継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法及び鋼管矢板の製造方法
【課題】外径が１０００ｍｍ以上の鋼管本体に機械式継手を溶接して鋼管杭又は鋼管矢板を製造する際に、溶接による機械式継手の変形を軽減し、継手嵌合不良を防止することができる継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法及び鋼管杭の製造方法を提供する。
【解決手段】外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上の鋼管本体の端部に機械式継手を溶接する際に、先ず、鋼管本体の中心軸に対する最大角度θが（９７４００／Ｄ）°以下となる間隔で仮付け溶接した後、本溶接を行う。その際、少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することが好ましい。
【解決手段】外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上の鋼管本体の端部に機械式継手を溶接する際に、先ず、鋼管本体の中心軸に対する最大角度θが（９７４００／Ｄ）°以下となる間隔で仮付け溶接した後、本溶接を行う。その際、少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管本体に機械式継手を溶接して鋼管杭又は鋼管矢板とする継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法及び鋼管矢板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤改善、安定化のために用いられる鋼管杭及び鋼管矢板は、例えば、空港整備の場合には適用域が広範囲にわたる。そのため、広幅化及び高耐力化が要求され、鋼管本体が大径化する。また、深度が５０ｍ以上になる場合もあり、搬送上、施工上の問題から鋼管杭及び鋼管矢板は上下に分割されて施工される。地盤条件によっては、鋼管杭及び鋼管矢板が上中下に分割されることもある。
【０００３】
鋼管杭及び鋼管矢板の上下方向の結合は、アーク溶接に代表される溶接継手により、行われてきたが、近年では施工の簡易化、迅速化、溶接などの特殊技能を必要としない観点から機械式継手が検討されるようになっている。なお、以下の説明においては、例えば、ねじ式の機械式継手、ボックス継手、ピン継手等、鋼管杭及び鋼管矢板を機械的に締結する継手を総称して機械式継手という。
【０００４】
機械式継手は、鋼管本体の端部を直接加工して形成することも可能な場合もあるが、大径及び／又は長尺の鋼管杭及び鋼管矢板では、端部の機械加工が困難であるため、別途、製造した機械式継手を鋼管本体に溶接することが一般的である。このように機械式継手を鋼管本体に溶接する際には、溶接熱変形及び溶接残留応力によって変形が生じ、特に端部の真円度が低下するという問題点がある。
【０００５】
前述した鋼管杭用の機械式継手を溶接する際の変形を解決する方法としては、ねじ式の機械式継手において、ねじの嵌合不良を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、特許文献１に記載された地すべり抑止杭用ねじ継手では、肩部を異径並行ねじの間にのみ配置し、継手部外径を管が異径と実質上等しくしている。また、ねじ式の機械式継手よりも簡便に鋼管杭を締結できる機械式継手も提案されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。特許文献２に記載された杭では、ボックス継手材の内周面に凸部を、ピン継手材の外周面に凹部を夫々形成し、この凹部に凸部を嵌合させることにより、ボックス継手材とピン継手材とを相互に結合している。また、特許文献３に記載されている機械継手では、ピン継手材及びボックス継手材にキー溝を設けておき、これらの継手材を嵌め合わせた後このキー溝にキーを挿入することで継手としての耐力を維持している。
【０００６】
一方、鋼管矢板では、鋼管本体の側面に矢板部を溶接するため、鋼管本体が溶接変形により鼓状になるという問題点もある。そこで、この矢板部を鋼管本体の側面に溶接する際の鋼管本体の変形を防止するため、鋼管本体の内部に歪み付与部材を装入し、予め鋼管本体に歪を与えておく方法（例えば、特許文献４参照。）、鋼管本体を内面から冷却しながら溶接する方法（例えば、特許文献５参照。）、鋼管本体の残留応力に応じて、継手に荷重を負荷した状態で溶接する方法（例えば、特許文献６参照）等が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２１８２７０号公報
【特許文献２】特開２００４−３４６６６０号公報
【特許文献３】特開２００５−４８５８３号公報
【特許文献４】特開昭５３−１４６２３８号公報
【特許文献５】特開平４−２８４９７０号公報
【特許文献６】特開平４−３０９４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述の従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、鋼管本体の外径が大きくなると、溶接による変形も大きくなるが、特許文献１に提案されている段付きの平行ねじによる締結方法では、鋼管本体が大径の場合、ねじの嵌合が困難になるという問題点がある。同様に、特許文献２及び３に記載の技術も、鋼管本体の外径が大きくなると、機械式継手を鋼管本体に溶接する際に、溶接熱変形及び溶接残留応力による変形が生じるという問題点がある。特に、ボックス継手とピン継手とを嵌合させる機械式継手の場合は、変形が大きくなるとピンをボックスに挿入できなくなったり、挿入できてもキーが嵌らなくなったりすることが現場施工で起こることがある。このような現場での嵌合不良に伴う作業中断は、著しい総コストアップを招くため、是非とも解決しなければならない課題の１つとなっている。
【０００９】
更に、特許文献４〜６に記載の技術は、鋼管本体に継手を溶接する際に生じる変形を防止するための方法ではあるが、これらの方法は矢板部となる継手を鋼管本体の長手方向に溶接する際の変形を軽減、防止又は矯正することを目的としたものであるため、鋼管本体の端部に周方向に溶接される機械式継手の変形を防止することはできない。このため、特許文献４〜６に記載の技術は、矢板溶接による変形は防止できるが、大径管に溶接した際の機械式継手の変形は防止できず、優れた継手締結性は得られないという問題点がある。
【００１０】
本発明は、上述した問題点に鑑みてさなれたものであって、外径が１０００ｍｍ以上の鋼管本体に機械式継手を溶接して鋼管杭又は鋼管矢板を製造する際に、溶接による機械式継手の変形を軽減し、継手嵌合不良を防止することができる継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法及び鋼管杭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】
【００１１】
本願発明に係る継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法は、鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管杭の製造方法であって、前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（１）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする。
【００１２】
【数１】
【００１３】
また、この継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法では、少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することが好ましい。
【００１４】
更に、前記機械式継手は、例えば、互いに嵌合可能な構造を有するボックス継手又はピン継手であってもよい。
【００１５】
本発明に係る継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法は、鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管矢板の製造方法であって、前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が上記数式（１）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする。
【００１６】
また、この継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法は、少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することが好ましい。
【００１７】
