(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続すべき一方の鋼管本体の端部に取り付けた環状部材と接続すべき他方の鋼管本体の端部に取り付けた環状部材とを互いに抜け止め状態で接続してある鋼管の接続構造であって、
前記２つの環状部材は各環状部材の厚みがそれぞれの鋼管本体の厚みより厚く形成されていると共に、各環状部材の端面上にそれぞれの鋼管本体の端部が位置するように取り付けてあり、前記一方の鋼管本体を前記他方の鋼管本体の上方に同軸に配置した状態で、
前記上方の環状部材の下端面および前記下方の環状部材の上端面に厚み方向に沿う条溝を互いに対向するように、かつ開口部の幅より底部の幅が広くなるようにそれぞれ周方向に複数形成してあり、互いに対向する上下の条溝にそれぞれ跨って嵌め込んだ複数の連結キーにより、前記２つの環状部材が互いに抜け止め状態として接続してあると共に、前記連結キーは、連結キーのそれぞれの最小断面積とせん断降伏応力の積との総和を前記上方の鋼管本体の軸方向引っ張り強度と前記下方の鋼管本体の軸方向引っ張り強度のどちらか一方の小さいほうの軸方向引っ張り強度よりも小さくしてあることを特徴とする鋼管の接続構造。
【請求項２】
前記鋼管本体の端部が各環状部材の端面上の厚み方向中央に位置するようにそれぞれ取り付けてあり、さらに、前記条溝を前記環状部材の外周面から内周面に到達するように形成し、前記連結キーを前記環状部材の外周面から内周面に到達するように嵌め込んであることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の接続構造。
【請求項３】
前記条溝を互いに向かい合う端面の周方向に等間隔にそれぞれの少なくとも３つ設けてなることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管の接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の接続構造に関するもので、特に、土木、建築等の構造物の基礎杭やアンカとして使用される鋼管杭の接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管は製造上あるいは輸送上、長さに限度がある。そこで、たとえば土木、建築等の構造物の基礎杭として使用される鋼管杭は、現地で地盤に埋設する際に、所定の深度に到達させるために、２つ以上の鋼管杭を長さ方向に接続して使用する場合が多い。
【０００３】
鋼管杭の接続構造としては、従来、図３に示すように、開先を設けた２つの鋼管130 、160 の端部を突き合わせ、溶接箇所の内面に中子リング140 を配置して円周溶接し、接続部150 により接続する構造が知られていた。
このような円周溶接した接続部150 により鋼管を接続する場合、現地での溶接に長時間を要し、他の作業に支障をきたしたり、良好な溶接結果を得るには、熟練した技術を要するという欠点があった。
【０００４】
そこで、このような欠点を解消させた鋼管杭の接続構造として、一方の杭本体の端部外周面に螺設された雄ねじ部と、他方の杭本体の端部内周面に螺設された雌ねじ部とをねじ結合して接続部とする接続構造が提案されている。
例えば、特開平6-193054号公報には、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、鋼管杭130 、160 をねじ結合することにより、接続部100 で接続する鋼管杭の接続構造が提案されている。
【０００５】
しかしながら、ねじ結合による鋼管杭の接続構造は、接続する鋼管が大口径ともなると、鋼管の周面は径に比例して広くなるが、鋼管の厚みはそれほど厚くならないのが普通であるので、比較的大きな引き抜き荷重が作用するような地盤中に埋設した場合、小口径の鋼管より、接続部での厚み当たりの引き抜き荷重が大きくなり、雄ねじ部と雌ねじ部との間で山越えが発生することがあり、引き抜き荷重に対する接続部での抵抗力が不十分であるという問題があった。
【０００６】
また、ねじ結合による鋼管杭の接続構造は、鋼管が小口径である場合、接続時間はあまり問題にはならないが、鋼管が大口径で重量物である場合、螺合中に、雌ねじ部と雄ねじ部の間でこじれが生じやすく、慎重に接続作業を行うようになるので、接続時間が長くなるという問題があった。
