前記大径管であることを特徴とする前記［２］または［３］に記載の異径管の接合構造。

［５］中堀工法における既製杭の杭頭構造に適用されることを特徴とする前記［２］〜［４］のいずれかに記載の異径管の接合構造。

［６］継手板を管軸方向に２段設置したことを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれかに記載の異径管の接合構造。

本発明によれば、径の異なる大径管と小径管との接合構造として、接合部に必要な曲げ耐力、軸耐力、せん断耐力を確保しつつ、接合部の加工量が少なく経済性の高い、管内を流動物が通過できる異径管の接合構造を得ることができる。

本発明の実施形態１における拡頭杭構造の側面透視図である。 本発明の実施形態１における拡頭杭構造の管軸心位置の矢視図である。 本発明の実施形態１における拡頭杭構造のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施形態１における拡頭杭構造のＢ−Ｂ矢視図である。 本発明の実施形態１における拡頭杭構造の継手鋼板形状を示す図である。 本発明の実施形態２における拡頭杭構造の側面透視図である。 本発明の実施形態２における拡頭杭構造の管軸心位置の矢視図である。 本発明の実施形態２における拡頭杭構造のＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施形態２における拡頭杭構造のＢ−Ｂ矢視図である。 本発明の実施形態２における拡頭杭構造の継手鋼板形状を示す図である。 本発明の実施形態３における拡頭杭構造の側面透視図である。 本発明の実施形態３における拡頭杭構造の施工手順を示す管軸心位置の縦断面図である。 従来の拡頭杭構造を示す図である（特許文献１）。

本発明の実施形態について説明する。なお、ここでは、拡頭部を有する鋼管杭に適用する場合を例にて述べる。

まず、拡頭部を有する鋼管杭については、地盤条件、施工方法等に応じて種々異なるが、一般的に、次の通りである。

すなわち、鋼管杭の設計においては、鋼管杭が支持する上部構造の自重と杭本数から鋼管杭１本当たりに作用する軸方向力が算出され、この作用軸方向力によって鋼管杭の寸法が決められるが、杭頭部には、地震などの作用によって水平力も作用する。鋼管杭の断面は、作用水平力が小さければ作用軸方向力から決まり、長さ方向に等断面でよいが、作用水平力が大きい場合は、大きな曲げモーメントおよびせん断力が作用する杭頭部のみ断面を大きくすることが経済的である。

そこで、鋼管杭分野において経済的で所定の応力伝達性能をもち、かつ製造し易い拡頭杭構造が望まれている。

このような状況に鑑みて、本発明の実施形態においては、基本的な考え方を以下のようにしている。

すなわち、中堀工法は、既製杭の中空部を掘削しながら杭自重、圧入または打撃によって、杭を沈設させる杭の施工方法であるが、本発明の実施形態においては、その中堀工法で使用される既製杭に適用するために、拡頭部の大径鋼管端部内に杭本体部の小径鋼管端部を管軸方向に挿通させ、拡頭部の大径鋼管と杭本体部の小径鋼管との間に平らな略扇形の継手鋼板を管軸方向に対し傾斜して溶接するようにしている。

その際、平らな略扇形の継手鋼板の外側の楕円弧部を拡頭部の大径鋼管の内径面に溶接し、平らな略扇形の継手鋼板の内側の楕円弧部を杭本体部の小径鋼管の外径面に溶接する。平らな略扇形の継手鋼板を両鋼管に対して傾斜して設置することにより継手鋼板の板コバ面（端面）と大径鋼管内面及び小径鋼管外面とでレ形の開先が形成されるため、継手鋼板の接合部を開先加工しなくても完全溶け込み溶接が可能となっている。

そして、継手鋼板の形状を略扇形とし、２枚以上の継手鋼板を傾斜して溶接すれば、応力の伝達に必要な溶接長を満足しつつ、外側の大径鋼管と内側の小径鋼管と継手鋼板との連続的かつ立体的な接合が実現でき、３部材による剛な部位が形成され、接合部に必要な曲げ耐力、軸方向耐力、せん断耐力を確保することができる。

なお、継手鋼板同士の隙間は、有っても無くても良く、応力伝達上必要な範囲で隙間の大きさを決めれば良い。

２枚の継手鋼板を設置する場合、曲げ耐力およびせん断耐力が力の作用方向によって異なるため、必要に応じて継手鋼板の数を増やせば良い。４枚の継手鋼板を設置すれば、概ね鋼管断面方向に対称性のある曲げ耐力およびせん断耐力が得られる。

ただし、継手鋼板の数を増やせば、その分、経済性が低下する。杭の断面方向の作用力が角度によって異なる場合は、接合鋼板が２枚であっても、設置方向を使い分けることにより、合理的な設計が可能である。