この継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法では、前記機械式継手を、互いに嵌合可能な構造を有するボックス継手又はピン継手とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、鋼管本体に機械式継手を溶接する際の仮付け間隔を適正化しているため、鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上であっても、溶接による機械式継手の変形を抑制することができるため、製造された鋼管杭又は鋼管矢板同士を機械式継手を介して上下に連結する際に、嵌合不良の発生を防止でき、優れた締結性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の継手締結性に優れた鋼管杭又は鋼管矢板の製造方法は、鋼管本体の外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上である鋼管杭又は鋼管矢板を製造する工程において、鋼管本体に機械式継手を溶接する際の仮付け間隔を特定することにより、継手変形の防止を図ったものである。
【００２０】
本発明が対象としているような鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上である鋼管杭及び鋼管矢板には、通常、スパイラル鋼管又はＵＯＥ鋼管が用いられる。なお、ＵＯＥ鋼管とは、厚板を特殊なプレス機でＵ字状とした後、Ｏ字状に整形して、接合部をアーク溶接した後、内側からエキスパンダーで拡張（Ｅ）して所定の寸法に仕上げた鋼管である。また、その鋼管本体の母材としては、鋼管矢板にはＳＫＹ４９０等が、より肉厚の鋼管杭にはＳＭ４９０及びＳＭ５９０等が用いられる。
【００２１】
一方、鋼管杭同士又は鋼管矢板同士を長手方向に結合するための機械式継手に使用される素管は、鍛造で製造されることが多く、鋼管杭又は鋼管矢板の鋼管本体に比べて高強度の熱処理材が用いられている。このような機械式継手は、機械加工された後、鋼管杭又は鋼管矢板の端部に溶接によって接合される。その際の溶接の種類は、サブマージアーク溶接、半自動溶接、又は手動のアーク溶接が採用されることが多い。また、サブマージアーク溶接及び半自動溶接の場合は、内面から一層、外面から一層ずつ、手動のアーク溶接の場合は、多層盛りとされることが多い。
【００２２】
ここで、一例として、サブマージアーク溶接により、機械式継手を鋼管本体の端部に溶接する方法について説明する。先ず、機械加工により、鋼管本体及び機械式継手の接合面に開先を形成する。その際、サブマージアーク溶接を内面及び外面から一層ずつ行う場合は、開先の形状としてＸ開先を採用することが好ましい。次に、鋼管本体と機械式継手のルート面とを合わせて、仮付け溶接を行う。なお、仮付け溶接は、外面から、手動のアーク溶接で行われることが多い。その後、全周にシールド溶接を行い、内面及び外面からサブマージアーク溶接による本溶接を行う。これにより、機械式継手が鋼管本体の端部に溶接され、鋼管矢板又は鋼管杭が完成する。
【００２３】
上述した鋼管杭又は鋼管矢板の製造工程において、鋼管杭又は鋼管矢板における鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上になると、溶接変形による影響が大きくなり、嵌合不良の頻度も増す。また、本願発明者の検討により、鋼管本体の外面に矢板部を溶接する際に、鋼管本体が楕円になると同時に真円度が悪化すると、鋼管端部の平面度も悪化するため、機械式継手の溶接変形が助長されることが判明した。
【００２４】
更に、この製造方法で完成した鋼管矢板で嵌合試験を行ったところ、特許文献２に記載されているようなボックス継手材とピン継手材とを相互に結合する機械継手の場合、鋼管本体に溶接する前には嵌合できていたにもかかわらず溶接後には継手のピンをボックスに挿入できないものがあり、また、特許文献３に記載されているようなキーを挿入するタイプの継手では、溶接後にキー溝にキーが挿入できなくなるものが散見されるようになった。更にまた、外径が１０００ｍｍ以上の鋼管本体にねじ式の機械式継手を溶接すると、溶接変形が生じた場合、平行ねじは著しい締め付けトルク上昇を招き、テーパーねじは所定の締結完了位置まで継手が嵌合できないことがわかった。
【００２５】
そこで、本願発明者は上述したような機械継手の嵌合不良の直接的原因を究明すべく、外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体に溶接した後の機械式継手の真円度及び平面度について調査した。図１（ａ）は真円度を求める方法を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は平面度を求める方法を模式的に示す図である。図１（ａ）に示すように、真円度は、機械式継手１の内径の最大値（最大内径ｒｍａｘ）と、最小値（最小内径ｒｍｉｎ）との差（ｒｍａｘ−ｒｍｉｎ）から求めた。その際、機械式継手１の内径は、マイクロメーター方式の内測ゲージで測定した。また、図１（ｂ）に示すように、平面度は、機械式継手１の端面を平滑定盤２に押し当て、隙間ゲージにより、機械式継手１の端面のたわみ量、即ち、機械式継手１の端面と平滑定盤２の表面との間の間隙ｘを測定し、その値を平面度とした。
【００２６】
図２は横軸に真円度をとり、縦軸に平面度をとって、機械式継手の真円度と平面度との関係を示すグラフ図である。図２に示すように、機械式継手の真円度と平面度とは概ね正の比例関係にあり、サンプル間のばらつきは、真円度で最大１２ｍｍ、平面度で最大２ｍｍあることがわかった。嵌合試験結果を照合すると、真円度が６ｍｍよりも大きくなると、ピンをボックスに挿入できないピン・ボックス挿入不良が生じることがわかった。また、ピンをボックスに挿入できたサンプルのうち、平面度が１ｍｍよりも大きいものは、機械式継手へのキーの挿入ができなくなった。このように鋼管本体に溶接すると、機械式継手の真円度及び平面度が劣化し、嵌合不良を招くことが明らかになった。
【００２７】
次に、本願発明者は、真円度及び平面度をばらつかせる要因を明らかにするために、ＦＥＡ（Finite ElementAnalysis：有限要素解析）による感受性解析を試みた。図３は外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体を有する鋼管矢板に機械式継手を溶接した時のＦＥＡモデルの一例を示す図であり、図４はその機械式継手１２と鋼管本体１１との接合部１６の拡大図である。この図３及び図４に示すモデルを用いて、鋼管本体１３の外面に矢板部１４が設けられ、内部に十字形リブ１５が設けられた鋼管矢板１１の端部に、機械式継手１２を、周方向位置に複数箇所仮付けした後、周方向に移動させながら内面及び外面の順にそれぞれ一層ずつ溶接することを想定し、非定常熱伝導解析及び応力解析を行った。その際、影響因子として、仮付け溶接部の間隔、鋼管本体１３の真円度及び平面度、本溶接開始位置、矢板部１４の有無、並びに十字形リブ１５の有無等について検討した。なお、機械式継手１２の真円度及び平面度と同様に、鋼管本体１３の真円度及び平面度も、鋼管本体１３の端部の形状により評価することができる。
【００２８】
これらの要因を個別に解析した結果、仮付け溶接部の間隔が機械式継手１２の真円度及び平面度に最も大きく影響を与えており、その他の要因の影響度合いは小さいことがわかった。図５は横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に９０°ずつずらして４箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。図５に示すように、機械式継手の真円度及び平面度には、共に仮付け溶接部を節として１波長分のサインカーブが存在し、真円度分布と平面度分布は同期することがわかった。更に発生時期を分析すると仮付け溶接の終了時に最終分布に近い状態にあることが判明した。
【００２９】
以上の解析結果から、真円度及び平面度の変位におけるサインカーブの周期を短くすると、その振幅が小さくなることが想定されるため、仮付け溶接部の点数を増やし、隣り合う仮付け溶接部間の間隔を変化させて、同様の解析を行った。図６は横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に６０°ずつずらして６箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。図６に示すように、鋼管本体の中心軸に対して垂直の断面において、隣り合う２つの仮付け溶接部と鋼管本体の中心軸がなす最大角度（以下、仮付け間隔という。）θが６０゜である場合は、仮付け間隔θが９０゜であるときに比べて、真円度及び平面度ともに優れていた。
【００３０】
図７は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度及び平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の真円度及び平面度との関係を示すグラフ図である。図７に示すように、真円度及び平面度は、共に仮付け間隔θが９０゜を下回ると急減に減少し始める。一方、仮付け間隔θを４０゜以下にまで密にしても、効果はそれほど大きくならない。また、仮付け間隔θが０゜とはＦＥＡ解析上の理想的な状態を意味しており、仮付けを行わずに本溶接を始めること、又は、シールド溶接のように周方向に連続的に溶接することを意味するが、実溶接においては重量が大きい機械式継手を固定するための大がかりな固定冶具が必要となり、実用的ではない。これらの結果から、本願発明者は、コスト対効果を考えると、仮付け間隔θを３０〜６０゜とし、等間隔で、周方向に１２点〜６点の仮付けを行うことが最も好適であることを見出した。
