異径鋼管の接合構造

【課題】外管に内管を所定の長さだけ挿入し、外管と内管との隙間にグラウトを充填して二重管構造とした部分の接合に好適な接合構造を提供する。
【解決手段】シアキーを用いずに外管が支えている上部構造物などの重量をグラウトから内管に効率良く伝達させるように、二重管領域における外管１の内径または内管２の外径のいずれかを管軸方向に変化させ、グラウトにかかるせん断力の一部を内管２の径方向に作用させる。外管１に内管２が所定の長さだけ挿入され、外管１と内管２がグラウトを介して接合された二重管領域において、外管１の内径は管軸方向に一定で、内管２の外径は挿入した先端部に向かって漸次縮径し、または外管１の内径は端部に向かって漸次拡径し、内管２の外径は挿入した先端部に向かって管軸方向に一定とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸心を一致させて径の異なる鋼管同士をグラウトを介した二重管構造で接合する接合構造に関し、鋼管を塔本体とする塔状構造物基部において塔本体を外管とし、鋼管杭を内管として二重管構造となる部分の接合構造として好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管を主な構造部材とする構造物には、石油掘削用リグ、桟橋、風力発電設備があり、鋼管の接合構造には様々なものが用いられている。
【０００３】
鋼管の接合構造を特許文献１では、従来の技術の説明において、１．突き合わせ溶接、２．ボルト接合、３．二重管構造、４．ねじ方式、５．いんろう方式、６．テーパ方式に分類しているがいずれも径寸法が同じ鋼管同士の接合構造である。
【０００４】
一方、径寸法の異なる鋼管同士の場合、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す接合構造があり、モノパイル式洋上風力発電機（図９に概要構造を示す）などに用いられている。
【０００５】
モノパイル式洋上風力発電機の場合、接合部１１は上部構造９側を外管１、下部構造１０側を内管２とする、グラウト３（コンクリート等）を介した図８（ｂ）に示す二重管構造とするのが一般的で、図８（ａ）、（ｃ）のように、鉄筋などを内管２や、内管２と外管１の両方に溶接したシアキー４（せん断力伝達部材）を設けることも多い。
【０００６】
シアキー４（せん断力伝達部材）により、外管１と内管２の間のせん断力はグラウト３に効率良く伝達され、上部構造９の総重量は確実に内管２で支えられる。
【０００７】
図８（ｂ）に示す接合部の場合は、図８（ａ）、（ｃ）のように、シアキー（せん断力伝達部材）４が無いため、グラウト３と鋼管の表面との付着が切れるとグラウト３にはせん断力が有効に作用せず、上部構造９の総重量を支える外管１は重力で落下する。
【０００８】
また、特許文献１では管の内側を向く内向きフランジを形成した第１の中空管の端部に、第１の中空管より小径で、管の外側を向く外向きフランジを形成した第２の中空管を挿入し、両フランジ間に硬化剤を充填する中空管の接合構造を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−３３９９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図８（ａ）（ｃ）に示すシアキー４を取り付けた構造では、シアキー４の近傍の応力集中により作用応力が高くなるため、シアキー近傍でグラウト３が破壊する可能性がある。
【００１１】
グラウト３がシアキー近傍で破壊すると、局所的な破壊であっても応力が再分配されるため、局所的な破壊にとどまらず全体的な破壊へと進展し、最終的に、シアキー４があっても外管１が上部構造の総重量を支えられず、下方に落下する。
【００１２】
特許文献１記載の中空管の接合構造の場合は、第１の中空管に取り付けた内向きフランジの内側に、第２の中空管に取り付けた外向きフランジが挿入されるようにフランジの寸法を管理して製作したり、取り付ける作業が必要で、現地において接合部を組み立てる際の施工管理も容易でない。
【００１３】
そこで本発明は、シアキーを用いない簡単な構造で、外管の重力による落下防止が可能で、モノパイル式洋上風力発電機などの基部構造に好適な接合構造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】
本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．鋼管径の異なる鋼管同士を軸心を一致させて接合する異径鋼管の接合構造であって、第１の鋼管内に第２の鋼管が所定の長さだけ挿入され、第１の鋼管と第２の鋼管がグラウトを介して接合された二重管領域において、前記グラウトの管軸方向の断面が略楔状となるように前記第１の鋼管の内径または前記第２の鋼管の外径を管軸方向に漸次変化させたことを特徴とする異径鋼管の接合構造。
