(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管が外管の内部に軸心を一致させて所定長さだけ挿入され、内管と外管の間にグラウトが充填されることによって、グラウト接合部が形成されている鋼管接合構造であって、グラウト接合部において、内管の外径が管軸方向で変化し、外管の内径が管軸方向で変化しているとともに、グラウト接合部において、管軸方向端部を除いた管軸方向中間部全体のグラウト幅が均一であることを特徴とする鋼管接合構造。
【請求項２】
グラウト接合部において、管軸方向端部のグラウト幅が管軸方向中間部のグラウト幅に比べて大きいことを特徴とする請求項１に記載の鋼管接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電設備等において採用される、径の異なる２つの鋼管を鋼管同士のすき間にグラウトを充填することにより接合する鋼管接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
日本国内において、再生可能エネルギーとしての風力発電が注目されてきている。風力発電には陸上風力と洋上風力の２種類があり、洋上風力は陸上風力と比べて大規模な用地が確保でき、安定した風が得られるという利点がある。国内でも洋上風力に関する実証研究が行われており、実用化されつつある。
【０００３】
洋上風力発電設備は海上に設置され、基礎構造形式には、着定式と浮体式の２種類がある。着底式の構造として、重力式、ジャケット式、モノパイル式（単杭式）といった構造が挙げられる。
【０００４】
図３は、モノパイル式の基礎構造を備えた洋上風力発電設備を示すものである。図３に示すように、この洋上風力発電設備１０は、まず、モノパイルと呼ばれる単杭の鋼管杭１１を海底地盤に打設し、その後、鋼管杭（モノパイル）１１よりも大きな径を有するトランジッションピースと呼ばれる鋼管１２を鋼管杭（モノパイル）１１に被せる。鋼管杭（モノパイル）１１と鋼管（トランジッションピース）１２の間にはすき間があるため、グラウト（ここでは図示せず）を充填することで、両者を一体化させる（以下、グラウト接合部と呼ぶ）。そして、鋼管１２の上端には、タワー１５とブレード１６を設置する。
【０００５】
これによって、洋上風力発電設備１０はブレード１６で風力を受け、その力がタワー１５から鋼管１２に伝わり、グラウト接合部を介して鋼管杭１１に伝達される。
【０００６】
その際に、洋上風力発電設備１０は絶えず風や波による振動を受ける構造であり、設計では応力の振動回数を供用期間２０年で約２億回と想定している。荷重伝達を行うグラウト接合部にはこの繰り返し荷重が作用することにより、疲労が蓄積する。特にグラウト接合部の下端部におけるグラウトの発生応力が高いことが図４に示されている。ちなみに、図４の縦軸はグラウト接合部最下端の高さ位置を０とした高さ方向位置を示している。
【０００７】
図５は、そのような、径の異なる２つの鋼管を鋼管同士のすき間にグラウトを充填することにより接合する鋼管接合構造（グラウト接合部）を管軸方向に軸心位置で切断した縦断面図である。
【０００８】
図５に示すように、内管１（図３における鋼管杭１１に相当）が外管２（図３における鋼管１２に相当）の内部に軸心を一致させて所定長さだけ挿入され、内管１と外管２の間にグラウト３が充填されることによって、グラウト接合部４が形成されている。
【０００９】
しかし、図５に示したような鋼管接合構造の場合、外管２から内管１への荷重伝達は鋼管（内管１、外管２）とグラウト３との表面摩擦のみに期待することになり、長期間の供用中に鋼管（内管１、外管２）とグラウト３との表面摩擦力が減少して、外管２から内管１への荷重伝達が円滑に行われなくなり、外管２が鉛直方向下方（管軸方向下方）にずれるおそれがある。
【００１０】
そこで、長期間の供用でも外管２から内管１への荷重伝達が円滑に行われるようにするために、図６に示すように、グラウト接合部４において、内管１の外面と外管２の内面にシアキー（せん断力伝達部材）９が取り付けられることがある（非特許文献１参照）。このようにシアキー９を取り付けることは、外管２の鉛直方向下方へのずれを防ぐのに効果的である。
【００１１】
しかし、シアキー９は溶接によって取り付けられるため、入熱により溶接部に引張残留応力が存在し、疲労強度が低下する。また、溶接止端部の形状が急変するような場合は応力集中を伴い、さらに疲労強度が低下する。よって、シアキー９を設置しない鋼管接合構造が採用されるのが一般的になっている。
【００１２】
これに対して、特許文献１では、グラウト接合部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て、グラウトの管軸方向の断面を外管側または内管側が斜めになった楔状にする鋼管接合構造が開示されており、シアキーを取り付けることなく、外管２の鉛直方向下方へのずれを防止できると記載されている。
【００１３】