【００３１】
以上の知見をもとに、外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体に対して、仮付け間隔θを３０゜〜１２０゜まで変化させて機械式継手を実際に溶接し、溶接後の機械式継手の真円度及び平面度を測定すると共に、それらの嵌合試験を行った。図８は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度をとって、仮付け間隔と機械式継手の真円度との関係を示すグラフ図であり、図９は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の平面度との関係を示すグラフ図である。その結果、図８及び図９に示すように、ＦＥＡによる予測通り、仮付け間隔θの増加に従い、機械式継手の真円度及び平面度はいずれも劣化し、９０゜以上の仮付け間隔では嵌合不良サンプルが現れ始めた。これに対して、仮付け間隔θが６０゜以下の場合は、全本とも良好に嵌合することができ、継手締結性が優れていた。
【００３２】
次に、本願発明者は、鋼管本体の外径（以下、単に管外径ともいう。）の影響について調査することとした。図８及び図９に示すように、外径が１６００ｍｍである鋼管本体に機械式継手を溶接する場合、仮付け間隔θが６０゜以下であれば、安定的に嵌合が可能なことがわかっており、機械式継手の平面度のＦＥＡによる予測値は約０．４ｍｍである。従って、機械式継手の平面度が０．４ｍｍであれば、安定的な嵌合が可能であると考えられる。
【００３３】
以上の考察に基づき、種々の外径の鋼管本体に機械式継手を溶接した場合を想定し、機械式継手の平面度の予測値が０．４ｍｍとなる仮付け間隔をＦＥＡによって求めた。図１０は横軸に管外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、管外径Ｄと限界仮付け間隔との関係をＦＥＡにより予測した結果を示すグラフ図である。更に、図１０に示した鋼管本体の外径Ｄに関するサイズ依存性を実証するため、外径Ｄが８００〜２０００ｍｍの鋼管本体に対して仮付け間隔を変化させて、嵌合不良が起こる限界の仮付け間隔を求めた。その際、３本の試験を行い、１本以上のサンプルにピン・ボックスの挿入不良、又はキー溝へのキー挿入不良が起こった場合を嵌合不良と定義した。図１１は横軸に鋼管本体の外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、鋼管本体の外径Ｄと限界仮付け間隔との関係を実験により確認した結果を示すグラフ図である。
【００３４】
図１０及び図１１に示すように、外径Ｄが１０００ｍｍ以上の鋼管本体に対しては、ＦＥＡの予測限界（θ＝９７４００／Ｄ）よりも仮付け間隔θが狭いものでは、嵌合不良が生じることはなかった。一方、外径が８００ｍｍの鋼管本体に対しては、ＦＥＡの予測限界（θ＝９７４００／Ｄ）よりも仮付け間隔θが広いものでも嵌合不良は起こさず、仮付け間隔θが１８０°となるように対向する２個所を仮付けした場合であっても嵌合することができた。これらの結果から、本願発明者は、溶接変形という問題を解決するという本発明の効果が得られる範囲は、鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上の場合であることを見出した。なお、図１０及び図１１に示すように、鋼管本体の外径Ｄが２０００ｍｍの場合でも同様の効果が得られる。
【００３５】
次に、本願発明者は仮付け時における鋼管本体の楕円の方向及びルート間隙と仮付け開始の周方向位置との関係に注目し、検討を行った。特に、鋼管矢板の場合、矢板部を鋼管本体の側面に溶接（矢板溶接）すると、鋼管本体の断面が楕円状に変形し、矢板溶接を行った位置が楕円の長径方向となる。このような鋼管本体の真円度の劣化をできるだけ抑えるために、従来は矢板溶接後に鋼管本体をプレス矯正するか、又は鋼管端部近傍に十字形のリブを設置する等して、特に、鋼管本体の端部の真円度及び平面度の劣化を防止してきた。しかしながら、鋼管本体が大径になると、特に、矢板溶接による鋼管本体の変形を抑制して造管ままの形状を維持させるには、さらなるコストと時間を要する。このため、鋼管本体の矢板溶接による変形をある程度許容した状態で機械式継手を周溶接する必要がある。
【００３６】
矢板溶接によって鋼管本体は鼓状に変形するため、断面が楕円に変形し、特に、端面では長径位置で、機械式継手を溶接する際の溶接開先のルート面に隙間が生じる。この矢板溶接による鋼管本体の変形は、プレス矯正後も残存し、周溶接後は継手端面の平面度に反映されることがわかった。
【００３７】
図１２は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け位置が機械式継手の平面度に及ぼす効果を示すグラフ図である。図１２に示す値は、外径１６００ｍｍの鋼管本体に対し、任意の位置を仮付け溶接した場合、及び少なくとも長径位置となる２点を仮付け溶接した場合について、それぞれの３本ずつ試験を行い、その平均値である。図１２に示すように、いずれの仮付け間隔においても、長径位置に仮付け点を置いた方が平面度が向上していた。
【００３８】
次に、本願発明者は、機械式継手のうち、ねじ式の機械式継手について検討を行った。図１３は横軸に管外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、ねじ式機械式継手を溶接した場合の管外径Ｄと仮付け間隔θとの関係を示すグラフ図である。なお、図１３に示すデータにおいては、人力によりねじが所定の位置まで締結できなかった場合を嵌合不良としている。図１３に示すように、ねじ式機械式継手を溶接した場合においても、ＦＥＡの予測限界（θ＝９７４００／Ｄ）よりも仮付け間隔θが小さいもの、即ち、鋼管本体の中心軸に対して（９７４００／Ｄ）°以下の間隔で仮付け溶接したものは、いずれも良好に嵌合することができ、継手締結性が優れていた。
【００３９】
本発明は上述した各知見に基づいてなされたものであり、外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上の鋼管本体の端部に、機械式溶接継手を溶接して鋼管杭又は鋼管矢板を製造する場合に、先ず、鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（２）で規定される範囲となる間隔で、即ち、仮付け間隔θを下記数式（２）で規定される範囲内として、周方向に複数個所仮付け溶接し、その後、本溶接を行う。
【００４０】
【数２】
【００４１】
このとき、仮付け間隔θが（９７４００／Ｄ）°よりも大きい場合、接合後の機械式溶接継手に変形が生じ、鋼管杭又は鋼管矢板同士を結合する際に、継手の嵌合不良が発生する。一方、本発明の鋼管杭の製造方法又は鋼管矢板の製造方法では、鋼管本体に溶接する際の機械式継手の変形を抑制することができるため、一方の鋼管本体の端部に溶接された機械式継手と、他方の鋼管本体の端部に接合された機械式継手との締結性が向上し、鋼管杭又は鋼管矢板同士を良好に連結することができる。従って、本発明によれば、継手締結性が優れた鋼管杭又は鋼管矢板を製造することができる。
【００４２】
また、本発明の鋼管杭の製造方法又は鋼管矢板の製造方法においては、少なくとも、鋼管本体の長径が延びる方向に対向する２箇所を仮付け溶接することが好ましい。これにより、機械式継手の変形が抑制されて平面度が増し、継手締結性をより向上させることができる。
【００４３】
更に、鋼管本体に溶接される機械式継手としては、例えば、互いに嵌合可能な構造を有するボックス継手とピン継手とが挙げられる。本発明の鋼管杭の製造方法又は鋼管矢板の製造方法は、鋼管本体に溶接する際の機械式継手の変形を抑制することができるため、一方の鋼管本体の端部に溶接されたピン継手を、他方の鋼管本体の端部に接合されたボックス継手に良好に嵌合することができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、機械式継手を等間隔で仮付け溶接した場合を例にして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、仮付け間隔θが（９７４００／Ｄ）°以下の範囲であれば、等間隔に仮付けしていなくても同様の効果が得られる。
【実施例１】
【００４５】
