鋼管柱構造物及びその製造方法
【課題】軸方向に直交する溶接面を有する場合において、合理的な設計が可能な鋼管柱構造物及びその製造方法を提供する。
【解決手段】鋼管柱構造物１は、両端部に厚肉部を有する複数の円形鋼管１ａ〜１ｒを管軸方向に積み重ねて厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱を構造物の一部として備える。
【解決手段】鋼管柱構造物１は、両端部に厚肉部を有する複数の円形鋼管１ａ〜１ｒを管軸方向に積み重ねて厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱を構造物の一部として備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製煙突、橋梁主塔、風力発電用タワー、風力発電用支持構造物、海洋構造物、建築系構造物、橋梁構造などの鋼管柱構造物及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
断面が円形の鋼管柱構造物の例としては、例えば、鋼製煙突、風力発電用タワー、洋上風力発電基礎などが挙げられる。
このような鋼管柱構造物は、高さ方向の鋼管径に着目すると、鋼管径が一様なもの、高さ方向にテーパをつけて鋼管径を上方に行くにしたがって徐々に小さくするものに大別される。
また、鋼管の板厚については、通常は高さ方向で同じか、上方に行くにしたがって徐々に薄くなっているのが一般的であるが、周方向の板厚は同じである（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献１に開示された厚肉部を有する円形鋼管柱のように、鋼管径を上方に行くにしたがって徐々に小さくする共に、鋼管の板厚を下に行くに従って厚くなるように工夫したものもある。
さらに、特許文献２に開示された建築構造物用鋼製部材のように、例えば梁と柱の接合部のように作用応力が大きい部位に厚肉部を配置し、作用応力の小さい部位に薄肉部を配置するようにしたものもある。
【０００４】
鋼管柱構造物は、これを構成する鋼管が大径で厚肉となる。このような鋼管柱構造物の製造方法は、圧延鋼板から板巻きによって円形鋼管あるいは角型鋼管を製作する。製作された鋼管の高さは、圧延鋼板の幅である3〜5mであり、それを上方に順次積み重ねて溶接、ボルト等で接合することにより鋼管柱構造物が製造される。
円形鋼管の製作は、圧延方向（L方向）に曲率をつけて圧延鋼板を曲げて行われる。
【０００５】
鋼管径が10m規模のような大径の場合には、圧延鋼板１枚では円形鋼管を製作できない場合もあり、その場合は、圧延鋼板をつないで長い板にした後に、これを円環状に巻いて製作される。
【０００６】
また、断面が角型の角型鋼管（矩形の鋼管柱構造物）の場合には、鋼板を周方向に並べて接合することにより、矩形鋼管を製作し、この矩形鋼管を上に積み重ねて接合して製造するのが一般的である。
また、角型鋼管の製作は、プレス機の性能から決まり、高さ3〜15m程度の角型鋼管を順次積み重ねることになる。この場合は圧延鋼板の曲げ方向はどちらでもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２６４５３５
【特許文献２】特開平６−２８８０３３
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】塔状鋼構造設計指針・同解説（1980年）、日本建築学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の従来例の鋼管柱構造物は、主に耐震性を向上させる構造についての工夫である。
しかし、背の高い鋼管柱構造物では、耐震性よりも耐風性を向上させることがより重要となる。その場合の一般的な課題として、静的な課題では静的風荷重に関するもの、動的な課題として、渦励振、ガスト応答に関する課題がある。
このうち、渦励振は、カルマン渦に起因する振動であり、ある範囲の風速で生じ、揺れも限定的である。揺れの大きさが許容値よりも大きい場合には、対策として鋼管柱構造物の形状を変更するか、制振装置の設置により揺れを抑える方法が採用され、鋼管柱構造物を構成する本体部の板厚を増すことは不経済であるため実施されていない。
また、静的風荷重は、風速の２乗に比例するため、設計風速（供用期間の最大風速）において最大風荷重となる。ガスト応答は風速の変動による揺れであり、応答（揺れの量）は風速の２乗に比例することから、ガスト応答分は静的風荷重の増分として設計されている。
【００１０】
上記の説明は、風荷重を受ける一般的な構造物についての課題であるが、風力発電に用いられる風車を支持する鋼管柱の場合には、上記のような一般的な鋼管柱構造に加わる風荷重とは事情が異なる。
風車の場合、比較的風速の小さい領域（例えば25m/s以下）において多くの発電をするように羽根を傾けて風を受けるようにする。一方、高風速になると、発電機器が過負荷にならないようにするため、風を受け流す構造になっている。
【００１１】
この点を、図２４に基づいてより詳細に説明する。図２４は、風速と構造物に加わる風荷重との関係を示したグラフであり、縦軸が構造物に加わる風荷重を示し、横軸が風速を示している。また、図２４において、実線は風車支持構造の鋼管柱を示し、破線は一般的な従来の鋼管柱を示している。
図２４に示すように、風車の支持構造としての鋼管柱では、風速10〜25m/s付近の風荷重が高風速の風荷重と同等レベルとなる。この風速10〜25m/s付近の風速領域が生ずる頻度は高風速よりもはるかに多く、高頻度でこのような風荷重を受けることから、風車の支持構造では繰り返し外力による疲労が問題になる。
【００１２】
疲労においては、母材よりも溶接接合部の疲労強度が弱いため、繰り返し外力を受ける鋼管柱構造物では、鋼管柱構造物の軸と直交方向の溶接部の疲労が特に問題となる。このような溶接部の疲労の問題に対し、従来においては、疲労強度等級を高くするように溶接部止端仕上げによる方法、発生応力を減じるために溶接部付近の構造を改良する方法、あるいは鋼管柱構造物の板厚を厚くする方法が行われていた。
このような方法のうち、鋼管柱構造物の板厚を厚くする方法に関し、溶接部のみならず他の部分を含めた鋼管柱構造物全体の板厚を厚くすることが行われている。このため、鋼材使用量が多くなるという問題がある。つまり、溶接部のみならず他の部位の板厚を厚くすると、溶接部以外の部分は、応力上は余裕があるため、設計上は不経済となるのである。
【００１３】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、軸方向に直交する溶接面を有する場合において、合理的な設計が可能な鋼管柱構造物及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）本発明に係る鋼管柱構造物は、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成されたことを特徴とするものである。
【００１５】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記鋼管における前記厚肉部の板厚と他の部位との板厚の差が４ｍｍ以下であり、かつ前記厚肉部と前記他の部位との間には板厚が徐々に変化する傾斜部が設けられ、該傾斜部における板厚勾配が１／１００以下に設定されていることを特徴とするものである。
【００１６】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記厚肉部の軸方向の長さが２ｍ以下に設定されていることを特徴とするものである。
【００１７】
（４）本発明に係る鋼管柱構造物の製造方法は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延直交方向の両端部が厚肉に形成された鋼板を環状に成形して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
