(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022162291
(43)【公開日】2022-10-24
(54)【発明の名称】鋼管の継手構造
(51)【国際特許分類】
E02D 5/24 20060101AFI20221017BHJP
【ＦＩ】
E02D5/24 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021067041
(22)【出願日】2021-04-12
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100175802
【弁理士】
【氏名又は名称】寺本 光生
(74)【代理人】
【識別番号】100134359
【弁理士】
【氏名又は名称】勝俣 智夫
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(72)【発明者】
【氏名】久積 和正
(72)【発明者】
【氏名】妙中 真治
(72)【発明者】
【氏名】阿形 淳
(72)【発明者】
【氏名】石濱 吉郎
(72)【発明者】
【氏名】北濱 雅司
(72)【発明者】
【氏名】日下 裕貴
(72)【発明者】
【氏名】柳 悦孝
(72)【発明者】
【氏名】黒澤 辰昭
【テーマコード（参考）】
2D041
【Ｆターム（参考）】
2D041AA02
2D041BA02
2D041BA19
2D041CB06
2D041DB02
2D041DB13
(57)【要約】
【課題】溝部の変形を抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
【解決手段】第１鋼管１の一端において管軸方向Ｘに沿って延びる複数の山部を有する外嵌段部１１が管周方向に間隔をあけて複数形成された外嵌端部１Ａと、第２鋼管２の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する内嵌段部２１が管周方向に間隔をあけて複数形成された内嵌端部２Ａと、を備え、外嵌端部１Ａは、管周方向で隣り合う外嵌段部１１同士の間に外嵌溝部１２を有し、内嵌端部２Ａは、管周方向で隣り合う内嵌段部２１同士の間に内嵌溝部２２を有し、外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方が２０以下となる構成の鋼管の継手構造を提供する。
【選択図】図５
【解決手段】第１鋼管１の一端において管軸方向Ｘに沿って延びる複数の山部を有する外嵌段部１１が管周方向に間隔をあけて複数形成された外嵌端部１Ａと、第２鋼管２の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する内嵌段部２１が管周方向に間隔をあけて複数形成された内嵌端部２Ａと、を備え、外嵌端部１Ａは、管周方向で隣り合う外嵌段部１１同士の間に外嵌溝部１２を有し、内嵌端部２Ａは、管周方向で隣り合う内嵌段部２１同士の間に内嵌溝部２２を有し、外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方が２０以下となる構成の鋼管の継手構造を提供する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１鋼管と第２鋼管とを接続する鋼管の継手構造であって、
前記第１鋼管の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する外嵌段部が管周方向に間隔をあけて複数形成された外嵌端部と、
前記第２鋼管の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する内嵌段部が管周方向に間隔をあけて複数形成された内嵌端部と、を備え、
前記外嵌端部は、管周方向で隣り合う前記外嵌段部同士の間に外嵌溝部を有し、
前記内嵌端部は、管周方向で隣り合う前記内嵌段部同士の間に内嵌溝部を有し、
前記外嵌段部同士の間の周方向間隔である前記外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂと前記外嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および前記内嵌段部同士の間の周方向間隔である前記内嵌溝部の溝幅Ｗｊｐと前記内嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方が２０以下となり、（１）式および（２）式のうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする鋼管の継手構造。
前記第１鋼管の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する外嵌段部が管周方向に間隔をあけて複数形成された外嵌端部と、
前記第２鋼管の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する内嵌段部が管周方向に間隔をあけて複数形成された内嵌端部と、を備え、
前記外嵌端部は、管周方向で隣り合う前記外嵌段部同士の間に外嵌溝部を有し、