２．鋼管径の異なる鋼管同士を軸心を一致させて接合する異径鋼管の接合構造であって、第１の鋼管内に第２の鋼管が所定の長さだけ挿入され、第１の鋼管と第２の鋼管がグラウトを介して接合された二重管領域において、前記第１の鋼管の内径は管軸方向に一定で、前記第２の鋼管の外径は挿入した先端部に向かって漸次縮径していることを特徴とする異径鋼管の接合構造。
３．前記二重管領域における、第２の鋼管の内径が外径に沿って漸次縮径していることを特徴とする２記載の異径鋼管の接合構造。
４．前記二重管領域における、第２の鋼管の内径は管軸方向に一定であることを特徴とする２記載の異径鋼管の接合構造。
５．鋼管径の異なる鋼管同士を軸心を一致させて接合する異径鋼管の接合構造であって、第１の鋼管内に第２の鋼管が所定の長さだけ挿入され、第１の鋼管と第２の鋼管がグラウトを介して接合された二重管領域において、前記第１の鋼管の内径は端部に向かって漸次拡径し、前記第２の鋼管の外径は挿入した先端部に向かって管軸方向に一定であることを特徴とする異径鋼管の接合構造。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、異径の鋼管同士を接合する際、二重管領域における外管の内径または内管の外径のいずれかを管軸方向に変化させるので、シアキーを取り付けたり、外管や内管にフランジを取り付けることなく簡単な構造で外管と内管の隙間に充填されたグラウトが拘束されて安全性が格段に向上し、産業上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る異径鋼管の接合構造を説明する図で軸方向に軸心で切断した軸方向断面図。
【図２】図１に示した異径鋼管の接合構造における、内管の円錐台状の先端部の外観図。
【図３】本発明に係る外管と内管の接合構造の原理を説明する図で、（ａ）は外管が内管の鉛直方向の上方にある接合構造、（ｂ）は（ａ）のＡ部におけるグラウトの楔効果を説明する図。
【図４】本発明の他の実施例に係る異径鋼管の接合構造を説明する図。
【図５】内管の円錐台状の先端部をＬＰ鋼板で製造した場合の外観図。
【図６】本発明の他の実施例に係る異径鋼管の接合構造を説明する図。
【図７】（ａ）は二重管領域における外管の内径と内管の外径が一定で、グラウトが充填される空隙が管軸方向に変化しない場合の接合構造を示し（従来例）、（ｂ）は（ａ）の場合のせん断力によるグラウトの変形を説明する図。
【図８】径寸法の異なる鋼管同士をグラウトを介して接合する接合構造の例を示し、（ａ）はシアキーを内管に取り付けた場合、（ｂ）はシアキーを取り付けない場合、（ｃ）はシアキーを内管と外管に取り付けた場合を示す図。
【図９】モノパイル式洋上風力発電機の概要構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明はシアキーを用いずに外管が支えている上部構造物などの重量をグラウトから内管に効率良く伝達させるため、グラウトの管軸方向断面が略楔状になるように二重管領域における外管の内径または内管の外径のいずれかを管軸方向に変化させることを特徴とする。以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例に係る異径鋼管の接合構造を説明する図で軸方向に軸心で切断した軸方向断面図を示す。図において１は外管、２は内管、２ａは内管２の先端部、３はグラウト、５は外管１の内部に内管２が挿入され、外管と内管の間にはグラウト３が充填されて二重管となっている領域を示す。
【００１９】
外管１と内管２は、外管１の中に軸心を揃えて内管２が所定の長さだけ挿入されている。外管１の中に内管２が挿入されて二重管となっている領域５で、外管１と内管２はグラウト３を介して接合されている。グラウト３は、所望する接合強度が得られるように、領域５内の充填量を適宜調整する。
【００２０】
図示した接合構造の場合、領域５における外管１の内径は管軸方向に一定で、内管２の外径は挿入した部分の先端に向かって漸次縮径し、グラウト３は管軸方向の断面形状が略楔状になって充填している。図２に、内管２の外径が先端に向かって漸次縮径する、円錐台状の先端部２ａの一例を外観図で示す。内管２の内径は外径に沿って漸次縮径している。
【００２１】
図３は、本発明に係る外管１と内管２の接合構造の原理を説明する図で、（ａ）は外管１が内管２の鉛直方向の上方にある接合構造、（ｂ）は（ａ）のＡ部におけるグラウト３の楔効果を説明する図を示す。