（５）本発明に係る鋼管柱構造物の製造方法は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延方向の両端部が厚肉に形成された複数枚の鋼板を周方向に並べて隣り合う鋼板同士を溶接して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の鋼管柱構造物においては、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成されているので、溶接継手部以外の板厚を薄くすることにより、鋼材使用量を少なくした合理的な構造となり、安価な鋼管柱構造が提供可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【図２】図２は、図１に示した鋼管柱構造物を構成する円形鋼管の側面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係る鋼管柱構造物を構成する円形鋼管の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【図５】図５は、図４の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図６】図６は、図４に示した鋼管柱構造物を構成する円形鋼管の側面図である。
【図７】図７は、図６に示した円形鋼管の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態３に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【図９】図９は、図８の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図１０】図１０は、図８に示した鋼管柱構造物を構成する八角形鋼管の側面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示した八角形鋼管の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態４に係る鋼管柱構造物としての橋脚の説明図である。
【図１３】図１３は、図１２の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図１４】図１４は、図１２に示した橋脚の側面図である。
【図１５】図１５は、図１２に示した橋脚の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態５に係る鋼管柱構造物としての橋脚の説明図である。
【図１７】図１７は、図１６の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示した橋脚の側面図である。
【図１９】図１９は、図１６に示した橋脚の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態６に係る鋼管柱構造物としての橋脚の説明図である。
【図２１】図２１は、図２０の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図２２】図２２は、図２０に示した橋脚の側面図である。
【図２３】図２３は、図２０に示した橋脚の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図２４】図２４は、本発明の実施の形態１の作用を説明するための図であって、風荷重と風速との関係を示すグラフである。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態１の作用を説明するための図であって、鋼管柱構造物が風荷重を受けたときのモーメント分布を示す図である。
【図２６】図２６は、比較例としての従来例の鋼管柱の板厚と疲労強度との関係を説明する説明図である。
【図２７】図２７は、実施の形態１の鋼管柱の板厚と疲労強度との関係を説明する説明図である。
【図２８】図２８は、実施の形態７に係る海洋構造物の説明図である。
【図２９】図２９は、図２８における矢視Ａ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３０】図３０は、実施の形態８に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［実施の形態１］
本実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
本実施の形態の鋼管柱構造物１は、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱によって構成されるものである。
以下具体的に説明する。
【００２２】
本実施の形態では、鋼管柱構造物１の例として、上部に風車設備が設置されるタワーを例に挙げており、このようなタワーは風よって軸方向に直交する揺れが生じるため、軸方向に直交する溶接面の疲労強度が問題になる。
鋼管柱構造物１は、図１に示すように、１８個の円形鋼管（第１円形鋼管１ａ〜第１８円形鋼管１ｒ）を、基礎３の上に高さ方向に積み重ね、各円形鋼管の端部を突合せ溶接にて接合して形成している。図中の破線で示す部位が溶接面の位置であり、溶接面は鋼管柱構造物１の軸方向に直交している。
円形鋼管は、下から順に第１円形鋼管１ａ、第２円形鋼管１ｂ・・・、第１８円形鋼管１ｒとなっている。なお、簡略化のために、各円形鋼管における高さ方向には、鋼管径にテーパはつけていない。
【００２３】
図２は、第１円形鋼管１ａの側面を拡大して示す側面図である。第１円形鋼管１ａは、図２に示すように、上下方向で板厚が変化している。板厚が変化する部位は、上部から順に上厚肉部５（上溶接継手部）、上テーパ部７、薄肉部９、下テーパ部１１、下厚肉部１３となっている。なお、この例では、第１円形鋼管１ａの直径は6000mmである。
上厚肉部５及び下厚肉部１３（下溶接継手部）では疲労強度を高めるために、板厚を厚くして溶接部に発生する応力を低減させている。突合せ溶接の疲労強度等級はＤ等級であり、他方母材はＡ等級であるから、疲労強度のみを考えると、同じ繰返し回数でも溶接部では母材の２倍程度の応力が必要となる。換言すると、疲労強度だけで考えれば、母材部は溶接部の半分の板厚でよいことになる。そこで、本実施の形態においては溶接継手部の板厚を必要な板厚として、その他の部位をこの板厚よりも肉薄にすることで、鋼重を減らしている。
【００２４】
図２５は、図１に示す鋼管柱構造物１に風荷重が載荷した時のモーメント分布を説明する説明図であり、図２５（ａ）が鋼管柱構造物１と風との関係を示し、図２５（ｂ）がモーメント分布を示している。
図１に示す鋼管柱構造物１に風荷重が載荷した時のモーメント分布は、図２５（ｂ）に示すように、下側が大きく、上に行くほど小さい分布となる。
したがって、作用応力に応じて板厚を変化させる従来技術であれば、鋼管柱構造物として円形鋼管を想定した場合、同一径であれば基礎に近いほど板厚は厚くなる。すなわち、図１に示した単純な片持ち梁構造の鋼管柱構造を考えると、第１円形鋼管１ａの板厚が最も厚く、第２円形鋼管１ｂ、第３円形鋼管１ｃの順に板厚が徐々に薄くなってゆき、第１８円形鋼管１ｒで最も薄くなり、本発明の一実施の形態のように、各円形鋼管が、図２に示すように、上下方向で板厚が変化するのとは全く異なる。
【００２５】
ここで、溶接接合部の疲労強度と鋼管柱構造物１の板厚との関係について説明する。
図２６は高さ方向に板厚が同じ円形鋼管を積み重ねて接合した場合（比較例）の板厚（図２６（ａ））と、疲労強度（図２６（ｂ））との関係を示している。また、図２７は本実施の形態の鋼管柱構造物１についての板厚（図２７（ａ））と疲労強度（図２７（ｂ））との関係を示している。
【００２６】
複数の円形鋼管を高さ方向に溶接接合して製作された鋼管柱構造物の場合、各円形鋼管の板厚が同じであるとすると、図２６に示すように、疲労強度は溶接接合部で格段に低下する。通常の設計では、曲げモーメントに応じて断面を変化させて断面を決めるため下部側の円形鋼管の板厚が上部側の円形鋼管の板厚よりも厚なるが、その場合でも溶接部の付近では格段に疲労強度が低下することは明白である。
これに対して、本実施の形態の鋼管柱構造物では、各円形鋼管の溶接部の板厚を溶接部の疲労強度から決まる板厚で設計し、各円形鋼管の溶接部以外の部位については母材一般の疲労強度から決まる板厚で設計している（図２７（ａ）参照）ので、鋼管柱構造物全体として疲労強度が一定になり（図２７（ｂ）参照）、非常に合理的な設計となっている。
【００２７】
具体的には、上下の溶接継手部は厚肉（30mm）として必要な疲労強度を確保し、これに繋がる部位については肉厚を徐々に小さくするような上テーパ部７及び下テーパ部１１を設け、中間部を薄肉部９(肉厚：26mm)としている。上溶接継手部と肉薄部を繋ぐ部位に、上テーパ部７を設け、板厚が変化する部位において応力集中が発生しないように板厚が徐々に変化するようにしている。この点は、下溶接部と肉薄部を繋ぐ下テーパ部も同様である。