前記内嵌端部は、管周方向で隣り合う前記内嵌段部同士の間に内嵌溝部を有し、
前記外嵌段部同士の間の周方向間隔である前記外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂと前記外嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および前記内嵌段部同士の間の周方向間隔である前記内嵌溝部の溝幅Ｗｊｐと前記内嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方が２０以下となり、（１）式および（２）式のうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする鋼管の継手構造。
【数1】
【請求項2】
前記外嵌端部および前記内嵌端部それぞれの板厚、及び前記外嵌溝部および前記内嵌溝部それぞれの板厚は、管端へ向かうに従い漸次小さくなることを特徴とする請求項１に記載の鋼管の継手構造。
【請求項3】
前記外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂと前記外嵌溝部における周方向中央の最小板厚ｔｊｂ１との比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）、および前記内嵌溝部の溝幅Ｗｊｐと前記内嵌溝部における周方向中央の最小板厚ｔｊｐ１との比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ１）のうち少なくとも一方が１２以下となり、（３）式および（４）式のうち少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管の継手構造。
【数2】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋼管の継手構造に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、鋼管杭などの鋼管の継手構造では、一方の鋼管の外嵌端部の管周方向に設けられる外嵌段部の山部の管軸方向に沿う長さ寸法と、他方の鋼管の内嵌端部の管周方向に設けられる山部の管軸方向に沿う長さ寸法と、をそれぞれ管軸方向に隣接して離散的に設けられた山部よりも長くする構成のものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【0003】
このような鋼管の継手構造では、先端山部の表面積が相対的に大きくなり、管軸方向の引張力が作用した際の半径方向応力を低減することが可能となる。すなわち、外嵌端部のフープ変形および内嵌端部の座屈変形を防止することができ、引張耐力を向上できる合理的な形状となっている。
また、この場合には、外嵌端部および内嵌端部における管軸方向の基端側から管端側に向けて伝達される引張力が低下するため、基端側から管端側に向けて板厚を徐々に小さくして部材のコストを抑制している。
また、この場合には、外嵌端部および内嵌端部における管軸方向の基端側から管端側に向けて伝達される引張力が低下するため、基端側から管端側に向けて板厚を徐々に小さくして部材のコストを抑制している。
【0004】
特許文献１には、鋼管杭の継手が外嵌端部および内嵌端部の基端側から管端側に向けて伝達される引張力が低下する構成について記載されている。特許文献１では、段部に相当する係合凸部の板厚を基端側から管端側に向けて徐々に小さくした形状であり、これにより部材のコストの上昇を抑えている。
【0005】
特許文献２には、継手における、第１外嵌段部の外嵌山部および第１内嵌段部の内嵌山部の長さにおいて、それぞれ第２段部の同山部の長さよりも長く設定される構成について記載されている。これによって、第１段部の表面積が相対的に大きくなり、管軸方向の引張力が作用した際の管軸直角方向の応力を小さくすることが可能となる。したがって、第１外嵌段部のフープ変形、および第１内嵌段部の座屈変形を防止できることになり、引張耐力を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平１１－４３９３６号公報
【特許文献2】特許第６０７９９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、従来の鋼管の継手構造では、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１では、外嵌端部の内壁部や内嵌端部の外壁部は係合部の板厚よりもさらに小さくなるため、引張力が作用した場合に径方向の変形が大きくなり、耐力が低下するという問題があった。
すなわち、特許文献１では、外嵌端部の内壁部や内嵌端部の外壁部は係合部の板厚よりもさらに小さくなるため、引張力が作用した場合に径方向の変形が大きくなり、耐力が低下するという問題があった。
【0008】