以下、本発明の実施例及び本発明の範囲から外れる比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。先ず、本発明の第１実施例として、鋼管本体の外径Ｄが１０００〜２０００ｍｍであるＪＩＳ Ａ ５５３０ ＳＫＹ４９０の鋼管矢板の端部に、ＪＩＳ Ｇ３２２１ ＳＦＣＭ８８０Ｒの機械式継手を本発明の範囲内の条件で仮付け溶接した後、サブマージアーク溶接により本溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。その際、仮付け溶接は、等間隔で、外面から手動のアーク溶接で行った。また、本溶接は、仮付け溶接の後、全周にシールド溶接を行い、内面及び外面からサブマージアーク溶接を行った。更に、評価は、それぞれ３本を同じ条件で行い、機械式継手の真円度及び平面度はその平均値をとり、継手締結性は、嵌合の可否で評価し、３本全てが嵌合できたものを良好とした。一方、比較例として、仮付け溶接及び本溶接の条件は前述の実施例と同様とし、仮付け溶接の数を減らして機械式継手を溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。以上の結果を下記表１及び表２に示す。なお、下記表１及び表２に示す仮付け間隔θ（°）は、鋼管本体の中心軸と隣り合う仮付け溶接部とがなす角度の最大値であり、限界仮付け間隔は、鋼管本体の外径Ｄ（ｍｍ）に基づき求めた値（＝９７４００／Ｄ）である。
【００４６】
【表１】
【００４７】
【表２】
【００４８】
上記表１に示すように、仮付け間隔θが限界仮付け間隔（９７４００／Ｄ）°以下である実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２３の鋼管矢板は、いずれも継手同士を正常に嵌合することができた。これに対して、上記表２に示すように、仮付け間隔θが限界仮付け間隔（９７４００／Ｄ）°を超えている比較例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１７の鋼管矢板は、真円度及び平面度が劣化しており、ボックスへのピンの挿入、及び挿入後の荷重伝達キーの挿入ができないといった嵌合不良が生じた。
【実施例２】
【００４９】
次に、本発明の第２実施例として、鋼管本体の外径が１０００〜１６００ｍｍであるＪＩＳ Ｇ ３１０６ ＳＭ４９０鋼からなる鋼管杭に、ＨＴ７８０鋼からなるねじ式継手を、本発明の範囲内の条件で仮付け溶接した後、炭酸ガスアーク溶接で本溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。その際、仮付け溶接は、等間隔で、外面から手動のアーク溶接で行った。また、本溶接は、全周にシールド溶接を行い、内面及び外面から炭酸ガスアーク溶接して行った。更に、評価は前述の実施例１と同様に、３本ずつ行った。一方、比較例として、仮付け溶接及び本溶接の条件は前述の実施例と同様とし、仮付け溶接の数を減らして機械式継手を溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。以上の結果を下記表３にまとめて示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
上記表３に示すように、本発明の範囲内で溶接した実施例Ｎｏ．２４〜Ｎｏ．２９の鋼管杭は、ねじ継手を人力により嵌合することができた。これに対して、仮付け間隔θが限界仮付け間隔（９７４００／Ｄ）°を超えている比較例Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．２０の鋼管矢板は、継手の真円度及び平面度が劣化しており、ねじ継手を人力で嵌合することはできなかった。
【実施例３】
【００５２】
次に、本発明の第３実施例として、鋼管本体の外径が１６００ｍｍであるＪＩＳ Ａ ５５３０ ＳＫＹ４９０の鋼管矢板にＪＩＳ Ｇ３２２１ ＳＦＣＭ８８０Ｒの機械式継手を、サブマージアーク溶接により、仮付け溶接の位置を変えて円周溶接し、機械式継手の平面度及び継手締結性について評価した。なお、仮付け溶接及び本溶接の条件、並びに評価方法は、前述した実施例１と同様にした。以上の結果を下記表４に示す。
【００５３】
【表４】
【００５４】
上記表４に示すように、実施例Ｎｏ．３０〜Ｎｏ．３５の鋼管矢板は、いずれも仮付け間隔θが限界仮付け間隔９７４００／Ｄ以下であるが、実施例Ｎｏ．３０〜Ｎｏ．３２の鋼管矢板は鋼管本体の長径位置を仮付け溶接したものであり、実施例Ｎｏ．３３〜Ｎｏ．３５の鋼管矢板は、長径位置を仮付け溶接していないものである。また、実施例Ｎｏ．３０の鋼管矢板とＮｏ．３３の鋼管矢板、実施例Ｎｏ．３１の鋼管矢板とＮｏ．３４の鋼管矢板、実施例Ｎｏ．３２の鋼管矢板とＮｏ．３５の鋼管矢板は、夫々同一サイズ、同一溶接条件下における周溶接であるが、いずれの条件においても鋼管本体の長径位置を仮付け溶接したものの方が、それ以外の位置を仮付け溶接したものよりも平面度が向上していた。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）は真円度を求める方法を模式的に示す図であり、（ｂ）は平面度を求める方法を模式的に示す図である。
【図２】横軸に真円度をとり、縦軸に平面度をとって、機械式継手の真円度と平面度との関係を示すグラフ図である。
【図３】外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体を有する鋼管矢板に機械式継手を溶接した時のＦＥＡモデルの一例を示す図である。
【図４】図３に示すＦＥＡモデルにおける機械式継手１２と鋼管本体１３との接合部１６を示す拡大図である。
【図５】横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に９０°ずつずらして４箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。
【図６】横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に６０°ずつずらして６箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。
【図７】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度及び平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の真円度及び平面度との関係を示すグラフ図である。
【図８】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の真円度との関係を示すグラフ図である。
【図９】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の平面度との関係を示すグラフ図である。
【図１０】横軸に鋼管本体の外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、鋼管本体の外径Ｄと限界仮付け間隔との関係をＦＥＡにより予測した結果を示すグラフ図である。
【図１１】横軸に鋼管本体の外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、鋼管本体の外径Ｄと限界仮付け間隔との関係を実験により確認した結果を示すグラフ図である。
【図１２】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け位置が機械式継手の平面度に及ぼす効果を示すグラフ図である。
【図１３】横軸に管外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、ねじ式機械式継手を溶接した場合の管外径Ｄと仮付け間隔θとの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１２ 機械式継手
２ 平滑定盤
１１ 鋼管矢板
１３ 鋼管本体
１４ 矢板部
１５ 十字形リブ
１６ 接合部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼管本体に機械式継手を溶接して鋼管杭又は鋼管矢板とする継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法及び鋼管矢板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤改善、安定化のために用いられる鋼管杭及び鋼管矢板は、例えば、空港整備の場合には適用域が広範囲にわたる。そのため、広幅化及び高耐力化が要求され、鋼管本体が大径化する。また、深度が５０ｍ以上になる場合もあり、搬送上、施工上の問題から鋼管杭及び鋼管矢板は上下に分割されて施工される。地盤条件によっては、鋼管杭及び鋼管矢板が上中下に分割されることもある。
【０００３】
鋼管杭及び鋼管矢板の上下方向の結合は、アーク溶接に代表される溶接継手により、行われてきたが、近年では施工の簡易化、迅速化、溶接などの特殊技能を必要としない観点から機械式継手が検討されるようになっている。なお、以下の説明においては、例えば、ねじ式の機械式継手、ボックス継手、ピン継手等、鋼管杭及び鋼管矢板を機械的に締結する継手を総称して機械式継手という。
【０００４】
機械式継手は、鋼管本体の端部を直接加工して形成することも可能な場合もあるが、大径及び／又は長尺の鋼管杭及び鋼管矢板では、端部の機械加工が困難であるため、別途、製造した機械式継手を鋼管本体に溶接することが一般的である。このように機械式継手を鋼管本体に溶接する際には、溶接熱変形及び溶接残留応力によって変形が生じ、特に端部の真円度が低下するという問題点がある。
【０００５】