上テーパ部及び下テーパ部におけるテーパ面における板厚勾配は、応力集中が少なければ良く、設計の通例では、1/5の板厚勾配（板厚1mm減に対して長さが5mm以上）の緩やかさが好ましいとされているが、1/5の板厚勾配であってもまだ応力集中が発生するため、応力集中をなくして本発明の最大効果を発揮するためには、1/100（板厚1mm減に対して長さが100mm以上）以下の板厚勾配を設けるのが好ましい。
本例では、板厚勾配は1/100に設定している。
上下溶接継手部の肉厚が30mmで薄肉部の肉厚が26mmであり、板厚勾配が1/100であることから、上テーパ部及び下テーパ部の長さは400mmとなっている。
板厚勾配とは、板厚の変化量と該板厚が変化部位の板の長さとの関係を示すものである。例えば、板厚が変化する部位の板の長さが100mmで、変化する板厚が1mmの場合には、板厚勾配は1/100となる。この場合、板厚が変化する部位が片側テーパであっても両側テーパであってもその形状とは無関係で、板厚の変化量のみを考慮するものである。
【００２８】
本実施の形態の第１円形鋼管１ａにおいては、テーパ部は外面側及び内面側の両面に設けられている。このようにすることで、第１円形鋼管１ａにおける構造軸が板厚中央になり、設計上好ましいからである。もっとも、後述する実施の形態において示すように、テーパ面を外面側あるいは内面側のいずれか一方に設けるようにしてもよい。
【００２９】
また、溶接部近傍では、溶接仕上げの形状により応力集中が発生することから、溶接部付近では板厚が一定であることが望ましい。その意味で、上溶接継手部及び下溶接継手部は所定の長さを有することが好ましいが、この部位をあまり長くなると厚肉の部位が長くなりコストが高くなること、及び製作上の観点から上溶接継手部及び下溶接継手部の長さは２ｍ以下であることが望ましい。本例では上溶接継手部及び下溶接継手部の長さはそれぞれ0.5mに設定している。
【００３０】
＜製造方法＞
鋼管柱構造物１の製造方法の一例を、以下に示す。
図３は鋼管柱構造物１を構成する円形鋼管の製造方法を示したものであり、図３（ａ）は使用する差厚鋼板１５とその曲げ方向を説明する説明図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示した差厚鋼板１５の断面図である。
図３（ａ）において、矢印で示すＬ方向は圧延方向を示し、Ｃ方向は圧延直交方向を示している。
本実施の形態に使用する差厚鋼板１５は、図３に示すように、圧延直交方向（Ｃ方向）に板厚を変化させた鋼板（本明細書において「ＣＰ鋼板」という）である。
本実施の形態の円形鋼管は、図３に示すＣＰ鋼板をＬ方向にロール成形して円環状にして、端部を溶接することで製造する。このようにして製造された各円形鋼管を積み重ねて、上下の厚肉になった溶接継手部を突合せ溶接にて接合することで鋼管柱構造物１を製造する。
なお、ＣＰ鋼板でなくても、通常の鋼板から中央部を切削するなどで同じ板厚分布を有した鋼板を製作しても良い。
【００３１】
本実施の形態の鋼管柱構造物１においては、円形鋼管（第１円形鋼管１ａ〜第１８円形鋼管１ｒ）を、基礎３の上に高さ方向に積み重ね、円形鋼管の端部を突合せ溶接にて接合して形成するに際して、各円形鋼管の上下の溶接継手部の肉厚を厚肉にして、その他の部位をこれよりも肉薄にしているので、鋼重を低減でき、合理的な設計の鋼管柱構造物が実現されている。
【００３２】
［実施の形態２］
実施の形態２を図４〜図７に基づいて説明する。
本実施の形態の鋼管柱構造物２１は、実施の形態１と同様に、円形鋼管（第１円形鋼管２１ａ〜第２０円形鋼管１ｔ）を、基礎３の上に高さ方向に積み重ね、円形端部を突合せ溶接にて接合して形成されるものである。本実施の形態の鋼管柱構造物２１も、実施の形態１のものと同様に、繰り返し応力による疲労が問題となり、疲労強度の関係からこれにこの強度を確保するために所定の板厚が要求されるような鋼管柱構造物である。
【００３３】
本実施の形態の鋼管柱構造物２１が実施の形態１の鋼管柱構造物と異なる主な点は、実施の形態１においては円形鋼管における上テーパ部７及び下テーパ部１１を外面側及び内面側の両面に設けていたが、本実施の形態の鋼管柱構造物２１においては、図６、図７に示すように、テーパ部を円形鋼管の外面側にのみ設けた片テーパとした点である。なお、片テーパを設ける場合には、円形鋼管の内面側に設けるようにしてもよい。
円形鋼管２１ａにおける板厚が変化する部位は、図６に示すように、上溶接継手部２３、上片テーパ部２５、薄肉部２７、下片テーパ部２９、下溶接継手部３１となっている。
本実施の形態の円形鋼管の製造に使用する差厚鋼板３３は、図７に示すように、圧延直交方向（Ｃ方向）に板厚を変化させたＣＰ鋼板である。差厚鋼板３３は、その片面側にのみテーパ面が設けられている。
【００３４】
本実施の形態の鋼管柱構造物２１の具体的な寸法を示すと、鋼管径6000mm、鋼管柱構造物２１を構成する各円形鋼管の高さ4m、上溶接継手部２３及び下溶接継手部３１の板厚30mm、上溶接継手部２３及び下溶接継手部３１の長さ0.5ｍ、肉薄部２７の板厚25mm、上溶接継手部２３及び下溶接継手部３１と薄肉部２７との板厚の勾配は1/100としている。このような仕様にすることで、従来であれば、全ての板厚が30mm必要であったのを板厚の一部を薄肉にすることができ、鋼重は約10％低減されている。
【００３５】
［実施の形態３］
実施の形態３を図８〜図１１に基づいて説明する。
本実施の形態の鋼管柱構造物４１も、実施の形態１、２のものと同様に、繰り返し応力による疲労が問題となり、疲労強度の関係からこれにこの強度を確保するために所定の板厚が要求されるような鋼管柱構造物である。
本実施の形態の鋼管柱構造物４１は、八角形断面を持つ八角形鋼管４１ａ、４１ｂ・・を軸方向に積み重ねて突き合わせ溶接によって接合することで構築されている。
各八角形鋼管は、長さ16mの鋼板８枚を周方向に８枚並べて八角形を形成し、この８枚の鋼板の隣り合う部位を高さ方向（八角形鋼管の軸方向）に溶接することで製作される。このため、各八角形鋼管には軸方向に溶接線が８箇所できることになるが、この溶接線は鋼管柱構造物の軸に直交する部位なので疲労強度は問題にはならない。また、軸方向で板厚が変化する部位同士を溶接することになり、板厚の変化する部位で隙間が生ずることになるが、板厚の変化量が少ないので、溶接による肉盛りによって変化分を吸収できるので問題はない。
【００３６】
八角形鋼管を構成する鋼板は、図１１に示すように、圧延方向（L方向）に板厚が変化する差厚鋼板５３（LP鋼板（Longitudinally Profiled Steel Plate））を用いている。
ＬＰ鋼板における圧延方向長さ16mの板厚分布は、図１０に示すように、両端の上溶接継手部４３及び下溶接継手部５１は長さが1mで板厚が30mm、上テーパ部４５及び下テーパ部４９の長さが1m（板厚勾配1/200）、薄肉部の長さが12mで板厚が25mmとなっている。
これにより、従来の等厚だった断面よりも鋼重は約14％低減される。さらに、鋼管柱軸に直交する溶接箇所は、16m間隔となり、実施例１、従来技術よりも少なく、設計クリティカルとなる部位を減らすことができるため、好ましい設計と言える。
【００３７】
なお、上記の実施の形態１〜３においては、鋼管柱構造物１、２１、４１は高さ方向において管径が同一のものを示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば下部側の径を大きくして上部側に行くに従って管径が徐々に小さくなる態様や、高さ方向の途中において管径が変化する態様であってもよい。
【００３８】
［実施の形態４］
実施の形態４を図１２〜図１５に基づいて説明する。
本実施の形態４は、鋼管柱構造物を橋梁の橋脚６１に適用した例である。この例では、橋脚６１と橋桁６３が一体となったラーメン構造であり、橋脚６１に作用する曲げモーメントは、橋脚６１の上部、下部（地際部）で最大となる。橋脚６１の上端部は橋桁６３と溶接接合され、橋脚６１の下端部は架台と溶接接合される。橋脚の寸法は、高さ20mで矩形断面であり、矩形断面は、橋軸方向（図１２の矢印Ａ方向）が2mで橋軸直交方向が4mである（図１３参照）。２本の橋脚の間の距離は30mである。
本実施の形態の橋脚６１は、長さ20mの鋼板４枚を周方向に並べて矩形鋼管を形成し、この４枚の鋼板の隣り合う部位を溶接することで製作される。このため、橋脚には軸方向に溶接線が４箇所できることになるが、この溶接線は鋼管柱構造物の軸に直交する部位なので疲労強度は問題にはならない。
【００３９】
矩形鋼管を構成する鋼板は、図１５に示すように、圧延方向（L方向）に板厚が変化する差厚鋼板６７（LP鋼板）を用いている。