また、特許文献２の場合には、第１外嵌段部および第１内嵌段部の外嵌山部の先端山部、内嵌山部の先端山部における管軸方向の長さを管軸方向に隣接して離散的に設けられた山部よりも大きくすることにより管軸直角方向への応力の低減を図っている。しかしながら、応力は板厚が最も薄くなる外嵌溝部および内嵌溝部にも同様に作用する。そのため、山部の長さに関係なく切削される溝部では応力低減ができず、その結果、溝部で生じる変形によって引張耐力が低下するおそれがある。
【0009】
このように全強が求められる本設用継手の場合、継手の板厚を薄くすることで剛性が減少することになる。その結果、引張力が作用した際に、継手の局部的な変形を抑制することができず、全強を確保できないという問題があり、その点で改善の余地があった。
【0010】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、溝部の変形を抑制することができ、引張耐力を満足させることができる鋼管の継手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】
【0011】
前記目的を達成するため、本発明に係る鋼管の継手構造では、第１鋼管と第２鋼管とを接続する鋼管の継手構造であって、前記第１鋼管の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する外嵌段部が管周方向に間隔をあけて複数形成された外嵌端部と、前記第２鋼管の一端において管軸方向に沿って延びる複数の山部を有する内嵌段部が管周方向に間隔をあけて複数形成された内嵌端部と、を備え、前記外嵌端部は、管周方向で隣り合う前記外嵌段部同士の間に外嵌溝部を有し、前記内嵌端部は、管周方向で隣り合う前記内嵌段部同士の間に内嵌溝部を有し、前記外嵌段部同士の間の周方向間隔である前記外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂと前記外嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および前記内嵌段部同士の間の周方向間隔である前記内嵌溝部の溝幅Ｗｊｐと前記内嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方が２０以下となり、（１）式および（２）式のうち少なくとも一方を満たすことを特徴としている。
【0012】
【数1】
【0013】
本発明に係る鋼管の継手構造では、外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および内嵌溝部の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方を２０以下とすることで、外嵌溝部および内嵌溝部の変形を抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
【0014】
また、本発明に係る鋼管の継手構造では、前記外嵌端部および前記内嵌端部それぞれの板厚、及び前記外嵌溝部および前記内嵌溝部それぞれの板厚は、管端へ向かうに従い漸次小さくなることを特徴としてもよい。
【0015】
この場合には、外嵌端部および内嵌端部それぞれの板厚、及び外嵌溝部および内嵌溝部それぞれの板厚を引張耐力を満足できる無駄のない形状とすることができるため、部材のコストを抑えることができる。
【0016】
また、本発明に係る鋼管の継手構造では、前記外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂと前記外嵌溝部における周方向中央の最小板厚ｔｊｂ１との比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）、および前記内嵌溝部の溝幅Ｗｊｐと前記内嵌溝部における周方向中央の最小板厚ｔｊｐ１との比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ１）のうち少なくとも一方が１２以下となり、（３）式および（４）式のうち少なくとも一方を満たすことが好ましい。
【0017】
【数2】
【0018】
このような構成とすることにより、外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部における周方向中央の最小板厚ｔｊｂ１との比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）、および内嵌溝部の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部における周方向中央の最小板厚ｔｊｐ１との比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ１）のうち少なくとも一方を１２以下とすることで、外嵌溝部および内嵌溝部の変形をより確実に抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明の鋼管の継手構造によれば、溝部の変形を抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の実施形態による鋼管の継手構造を示す縦断面図であって、鋼管同士を締結した状態の図である。
【図3】第１鋼管の外嵌端部の構成を示す斜視図である。
【図4】第２鋼管の内嵌端部の構成を示す斜視図である。