前述した鋼管杭用の機械式継手を溶接する際の変形を解決する方法としては、ねじ式の機械式継手において、ねじの嵌合不良を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、特許文献１に記載された地すべり抑止杭用ねじ継手では、肩部を異径並行ねじの間にのみ配置し、継手部外径を管が異径と実質上等しくしている。また、ねじ式の機械式継手よりも簡便に鋼管杭を締結できる機械式継手も提案されている（例えば、特許文献２及び３参照。）。特許文献２に記載された杭では、ボックス継手材の内周面に凸部を、ピン継手材の外周面に凹部を夫々形成し、この凹部に凸部を嵌合させることにより、ボックス継手材とピン継手材とを相互に結合している。また、特許文献３に記載されている機械継手では、ピン継手材及びボックス継手材にキー溝を設けておき、これらの継手材を嵌め合わせた後このキー溝にキーを挿入することで継手としての耐力を維持している。
【０００６】
一方、鋼管矢板では、鋼管本体の側面に矢板部を溶接するため、鋼管本体が溶接変形により鼓状になるという問題点もある。そこで、この矢板部を鋼管本体の側面に溶接する際の鋼管本体の変形を防止するため、鋼管本体の内部に歪み付与部材を装入し、予め鋼管本体に歪を与えておく方法（例えば、特許文献４参照。）、鋼管本体を内面から冷却しながら溶接する方法（例えば、特許文献５参照。）、鋼管本体の残留応力に応じて、継手に荷重を負荷した状態で溶接する方法（例えば、特許文献６参照）等が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２１８２７０号公報
【特許文献２】特開２００４−３４６６６０号公報
【特許文献３】特開２００５−４８５８３号公報
【特許文献４】特開昭５３−１４６２３８号公報
【特許文献５】特開平４−２８４９７０号公報
【特許文献６】特開平４−３０９４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述の従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、鋼管本体の外径が大きくなると、溶接による変形も大きくなるが、特許文献１に提案されている段付きの平行ねじによる締結方法では、鋼管本体が大径の場合、ねじの嵌合が困難になるという問題点がある。同様に、特許文献２及び３に記載の技術も、鋼管本体の外径が大きくなると、機械式継手を鋼管本体に溶接する際に、溶接熱変形及び溶接残留応力による変形が生じるという問題点がある。特に、ボックス継手とピン継手とを嵌合させる機械式継手の場合は、変形が大きくなるとピンをボックスに挿入できなくなったり、挿入できてもキーが嵌らなくなったりすることが現場施工で起こることがある。このような現場での嵌合不良に伴う作業中断は、著しい総コストアップを招くため、是非とも解決しなければならない課題の１つとなっている。
【０００９】
更に、特許文献４〜６に記載の技術は、鋼管本体に継手を溶接する際に生じる変形を防止するための方法ではあるが、これらの方法は矢板部となる継手を鋼管本体の長手方向に溶接する際の変形を軽減、防止又は矯正することを目的としたものであるため、鋼管本体の端部に周方向に溶接される機械式継手の変形を防止することはできない。このため、特許文献４〜６に記載の技術は、矢板溶接による変形は防止できるが、大径管に溶接した際の機械式継手の変形は防止できず、優れた継手締結性は得られないという問題点がある。
【００１０】
本発明は、上述した問題点に鑑みてさなれたものであって、外径が１０００ｍｍ以上の鋼管本体に機械式継手を溶接して鋼管杭又は鋼管矢板を製造する際に、溶接による機械式継手の変形を軽減し、継手嵌合不良を防止することができる継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法及び鋼管杭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】
【００１１】
本願発明に係る継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法は、鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管杭の製造方法であって、前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（１）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする。
【００１２】
【数１】
【００１３】
また、この継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法では、少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することが好ましい。
【００１４】
更に、前記機械式継手は、例えば、互いに嵌合可能な構造を有するボックス継手又はピン継手であってもよい。
【００１５】
本発明に係る継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法は、鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管矢板の製造方法であって、前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が上記数式（１）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする。
【００１６】
また、この継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法は、少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することが好ましい。
【００１７】
この継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法では、前記機械式継手を、互いに嵌合可能な構造を有するボックス継手又はピン継手とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、鋼管本体に機械式継手を溶接する際の仮付け間隔を適正化しているため、鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上であっても、溶接による機械式継手の変形を抑制することができるため、製造された鋼管杭又は鋼管矢板同士を機械式継手を介して上下に連結する際に、嵌合不良の発生を防止でき、優れた締結性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。本発明の継手締結性に優れた鋼管杭又は鋼管矢板の製造方法は、鋼管本体の外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上である鋼管杭又は鋼管矢板を製造する工程において、鋼管本体に機械式継手を溶接する際の仮付け間隔を特定することにより、継手変形の防止を図ったものである。
【００２０】
本発明が対象としているような鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上である鋼管杭及び鋼管矢板には、通常、スパイラル鋼管又はＵＯＥ鋼管が用いられる。なお、ＵＯＥ鋼管とは、厚板を特殊なプレス機でＵ字状とした後、Ｏ字状に整形して、接合部をアーク溶接した後、内側からエキスパンダーで拡張（Ｅ）して所定の寸法に仕上げた鋼管である。また、その鋼管本体の母材としては、鋼管矢板にはＳＫＹ４９０等が、より肉厚の鋼管杭にはＳＭ４９０及びＳＭ５９０等が用いられる。
【００２１】
一方、鋼管杭同士又は鋼管矢板同士を長手方向に結合するための機械式継手に使用される素管は、鍛造で製造されることが多く、鋼管杭又は鋼管矢板の鋼管本体に比べて高強度の熱処理材が用いられている。このような機械式継手は、機械加工された後、鋼管杭又は鋼管矢板の端部に溶接によって接合される。その際の溶接の種類は、サブマージアーク溶接、半自動溶接、又は手動のアーク溶接が採用されることが多い。また、サブマージアーク溶接及び半自動溶接の場合は、内面から一層、外面から一層ずつ、手動のアーク溶接の場合は、多層盛りとされることが多い。
【００２２】
ここで、一例として、サブマージアーク溶接により、機械式継手を鋼管本体の端部に溶接する方法について説明する。先ず、機械加工により、鋼管本体及び機械式継手の接合面に開先を形成する。その際、サブマージアーク溶接を内面及び外面から一層ずつ行う場合は、開先の形状としてＸ開先を採用することが好ましい。次に、鋼管本体と機械式継手のルート面とを合わせて、仮付け溶接を行う。なお、仮付け溶接は、外面から、手動のアーク溶接で行われることが多い。その後、全周にシールド溶接を行い、内面及び外面からサブマージアーク溶接による本溶接を行う。これにより、機械式継手が鋼管本体の端部に溶接され、鋼管矢板又は鋼管杭が完成する。
【００２３】