差厚鋼板６７における圧延方向長さ２０ｍの板厚分布は、図１４に示すように、両端の上端溶接継手部６９及び下端溶接継手部７７は長さが2mで板厚が30mm、上テーパ部７１及び下テーパ部７５の長さが1m（板厚勾配1/200）、薄肉部７３の長さが14mで板厚が25mmとなっている。
本実施の形態の橋脚６１は、板厚が等厚だった従来例よりも鋼重は約12％低減される。
【００４０】
［実施の形態５］
実施の形態５を図１６〜図１９に基づいて説明する。
本実施の形態５は、実施の形態４と同様に鋼管柱構造物を橋梁の橋脚に適用した例である。
本実施の形態の橋脚８１が実施の形態４の橋脚６１と異なる主な点は、実施の形態４においては橋脚６１を構成する差厚鋼板６７におけるテーパ部を、差厚鋼板６７の外面側及び内面側の両面に設けていたが、本実施の形態の差厚鋼板８３においては、図１８、図１９に示すように、テーパ部を鋼板の外面側にのみ設けている点である。
【００４１】
本実施の形態の橋脚８１の寸法を具体的に示すと、高さが20m、矩形断面における橋軸方向（図１６の矢印Ａ方向）が2mで橋軸直交方向が4mである。
差厚鋼板８３における圧延方向長さ20mの板厚分布は、図１８に示すように、両端の上端溶接継手部８５及び下端溶接継手部９３は長さが２ｍで板厚が30mm、上テーパ部８７及び下テーパ部９１の長さが1m（板厚勾配1/200）、薄肉部８９の長さが14mで板厚が25mmとなっている。
本実施の形態の橋脚８３は、板厚が等厚だった従来例よりも鋼重は約12％低減される。
【００４２】
［実施の形態６］
実施の形態６を図２０〜図２３に基づいて説明する。
本実施の形態６は、実施の形態４、５と同様に鋼管柱構造物を橋梁の橋脚に適用した例である。
本実施の形態の橋脚１０１は、高さ20m、直径2500mmの円形鋼管から構成されている。
円形鋼管は、図２３に示すような圧延方向（L方向）に板厚を変化させた差厚鋼管１０３を圧延直交方向（Ｃ方向）に曲げ加工して製作する。この場合、圧延直交方向の長さが7850mm（直径2500mmの円周長さ分）必要となるが、鋼板製造上の制約から１枚の鋼板で製作することができず、複数枚のＬＰ鋼板のＬ方向同士を合わせて溶接して１枚の鋼板として、この鋼板を曲げ加工することにより、円形鋼管を製作する。
【００４３】
本実施の形態６で用いた差厚鋼板１０３における圧延方向長さ20mの板厚分布は、図２２に示すように、両端の上端溶接継手部１０５及び下端溶接継手部１１３は長さが1mで板厚が25mm、上テーパ部１０７及び下テーパ部１１１の長さが3m（板厚勾配1/300）、薄肉部の長さが12mで板厚が15mmとなっている。
本実施の形態の橋脚１０１は、板厚が等厚だった従来例よりも鋼重は約３０％低減される。
【００４４】
［実施の形態７］
本実施の形態７を図２８、図２９に基づいて説明する。
本実施の形態７は本発明の鋼管柱構造物を海洋構造物１１５に適用したものである。
本実施の形態７の海洋構造物１１５は、図２８、図２９に示すように、海中に立設した３本の脚部１１７と、３本の脚部１１７の上端部を連結する連結部１１９と、連結部１１９材に立設された海上タワー部１２１を備えている。
３本の脚部１１７と海上タワー部１２１は、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱（以下、「本発明係る鋼管柱」という）によって構成されている。
【００４５】
本発明の鋼管柱構造物は、本実施の形態の海洋構造物１１５に示されるように、本発明に係る鋼管柱を複数本用いたものであってもよいし、構造物の一部に連結部１１９を介在させて本発明に係る鋼管柱を結合したものであってもよい。つまり、本発明の鋼管柱構造物は、本発明に係る鋼管柱を構造部の一部として備えているものであればよい。
【００４６】
［実施の形態８］
本実施の形態８を、図３０に基づいて説明する。
本実施の形態８の鋼管柱構造物１２３は、基礎１２２（地面）に立設された鉛直鋼管柱１２５と、鉛直鋼管柱１２５の高さ方向の途中に水平方向に接合された水平鋼管柱１２７とを備えて構成されている。
鉛直鋼管柱１２５と水平鋼管柱１２７には、本発明に係る鋼管柱が適用されている。
鉛直鋼管柱１２５は、下端部を基礎１２２（地面）に固定した固定端とし、上部が自由端とする片持ち梁である。また、水平鋼管柱１２７も鉛直鋼管柱１２５との接続部を固定端と考えれば、片持ち梁とみなすことができる。
【００４７】
鉛直鋼管柱１２５における水平鋼管柱１２７との接合部は作用応力が大きくなることから、接続部近傍の板厚を厚くする。この場合、水平鋼管柱１２７との接合部に配置された円形又は矩形鋼管の板厚は溶接接合部よりも水平鋼管柱１２７との接続部が厚くなることもある。このように、他の部材との接合との関係で鉛直鋼管柱１２５を構成する一部の円形又は矩形鋼管の板厚が、両端部に厚肉部を有する鋼管ではない場合であっても、当該鉛直鋼管柱１２５は本発明に係る鋼管柱に含まれる。
また、水平鋼管柱１２７に関しても、基部の部分すなわち鉛直鋼管柱１２５との接合部は作用応力が大きいため、板厚を厚くする。他方、基部から離れた部位では、作用応力は小さいが、溶接疲労強度等級の低い溶接部のみ肉厚にしている。
【００４８】
なお、鋼管柱構造物における軸方向に直交する溶接面を有する溶接継手部のどの部位の板厚を他の部位よりも肉厚にするかについては、鋼管柱構造物の用途、例えば鋼製煙突、橋梁主塔、風力発電用タワー、海洋構造物、建築系構造物、橋梁構造などによって作用する応力との関係で決定すればよい。
【符号の説明】
【００４９】
１ 鋼管柱構造物
１ａ 第１円形鋼管
１ｂ 第２円形鋼管
１ｋ 第１１円形鋼管
１ｒ 第１８円形鋼管
３ 基礎
５ 上厚肉部
７ 上テーパ部
９ 薄肉部
１１ 下テーパ部
１３ 下厚肉部
１５ 差厚鋼板
２１ 鋼管柱構造物
２１ａ 第１円形鋼管
２１ｂ 第２円形鋼管
２１ｃ 第３円形鋼管
２１ｓ 第１９円形鋼管
２１ｔ 第２０円形鋼管
２３ 上溶接継手部
２５ 上片テーパ部
２７ 薄肉部
２９ 下片テーパ部
３１ 下溶接継手部
３３ 差厚鋼板
４１ 鋼管柱構造物
４１ａ 第１八角形鋼管
４１ｂ 第２八角形鋼管
４３ 上部溶接継手部
４５ 上テーパ部
４７ 薄肉部
４９ 下テーパ部
５１ 下部溶接継手部
５３ 差厚鋼板
６１ 橋脚
６３ 橋桁
６５ 架台
６７ 差厚鋼板
６９ 上端溶接継手部
７１ 上テーパ部
７３ 薄肉部
７５ 下テーパ部
７７ 下端溶接継手部
８１ 橋脚
８３ 差厚鋼板
８５ 上端溶接継手部
８７ 上テーパ部
８９ 薄肉部
９１ 下テーパ部
９３ 下端溶接継手部
１０１ 橋脚
１０３ 差厚鋼板
１０５ 上端溶接継手部
１０７ 上テーパ部
１０９ 薄肉部
１１１ 下テーパ部
１１３ 下端溶接継手部
１１５ 海洋構造物
１１７ 脚部
１１９ 連結部
１２１ 海上タワー部
１２３ 鋼管柱構造物
１２２ 基礎
１２５ 鉛直鋼管柱
１２７ 水平鋼管柱
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼製煙突、橋梁主塔、風力発電用タワー、風力発電用支持構造物、海洋構造物、建築系構造物、橋梁構造などの鋼管柱構造物及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
断面が円形の鋼管柱構造物の例としては、例えば、鋼製煙突、風力発電用タワー、洋上風力発電基礎などが挙げられる。
このような鋼管柱構造物は、高さ方向の鋼管径に着目すると、鋼管径が一様なもの、高さ方向にテーパをつけて鋼管径を上方に行くにしたがって徐々に小さくするものに大別される。
また、鋼管の板厚については、通常は高さ方向で同じか、上方に行くにしたがって徐々に薄くなっているのが一般的であるが、周方向の板厚は同じである（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献１に開示された厚肉部を有する円形鋼管柱のように、鋼管径を上方に行くにしたがって徐々に小さくする共に、鋼管の板厚を下に行くに従って厚くなるように工夫したものもある。
さらに、特許文献２に開示された建築構造物用鋼製部材のように、例えば梁と柱の接合部のように作用応力が大きい部位に厚肉部を配置し、作用応力の小さい部位に薄肉部を配置するようにしたものもある。
【０００４】
鋼管柱構造物は、これを構成する鋼管が大径で厚肉となる。このような鋼管柱構造物の製造方法は、圧延鋼板から板巻きによって円形鋼管あるいは角型鋼管を製作する。製作された鋼管の高さは、圧延鋼板の幅である3〜5mであり、それを上方に順次積み重ねて溶接、ボルト等で接合することにより鋼管柱構造物が製造される。
円形鋼管の製作は、圧延方向（L方向）に曲率をつけて圧延鋼板を曲げて行われる。