以上のような構造にすることにより、接合部に必要な曲げ耐力、軸方向耐力、せん断耐力を確保できるとともに、継手鋼板が平板であり、かつ継手鋼板の部材数が少なく、さらに縮径の特別な技能が必要な加工を施さなくてよいため、経済性の高い異径管の接合構造を得ることができる。そして、鋼管内部は閉塞されないため、管内を土やソイルセメントやセメントペースト等を含む流動物が通過できるので、中堀工法に使用する既製杭に適した構造となっている。

続いて、上記の基本的な考え方を具現化した実施形態１〜３を図面に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１〜図４は、本発明の実施形態１における拡頭杭構造を示す図である。図１は、側面透視図であり、図２は、管軸心位置の縦断面図である。また、図３は、図１、図２におけるＡ−Ａ矢視図であり、図４は、図１、図２におけるＢ−Ｂ矢視図である。言い換えれば、図１は、図３、図４におけるＣ−Ｃ透視図であり、図２は、図３、図４におけるＤ−Ｄ矢視図である。

図１〜図４に示すように、この実施形態１においては、杭本体である小径鋼管１の杭頭部Ｈに小径鋼管１よりも径の大きい大径鋼管２を設置することで、杭頭部の曲げ抵抗およびせん断抵抗を向上させる。

そして、大径鋼管２から杭本体である小径鋼管１に力を伝達するため、両者を繋ぐ２枚の継手鋼板３を設置する。継手鋼板３は曲げ加工を必要としない平板を用いることが経済的であるため、かつ力の伝達に必要な溶接長を確保するために、平らな継手鋼板３に斜度を持たせて、小径鋼管１の外面および大径鋼管２の内面に溶接する。図２〜図４における符号４が、その溶接ビードである。

したがって、図５に示すように、継手鋼板３は、その内側の楕円弧３ａと外側の楕円弧３ｂを有する平らな略扇形が好適となる。図２に示しているように、平らな略扇形の継手鋼板３を斜度を設けて両鋼管（小径鋼管１、大径鋼管２）に設置するため、継手鋼板３の板コバ面と小径鋼管１外面および大径鋼管２内面とでレ形の開先が形成されるので、両鋼管との溶接は、開先を設けなくても完全溶け込み溶接ができる。略扇形の継手鋼板３の直線部３ｃの２辺は、小径鋼管１の外面と成す角度を鋭角にすることによって、小径鋼管１における継手鋼板３の端部の応力集中をより緩和することができる。

なお、継手鋼板３と大径鋼管２との接合は、継手鋼板３の外側の楕円弧３ｂの両端部まで全長に亘って溶接するか否かは溶接施工性と強度とのバランスに応じて決めることができる。

また、継手鋼板３は、大径鋼管２の内に収納してもよいし、図１に示したように、端部が大径鋼管２の外にはみ出してもよい。継手鋼板３を、大径鋼管２の内に収納して、継手鋼板３の外側の楕円弧３ｂの両端部まで全長に亘って大径鋼管２の内面に溶接すれば接合強度が強化される反面、狭隘部での溶接が増え、溶接施工性が悪化する。

ちなみに、略扇形の継手鋼板３の内側の楕円弧３ａの形状は、鋼管軸心を楕円中心とする下記（１）式で表される楕円の一部となる。なお、ｘは長軸方向の座標であり、ｙは短軸方向の座標である。

ここに、小径鋼管１の外径を２ｒとし、継手鋼板３と鋼管横断面方向との角度をαとすると、楕円の長径の長さは２ｒ／ｃｏｓαとなる。言い換えれば、（１）式で表される楕円は、小径鋼管１を傾斜角度αで斜めに切断した時の切断面の形状ということになる。

また、略扇形の継手鋼板３の外側の楕円弧３ｂの形状は、鋼管軸心を楕円中心とする下記（２）式で表される楕円の一部となる。なお、ｘは長軸方向の座標であり、ｙは短軸方向の座標である。

ここに、大径鋼管２の内径を２Ｒとし、継手鋼板３と鋼管横断面方向との角度をαとすると、楕円の長径の長さは２Ｒ／ｃｏｓαとなる。言い換えれば、（２）式で表される楕円は、大径鋼管２を傾斜角度αで斜めに切断した時の切断面の形状ということになる。

このように、継手鋼板３は、形状を上記の（１）式と（２）式で容易に決めることができるため、現場合わせしなくても、予め工場で平鋼板をパンチングやレーザー切断等で製作しておくことができる。継手鋼板３と鋼管横断面方向との角度αは、応力伝達の観点および開先を設けなくても完全溶け込み溶接が可能な範囲という観点から、３０度〜６０度が好適である。

［実施形態２］
図６〜図１０は、本発明の実施形態２における拡頭杭構造を示す図である。図６は、側面透視図であり、図７は、管軸心位置の縦断面図である。また、図８は、図６、図７におけるＡ−Ａ矢視図であり、図９は、図６、図７におけるＢ−Ｂ矢視図である。言い換えれば、図６は、図８、図９におけるＣ−Ｃ透視図であり、図９は、図６、図７におけるＤ−Ｄ矢視図である。また、図１０は、この実施形態２において用いる継手鋼板３の形状を示す図である。