ところで、図５に示すフランジ継手による鋼管の接続構造では、上下のフランジ230 、240 に設けた貫通孔の位置合わせを行って、上下のフランジ230 、240 に設けた貫通孔に締結ボルト250 を通し、締結ボルト250 を締め付けて継手同士を接続すればよいので、接続時間をかなり短かくできるようにはなっている。
【０００７】
しかしながら、フランジ継手による鋼管の接続構造は、軸方向の引き抜き荷重Ｐが作用した場合、接続部に曲げモーメントが発生し、面外変形が生じるために、引き抜き荷重に対する抵抗力が弱く、引き抜き荷重に対する抵抗力を十分なものにするために、フランジ230 、240 に補強部材260 を取り付けたり、フランジ230 、240 の厚みを厚くしなければならず、材料の使用量が増えるという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の鋼管の接続構造における問題点を解消することにあり、大口径の鋼管の場合でも、鋼管同士を簡単に接続することができると共に、引き抜き荷重に対する接続部での抵抗力を十分高くすることができ、かつ接続部での材料使用量も少なくできる鋼管の接続構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討し、２つの環状部材を連結すべき鋼管本体にそれぞれ取り付け、この環状部材同士を特殊形状の連結キーを介して互いに接続することによって、上記課題を解決できるとの知見を得て本発明を完成させた。
本発明は、接続すべき一方の鋼管本体の端部に取り付けた環状部材と接続すべき他方の鋼管本体の端部に取り付けた環状部材とを互いに抜け止め状態で接続してある鋼管の接続構造であって、前記２つの環状部材は各環状部材の厚みがそれぞれの鋼管本体の厚みより厚く形成されていると共に、各環状部材の端面上にそれぞれの鋼管本体の端部が位置するように取り付けてあり、前記一方の鋼管本体を前記他方の鋼管本体の上方に同軸に配置した状態で、前記上方の環状部材の下端面および前記下方の環状部材の上端面に厚み方向に沿う条溝を互いに対向するように、かつ開口部の幅より底部の幅が広くなるようにそれぞれ周方向に複数形成してあり、互いに対向する上下の条溝にそれぞれ跨って嵌め込んだ複数の連結キーにより、前記２つの環状部材が互いに抜け止め状態として接続してあると共に、前記連結キーは、連結キーのそれぞれの最小断面積とせん断降伏応力の積との総和を前記上方の鋼管本体の軸方向引っ張り強度と前記下方の鋼管本体の軸方向引っ張り強度のどちらか一方の小さいほうの軸方向引っ張り強度よりも小さくしてあることを特徴とする鋼管の接続構造である。
このような鋼管の接続構造によれば、軸方向引っ張り強度の低い鋼管本体よりも、先に連結キー部が破壊するので、接続部分が過剰な軸方向強度を有するようなことがなく、無駄がない接続構造とすることができる。
【００１０】
また、本発明は、前記鋼管本体の端部が各環状部材の端面上の厚み方向中央に位置するようにそれぞれ取り付けてあり、さらに、前記条溝を前記環状部材の外周面から内周面に到達するように形成し、前記連結キーを前記環状部材の外周面から内周面に到達するように嵌め込んであることが、鋼管本体の厚み中央の面を延長した面を外れずに、力を伝達できるために、より大きな引き抜き荷重に対抗できるので好ましい。
【００１１】
さらにまた、本発明は、上記の条溝を互いに向かい合う端面の周方向にそれぞれ等間隔に少なくとも３つ設けてなることが、少なくとの３つ連結キーにより、ほぼ均等に引き抜き荷重を負担できるので、より効果的に引き抜き荷重に対抗することができるので好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施の形態に係る鋼管の接続構造について、図を用いて説明する。
図１（ａ）、図１（ｂ）は実施の形態に係る鋼管の接続構造を示す分解斜視図、図１（ｃ）は組立斜視図である。
【００１３】
また、図２は実施の形態に係る鋼管の接続部での作用を説明する要部断面図である。
図１、図２には、接続すべき一方の鋼管本体を図面上部に、接続すべき他方の鋼管本体を図面下部に同軸に配置して示してある。