【０００５】
鋼管径が10m規模のような大径の場合には、圧延鋼板１枚では円形鋼管を製作できない場合もあり、その場合は、圧延鋼板をつないで長い板にした後に、これを円環状に巻いて製作される。
【０００６】
また、断面が角型の角型鋼管（矩形の鋼管柱構造物）の場合には、鋼板を周方向に並べて接合することにより、矩形鋼管を製作し、この矩形鋼管を上に積み重ねて接合して製造するのが一般的である。
また、角型鋼管の製作は、プレス機の性能から決まり、高さ3〜15m程度の角型鋼管を順次積み重ねることになる。この場合は圧延鋼板の曲げ方向はどちらでもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２６４５３５
【特許文献２】特開平６−２８８０３３
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】塔状鋼構造設計指針・同解説（1980年）、日本建築学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の従来例の鋼管柱構造物は、主に耐震性を向上させる構造についての工夫である。
しかし、背の高い鋼管柱構造物では、耐震性よりも耐風性を向上させることがより重要となる。その場合の一般的な課題として、静的な課題では静的風荷重に関するもの、動的な課題として、渦励振、ガスト応答に関する課題がある。
このうち、渦励振は、カルマン渦に起因する振動であり、ある範囲の風速で生じ、揺れも限定的である。揺れの大きさが許容値よりも大きい場合には、対策として鋼管柱構造物の形状を変更するか、制振装置の設置により揺れを抑える方法が採用され、鋼管柱構造物を構成する本体部の板厚を増すことは不経済であるため実施されていない。
また、静的風荷重は、風速の２乗に比例するため、設計風速（供用期間の最大風速）において最大風荷重となる。ガスト応答は風速の変動による揺れであり、応答（揺れの量）は風速の２乗に比例することから、ガスト応答分は静的風荷重の増分として設計されている。
【００１０】
上記の説明は、風荷重を受ける一般的な構造物についての課題であるが、風力発電に用いられる風車を支持する鋼管柱の場合には、上記のような一般的な鋼管柱構造に加わる風荷重とは事情が異なる。
風車の場合、比較的風速の小さい領域（例えば25m/s以下）において多くの発電をするように羽根を傾けて風を受けるようにする。一方、高風速になると、発電機器が過負荷にならないようにするため、風を受け流す構造になっている。
【００１１】
この点を、図２４に基づいてより詳細に説明する。図２４は、風速と構造物に加わる風荷重との関係を示したグラフであり、縦軸が構造物に加わる風荷重を示し、横軸が風速を示している。また、図２４において、実線は風車支持構造の鋼管柱を示し、破線は一般的な従来の鋼管柱を示している。
図２４に示すように、風車の支持構造としての鋼管柱では、風速10〜25m/s付近の風荷重が高風速の風荷重と同等レベルとなる。この風速10〜25m/s付近の風速領域が生ずる頻度は高風速よりもはるかに多く、高頻度でこのような風荷重を受けることから、風車の支持構造では繰り返し外力による疲労が問題になる。
【００１２】
疲労においては、母材よりも溶接接合部の疲労強度が弱いため、繰り返し外力を受ける鋼管柱構造物では、鋼管柱構造物の軸と直交方向の溶接部の疲労が特に問題となる。このような溶接部の疲労の問題に対し、従来においては、疲労強度等級を高くするように溶接部止端仕上げによる方法、発生応力を減じるために溶接部付近の構造を改良する方法、あるいは鋼管柱構造物の板厚を厚くする方法が行われていた。
このような方法のうち、鋼管柱構造物の板厚を厚くする方法に関し、溶接部のみならず他の部分を含めた鋼管柱構造物全体の板厚を厚くすることが行われている。このため、鋼材使用量が多くなるという問題がある。つまり、溶接部のみならず他の部位の板厚を厚くすると、溶接部以外の部分は、応力上は余裕があるため、設計上は不経済となるのである。
【００１３】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、軸方向に直交する溶接面を有する場合において、合理的な設計が可能な鋼管柱構造物及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
（１）本発明に係る鋼管柱構造物は、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成されたことを特徴とするものである。
【００１５】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記鋼管における前記厚肉部の板厚と他の部位との板厚の差が４ｍｍ以下であり、かつ前記厚肉部と前記他の部位との間には板厚が徐々に変化する傾斜部が設けられ、該傾斜部における板厚勾配が１／１００以下に設定されていることを特徴とするものである。
【００１６】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記厚肉部の軸方向の長さが２ｍ以下に設定されていることを特徴とするものである。
【００１７】
（４）本発明に係る鋼管柱構造物の製造方法は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延直交方向の両端部が厚肉に形成された鋼板を環状に成形して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
（５）本発明に係る鋼管柱構造物の製造方法は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延方向の両端部が厚肉に形成された複数枚の鋼板を周方向に並べて隣り合う鋼板同士を溶接して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の鋼管柱構造物においては、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成されているので、溶接継手部以外の板厚を薄くすることにより、鋼材使用量を少なくした合理的な構造となり、安価な鋼管柱構造が提供可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【図２】図２は、図１に示した鋼管柱構造物を構成する円形鋼管の側面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係る鋼管柱構造物を構成する円形鋼管の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【図５】図５は、図４の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図６】図６は、図４に示した鋼管柱構造物を構成する円形鋼管の側面図である。
【図７】図７は、図６に示した円形鋼管の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態３に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【図９】図９は、図８の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図１０】図１０は、図８に示した鋼管柱構造物を構成する八角形鋼管の側面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示した八角形鋼管の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態４に係る鋼管柱構造物としての橋脚の説明図である。
【図１３】図１３は、図１２の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図１４】図１４は、図１２に示した橋脚の側面図である。
【図１５】図１５は、図１２に示した橋脚の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態５に係る鋼管柱構造物としての橋脚の説明図である。
【図１７】図１７は、図１６の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示した橋脚の側面図である。
【図１９】図１９は、図１６に示した橋脚の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態６に係る鋼管柱構造物としての橋脚の説明図である。