上述した鋼管杭又は鋼管矢板の製造工程において、鋼管杭又は鋼管矢板における鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上になると、溶接変形による影響が大きくなり、嵌合不良の頻度も増す。また、本願発明者の検討により、鋼管本体の外面に矢板部を溶接する際に、鋼管本体が楕円になると同時に真円度が悪化すると、鋼管端部の平面度も悪化するため、機械式継手の溶接変形が助長されることが判明した。
【００２４】
更に、この製造方法で完成した鋼管矢板で嵌合試験を行ったところ、特許文献２に記載されているようなボックス継手材とピン継手材とを相互に結合する機械継手の場合、鋼管本体に溶接する前には嵌合できていたにもかかわらず溶接後には継手のピンをボックスに挿入できないものがあり、また、特許文献３に記載されているようなキーを挿入するタイプの継手では、溶接後にキー溝にキーが挿入できなくなるものが散見されるようになった。更にまた、外径が１０００ｍｍ以上の鋼管本体にねじ式の機械式継手を溶接すると、溶接変形が生じた場合、平行ねじは著しい締め付けトルク上昇を招き、テーパーねじは所定の締結完了位置まで継手が嵌合できないことがわかった。
【００２５】
そこで、本願発明者は上述したような機械継手の嵌合不良の直接的原因を究明すべく、外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体に溶接した後の機械式継手の真円度及び平面度について調査した。図１（ａ）は真円度を求める方法を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は平面度を求める方法を模式的に示す図である。図１（ａ）に示すように、真円度は、機械式継手１の内径の最大値（最大内径ｒｍａｘ）と、最小値（最小内径ｒｍｉｎ）との差（ｒｍａｘ−ｒｍｉｎ）から求めた。その際、機械式継手１の内径は、マイクロメーター方式の内測ゲージで測定した。また、図１（ｂ）に示すように、平面度は、機械式継手１の端面を平滑定盤２に押し当て、隙間ゲージにより、機械式継手１の端面のたわみ量、即ち、機械式継手１の端面と平滑定盤２の表面との間の間隙ｘを測定し、その値を平面度とした。
【００２６】
図２は横軸に真円度をとり、縦軸に平面度をとって、機械式継手の真円度と平面度との関係を示すグラフ図である。図２に示すように、機械式継手の真円度と平面度とは概ね正の比例関係にあり、サンプル間のばらつきは、真円度で最大１２ｍｍ、平面度で最大２ｍｍあることがわかった。嵌合試験結果を照合すると、真円度が６ｍｍよりも大きくなると、ピンをボックスに挿入できないピン・ボックス挿入不良が生じることがわかった。また、ピンをボックスに挿入できたサンプルのうち、平面度が１ｍｍよりも大きいものは、機械式継手へのキーの挿入ができなくなった。このように鋼管本体に溶接すると、機械式継手の真円度及び平面度が劣化し、嵌合不良を招くことが明らかになった。
【００２７】
次に、本願発明者は、真円度及び平面度をばらつかせる要因を明らかにするために、ＦＥＡ（Finite ElementAnalysis：有限要素解析）による感受性解析を試みた。図３は外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体を有する鋼管矢板に機械式継手を溶接した時のＦＥＡモデルの一例を示す図であり、図４はその機械式継手１２と鋼管本体１１との接合部１６の拡大図である。この図３及び図４に示すモデルを用いて、鋼管本体１３の外面に矢板部１４が設けられ、内部に十字形リブ１５が設けられた鋼管矢板１１の端部に、機械式継手１２を、周方向位置に複数箇所仮付けした後、周方向に移動させながら内面及び外面の順にそれぞれ一層ずつ溶接することを想定し、非定常熱伝導解析及び応力解析を行った。その際、影響因子として、仮付け溶接部の間隔、鋼管本体１３の真円度及び平面度、本溶接開始位置、矢板部１４の有無、並びに十字形リブ１５の有無等について検討した。なお、機械式継手１２の真円度及び平面度と同様に、鋼管本体１３の真円度及び平面度も、鋼管本体１３の端部の形状により評価することができる。
【００２８】
これらの要因を個別に解析した結果、仮付け溶接部の間隔が機械式継手１２の真円度及び平面度に最も大きく影響を与えており、その他の要因の影響度合いは小さいことがわかった。図５は横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に９０°ずつずらして４箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。図５に示すように、機械式継手の真円度及び平面度には、共に仮付け溶接部を節として１波長分のサインカーブが存在し、真円度分布と平面度分布は同期することがわかった。更に発生時期を分析すると仮付け溶接の終了時に最終分布に近い状態にあることが判明した。
【００２９】
以上の解析結果から、真円度及び平面度の変位におけるサインカーブの周期を短くすると、その振幅が小さくなることが想定されるため、仮付け溶接部の点数を増やし、隣り合う仮付け溶接部間の間隔を変化させて、同様の解析を行った。図６は横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に６０°ずつずらして６箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。図６に示すように、鋼管本体の中心軸に対して垂直の断面において、隣り合う２つの仮付け溶接部と鋼管本体の中心軸がなす最大角度（以下、仮付け間隔という。）θが６０゜である場合は、仮付け間隔θが９０゜であるときに比べて、真円度及び平面度ともに優れていた。
【００３０】
図７は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度及び平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の真円度及び平面度との関係を示すグラフ図である。図７に示すように、真円度及び平面度は、共に仮付け間隔θが９０゜を下回ると急減に減少し始める。一方、仮付け間隔θを４０゜以下にまで密にしても、効果はそれほど大きくならない。また、仮付け間隔θが０゜とはＦＥＡ解析上の理想的な状態を意味しており、仮付けを行わずに本溶接を始めること、又は、シールド溶接のように周方向に連続的に溶接することを意味するが、実溶接においては重量が大きい機械式継手を固定するための大がかりな固定冶具が必要となり、実用的ではない。これらの結果から、本願発明者は、コスト対効果を考えると、仮付け間隔θを３０〜６０゜とし、等間隔で、周方向に１２点〜６点の仮付けを行うことが最も好適であることを見出した。
【００３１】
以上の知見をもとに、外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体に対して、仮付け間隔θを３０゜〜１２０゜まで変化させて機械式継手を実際に溶接し、溶接後の機械式継手の真円度及び平面度を測定すると共に、それらの嵌合試験を行った。図８は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度をとって、仮付け間隔と機械式継手の真円度との関係を示すグラフ図であり、図９は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の平面度との関係を示すグラフ図である。その結果、図８及び図９に示すように、ＦＥＡによる予測通り、仮付け間隔θの増加に従い、機械式継手の真円度及び平面度はいずれも劣化し、９０゜以上の仮付け間隔では嵌合不良サンプルが現れ始めた。これに対して、仮付け間隔θが６０゜以下の場合は、全本とも良好に嵌合することができ、継手締結性が優れていた。
【００３２】
次に、本願発明者は、鋼管本体の外径（以下、単に管外径ともいう。）の影響について調査することとした。図８及び図９に示すように、外径が１６００ｍｍである鋼管本体に機械式継手を溶接する場合、仮付け間隔θが６０゜以下であれば、安定的に嵌合が可能なことがわかっており、機械式継手の平面度のＦＥＡによる予測値は約０．４ｍｍである。従って、機械式継手の平面度が０．４ｍｍであれば、安定的な嵌合が可能であると考えられる。
【００３３】
以上の考察に基づき、種々の外径の鋼管本体に機械式継手を溶接した場合を想定し、機械式継手の平面度の予測値が０．４ｍｍとなる仮付け間隔をＦＥＡによって求めた。図１０は横軸に管外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、管外径Ｄと限界仮付け間隔との関係をＦＥＡにより予測した結果を示すグラフ図である。更に、図１０に示した鋼管本体の外径Ｄに関するサイズ依存性を実証するため、外径Ｄが８００〜２０００ｍｍの鋼管本体に対して仮付け間隔を変化させて、嵌合不良が起こる限界の仮付け間隔を求めた。その際、３本の試験を行い、１本以上のサンプルにピン・ボックスの挿入不良、又はキー溝へのキー挿入不良が起こった場合を嵌合不良と定義した。図１１は横軸に鋼管本体の外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、鋼管本体の外径Ｄと限界仮付け間隔との関係を実験により確認した結果を示すグラフ図である。
【００３４】