本発明の鋼管の継手構造は、図１、図２に示すように、接続すべき上方の鋼管本体１の端部には環状部材２が取り付けてあり、また、接続すべき下方の鋼管本体３の端部には環状部材４が取り付けてある。上記の２つの環状部材２、４は、図２に示すように、環状部材の厚みｔが鋼管本体の厚みｔ0 より厚く形成されていると共に、環状部材２、４の端面上に鋼管本体１，３の端部が位置するように取り付けてある。また、鋼管本体１、３の外径、厚みおよび環状部材２、４の外径、厚みは同じとされている。
【００１４】
図１、図２では、上方の鋼管本体１の端部と環状部材２との取り付け、および下方の鋼管本体３の端部と環状部材４との取り付けは、周面溶接による溶接部６で行っているが、本発明では鋼管本体と環状部材との取り付けは溶接に限定されない。
本発明では、上方の環状部材２の下端面および下方の環状部材４の上端面には、図１（ａ）に示すように、環状部材の厚み方向に沿う上下の条溝2A、4Aが互いに対向するように、かつ開口部の幅Ｗ2 、Ｗ4 より底部の幅が広くなるように、それぞれ周方向に複数形成してある。
【００１５】
そして、上下の条溝2A、4Aを互いに対向させ、互いに向かい合う端面を重ね合わせた状態で、図１（ｃ）に示すように、互いに対向する上下の条溝2A、4Aに跨って嵌め込んだ複数の連結キー５により上記の２つの環状部材２、４が互いに抜け止め状態として接続してある。
ここで、連結キー５は、図１（ｂ）に示すように、高さ方向の上下部の幅Ｗ5 が中央部の幅Ｗ5 ’より広くなるように形成してあって、上述したように、互いに対向する上下の条溝2A、4Aに跨って嵌め込んであるから、２つの環状部材２、４が互いに抜け止め状態として接続できるのである。図１（ｂ）には、１つの連結キー５を示したが、その他の連結キーも同じ形状である。Ｈ5 は連結キー５の高さ、ｔ5 は連結キー５の厚みである。
【００１６】
なお、２つの環状部材２、４は厚板を環状に加工するようにしてもよく、また、環状部材２、４の材料は特に限定されないが、鋼材とするのが、強度およびコストの点で望ましい。連結キー５の材料は、環状部材２、４の材料と同じとしても、異なっていてもよいが、鋼材とするのが同じ理由で望ましい。
本発明はこのような鋼管の接続構造であるから、例えば、鋼管を鋼管杭とした場合、鋼管杭を地盤に埋設する前に、予め、接続すべき一方の鋼管本体の端部に環状部材を取り付けると共に、接続すべき他方の鋼管本体の端部に環状部材を取り付けておく。そして、鋼管杭を地盤に埋設する時に、環状部材２と環状部材４とを同軸に配置し、上下の条溝2A、4Aを互いに対向させて、互いに向かい合う端面を重ね合わせ、連結キー５を上下の条溝2A、4Aに跨ってそれぞれ嵌め込むだけで、上記の２つの環状部材２、４を互いに抜け止め状態として接続できるから、従来の円周溶接による鋼管の接続、あるいは大口径の鋼管同士のねじ結合による接続のように、接続に長時間を要することも、熟練した技術を要するということもなく、簡単に、短時間で接続できる。
【００１７】
さらに、本発明の鋼管の接続構造では、環状部材の端面に形成する条溝の数を増やすことにより、引き抜き荷重に対する接続部での抵抗力を高くすることができるので、大口径の鋼管の場合でも十分な接続部での抵抗力を有する接続構造とすることができる。
そのうえに、本発明の鋼管の接続構造では、図２に示すように、環状部材２、４の厚みｔを鋼管本体の厚みｔ0 以上とし、鋼管本体１，３の端部が環状部材２、４の端面上に位置するように取り付けてある。このために、軸方向の引き抜き荷重Ｐに対して、図２に示す鋼管本体の厚みｔ0 中央の周面の延長上にある接触面10、11で力を伝達できるようになるから、余分な力が接続部に作用せず、面外変形が生じ難く、より大きな引き抜き荷重に対抗できるのである。
【００１８】
この接触面10、11は、図１（ｂ）に示す連結キー５の上下部の傾斜した側面5A、5Bと上下の環状部材に形成した条溝2A、4Aの側壁面とが接触して、引き抜き荷重に対する抵抗力を発生している面である。