【図２１】図２１は、図２０の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図２２】図２２は、図２０に示した橋脚の側面図である。
【図２３】図２３は、図２０に示した橋脚の製造に使用する差厚鋼板の説明図である。
【図２４】図２４は、本発明の実施の形態１の作用を説明するための図であって、風荷重と風速との関係を示すグラフである。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態１の作用を説明するための図であって、鋼管柱構造物が風荷重を受けたときのモーメント分布を示す図である。
【図２６】図２６は、比較例としての従来例の鋼管柱の板厚と疲労強度との関係を説明する説明図である。
【図２７】図２７は、実施の形態１の鋼管柱の板厚と疲労強度との関係を説明する説明図である。
【図２８】図２８は、実施の形態７に係る海洋構造物の説明図である。
【図２９】図２９は、図２８における矢視Ａ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３０】図３０は、実施の形態８に係る鋼管柱構造物の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［実施の形態１］
本実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
本実施の形態の鋼管柱構造物１は、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱によって構成されるものである。
以下具体的に説明する。
【００２２】
本実施の形態では、鋼管柱構造物１の例として、上部に風車設備が設置されるタワーを例に挙げており、このようなタワーは風よって軸方向に直交する揺れが生じるため、軸方向に直交する溶接面の疲労強度が問題になる。
鋼管柱構造物１は、図１に示すように、１８個の円形鋼管（第１円形鋼管１ａ〜第１８円形鋼管１ｒ）を、基礎３の上に高さ方向に積み重ね、各円形鋼管の端部を突合せ溶接にて接合して形成している。図中の破線で示す部位が溶接面の位置であり、溶接面は鋼管柱構造物１の軸方向に直交している。
円形鋼管は、下から順に第１円形鋼管１ａ、第２円形鋼管１ｂ・・・、第１８円形鋼管１ｒとなっている。なお、簡略化のために、各円形鋼管における高さ方向には、鋼管径にテーパはつけていない。
【００２３】
図２は、第１円形鋼管１ａの側面を拡大して示す側面図である。第１円形鋼管１ａは、図２に示すように、上下方向で板厚が変化している。板厚が変化する部位は、上部から順に上厚肉部５（上溶接継手部）、上テーパ部７、薄肉部９、下テーパ部１１、下厚肉部１３となっている。なお、この例では、第１円形鋼管１ａの直径は6000mmである。
上厚肉部５及び下厚肉部１３（下溶接継手部）では疲労強度を高めるために、板厚を厚くして溶接部に発生する応力を低減させている。突合せ溶接の疲労強度等級はＤ等級であり、他方母材はＡ等級であるから、疲労強度のみを考えると、同じ繰返し回数でも溶接部では母材の２倍程度の応力が必要となる。換言すると、疲労強度だけで考えれば、母材部は溶接部の半分の板厚でよいことになる。そこで、本実施の形態においては溶接継手部の板厚を必要な板厚として、その他の部位をこの板厚よりも肉薄にすることで、鋼重を減らしている。
【００２４】
図２５は、図１に示す鋼管柱構造物１に風荷重が載荷した時のモーメント分布を説明する説明図であり、図２５（ａ）が鋼管柱構造物１と風との関係を示し、図２５（ｂ）がモーメント分布を示している。
図１に示す鋼管柱構造物１に風荷重が載荷した時のモーメント分布は、図２５（ｂ）に示すように、下側が大きく、上に行くほど小さい分布となる。
したがって、作用応力に応じて板厚を変化させる従来技術であれば、鋼管柱構造物として円形鋼管を想定した場合、同一径であれば基礎に近いほど板厚は厚くなる。すなわち、図１に示した単純な片持ち梁構造の鋼管柱構造を考えると、第１円形鋼管１ａの板厚が最も厚く、第２円形鋼管１ｂ、第３円形鋼管１ｃの順に板厚が徐々に薄くなってゆき、第１８円形鋼管１ｒで最も薄くなり、本発明の一実施の形態のように、各円形鋼管が、図２に示すように、上下方向で板厚が変化するのとは全く異なる。
【００２５】
ここで、溶接接合部の疲労強度と鋼管柱構造物１の板厚との関係について説明する。
図２６は高さ方向に板厚が同じ円形鋼管を積み重ねて接合した場合（比較例）の板厚（図２６（ａ））と、疲労強度（図２６（ｂ））との関係を示している。また、図２７は本実施の形態の鋼管柱構造物１についての板厚（図２７（ａ））と疲労強度（図２７（ｂ））との関係を示している。
【００２６】
複数の円形鋼管を高さ方向に溶接接合して製作された鋼管柱構造物の場合、各円形鋼管の板厚が同じであるとすると、図２６に示すように、疲労強度は溶接接合部で格段に低下する。通常の設計では、曲げモーメントに応じて断面を変化させて断面を決めるため下部側の円形鋼管の板厚が上部側の円形鋼管の板厚よりも厚なるが、その場合でも溶接部の付近では格段に疲労強度が低下することは明白である。
これに対して、本実施の形態の鋼管柱構造物では、各円形鋼管の溶接部の板厚を溶接部の疲労強度から決まる板厚で設計し、各円形鋼管の溶接部以外の部位については母材一般の疲労強度から決まる板厚で設計している（図２７（ａ）参照）ので、鋼管柱構造物全体として疲労強度が一定になり（図２７（ｂ）参照）、非常に合理的な設計となっている。
【００２７】
具体的には、上下の溶接継手部は厚肉（30mm）として必要な疲労強度を確保し、これに繋がる部位については肉厚を徐々に小さくするような上テーパ部７及び下テーパ部１１を設け、中間部を薄肉部９(肉厚：26mm)としている。上溶接継手部と肉薄部を繋ぐ部位に、上テーパ部７を設け、板厚が変化する部位において応力集中が発生しないように板厚が徐々に変化するようにしている。この点は、下溶接部と肉薄部を繋ぐ下テーパ部も同様である。
上テーパ部及び下テーパ部におけるテーパ面における板厚勾配は、応力集中が少なければ良く、設計の通例では、1/5の板厚勾配（板厚1mm減に対して長さが5mm以上）の緩やかさが好ましいとされているが、1/5の板厚勾配であってもまだ応力集中が発生するため、応力集中をなくして本発明の最大効果を発揮するためには、1/100（板厚1mm減に対して長さが100mm以上）以下の板厚勾配を設けるのが好ましい。
本例では、板厚勾配は1/100に設定している。
上下溶接継手部の肉厚が30mmで薄肉部の肉厚が26mmであり、板厚勾配が1/100であることから、上テーパ部及び下テーパ部の長さは400mmとなっている。
板厚勾配とは、板厚の変化量と該板厚が変化部位の板の長さとの関係を示すものである。例えば、板厚が変化する部位の板の長さが100mmで、変化する板厚が1mmの場合には、板厚勾配は1/100となる。この場合、板厚が変化する部位が片側テーパであっても両側テーパであってもその形状とは無関係で、板厚の変化量のみを考慮するものである。
【００２８】
本実施の形態の第１円形鋼管１ａにおいては、テーパ部は外面側及び内面側の両面に設けられている。このようにすることで、第１円形鋼管１ａにおける構造軸が板厚中央になり、設計上好ましいからである。もっとも、後述する実施の形態において示すように、テーパ面を外面側あるいは内面側のいずれか一方に設けるようにしてもよい。
【００２９】
また、溶接部近傍では、溶接仕上げの形状により応力集中が発生することから、溶接部付近では板厚が一定であることが望ましい。その意味で、上溶接継手部及び下溶接継手部は所定の長さを有することが好ましいが、この部位をあまり長くなると厚肉の部位が長くなりコストが高くなること、及び製作上の観点から上溶接継手部及び下溶接継手部の長さは２ｍ以下であることが望ましい。本例では上溶接継手部及び下溶接継手部の長さはそれぞれ0.5mに設定している。
【００３０】
＜製造方法＞
鋼管柱構造物１の製造方法の一例を、以下に示す。
図３は鋼管柱構造物１を構成する円形鋼管の製造方法を示したものであり、図３（ａ）は使用する差厚鋼板１５とその曲げ方向を説明する説明図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示した差厚鋼板１５の断面図である。
図３（ａ）において、矢印で示すＬ方向は圧延方向を示し、Ｃ方向は圧延直交方向を示している。
本実施の形態に使用する差厚鋼板１５は、図３に示すように、圧延直交方向（Ｃ方向）に板厚を変化させた鋼板（本明細書において「ＣＰ鋼板」という）である。
