(57)【要約】【課題】必要な剛性および耐力を有し、かつ、経済的な継手構造を提案する。【解決手段】一対の角形鋼管２１，２１を接合する継手構造１であって、一対の角形鋼管２１，２１に跨って添設された継手プレート３と、継手プレート３と角形鋼管２１とを締結する複数の高力ボルト４，４，…とを備えており、角形鋼管２１を接合する際に作業用開口２３が形成されるように、各角形鋼管２１の端部中央に凹部２２がそれぞれ形成されていて、継手プレート３の中央部には、作業用開口２３と同等の形状を有する貫通孔３１が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の角形鋼管を接合する継手構造であって、
前記一対の角形鋼管に跨って添設された継手プレートと、
前記継手プレートと前記角形鋼管とを締結する複数のボルトと、を備えており、
前記角形鋼管同士を接合する際に作業用開口が形成されるように、前記各角形鋼管の端部中央に凹部がそれぞれ形成されていて、
前記継手プレートの中央部には、前記作業用開口と同等の形状を有する貫通孔が形成されていることを特徴とする、継手構造。
【請求項２】
前記一対の角形鋼管および前記継手プレートには、前記ボルトを挿通するボルト孔が、前記作業用開口の上下に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の継手構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角形鋼管の継手構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管柱は、鋼管同士を上下に連結することにより所定の長さ（高さ）に形成する。
鋼管同士の連結方法として、鋼管の端面同士を突き合わせた状態で溶接する方法が採用される場合がある。溶接接合は、天候によって作業が妨げられるおそれがある。また、溶接接合は、作業時に火花が生じることから、火災に対する安全性に十分に配慮する必要がある。さらに、溶接接合は、接合部に経年劣化が生じた場合には、補強部材を設置する必要がある等、補修作業に手間がかかる。
そのため、鋼管同士の連結方法として、鋼管同士の接合部に継手プレートを添設するとともに、当該継手プレートを高力ボルトにより締結する継手構造が開示されている。高力ボルトを締結する際には、鋼管の内空側と外側との両方から作業を行う必要がある。
そのため、特許文献１には、鋼管同士を突き合わせた際に作業員の腕を挿入可能な作業用開口が形成されるように、両鋼管の先端角部に切欠きを設けておき、この作業用開口を利用して、左右の作業用開口の間に添設された継手プレートを高力ボルトにより締結する継手構造が開示されている。
また、特許文献２には、一方の鋼管の端部中央に形成された作業用開口（溝）を利用して、この作業用開口の左右のそれぞれに添設された継手プレートを高力ボルトにより締結する継手構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９３１９６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２９６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の継手構造は、鋼管側面の中央部に高力ボルトが集中するため、角部の応力を中央部でしか伝達することができない。そのため、剛性および耐力が低下するおそれがある。また、塑性加工している角部を切欠くことにより作業用開口を形成するため、鋼管の角部にひび割れなどの破損が生じることがないように、加工を慎重に行う必要がある。
特許文献２の継手構造は、継手プレートが作業用開口の左右に分割されているため、継手部におけるせん断耐力および剛性が不足するおそれがある。また、必要なボルト本数を配置するために、継手プレートを長くする必要があり、鋼材量が増加することによって不経済になる場合がある。
このような観点から本発明は、必要な剛性および耐力を有し、かつ、経済的な継手構造を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために本発明は、一対の角形鋼管を接合する継手構造であって、前記一対の角形鋼管に跨って添設された継手プレートと、前記継手プレートと前記角形鋼管を締結する複数のボルトとを備えており、前記角形鋼管同士を接合する際に作業用開口が形成されるように、前記各角形鋼管の端部中央に凹部がそれぞれ形成されていて、前記継手プレートの中央部には、前記作業用開口と同等の形状を有する貫通孔が形成されていることを特徴とする。