なお、図２では、鋼管本体１，３の端部が環状部材２、４の端面の厚み方向中央より内側の端面上に位置しているが、本発明では、鋼管本体１、３の端部が各環状部材２、４の端面上の厚み方向中央に位置するようにそれぞれ取り付けて、さらに、上記の条溝2A、4Aを環状部材２、４の外周面から内周面に到達するように形成し、上記の連結キー５を環状部材２、４の外周面から内周面に到達するように嵌め込んであることが、鋼管本体１、３の厚み中央の周面を軸方向に延長した接続部の位置で力を伝達できるようになり、鋼管本体の厚み中央の面を延長した面を外れずに、力を伝達できるために、より大きな引き抜き荷重に対抗できるので好ましい。
【００１９】
ところで、図５に示した従来のフランジ継手による鋼管の接続構造では、軸方向の引き抜き荷重Ｐが作用した場合、鋼管本体の厚み中央の面を延長した面から外れた面外にある、フランジ230 、240 と締結ボルト250 との接触面で面外変形が発生してしまうために、フランジに補強部材260 を取り付けたり、フランジ厚みを厚くして、接続部の剛性を高めなければならず、接続部の材料が増える欠点があったのである。
【００２０】
ここで、本発明においては、上記の条溝を互いに向かい合う端面の周方向にそれぞれ等間隔に少なくとも３つ設けてなることが、引き抜き荷重の方向が軸方向からずれた場合でも、等間隔に少なくとも３つ設けてなる互いに対向する上下の条溝に跨って嵌め込んだ少なくとの３つ連結キーにより、ほぼ均等に荷重を負担できるので、より効果的に引き抜き荷重に対する接続部での抵抗力を高くすることができるので好ましい。
【００２１】
そのうえさらに、本発明は、上記の連結キー５は、連結キー５のそれぞれの最小断面積Ｓi とせん断降伏応力τの積との総和Σ（Ｓi ・τi ）を上記の２つの鋼管本体１、３の、どちらか一方の小さいほうの軸方向引っ張り強度Ｓmin よりも小さくしてあることが、どちらか一方の軸方向引っ張り強度よりも高い引き抜き荷重が作用した場合、軸方向引っ張り強度の低い鋼管本体よりも先に連結キーの最小断面積の部分が破壊するので、接続部分が過剰な軸方向強度を有するようなことがなく、無駄がないので好ましい。この意味から、0.7 Ｓmin ≦Σ（Ｓi ・τi ）＜Ｓmin 程度の関係が好ましい。
【００２２】
なお、鋼管本体の径が３００〜１０００mm、鋼管本体の厚みｔ0 が６〜２５mmの鋼管を基礎杭として用いる場合には、環状部材の厚みｔをｔ0 ＋３０〜ｔ0 ＋５０mmとし、溝の数を８〜１２個とし、各条溝の溝底の幅は開口部の幅よりも、１．２〜１．５倍と大きくするのが、引き抜き荷重に十分対抗できる経済的な接続構造とすることができるので望ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、大口径の鋼管の場合でも、鋼管同士を簡単に接続することができると共に、引き抜き荷重に対する接続部での抵抗力を十分高くすることがでる。
この結果、現地における鋼管同士の接続作業が容易となり、接続時間を短くすることができ、さらに引き抜き荷重に対する接続部での抵抗力が十分高いので、接続部での材料使用量を少なくできるという産業上有益な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は実施の形態に係る鋼管の継手構造を示す分解斜視図、（ｃ）は組立斜視図である。
【図２】実施の形態に係る鋼管の接続部での作用を説明する要部断面図である。
【図３】従来の溶接による接続方法を示す要部断面図である。
【図４】従来のねじ結合による接続方法を示す（ａ）は部分断面図、（ｂ）は要部断面図である。
【図５】従来のフランジ継手の接続構造を示す（ａ）は斜視図、（ｂ）は要部部分断面図である。
【符号の説明】
１、３  鋼管本体
２、４  環状部材
５  連結キー
5A、5B  連結キーの上下部の側面
６  溶接部
10、11  接触面
ｔ0   鋼管本体の厚み
ｔ    環状部材の厚み
Ｗ2 、Ｗ4   上下の条溝の開口部の幅
Ｗ5   連結キーの上下部の幅
Ｗ5 ’連結キーの中央部の幅
Ｈ5   連結キーの高さ
ｔ5   連結キーの厚み
100   接続部
210 、220   鋼管本体
230 、240   フランジ
250   締結ボルト
260   補強部材
【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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