また、特許文献２では、外管の内面と内管の外面に突起付き帯状鋼板を溶接した鋼管接合構造が開示されており、シアキーを溶接する場合に比べて、入熱による残留応力が低減でき、疲労性能を改善させた上で、十分なせん断耐力を確保することができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１３−５３４２５号公報
【特許文献２】特許第５１３６７２６号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】２０１１  ＤＮＶ−ＯＳ−Ｊ１０１  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｏｆｆｓｈｏｒｅ  Ｗｉｎｄ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ｓｅｃ．９−Ｐａｇｅ  １４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記の特許文献１では、内管と外管との管軸方向のずれを防止するために、グラウト接合部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て、グラウトの管軸方向の断面を外管側または内管側が斜めになった楔状にしているが、外管側または内管側のいずれか一方が斜めになった楔状のグラウト接合部では、内管と外管との管軸方向のずれを防止するには必ずしも十分とは言えない。
【００１７】
また、上記の特許文献２では、内管と外管との管軸方向のずれを防止するために、外管の内面と内管の外面に突起付き帯状鋼板を溶接しているが、多数の突起付き帯状鋼板を突合せ溶接するなどの手間の掛かる工程が必要となる。
【００１８】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、内管が外管の内部に挿入され、内管と外管の間にグラウトが充填されることによって、グラウト接合部が形成されている鋼管接合構造として、内管と外管との管軸方向のずれを的確かつ効率的に防止することができる鋼管接合構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
【００２０】
［１］内管が外管の内部に軸心を一致させて所定長さだけ挿入され、内管と外管の間にグラウトが充填されることによって、グラウト接合部が形成されている鋼管接合構造であって、グラウト接合部において、内管の外径が管軸方向で変化し、外管の内径が管軸方向で変化していることを特徴とする鋼管接合構造。
【００２１】
［２］グラウト接合部において、管軸方向端部のグラウト幅が管軸方向中間部のグラウト幅に比べて大きいことを特徴とする前記［１］に記載の鋼管接合構造。
【００２２】
［３］グラウト接合部において、管軸方向中間部のグラウト幅が一定であることを特徴とする前記［２］に記載の鋼管接合構造。
【発明の効果】
【００２３】
本発明においては、内管が外管の内部に挿入され、内管と外管の間にグラウトが充填されることによって、グラウト接合部が形成されている鋼管接合構造として、内管と外管との管軸方向のずれを的確かつ効率的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態１に係る鋼管接合構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る鋼管接合構造を示す縦断面図である。
【図３】モノパイル式の洋上風力発電設備を示す図である。
【図４】グラウト接合部の応力分布を示す図である。
【図５】従来の鋼管接合部構造を示す図である（シアキー無し）。
【図６】従来の鋼管接合部構造を示す図である（シアキー有り）。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る鋼管接合構造を管軸方向に軸心位置で切断した縦断面図である。
【００２７】
図１に示すように、この実施形態１に係る鋼管接合構造は、内管１が外管２の内部に軸心を一致させて所定長さだけ挿入され、内管１と外管２の間にグラウト３が充填されることによって、グラウト接合部４が形成されている。
【００２８】
そして、グラウト接合部４において、内管１の外径が管軸方向の一部で変化（拡径）し、外管２の内径が管軸方向の一部で変化（縮径）している。
【００２９】
すなわち、図１において、１ａが内管１の外径が拡径した内管外径拡径部１ａであり、２ａが外管２の内径が縮径した外管内径縮径部２ａである。
【００３０】
なお、グラウト接合部４において、内管１の内径と外管２の外径は管軸方向で一定になっている。
【００３１】
これによって、この実施形態１に係る鋼管接合構造においては、グラウド３が内管側（内管外径拡径部１ａ）と外管側（外管内径縮径部２ａ）の両方で管軸方向に強固な摩擦力を獲得できるので、特許文献１に比べて、内管１と外管２との管軸方向のずれを的確に防止することができる。
【００３２】