【図9】実施例による解析結果であって、外嵌端部を示す図である。
【図10】実施例による解析結果であって、内嵌端部を示す図である。
【図11】（ａ）～（ｃ）は、実施例による解析結果を示す図である。
【図12】実施例による解析結果を示す図であって、溝幅／板厚と、最大荷重／設計荷重との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、本発明の実施形態による鋼管の継手構造について、図面に基づいて説明する。
【0022】
【0023】
ここで、鋼管１、２の中心軸（軸心Ｏ）に沿う方向を管軸方向Ｘとし、軸心Ｏに直交する方向を管径方向Ｙといい、軸心Ｏから見て軸心Ｏ回りに周回する方向を管周方向Ｚとする。管径方向Ｙで軸心Ｏ側を内側、内側の反対側で軸心Ｏから離れる側を外側として、以下説明する。
【0024】
継手構造Ｔは、断面円形状の第１鋼管１及び第２鋼管２を管軸方向Ｘに沿って互いに連結する機械式継手として用いられる。
【0025】
図３及び図５に示すように、第１鋼管１は、鋼管本体１０と、鋼管本体１０の管軸方向Ｘの一端に接合された外嵌端部１Ａと、を有している。外嵌端部１Ａの鋼管本体１０側の基端は、鋼管本体１０の管軸方向Ｘの一端に溶接等で接合されている。外嵌端部１Ａの内周面１ａには、管周方向Ｚに間隔をあけて複数設けられた外嵌段部１１と、管周方向Ｚで隣り合う外嵌段部１１同士の間に設けられた外嵌溝部１２と、を有する。外嵌段部１１は、管周方向Ｚに延びるとともに、管軸方向Ｘに複数列（ここでは４列）配列された山部１１Ａを有している。管軸方向Ｘで山部１１Ａ同士の間には、谷部１１Ｂが形成されている。
【0026】
外嵌端部１Ａは、管軸方向Ｘで鋼管本体１０側の基端から管端１ｂに向かうに従って漸次、厚みが小さくなっている。第１鋼管１は、外嵌端部１Ａにおける全体の外径寸法は管軸方向Ｘに一定である。外嵌端部１Ａは、後述する第２鋼管２の内嵌端部２Ａと互いに嵌合自在に構成されている。
【0027】
図６及び図７に示すように、外嵌段部１１と外嵌溝部１２とは、本実施形態では管周方向Ｚに１６分割されている。外嵌段部１１と外嵌溝部１２とは、それぞれ管周方向Ｚの長さが略同じである。外嵌溝部１２の管周方向Ｚに延びる溝幅Ｗｊｂは、後述する内嵌端部２Ａの内嵌段部２１の管周方向Ｚの長さよりやや長いか同等である。この溝幅Ｗｊｂは、隣り合う外嵌段部１１同士の間隔に相当する。すなわち、外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂは、内嵌段部２１が管軸方向Ｘに嵌入可能な寸法に設定されている。ここで、図中の符号ｔｊｂで示す寸法は、外嵌溝部１２の管周方向中央部１２ｂにおける板厚を示している。
【0028】
図４及び図５に示すように、第２鋼管２は、鋼管本体２０と、鋼管本体２０の管軸方向Ｘの一端に接合された内嵌端部２Ａと、を有している。内嵌端部２Ａの鋼管本体２０側の基端は、鋼管本体２０の管軸方向Ｘの一端に溶接等で接合されている。内嵌端部２Ａの外周面２ａには、管周方向Ｚに間隔をあけて複数設けられた内嵌段部２１と、管周方向Ｚで隣り合う内嵌段部２１同士の間に設けられた内嵌溝部２２と、を有する。内嵌段部２１は、管周方向Ｚに延びるとともに、管軸方向Ｘに複数列（ここでは４列）配列された山部２１Ａを有している。管軸方向Ｘで山部２１Ａ同士の間には、谷部２１Ｂが形成されている。
【0029】
内嵌端部２Ａは、管軸方向Ｘで鋼管本体２０側の基端から管端２ｂに向かうに従って漸次、厚みが小さくなっている。内嵌端部２Ａにおける全体の外径寸法は、管軸方向Ｘに一定である。内嵌端部２Ａは、第１鋼管１の外嵌端部１Ａと互いに嵌合自在に構成されている。
【0030】
図６及び図８に示すように、内嵌段部２１と内嵌溝部２２とは、本実施形態では管周方向Ｚに１６分割されている。内嵌段部２１と内嵌溝部２２とは、それぞれ管周方向Ｚの長さが略同じである。内嵌溝部２２の管周方向Ｚに延びる溝幅Ｗｊｐは、外嵌端部１Ａの外嵌段部１１の管周方向Ｚの長さよりやや長いか同等である。この溝幅Ｗｊｐは、隣り合う内嵌段部２１同士の間隔に相当する。すなわち、内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐは、外嵌段部１１が管軸方向Ｘに嵌入可能な寸法に設定されている。ここで、図中の符号ｔｊｐで示す寸法は、内嵌溝部２２の管周方向中央部２２ｂにおける板厚を示している。
【0031】
図５に示すように、外嵌溝部１２の板厚ｔｊｂおよび内嵌溝部２２それぞれの板厚ｔｊｐは、管端へ向かうに従い漸次小さくなっている。
【0032】
図３及び図４に示すように、第１鋼管１と第２鋼管２とは、管軸方向Ｘに双方を接続する際に、先ず外嵌端部１Ａの外嵌溝部１２に内嵌端部２Ａの内嵌段部２１を管軸方向Ｘに挿入し、同時に内嵌端部２Ａの内嵌溝部２２に外嵌端部１Ａの外嵌段部１１が挿入される。続いて、第１鋼管１と第２鋼管２とを、軸心Ｏ回りに溝部幅分（段部幅分）だけ管周方向Ｚに相対的に回転させる。すなわち、双方の外嵌段部１１と内嵌段部２１とが管周方向Ｚに同じ位置となるように回転させることで、双方の段部１１、２１同士が管軸方向Ｘに交互に位置して管軸方向Ｘへの移動が規制された状態で嵌合される。これにより第１鋼管１と第２鋼管２とが嵌合されて接合された状態となる。