図１０及び図１１に示すように、外径Ｄが１０００ｍｍ以上の鋼管本体に対しては、ＦＥＡの予測限界（θ＝９７４００／Ｄ）よりも仮付け間隔θが狭いものでは、嵌合不良が生じることはなかった。一方、外径が８００ｍｍの鋼管本体に対しては、ＦＥＡの予測限界（θ＝９７４００／Ｄ）よりも仮付け間隔θが広いものでも嵌合不良は起こさず、仮付け間隔θが１８０°となるように対向する２個所を仮付けした場合であっても嵌合することができた。これらの結果から、本願発明者は、溶接変形という問題を解決するという本発明の効果が得られる範囲は、鋼管本体の外径が１０００ｍｍ以上の場合であることを見出した。なお、図１０及び図１１に示すように、鋼管本体の外径Ｄが２０００ｍｍの場合でも同様の効果が得られる。
【００３５】
次に、本願発明者は仮付け時における鋼管本体の楕円の方向及びルート間隙と仮付け開始の周方向位置との関係に注目し、検討を行った。特に、鋼管矢板の場合、矢板部を鋼管本体の側面に溶接（矢板溶接）すると、鋼管本体の断面が楕円状に変形し、矢板溶接を行った位置が楕円の長径方向となる。このような鋼管本体の真円度の劣化をできるだけ抑えるために、従来は矢板溶接後に鋼管本体をプレス矯正するか、又は鋼管端部近傍に十字形のリブを設置する等して、特に、鋼管本体の端部の真円度及び平面度の劣化を防止してきた。しかしながら、鋼管本体が大径になると、特に、矢板溶接による鋼管本体の変形を抑制して造管ままの形状を維持させるには、さらなるコストと時間を要する。このため、鋼管本体の矢板溶接による変形をある程度許容した状態で機械式継手を周溶接する必要がある。
【００３６】
矢板溶接によって鋼管本体は鼓状に変形するため、断面が楕円に変形し、特に、端面では長径位置で、機械式継手を溶接する際の溶接開先のルート面に隙間が生じる。この矢板溶接による鋼管本体の変形は、プレス矯正後も残存し、周溶接後は継手端面の平面度に反映されることがわかった。
【００３７】
図１２は横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け位置が機械式継手の平面度に及ぼす効果を示すグラフ図である。図１２に示す値は、外径１６００ｍｍの鋼管本体に対し、任意の位置を仮付け溶接した場合、及び少なくとも長径位置となる２点を仮付け溶接した場合について、それぞれの３本ずつ試験を行い、その平均値である。図１２に示すように、いずれの仮付け間隔においても、長径位置に仮付け点を置いた方が平面度が向上していた。
【００３８】
次に、本願発明者は、機械式継手のうち、ねじ式の機械式継手について検討を行った。図１３は横軸に管外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、ねじ式機械式継手を溶接した場合の管外径Ｄと仮付け間隔θとの関係を示すグラフ図である。なお、図１３に示すデータにおいては、人力によりねじが所定の位置まで締結できなかった場合を嵌合不良としている。図１３に示すように、ねじ式機械式継手を溶接した場合においても、ＦＥＡの予測限界（θ＝９７４００／Ｄ）よりも仮付け間隔θが小さいもの、即ち、鋼管本体の中心軸に対して（９７４００／Ｄ）°以下の間隔で仮付け溶接したものは、いずれも良好に嵌合することができ、継手締結性が優れていた。
【００３９】
本発明は上述した各知見に基づいてなされたものであり、外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上の鋼管本体の端部に、機械式溶接継手を溶接して鋼管杭又は鋼管矢板を製造する場合に、先ず、鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（２）で規定される範囲となる間隔で、即ち、仮付け間隔θを下記数式（２）で規定される範囲内として、周方向に複数個所仮付け溶接し、その後、本溶接を行う。
【００４０】
【数２】
【００４１】
このとき、仮付け間隔θが（９７４００／Ｄ）°よりも大きい場合、接合後の機械式溶接継手に変形が生じ、鋼管杭又は鋼管矢板同士を結合する際に、継手の嵌合不良が発生する。一方、本発明の鋼管杭の製造方法又は鋼管矢板の製造方法では、鋼管本体に溶接する際の機械式継手の変形を抑制することができるため、一方の鋼管本体の端部に溶接された機械式継手と、他方の鋼管本体の端部に接合された機械式継手との締結性が向上し、鋼管杭又は鋼管矢板同士を良好に連結することができる。従って、本発明によれば、継手締結性が優れた鋼管杭又は鋼管矢板を製造することができる。
【００４２】
また、本発明の鋼管杭の製造方法又は鋼管矢板の製造方法においては、少なくとも、鋼管本体の長径が延びる方向に対向する２箇所を仮付け溶接することが好ましい。これにより、機械式継手の変形が抑制されて平面度が増し、継手締結性をより向上させることができる。
【００４３】
更に、鋼管本体に溶接される機械式継手としては、例えば、互いに嵌合可能な構造を有するボックス継手とピン継手とが挙げられる。本発明の鋼管杭の製造方法又は鋼管矢板の製造方法は、鋼管本体に溶接する際の機械式継手の変形を抑制することができるため、一方の鋼管本体の端部に溶接されたピン継手を、他方の鋼管本体の端部に接合されたボックス継手に良好に嵌合することができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、機械式継手を等間隔で仮付け溶接した場合を例にして説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、仮付け間隔θが（９７４００／Ｄ）°以下の範囲であれば、等間隔に仮付けしていなくても同様の効果が得られる。
【実施例１】
【００４５】
以下、本発明の実施例及び本発明の範囲から外れる比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。先ず、本発明の第１実施例として、鋼管本体の外径Ｄが１０００〜２０００ｍｍであるＪＩＳ Ａ ５５３０ ＳＫＹ４９０の鋼管矢板の端部に、ＪＩＳ Ｇ３２２１ ＳＦＣＭ８８０Ｒの機械式継手を本発明の範囲内の条件で仮付け溶接した後、サブマージアーク溶接により本溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。その際、仮付け溶接は、等間隔で、外面から手動のアーク溶接で行った。また、本溶接は、仮付け溶接の後、全周にシールド溶接を行い、内面及び外面からサブマージアーク溶接を行った。更に、評価は、それぞれ３本を同じ条件で行い、機械式継手の真円度及び平面度はその平均値をとり、継手締結性は、嵌合の可否で評価し、３本全てが嵌合できたものを良好とした。一方、比較例として、仮付け溶接及び本溶接の条件は前述の実施例と同様とし、仮付け溶接の数を減らして機械式継手を溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。以上の結果を下記表１及び表２に示す。なお、下記表１及び表２に示す仮付け間隔θ（°）は、鋼管本体の中心軸と隣り合う仮付け溶接部とがなす角度の最大値であり、限界仮付け間隔は、鋼管本体の外径Ｄ（ｍｍ）に基づき求めた値（＝９７４００／Ｄ）である。
【００４６】
【表１】
【００４７】
【表２】
【００４８】
上記表１に示すように、仮付け間隔θが限界仮付け間隔（９７４００／Ｄ）°以下である実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２３の鋼管矢板は、いずれも継手同士を正常に嵌合することができた。これに対して、上記表２に示すように、仮付け間隔θが限界仮付け間隔（９７４００／Ｄ）°を超えている比較例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１７の鋼管矢板は、真円度及び平面度が劣化しており、ボックスへのピンの挿入、及び挿入後の荷重伝達キーの挿入ができないといった嵌合不良が生じた。
【実施例２】
【００４９】
次に、本発明の第２実施例として、鋼管本体の外径が１０００〜１６００ｍｍであるＪＩＳ Ｇ ３１０６ ＳＭ４９０鋼からなる鋼管杭に、ＨＴ７８０鋼からなるねじ式継手を、本発明の範囲内の条件で仮付け溶接した後、炭酸ガスアーク溶接で本溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。その際、仮付け溶接は、等間隔で、外面から手動のアーク溶接で行った。また、本溶接は、全周にシールド溶接を行い、内面及び外面から炭酸ガスアーク溶接して行った。更に、評価は前述の実施例１と同様に、３本ずつ行った。一方、比較例として、仮付け溶接及び本溶接の条件は前述の実施例と同様とし、仮付け溶接の数を減らして機械式継手を溶接し、機械式継手の真円度、平面度及び継手締結性について評価した。以上の結果を下記表３にまとめて示す。
【００５０】
【表３】
【００５１】
上記表３に示すように、本発明の範囲内で溶接した実施例Ｎｏ．２４〜Ｎｏ．２９の鋼管杭は、ねじ継手を人力により嵌合することができた。これに対して、仮付け間隔θが限界仮付け間隔（９７４００／Ｄ）°を超えている比較例Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．２０の鋼管矢板は、継手の真円度及び平面度が劣化しており、ねじ継手を人力で嵌合することはできなかった。
【実施例３】
【００５２】