本実施の形態の円形鋼管は、図３に示すＣＰ鋼板をＬ方向にロール成形して円環状にして、端部を溶接することで製造する。このようにして製造された各円形鋼管を積み重ねて、上下の厚肉になった溶接継手部を突合せ溶接にて接合することで鋼管柱構造物１を製造する。
なお、ＣＰ鋼板でなくても、通常の鋼板から中央部を切削するなどで同じ板厚分布を有した鋼板を製作しても良い。
【００３１】
本実施の形態の鋼管柱構造物１においては、円形鋼管（第１円形鋼管１ａ〜第１８円形鋼管１ｒ）を、基礎３の上に高さ方向に積み重ね、円形鋼管の端部を突合せ溶接にて接合して形成するに際して、各円形鋼管の上下の溶接継手部の肉厚を厚肉にして、その他の部位をこれよりも肉薄にしているので、鋼重を低減でき、合理的な設計の鋼管柱構造物が実現されている。
【００３２】
［実施の形態２］
実施の形態２を図４〜図７に基づいて説明する。
本実施の形態の鋼管柱構造物２１は、実施の形態１と同様に、円形鋼管（第１円形鋼管２１ａ〜第２０円形鋼管１ｔ）を、基礎３の上に高さ方向に積み重ね、円形端部を突合せ溶接にて接合して形成されるものである。本実施の形態の鋼管柱構造物２１も、実施の形態１のものと同様に、繰り返し応力による疲労が問題となり、疲労強度の関係からこれにこの強度を確保するために所定の板厚が要求されるような鋼管柱構造物である。
【００３３】
本実施の形態の鋼管柱構造物２１が実施の形態１の鋼管柱構造物と異なる主な点は、実施の形態１においては円形鋼管における上テーパ部７及び下テーパ部１１を外面側及び内面側の両面に設けていたが、本実施の形態の鋼管柱構造物２１においては、図６、図７に示すように、テーパ部を円形鋼管の外面側にのみ設けた片テーパとした点である。なお、片テーパを設ける場合には、円形鋼管の内面側に設けるようにしてもよい。
円形鋼管２１ａにおける板厚が変化する部位は、図６に示すように、上溶接継手部２３、上片テーパ部２５、薄肉部２７、下片テーパ部２９、下溶接継手部３１となっている。
本実施の形態の円形鋼管の製造に使用する差厚鋼板３３は、図７に示すように、圧延直交方向（Ｃ方向）に板厚を変化させたＣＰ鋼板である。差厚鋼板３３は、その片面側にのみテーパ面が設けられている。
【００３４】
本実施の形態の鋼管柱構造物２１の具体的な寸法を示すと、鋼管径6000mm、鋼管柱構造物２１を構成する各円形鋼管の高さ4m、上溶接継手部２３及び下溶接継手部３１の板厚30mm、上溶接継手部２３及び下溶接継手部３１の長さ0.5ｍ、肉薄部２７の板厚25mm、上溶接継手部２３及び下溶接継手部３１と薄肉部２７との板厚の勾配は1/100としている。このような仕様にすることで、従来であれば、全ての板厚が30mm必要であったのを板厚の一部を薄肉にすることができ、鋼重は約10％低減されている。
【００３５】
［実施の形態３］
実施の形態３を図８〜図１１に基づいて説明する。
本実施の形態の鋼管柱構造物４１も、実施の形態１、２のものと同様に、繰り返し応力による疲労が問題となり、疲労強度の関係からこれにこの強度を確保するために所定の板厚が要求されるような鋼管柱構造物である。
本実施の形態の鋼管柱構造物４１は、八角形断面を持つ八角形鋼管４１ａ、４１ｂ・・を軸方向に積み重ねて突き合わせ溶接によって接合することで構築されている。
各八角形鋼管は、長さ16mの鋼板８枚を周方向に８枚並べて八角形を形成し、この８枚の鋼板の隣り合う部位を高さ方向（八角形鋼管の軸方向）に溶接することで製作される。このため、各八角形鋼管には軸方向に溶接線が８箇所できることになるが、この溶接線は鋼管柱構造物の軸に直交する部位なので疲労強度は問題にはならない。また、軸方向で板厚が変化する部位同士を溶接することになり、板厚の変化する部位で隙間が生ずることになるが、板厚の変化量が少ないので、溶接による肉盛りによって変化分を吸収できるので問題はない。
【００３６】
八角形鋼管を構成する鋼板は、図１１に示すように、圧延方向（L方向）に板厚が変化する差厚鋼板５３（LP鋼板（Longitudinally Profiled Steel Plate））を用いている。
ＬＰ鋼板における圧延方向長さ16mの板厚分布は、図１０に示すように、両端の上溶接継手部４３及び下溶接継手部５１は長さが1mで板厚が30mm、上テーパ部４５及び下テーパ部４９の長さが1m（板厚勾配1/200）、薄肉部の長さが12mで板厚が25mmとなっている。
これにより、従来の等厚だった断面よりも鋼重は約14％低減される。さらに、鋼管柱軸に直交する溶接箇所は、16m間隔となり、実施例１、従来技術よりも少なく、設計クリティカルとなる部位を減らすことができるため、好ましい設計と言える。
【００３７】
なお、上記の実施の形態１〜３においては、鋼管柱構造物１、２１、４１は高さ方向において管径が同一のものを示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば下部側の径を大きくして上部側に行くに従って管径が徐々に小さくなる態様や、高さ方向の途中において管径が変化する態様であってもよい。
【００３８】
［実施の形態４］
実施の形態４を図１２〜図１５に基づいて説明する。
本実施の形態４は、鋼管柱構造物を橋梁の橋脚６１に適用した例である。この例では、橋脚６１と橋桁６３が一体となったラーメン構造であり、橋脚６１に作用する曲げモーメントは、橋脚６１の上部、下部（地際部）で最大となる。橋脚６１の上端部は橋桁６３と溶接接合され、橋脚６１の下端部は架台と溶接接合される。橋脚の寸法は、高さ20mで矩形断面であり、矩形断面は、橋軸方向（図１２の矢印Ａ方向）が2mで橋軸直交方向が4mである（図１３参照）。２本の橋脚の間の距離は30mである。
本実施の形態の橋脚６１は、長さ20mの鋼板４枚を周方向に並べて矩形鋼管を形成し、この４枚の鋼板の隣り合う部位を溶接することで製作される。このため、橋脚には軸方向に溶接線が４箇所できることになるが、この溶接線は鋼管柱構造物の軸に直交する部位なので疲労強度は問題にはならない。
【００３９】
矩形鋼管を構成する鋼板は、図１５に示すように、圧延方向（L方向）に板厚が変化する差厚鋼板６７（LP鋼板）を用いている。
差厚鋼板６７における圧延方向長さ２０ｍの板厚分布は、図１４に示すように、両端の上端溶接継手部６９及び下端溶接継手部７７は長さが2mで板厚が30mm、上テーパ部７１及び下テーパ部７５の長さが1m（板厚勾配1/200）、薄肉部７３の長さが14mで板厚が25mmとなっている。
本実施の形態の橋脚６１は、板厚が等厚だった従来例よりも鋼重は約12％低減される。
【００４０】
［実施の形態５］
実施の形態５を図１６〜図１９に基づいて説明する。
本実施の形態５は、実施の形態４と同様に鋼管柱構造物を橋梁の橋脚に適用した例である。
本実施の形態の橋脚８１が実施の形態４の橋脚６１と異なる主な点は、実施の形態４においては橋脚６１を構成する差厚鋼板６７におけるテーパ部を、差厚鋼板６７の外面側及び内面側の両面に設けていたが、本実施の形態の差厚鋼板８３においては、図１８、図１９に示すように、テーパ部を鋼板の外面側にのみ設けている点である。
【００４１】
本実施の形態の橋脚８１の寸法を具体的に示すと、高さが20m、矩形断面における橋軸方向（図１６の矢印Ａ方向）が2mで橋軸直交方向が4mである。
差厚鋼板８３における圧延方向長さ20mの板厚分布は、図１８に示すように、両端の上端溶接継手部８５及び下端溶接継手部９３は長さが２ｍで板厚が30mm、上テーパ部８７及び下テーパ部９１の長さが1m（板厚勾配1/200）、薄肉部８９の長さが14mで板厚が25mmとなっている。
本実施の形態の橋脚８３は、板厚が等厚だった従来例よりも鋼重は約12％低減される。
【００４２】
［実施の形態６］
実施の形態６を図２０〜図２３に基づいて説明する。
本実施の形態６は、実施の形態４、５と同様に鋼管柱構造物を橋梁の橋脚に適用した例である。
本実施の形態の橋脚１０１は、高さ20m、直径2500mmの円形鋼管から構成されている。
円形鋼管は、図２３に示すような圧延方向（L方向）に板厚を変化させた差厚鋼管１０３を圧延直交方向（Ｃ方向）に曲げ加工して製作する。この場合、圧延直交方向の長さが7850mm（直径2500mmの円周長さ分）必要となるが、鋼板製造上の制約から１枚の鋼板で製作することができず、複数枚のＬＰ鋼板のＬ方向同士を合わせて溶接して１枚の鋼板として、この鋼板を曲げ加工することにより、円形鋼管を製作する。
【００４３】
本実施の形態６で用いた差厚鋼板１０３における圧延方向長さ20mの板厚分布は、図２２に示すように、両端の上端溶接継手部１０５及び下端溶接継手部１１３は長さが1mで板厚が25mm、上テーパ部１０７及び下テーパ部１１１の長さが3m（板厚勾配1/300）、薄肉部の長さが12mで板厚が15mmとなっている。