かかる継手構造によれば、作業用開口の位置に対応して、継手プレートの中央部に貫通孔が形成されているため、作業用開口を避けるように継手プレートを分割する必要がない。そのため、必要な剛性および耐力を確保することができる。また、継手プレートを分割する必要がないため、ボルト配置の自由度が高まる。そのため、継手プレートの形状を必要最小限の面積に抑えることができ、ひいては、経済的な継手構造を形成することができる。前記一対の角形鋼管および前記継手プレートには、前記ボルトを挿通するボルト孔が前記作業用開口の左右に加えて上下にも形成されているのが望ましい。このようにすると、応力を均等に分散させて伝達させることが可能となる。当該継手構造は、特に、内側から継手プレートを溶接し難い細い角形鋼管に適している。当該継手構造によれば、細い角形鋼管に対して２枚に分割した分割プレートを固定する場合よりも、高力ボルトを多く配置することができる。また、作業員の腕の長さよりも内幅が細い角形鋼管では、一つの作業用開口から手を入れて各面に対してナットを締結することができるため、作業用開口は一面のみに形成すれば十分である。作業用開口を１面のみに形成した場合には、その他の三面に対して角形鋼管および継手プレートに開口を形成する手間を省略できるとともに、断面欠損が少なくなることから接合強度が有利となる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の継手構造によれば、必要な剛性および耐力を有し、かつ、経済的に角形鋼管を連結することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る継手構造を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。
【図２】角形鋼管の端部を示す斜視図である。
【図３】継手プレートを示す斜視図である。
【図４】解析に使用した継手プレートの形状寸法を示す図であって（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ実施例、比較例１および比較例２である。
【図５】図４（ａ）〜（ｃ）の継手プレートを使用した継手構造について実施した解析の結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、図４（ａ）〜（ｃ）の継手プレートを使用した継手構造について実施した解析の結果を示す変形・応力コンター図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、鋼管柱２の継手構造１について説明する。
本実施形態の鋼管柱２は、複数の角形鋼管２１，２１を、継手構造１を介して上下方向に連結して形成したものであり、所定の長さ（高さ）に形成されている。継手構造１は、図１（ａ）に示すように、端面同士を突き合わせた状態で上下に配設された一対の角形鋼管２１，２１に跨って配設された継手プレート３と、継手プレート３を角形鋼管２１，２１の側面に締結する複数の高力ボルト４，４，…とを有している。なお、角形鋼管２１同士は、必ずしも端面同士を当接（メタルタッチ）させる必要はなく、所定の大きさ（例えば１０ｍｍ程度）の隙間をあけた状態で接合してもよい。
【０００９】
鋼管柱２を構成する角形鋼管２１の寸法（幅、長さ、管厚等）は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。
図２に示すように、本実施形態の角形鋼管２１の各面の端部中央には、半円状の凹部２２が形成されている。一対の角形鋼管２１，２１の凹部２２，２２は、互いに対向するように形成されており、角形鋼管２１同士を突き合わせると、上下に対向する凹部２２，２２によって円形の作業用開口２３が形成される（図１（ａ）参照）。なお、凹部２２（作業用開口２３）の形状および寸法は、作業員の腕や高力ボルト４等を挿入可能な形状の作業用開口２３を形成することが可能であれば限定されるものではなく、例えば、矩形であってもよい。角形鋼管２１同士の接合部では、各角形鋼管２１に４つずつ設けた凹部２２によって、４つの作業用開口２３が形成されている。なお、凹部２２の配置は限定されるものではなく、例えば、角形鋼管２１の四面のうちの一面のみに形成されていてもよいし、角形鋼管２１の対向する一対の側面にそれぞれ形成されていてもよく、または、角形鋼管２１の直交する２つの側面にそれぞれ形成されていてもよい。
また、角形鋼管２１の端部には、複数のボルト孔２４，２４，…が形成されている。ボルト孔２４は、高力ボルト４の軸部４１を挿通可能な直径の貫通孔である。複数のボルト孔２４，２４，…は、凹部２２の周囲を囲うように配置されている。すなわち、複数のボルト孔２４，２４，…は、角形鋼管２１同士を突き合わせた状態で、作業用開口２３の上下左右に均等に配置されるように形成されている。なお、ボルト孔２４の数および配置は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。
【００１０】
継手プレート３は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、矩形状の輪郭を有する鋼板であって、一対の角形鋼管２１に跨って添設されている。継手プレート３は、角形鋼管２１の四つの側面のそれぞれにおいて、外面と内面とに配設されている。なお、継手プレート３の形状は矩形に限定されるものではない。