次に、本発明の第３実施例として、鋼管本体の外径が１６００ｍｍであるＪＩＳ Ａ ５５３０ ＳＫＹ４９０の鋼管矢板にＪＩＳ Ｇ３２２１ ＳＦＣＭ８８０Ｒの機械式継手を、サブマージアーク溶接により、仮付け溶接の位置を変えて円周溶接し、機械式継手の平面度及び継手締結性について評価した。なお、仮付け溶接及び本溶接の条件、並びに評価方法は、前述した実施例１と同様にした。以上の結果を下記表４に示す。
【００５３】
【表４】
【００５４】
上記表４に示すように、実施例Ｎｏ．３０〜Ｎｏ．３５の鋼管矢板は、いずれも仮付け間隔θが限界仮付け間隔９７４００／Ｄ以下であるが、実施例Ｎｏ．３０〜Ｎｏ．３２の鋼管矢板は鋼管本体の長径位置を仮付け溶接したものであり、実施例Ｎｏ．３３〜Ｎｏ．３５の鋼管矢板は、長径位置を仮付け溶接していないものである。また、実施例Ｎｏ．３０の鋼管矢板とＮｏ．３３の鋼管矢板、実施例Ｎｏ．３１の鋼管矢板とＮｏ．３４の鋼管矢板、実施例Ｎｏ．３２の鋼管矢板とＮｏ．３５の鋼管矢板は、夫々同一サイズ、同一溶接条件下における周溶接であるが、いずれの条件においても鋼管本体の長径位置を仮付け溶接したものの方が、それ以外の位置を仮付け溶接したものよりも平面度が向上していた。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）は真円度を求める方法を模式的に示す図であり、（ｂ）は平面度を求める方法を模式的に示す図である。
【図２】横軸に真円度をとり、縦軸に平面度をとって、機械式継手の真円度と平面度との関係を示すグラフ図である。
【図３】外径１６００ｍｍ、肉厚２４ｍｍの鋼管本体を有する鋼管矢板に機械式継手を溶接した時のＦＥＡモデルの一例を示す図である。
【図４】図３に示すＦＥＡモデルにおける機械式継手１２と鋼管本体１３との接合部１６を示す拡大図である。
【図５】横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に９０°ずつずらして４箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。
【図６】横軸に周方向位置をとり、縦軸に変位をとって、周方向に６０°ずつずらして６箇所仮付け溶接したときの機械式継手の真円度及び平面度の変化を示す図である。
【図７】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度及び平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の真円度及び平面度との関係を示すグラフ図である。
【図８】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に真円度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の真円度との関係を示すグラフ図である。
【図９】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け間隔θと機械式継手の平面度との関係を示すグラフ図である。
【図１０】横軸に鋼管本体の外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、鋼管本体の外径Ｄと限界仮付け間隔との関係をＦＥＡにより予測した結果を示すグラフ図である。
【図１１】横軸に鋼管本体の外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、鋼管本体の外径Ｄと限界仮付け間隔との関係を実験により確認した結果を示すグラフ図である。
【図１２】横軸に仮付け間隔θをとり、縦軸に平面度をとって、仮付け位置が機械式継手の平面度に及ぼす効果を示すグラフ図である。
【図１３】横軸に管外径Ｄをとり、縦軸に仮付け間隔θをとって、ねじ式機械式継手を溶接した場合の管外径Ｄと仮付け間隔θとの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１２ 機械式継手
２ 平滑定盤
１１ 鋼管矢板
１３ 鋼管本体
１４ 矢板部
１５ 十字形リブ
１６ 接合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管杭の製造方法であって、
前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、
前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（Ａ）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法。
【請求項２】
少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することを特徴とする請求項１に記載の継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法。
【請求項３】
前記機械式継手は、ボックス継手又はピン継手であり、前記ボックス継手と前記ピン継手とが互いに嵌合可能な構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法。
【請求項４】
鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管矢板の製造方法であって、
前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、
前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（Ａ）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法。
【請求項５】
少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することを特徴とする請求項４に記載の継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法。
【請求項６】
前記機械式継手は、ボックス継手又はピン継手であり、前記ボックス継手と前記ピン継手とが互いに嵌合可能な構造を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法。
【請求項１】
鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管杭の製造方法であって、
前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、
前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（Ａ）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法。
【請求項２】
少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することを特徴とする請求項１に記載の継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法。
【請求項３】
前記機械式継手は、ボックス継手又はピン継手であり、前記ボックス継手と前記ピン継手とが互いに嵌合可能な構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の継手締結性に優れた鋼管杭の製造方法。
【請求項４】
鋼管本体の端部に機械式溶接継手をその周方向に複数個所仮付け溶接した後、本溶接を行う鋼管矢板の製造方法であって、
前記鋼管本体は外径Ｄ（ｍｍ）が１０００ｍｍ以上であり、
前記仮付け溶接は、前記鋼管本体の中心軸に対する最大角度θ（°）が下記数式（Ａ）で規定される範囲となる間隔で行うことを特徴とする継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法。
【請求項５】
少なくとも前記鋼管本体の直径が最大となる位置を仮付け溶接することを特徴とする請求項４に記載の継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法。
【請求項６】
前記機械式継手は、ボックス継手又はピン継手であり、前記ボックス継手と前記ピン継手とが互いに嵌合可能な構造を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の継手締結性に優れた鋼管矢板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１１５５５８（Ｐ２００８−１１５５５８Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９７８５４（Ｐ２００６−２９７８５４）
【出願日】平成１８年１１月１日（２００６．１１．１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１日（２００６．１１．１）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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