また、このような、管軸方向の一部で外径が拡径し、管軸方向で内径が一定である内管１と、管軸方向の一部で内径が縮径し、管軸方向で外径が一定である外管２は、片面で長手方向に厚さが変化している片面差厚鋼板を用いて製造した鋼管を利用すればよいので、特許文献２に比べて、内管１と外管２との管軸方向のずれを効率的に防止することができる。
【００３３】
なお、ここで、グラウト接合部４の管軸方向端部を、グラウト接合部４の管軸方向最先端（図１におけるグラウト接合部４の最上端と最下端）を起点にして管軸方向に３００〜１０００ｍｍまでの部分とし、グラウト接合部４の管軸方向中間部を、グラウト接合部４の管軸方向でグラウト接合部４の管軸方向端部を除いた部分とする。
【００３４】
その際に、図１において、グラウト３の管径方向の厚さ（グラウト幅）Ｗについては、グラウト接合部４の管軸方向端部のグラウト幅がグラウト接合部４の管軸方向中間部のグラウト幅より大きくすることが好ましい。これによって、グラウト接合部４の管軸方向端部におけるグラウト３への応力集中を軽減することができる。
【００３５】
また、グラウト接合部４の管軸方向中間部のグラウト幅は均一にすることが好ましい。これによって、外管２と内管１の間の応力伝達がより円滑になされるようになる。
【００３６】
なお、管軸方向中間部のグラウト幅が均一とは、管軸方向中間部のグラウト幅の平均値に対して８０〜１２０％の範囲に収まっていることである。あるいは、管軸方向中間部のグラウト幅の目標値を定めていき、その目標値に対して８０〜１２０％の範囲に収まることでもよい。
【００３７】
逆に言えば、内管外径拡径部１ａの外径拡径量や外管内径縮径部２ａの内径縮径が過剰に大きかったり、内管外径拡径部１ａと外管内径縮径部２ａとが管軸方向でラップするなどして、部分的にグラウト幅が極端に小さくなる個所（例えば、管軸方向中間部のグラウト幅の平均値または目標値に対して３０％以下になる個所）が生じるのは好ましくない。
【００３８】
また、図１では、内管拡径部１ａと外管縮径部２ａを１個所ずつ設けているが、いずれか一方または両方を複数個所設けてもよい。
【００３９】
［実施形態２］
図２は、本発明の実施形態２に係る鋼管接合構造を管軸方向に軸心位置で切断した縦断面図である。
【００４０】
図２に示すように、この実施形態２に係る鋼管接合構造は、上記の実施形態１に係る鋼管接合構造と基本的な構成は同じであり、グラウト接合部４において、内管１の外径が管軸方向の一部で変化（拡径）し、外管２の内径が管軸方向の一部で変化（縮径）している。
【００４１】
すなわち、図２において、１ａが内管１の外径が拡径した内管外径拡径部１ａであり、２ａが外管２の内径が縮径した外管外径縮径部２ａである。
【００４２】
それに加えて、この実施形態２に係る鋼管接合構造では、内管外径拡径部１ａにおいて、内管１の内径が縮径し、外管内径縮径部２ａにおいて、外管２の外径が拡径している。
【００４３】
これによって、この実施形態２に係る鋼管接合構造においても、グラウド３が内管側（内管外径拡径部１ａ）と外管側（外管内径縮径部２ａ）の両方で管軸方向に強固な摩擦力を獲得できるので、特許文献１に比べて、内管１と外管２との管軸方向のずれを的確に防止することができる。
【００４４】
また、このような、管軸方向の一部で外径が拡径し、内径が縮径している内管１と、管軸方向の一部で内径が縮径し、外径が拡径している外管２は、両面で長手方向に厚さが変化している両面差厚鋼板を用いて製造した鋼管を利用すればよいので、特許文献２に比べて、内管１と外管２との管軸方向のずれを効率的に防止することができる。
【００４５】
［実施形態３］
上述した本発明の実施形態１、２では、グラウト接合部４において、内管１の外径が拡径した個所（内管外径拡径部）と、外管２の内径が縮径した個所（外管内径縮径部）とを設けているが、本発明の実施形態３は、それに加えて、さらに、内管１の外径が縮径する個所（内管外径縮径部）や、外管２の内径が拡径する個所（外管内径拡径部）を設けた鋼管接合構造である。
【００４６】
例えば、内管外径拡径部と外管内径縮径部を設ける場合、内管外径縮径部と外管内径拡径部を設ける場合、内管外径縮径部と外管内径縮径部を設ける場合、内管外径拡径部と外管内径拡径部と内管外径縮径部と外管内径縮径部を設ける場合などである。
【００４７】
なお、内管外径縮径部や外管内径拡径部では、そのままでは内管あるいは外管の管厚が薄くなるので、同じ管軸方向位置に、内管外径縮径部に対して内管内径縮径部を設け、外管内径拡径部に対して外管外径拡径部を設けることが好ましい。
【符号の説明】
【００４８】
１  内管
２  外管
３  グラウト
４  グラウト接合部
９  シアキー
１０  洋上風力発電設備
１１  鋼管杭（モノパイル）
１２  鋼管（トランジッションピース）
１５  タワー
１６  ブレード
【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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