本実施形態の継手プレート３の中央部には、図３に示すように、作業用開口２３と同形状の貫通孔３１が形成されている。なお、貫通孔３１は、作業用開口２３と同様に、作業員の腕や高力ボルト４等を挿入可能な形状であればよく、必ずしも作業用開口２３と同形状である必要はない。また、貫通孔３１は、必要に応じて形成されていれば良く、角形鋼管２１の側面のうち、作業用開口２３（凹部２２）が形成されていない面がある場合には、当該面に設置する継手プレート３には貫通孔３１を形成する必要はない。
各継手プレート３には、角形鋼管２１に形成されたボルト孔２４の位置に対応して、ボルト孔３２が形成されている。ボルト孔３２は、高力ボルト４の軸部４１を挿通可能な直径の貫通孔である。複数のボルト孔３２，３２，…は、貫通孔３１（作業用開口２３）の上下左右に均等に配置されている。
【００１１】
複数の高力ボルト４，４，…は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、継手プレート３を角形鋼管２１の側面に締結する。
高力ボルト４は、軸部４１を角形鋼管２１のボルト孔２４および継手プレート３のボルト孔３２に挿通する。高力ボルト４の頭部４２をボルト孔３２の周囲に係止させた状態で、軸部４１にナット４３を締結すると、内外の継手プレート３が角形鋼管２１の側面（側壁）を挟持する。高力ボルト４は、角形鋼管２１の内側から配置する。すなわち、高力ボルト４の頭部４２は、角形鋼管２１の内面に添設された継手プレート３に係止されていて、ナット４３は、角形鋼管２１の外面に添設された継手プレート３の表面に係止されている。
【００１２】
継手構造１により角形鋼管２１同士を連結する際には、まず、一方の角形鋼管２１の上端に、他方の角形鋼管２１を上載する。このとき、両角形鋼管２１，２１の端面同士を突き合わせる。なお、角形鋼管２１の端面同士を突き合わせる際には、一方の角形鋼管２１の下端に他方の角形鋼管２１の上端を下側から押し当ててもよい。角形鋼管２１同士を当接させる際には、いずれか一方の角形鋼管２１の内面に、継手プレート３を予め添設しておき、他方の角形鋼管２１の内側にこの継手プレート３を挿入しながら、角形鋼管２１同士を突き合わせる。予め添設されている継手プレート３は、ボルト等により仮止めしておく。
次に、両角形鋼管２１，２１に跨って、角形鋼管２１，２１の外面に継手プレート３を添設する。続いて、作業用開口２３から鋼管柱２内（角形鋼管２１内）に高力ボルト４を挿入して、内側の継手プレート３のボルト孔３２、角形鋼管２１のボルト孔２４および外側の継手プレート３のボルト孔３２に軸部４１を挿通させる。
そして、ボルト孔２４，３２を貫通した軸部４１にナット４３を所定のトルクで締結して、継手プレート３を角形鋼管２１，２１に固定する。高力ボルト４によって締結することで、角形鋼管２１と継手プレート３との間に摩擦力が発生する。そのため、上下に配設された一対の角形鋼管２１は、両角形鋼管２１，２１に跨って配設された継手プレート３との摩擦力によって接合される。
【００１３】
以上、本実施形態の継手構造１によれば、作業用開口２３の位置に対応して、継手プレート３の中央部に貫通孔３１が形成されているため、作業用開口２３を避けるように継手プレート３を分割する必要がない。そのため、継手プレート３の面積を小さくしても、角形鋼管２１同士の接合に必要な剛性および耐力を確保することができる。また、継手プレート３の断面積によって、せん断耐力および剛性を確保できる。
また、角形鋼管２１同士の接合部において、各面に対して１枚の継手プレート３が分割されることなく添設されるため、高力ボルト４の配置の自由度が高まる。そのため、継手プレート３の形状を必要最小限の面積に抑えることができ、ひいては、経済的に継手構造１を形成することができる。また、高力ボルト４を作業用開口２３の上下左右に均等に配置することにより応力を均等に分散させて伝達させることが可能となる。また、高力ボルト４を角部近傍の平面部に配置することで、角部の応力を効率的に伝達させることができる。
また、継手プレート３と高力ボルト４により角形鋼管２１同士を連結しているため、メンテナンスが容易である。すなわち、高力ボルト４の緩みが確認された場合には、締め直せばよいし、継手プレート３や高力ボルト４に不具合が生じた場合には、部分的に交換すればよく、大規模な修復作業を要しない。
また、継手プレート３と高力ボルト４を使用することで、溶接のように施工時の天候が品質等に影響し難い。
作業用開口２３を角形鋼管２１の側面の端部中央に形成するため、塑性加工している角部への影響が少なく、作業用開口２３の加工時の破損が生じ難い。
【００１４】
次に、本実施形態の継手構造１について実施した有限要素法による構造解析の結果について説明する（実施例）。本解析は、５５０×５５０×２５（ＢＣＲ２９５、降伏点２９５Ｎ／ｍｍ２）の角形鋼管２１同士を連結する場合の継手構造１について実施した。