【００２２】
外管１の自重及び外管１が支持する荷重によるせん断力（矢印ａで方向を示す）によりグラウト３にはせん断ひずみγ（矢印ｂ間）が発生する。せん断力（矢印ａで方向を示す）によるグラウト３の変形は弾性変形なので、せん断ひずみγ（矢印ｂ間）による体積変形分Ｃが発生しようとするが外管１により阻止され、楔効果が発生する。
【００２３】
グラウト３は内管２の先端部２ａと外管１との間で管軸方向の断面形状が略楔状となって拘束されているため、外管１と内管２の空隙が狭くなる鉛直方向の下方において、体積変形分ｃに応じた力で外管１が外に向かって押される、押し込み力に対する抵抗力、即ち楔効果としての抵抗力が得られ、外管１の落下が防止される。グラウト３が充填される空隙の傾斜により、楔効果が発生し、シアキーを用いた場合のような局所的な応力集中を生ずることなく確実に力を伝達できる接合構造が得られる。
【００２４】
尚、二重管領域における外管１の内径と内管２の外径が一定で、グラウト３が充填される空隙が管軸方向に変化しない場合（図７（ａ））、せん断力ａによりグラウト３にはせん断ひずみγが発生するが、グラウト３は内管２、外管１の距離を変えることなく変形する（図７（ｂ））。この場合、内管２、外管１とグラウト３の接合は鋼とコンクリート間の付着力にのみ依存する。
【００２５】
図４は本発明の他の実施例に係る異径鋼管の接合構造を説明する、軸方向に軸心で切断した軸方向断面図を示す。二重管領域における、内管２の外径は挿入した部分の先端に向かって漸次縮径し、内管２の内径は管軸方向に一定である場合を示す。
【００２６】
図５に図４に示した内管２の先端部２ａの外観図を示す。板厚が圧延方向に変化するＬＰ鋼板（ＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌｙＰｒｏｆｉｌｅｄＰｌａｔｅ、テーパ鋼板とも言う）６を用いて製造可能である。
【００２７】
以上の説明では、グラウト３の管軸方向の断面形状を二重管領域の内管側が先細となる略楔状としたが、図６に示すように、二重管領域の外管側を先細とする略楔状としても良い。二重管領域の内管２の外径を一定とし、外管１の内径を端部に向かって漸次拡径する場合で、外管１の二重管領域をＬＰ鋼板（ＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｌｙＰｒｏｆｉｌｅｄＰｌａｔｅ、テーパ鋼板とも言う）６とすることで製造可能である。
【００２８】
本発明に係る異径鋼管の接合構造をモノパイル式洋上風力発電機の塔状構造物基部における上部構造（外管に相当）と鋼管杭（内管に相当）からなる下部構造の接合構造に適用すると、上部構造が重量により落下することが防止でき、安全性が格段に向上する。
【符号の説明】
【００２９】
１外管
２内管
３グラウト
４シアキー
５領域
６ＬＰ鋼板部
７せん断力
Ｃ体積変形分
９上部構造
１０下部構造
１１接合部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管径の異なる鋼管同士を軸心を一致させて接合する異径鋼管の接合構造であって、第１の鋼管内に第２の鋼管が所定の長さだけ挿入され、第１の鋼管と第２の鋼管がグラウトを介して接合された二重管領域において、前記グラウトの管軸方向の断面が略楔状となるように前記第１の鋼管の内径または前記第２の鋼管の外径を管軸方向に漸次変化させたことを特徴とする異径鋼管の接合構造。
【請求項２】
鋼管径の異なる鋼管同士を軸心を一致させて接合する異径鋼管の接合構造であって、第１の鋼管内に第２の鋼管が所定の長さだけ挿入され、第１の鋼管と第２の鋼管がグラウトを介して接合された二重管領域において、前記第１の鋼管の内径は管軸方向に一定で、前記第２の鋼管の外径は挿入した先端部に向かって漸次縮径していることを特徴とする異径鋼管の接合構造。
【請求項３】
前記二重管領域における、第２の鋼管の内径が外径に沿って漸次縮径していることを特徴とする請求項２記載の異径鋼管の接合構造。
【請求項４】
前記二重管領域における、第２の鋼管の内径は管軸方向に一定であることを特徴とする請求項２記載の異径鋼管の接合構造。
【請求項５】
鋼管径の異なる鋼管同士を軸心を一致させて接合する異径鋼管の接合構造であって、第１の鋼管内に第２の鋼管が所定の長さだけ挿入され、第１の鋼管と第２の鋼管がグラウトを介して接合された二重管領域において、前記第１の鋼管の内径は端部に向かって漸次拡径し、前記第２の鋼管の外径は挿入した先端部に向かって管軸方向に一定であることを特徴とする異径鋼管の接合構造。

【図２】