本実施の形態の橋脚１０１は、板厚が等厚だった従来例よりも鋼重は約３０％低減される。
【００４４】
［実施の形態７］
本実施の形態７を図２８、図２９に基づいて説明する。
本実施の形態７は本発明の鋼管柱構造物を海洋構造物１１５に適用したものである。
本実施の形態７の海洋構造物１１５は、図２８、図２９に示すように、海中に立設した３本の脚部１１７と、３本の脚部１１７の上端部を連結する連結部１１９と、連結部１１９材に立設された海上タワー部１２１を備えている。
３本の脚部１１７と海上タワー部１２１は、両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱（以下、「本発明係る鋼管柱」という）によって構成されている。
【００４５】
本発明の鋼管柱構造物は、本実施の形態の海洋構造物１１５に示されるように、本発明に係る鋼管柱を複数本用いたものであってもよいし、構造物の一部に連結部１１９を介在させて本発明に係る鋼管柱を結合したものであってもよい。つまり、本発明の鋼管柱構造物は、本発明に係る鋼管柱を構造部の一部として備えているものであればよい。
【００４６】
［実施の形態８］
本実施の形態８を、図３０に基づいて説明する。
本実施の形態８の鋼管柱構造物１２３は、基礎１２２（地面）に立設された鉛直鋼管柱１２５と、鉛直鋼管柱１２５の高さ方向の途中に水平方向に接合された水平鋼管柱１２７とを備えて構成されている。
鉛直鋼管柱１２５と水平鋼管柱１２７には、本発明に係る鋼管柱が適用されている。
鉛直鋼管柱１２５は、下端部を基礎１２２（地面）に固定した固定端とし、上部が自由端とする片持ち梁である。また、水平鋼管柱１２７も鉛直鋼管柱１２５との接続部を固定端と考えれば、片持ち梁とみなすことができる。
【００４７】
鉛直鋼管柱１２５における水平鋼管柱１２７との接合部は作用応力が大きくなることから、接続部近傍の板厚を厚くする。この場合、水平鋼管柱１２７との接合部に配置された円形又は矩形鋼管の板厚は溶接接合部よりも水平鋼管柱１２７との接続部が厚くなることもある。このように、他の部材との接合との関係で鉛直鋼管柱１２５を構成する一部の円形又は矩形鋼管の板厚が、両端部に厚肉部を有する鋼管ではない場合であっても、当該鉛直鋼管柱１２５は本発明に係る鋼管柱に含まれる。
また、水平鋼管柱１２７に関しても、基部の部分すなわち鉛直鋼管柱１２５との接合部は作用応力が大きいため、板厚を厚くする。他方、基部から離れた部位では、作用応力は小さいが、溶接疲労強度等級の低い溶接部のみ肉厚にしている。
【００４８】
なお、鋼管柱構造物における軸方向に直交する溶接面を有する溶接継手部のどの部位の板厚を他の部位よりも肉厚にするかについては、鋼管柱構造物の用途、例えば鋼製煙突、橋梁主塔、風力発電用タワー、海洋構造物、建築系構造物、橋梁構造などによって作用する応力との関係で決定すればよい。
【符号の説明】
【００４９】
１ 鋼管柱構造物
１ａ 第１円形鋼管
１ｂ 第２円形鋼管
１ｋ 第１１円形鋼管
１ｒ 第１８円形鋼管
３ 基礎
５ 上厚肉部
７ 上テーパ部
９ 薄肉部
１１ 下テーパ部
１３ 下厚肉部
１５ 差厚鋼板
２１ 鋼管柱構造物
２１ａ 第１円形鋼管
２１ｂ 第２円形鋼管
２１ｃ 第３円形鋼管
２１ｓ 第１９円形鋼管
２１ｔ 第２０円形鋼管
２３ 上溶接継手部
２５ 上片テーパ部
２７ 薄肉部
２９ 下片テーパ部
３１ 下溶接継手部
３３ 差厚鋼板
４１ 鋼管柱構造物
４１ａ 第１八角形鋼管
４１ｂ 第２八角形鋼管
４３ 上部溶接継手部
４５ 上テーパ部
４７ 薄肉部
４９ 下テーパ部
５１ 下部溶接継手部
５３ 差厚鋼板
６１ 橋脚
６３ 橋桁
６５ 架台
６７ 差厚鋼板
６９ 上端溶接継手部
７１ 上テーパ部
７３ 薄肉部
７５ 下テーパ部
７７ 下端溶接継手部
８１ 橋脚
８３ 差厚鋼板
８５ 上端溶接継手部
８７ 上テーパ部
８９ 薄肉部
９１ 下テーパ部
９３ 下端溶接継手部
１０１ 橋脚
１０３ 差厚鋼板
１０５ 上端溶接継手部
１０７ 上テーパ部
１０９ 薄肉部
１１１ 下テーパ部
１１３ 下端溶接継手部
１１５ 海洋構造物
１１７ 脚部
１１９ 連結部
１２１ 海上タワー部
１２３ 鋼管柱構造物
１２２ 基礎
１２５ 鉛直鋼管柱
１２７ 水平鋼管柱
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱を構造物の一部として備えてなることを特徴とする鋼管柱構造物。
【請求項２】
前記鋼管における前記厚肉部の板厚と他の部位との板厚の差が４ｍｍ以下であり、かつ前記厚肉部と前記他の部位との間には板厚が徐々に変化する傾斜部が設けられ、該傾斜部における板厚勾配が１／１００以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載の鋼管柱構造物。
【請求項３】
前記厚肉部の軸方向の長さが２ｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼管柱構造物。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延直交方向の両端部が厚肉に形成された鋼板を環状に成形して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とする鋼管柱構造物の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延方向の両端部が厚肉に形成された複数枚の鋼板を周方向に並べて隣り合う鋼板同士を溶接して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とする鋼管柱構造物の製造方法。
【請求項１】
両端部に厚肉部を有する複数の鋼管を管軸方向に積み重ねて前記厚肉部を溶接接合して形成された鋼管柱を構造物の一部として備えてなることを特徴とする鋼管柱構造物。
【請求項２】
前記鋼管における前記厚肉部の板厚と他の部位との板厚の差が４ｍｍ以下であり、かつ前記厚肉部と前記他の部位との間には板厚が徐々に変化する傾斜部が設けられ、該傾斜部における板厚勾配が１／１００以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載の鋼管柱構造物。
【請求項３】
前記厚肉部の軸方向の長さが２ｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の鋼管柱構造物。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延直交方向の両端部が厚肉に形成された鋼板を環状に成形して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とする鋼管柱構造物の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼管柱構造物の製造方法であって、圧延方向の両端部が厚肉に形成された複数枚の鋼板を周方向に並べて隣り合う鋼板同士を溶接して鋼管を製作する鋼管製作工程と、製作された鋼管を積み重ねて溶接接合する鋼管接合工程を備えたことを特徴とする鋼管柱構造物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図２１】
【図２２】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３】
【図７】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図１６】
【図１９】
【図２０】
【図２３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１３】
【図１４】
【図１７】
【図１８】
【図２１】
【図２２】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３】
【図７】
【図１１】
【図１２】
【図１５】
【図１６】
【図１９】
【図２０】
【図２３】
【公開番号】特開２０１３−６８０７０（Ｐ２０１３−６８０７０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８９７６３（Ｐ２０１２−１８９７６３）
【出願日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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