角形鋼管２１同士の接合部には、作業用開口２３として、φ１５０ｍｍの円形の貫通孔を設けた。作業用開口２３の周囲には、計３２か所のボルト孔２４が形成されている。ボルト孔２４は、縦６段横６列に形成されていて、上から２段と下から２段は６か所、中間部の２段は作業用開口２３の左右に４か所ずつ形成されている。左右または上下に隣り合うボルト孔２４同士の中心距離は６０ｍｍとした。なお、３段目と４段目のボルト孔２４同士の中心距離は９０ｍｍ、３列目と４列目のボルト孔２４同士の中心距離は９５ｍｍとした。
角形鋼管２１同士の接合に使用する継手プレート３には、図４（ａ）に示すように、４１５×４１５ｍｍ、板厚２５ｍｍの鋼板（ＳＭ４９０、降伏点３２５Ｎ／ｍｍ２）を使用した。継手プレート３の中心部には、φ１５０ｍｍの貫通孔３１が形成されており、貫通孔３１の周囲には、角形鋼管２１に形成されたボルト孔２４の位置に対応して、計３２か所のボルト孔３２が形成されている。なお、継手プレート３の外周囲に沿って形成されたボルト孔３２の中心から縁までの距離は４０ｍｍとした。
ボルトにはＭ２２を使用し、ボルト軸力（締付トルク）を２０５ｋＮとした。
【００１５】
本解析に加え、比較例１として、図４（ｂ）に示すように、継手プレート３Ａとして幅１４０ｍｍ、縦５３０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの長方形の鋼板（ＳＭ４９０、降伏点３２５Ｎ／ｍｍ２）を使用した場合についての解析も行った。継手プレート３Ａは、作業用開口２３の左右にそれぞれ配置した。各継手プレート３Ａには、縦８段のボルト孔３２が２列形成されている。ボルト孔３２の中心間隔は、６０ｍｍとし、ボルト孔３２の中心から継手プレート３Ａの縁までの距離は４０ｍｍとした。
【００１６】
また、比較例２として、図４（ｃ）に示すように、継手プレート３Ｂとして幅１９０ｍｍ、縦４１０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの鋼板（ＳＭ４９０、降伏点３２５Ｎ／ｍｍ２）を使用した場合についての解析も行った。継手プレート３Ｂは、作業用開口２３の左右にそれぞれ配置した。継手プレート３Ｂには、作業用開口２３の位置に応じて、弧状の凹部３３が形成されている。すなわち、比較例２の継手プレート３Ｂは、実施例の継手プレート３を左右方向中央において分割した形状を有している。高力ボルト４の配置は、実施例と同様とし、各継手プレート３Ｂには、それぞれボルト孔３２が１６か所ずつ（計３２か所）形成されている。
【００１７】
本解析では、接合部にせん断力が作用するように、上側の角形鋼管２１に横方向の力を作用させた。図５は、解析により算出された加力点変位とせん断力との関係を示すグラフである。
図５に示すように、実施例によれば、比較例１、２に比べて初期剛性が１割ほど増加する。また、実施例は、比較例１，２に比べて、変形の進行に伴う耐力の低下が小さい。
また、図６の変形・コンター図を確認すると、比較例１，２では、鋼管と継手プレート３Ａ，３Ｂとの間にすべりが生じていて、鋼管同士の間にずれ変形が生じているが、実施例では、すべりは生じておらず、接合部における上下の鋼管は一体として変形している。また、実施例は、角形鋼管２１の当接部分および継手プレート３の周囲に生じるせん断応力が、比較例１，２に比べて小さい。
したがって、角形鋼管２１の各面に対して、分割することなく１枚の継手プレート３を添設するとともに、作業用開口２３の周囲に高力ボルト４を均等に配設することで、必要な剛性および耐力を有した継手構造１が形成されることが確認できた。
【００１８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、継手構造１の適用箇所は、鋼管同士の接合部であれば鋼管柱２のみに限定されるものではない。
また、角形鋼管２１および継手プレート３には、摩擦力が向上するように、必要に応じて表面処理を施すのが望ましい。
また、角形鋼管２１および継手プレート３の材質および強度は限定されるものではなく、適宜決定すればよい。
前記実施形態では、高力ボルト４を利用した摩擦接合により、角形鋼管２１同士を接合する場合について説明したが、ボルト軸部（軸部４１）のせん断力と母材（角形鋼管２１および継手プレート３）の支圧力とによる、いわゆるボルト接合によって角形鋼管２１同士を接合してもよい。
【符号の説明】
【００１９】
１    継手構造
２    鋼管柱
２１  角形鋼管
２２  凹部
２３  作業用開口
２４  ボルト孔
３    継手プレート
３１  貫通孔
３２  ボルト孔
４    高力ボルト（ボルト）
４１  軸部
４２  頭部
４３  ナット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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