【0033】
図５に示すように、外嵌段部１１の山部１１Ａと内嵌段部２１の山部２１Ａの双方が管軸方向Ｘに交互に位置するように形成されており、外嵌溝部１２の溝面１２ａと、内嵌溝部２２の溝面２２ａとは、嵌合した状態において面一となって面接触するように設定されている。すなわち、外嵌端部１Ａと内嵌端部２Ａとは、管軸方向Ｘの所定位置における断面で同じ板厚になっている。
【0034】
図５に示すように、このような継手構造Ｔでは、第１鋼管１と第２鋼管２とを連結させた状態において、第１鋼管１及び第２鋼管２から外嵌端部１Ａ及び内嵌端部２Ａに管軸方向Ｘの引張力と圧縮力が作用する際に、引張力と圧縮力に対して外嵌段部１１と内嵌段部２１とがそれぞれの管軸方向Ｘを向く面で抵抗する。また、本実施形態の継手構造Ｔでは、外嵌端部１Ａ及び内嵌端部２Ａに管軸方向Ｘに対する曲げ力が作用した場合の変形量を抑えることができる。
【0035】
次に、本実施形態による継手構造Ｔの特徴について、さらに具体的に説明する。
図７及び図８に示すように、本実施形態の鋼管の継手構造Ｔでは、外嵌段部１１同士の間の周方向間隔である外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および内嵌段部２１同士の間の周方向間隔である内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方が２０以下となり、（１）式および（２）式のうち少なくとも一方を満たすように設定されている。
図７及び図８に示すように、本実施形態の鋼管の継手構造Ｔでは、外嵌段部１１同士の間の周方向間隔である外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および内嵌段部２１同士の間の周方向間隔である内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方が２０以下となり、（１）式および（２）式のうち少なくとも一方を満たすように設定されている。
【0036】
【数3】
【0037】
さらに、本実施形態の鋼管の継手構造Ｔでは、外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の最小板厚ｔｊｂ１との比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）、および内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における周方向中央の最小板厚ｔｊｐ１との比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ１）のうち少なくとも一方が１２以下となり、（３）式および（４）式のうち少なくとも一方を満たすように設定されることがより好ましい。
【0038】
【数4】
【0039】
次に、上述した鋼管の継手構造Ｔの作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、第１鋼管１と第２鋼管２との間で管軸方向Ｘに引張力が作用した場合には、ポアソン効果によって管周方向Ｚに圧縮力が発生する。このとき、外嵌端部１Ａには、管径方向Ｙ外側に拡径するような変形を助長する力Ｆ１と、それに伴う管周方向Ｚへの引張力と、が付加的に作用する。一方、内嵌端部２Ａには、管径方向Ｙ内側に縮径するような変形を助長する力Ｆ２と、それに伴う管周方向Ｚへの圧縮力と、が付加的に作用する。すなわち、外嵌端部１Ａでは管軸方向Ｘの引張力による管周方向Ｚの圧縮力と、管径方向Ｙ外側への引張力Ｆ１による管周方向Ｚの引張力とが部分的に相殺し、管径方向Ｙ外側への変形が抑制される。一方、内嵌端部２Ａでは管軸方向Ｘの引張力による管周方向Ｚの圧縮力と、管径方向Ｙ内側への引張力Ｆ２による管周方向Ｚの圧縮力とが加わることで内嵌溝部２２に大きな圧縮力が作用する。これにより、管周方向Ｚにおいて相対的に板厚が薄く剛性が低い溝部が管径方向Ｙ外側へ変形する反動（幾何学的な形状保持）で山部（段部）が溝部と対向する半径方向に面外変形する（図９及び図１０参照）。とくに、図１０に示すように、内嵌溝部２２では座屈によって大変形すると山部も大きく内径側に変形し、継手の早期離脱または嵌合悪化による部分塑性化が発生し、引張耐力が低下する。
これに対して、図７及び図８に示すように、本実施形態による鋼管の継手構造Ｔは、外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方を２０以下とすることで、外嵌溝部１２および内嵌溝部２２の変形を抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