図６〜図１０に示すように、この実施形態２においては、略扇形の継手鋼板３を管周方向に４枚用いている。

このように継手鋼板３の枚数を増やすと、大径鋼管２と小径鋼管１との曲げ耐力及びせん断耐力に関する異方性が緩和されるという長所がある。ただし、部材数が増え経済性が減少するという短所がある。

［実施形態３］
図１１、図１２は、本発明の実施形態３における拡頭杭構造を示す図である。図１１は、側面透視図であり、図１２は、施工手順を示す管軸心位置の縦断面図である。

図１１に示すように、この実施形態３においては、継手鋼板３を管軸方向に２段設置している。

作用水平力が大きく、継手鋼板３が１段では必要な曲げ耐力及びせん断耐力が得られない場合、継手鋼板３を２段設置すれば良い。

２段までであれば、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、手順１として、小径鋼管１端部に近い側の継手鋼板３を小径鋼管１に溶接し、もう一方の継手鋼板３を大径鋼管２に溶接し、次に、手順２として、小径鋼管１を継手鋼板３を溶接していない側から大径鋼管２に挿通した後、小径鋼管１端部に遠い側の継手鋼板３を小径鋼管１に溶接し、もう一方の継手鋼板３を大径鋼管２に溶接すれば、容易に溶接ができる。

このようにして、本発明の実施形態においては、以下のような効果を得ることができる。

（ａ）接合部に必要の曲げ耐力、軸耐力、せん断耐力を確保しつつ、接合部の加工量が少なくて経済性の高い、管内を流動物が通過できる異径管の接合構造を実現することができる。

（ｂ）鋼管内部は閉塞されないため、土やソイルセメントやセメントペースト等を含む流動物が通過できる。そのため、杭の施工方法である中堀工法の既製杭として用いることができる。

（ｃ）平らな略扇形の継手鋼板を小径鋼管と大径鋼管に対して傾斜して設置することにより、継手鋼板の板コバ面と小径鋼管外面および大径鋼管内面とでレ形の開先が形成されるため、継手鋼板の楕円弧部を開先加工しなくても完全溶け込み溶接が可能となり、経済性と溶接の安全性の両立ができる。

（ｄ）２枚以上の継手鋼板を傾斜して溶接すれば、応力の伝達に必要な溶接長を満足しつつ、外側の大径鋼管と内側の小径鋼管と継手鋼板との連続的かつ立体的な接合が実現でき、３部材による剛な部位が形成され、接合部に必要な曲げ耐力、軸方向耐力、せん断耐力を確保することができる。

（ｅ）加工費用が高い板の面外曲げ加工や縮径加工を用いない平らな略扇形の継手鋼板を採用することにより、製作費を低く抑えることができる。

（ｆ）継手鋼板を傾斜させて大径鋼管および小径鋼管と接合することで、継手鋼板の管軸方向端部における応力集中現象を緩和することができる。

そして、上記の実施形態においては、本発明を拡頭杭構造に適用する場合を例にして述べたが、本発明は、他の異径管の接合構造に対しても適用することができる。

また、大径管、小径管、略扇形の継手板が鋼以外の金属（例えば、アルミニウム、銅）である場合も、本発明を適用することができる。

さらに、大径管、小径管、略扇形の継手板が金属以下の材料（例えば、プラスチック）である場合も、本発明を適用することができる。

１ 小径鋼管
２ 大径鋼管
３ 継手鋼板
３ａ 継手鋼板の内側の楕円弧
３ｂ 継手鋼板の外側の楕円弧
３ｃ 継手鋼板の直線部
４ 溶接ビード
Ｈ 鋼管杭の杭頭部

Claims (6)

1. 径の異なる大径管と小径管との接合構造であって、前記大径管端部内に前記小径管端部を管軸方向に挿通させ、前記大径管と前記小径管との間に平らな略扇形の継手板を管軸方向に対し傾斜して設置し、前記継手板の外側の楕円弧部を前記大径管の内径部に接合し、前記継手板の内側の楕円弧部を前記小径管の外径部に接合した、管内を流動物が通過できる異径管の接合構造。
2. 前記大径管と前記小径管と前記略扇形の継手板が金属であることを特徴とする請求項１に記載の異径管の接合構造。
3. 前記継手板の外側の楕円弧部と前記大径管の内径部、及び前記継手板の内側の楕円弧部と前記小径管の外径部を溶接により接合したことを特徴とする請求項２に記載の異径管の接合構造。
4. 鋼管杭の杭頭構造に適用され、頭部が前記大径管であることを特徴とする請求項２または３に記載の異径管の接合構造。
5. 中堀工法における既製杭の杭頭構造に適用されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の異径管の接合構造。
6. 継手板を管軸方向に２段設置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の異径管の接合構造。

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