図１に示すように、第１鋼管１と第２鋼管２との間で管軸方向Ｘに引張力が作用した場合には、ポアソン効果によって管周方向Ｚに圧縮力が発生する。このとき、外嵌端部１Ａには、管径方向Ｙ外側に拡径するような変形を助長する力Ｆ１と、それに伴う管周方向Ｚへの引張力と、が付加的に作用する。一方、内嵌端部２Ａには、管径方向Ｙ内側に縮径するような変形を助長する力Ｆ２と、それに伴う管周方向Ｚへの圧縮力と、が付加的に作用する。すなわち、外嵌端部１Ａでは管軸方向Ｘの引張力による管周方向Ｚの圧縮力と、管径方向Ｙ外側への引張力Ｆ１による管周方向Ｚの引張力とが部分的に相殺し、管径方向Ｙ外側への変形が抑制される。一方、内嵌端部２Ａでは管軸方向Ｘの引張力による管周方向Ｚの圧縮力と、管径方向Ｙ内側への引張力Ｆ２による管周方向Ｚの圧縮力とが加わることで内嵌溝部２２に大きな圧縮力が作用する。これにより、管周方向Ｚにおいて相対的に板厚が薄く剛性が低い溝部が管径方向Ｙ外側へ変形する反動（幾何学的な形状保持）で山部（段部）が溝部と対向する半径方向に面外変形する（図９及び図１０参照）。とくに、図１０に示すように、内嵌溝部２２では座屈によって大変形すると山部も大きく内径側に変形し、継手の早期離脱または嵌合悪化による部分塑性化が発生し、引張耐力が低下する。
これに対して、図７及び図８に示すように、本実施形態による鋼管の継手構造Ｔは、外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の板厚ｔｊｂとの比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ）、および内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における周方向中央の板厚ｔｊｐとの比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ）のうち少なくとも一方を２０以下とすることで、外嵌溝部１２および内嵌溝部２２の変形を抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
【0040】
また、本実施形態では、外嵌端部１Ａおよび内嵌端部２Ａそれぞれの板厚、及び外嵌溝部１２および内嵌溝部２２それぞれの板厚ｔｊｐ、ｔｊｂを引張耐力を満足できる無駄のない形状とすることができるため、部材のコストを抑えることができる。
【0041】
このような構成とすることにより、外嵌溝部１２の溝幅Ｗｊｂと外嵌溝部１２における周方向中央の最小板厚ｔｊｂ１との比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）、および内嵌溝部２２の溝幅Ｗｊｐと内嵌溝部２２における管周方向中央部２２ｂの最小板厚ｔｊｐ１との比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ１）のうち少なくとも一方を１２以下とすることで、外嵌溝部１２および内嵌溝部２２の変形をより確実に抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
【0042】
上述した本実施形態による鋼管の継手構造Ｔでは、溝部の変形を抑制することができ、引張耐力を満足させることができる。
【0043】
次に、上述した実施形態による鋼管の継手構造Ｔの効果を裏付けるために行った実施例について以下説明する。
【0044】
（実施例）
実施例では、数値シミュレーション解析を使用して、上述した図１に示す第１鋼管１の外嵌端部１Ａと第２鋼管２の内嵌端部２Ａとの継手構造に曲げ荷重をかけて、継手の破壊モードを確認するとともに、耐力と溝部の板厚比との関係において最適なものを確認した。
実施例では、数値シミュレーション解析を使用して、上述した図１に示す第１鋼管１の外嵌端部１Ａと第２鋼管２の内嵌端部２Ａとの継手構造に曲げ荷重をかけて、継手の破壊モードを確認するとともに、耐力と溝部の板厚比との関係において最適なものを確認した。
【0045】
図９は、第１鋼管の外嵌端部と第２鋼管の内嵌端部との継手構造において、外嵌端部において管軸方向に対して曲げ力が作用した状態を示す解析結果の一例を示している。図１０は、第１鋼管の外嵌端部と第２鋼管の内嵌端部との継手構造において、内嵌端部において管軸方向に対して曲げ力が作用した状態を示す解析結果の一例を示している。図９及び図１０は、解析モデルを作成して数値シミュレーション解析を行い、継手構造の変形状態を確認したものである。
図９及び図１０に示すように、曲げ変形が作用すると、引張部となる外嵌端部の下端部分および内嵌端部の下端部分が楕円状かつ花びら状に変形することがわかる。すなわち、図９に示すように外嵌段部１１は管径方向の外側に膨らみ、外嵌溝部１２は管径方向の内側に凹むように変形することがわかる。また、図１０に示すように、内嵌段部２１は管径方向の内側に凹み、内嵌溝部２２は管径方向の外側に膨らむように変形することがわかる。
図９及び図１０に示すように、曲げ変形が作用すると、引張部となる外嵌端部の下端部分および内嵌端部の下端部分が楕円状かつ花びら状に変形することがわかる。すなわち、図９に示すように外嵌段部１１は管径方向の外側に膨らみ、外嵌溝部１２は管径方向の内側に凹むように変形することがわかる。また、図１０に示すように、内嵌段部２１は管径方向の内側に凹み、内嵌溝部２２は管径方向の外側に膨らむように変形することがわかる。
【0046】
なお、図１１（ａ）～（ｃ）は、第１鋼管１における外嵌段部１１と外嵌溝部１２との管周方向の分割数の違いにおける曲げによる応力分布を示している。図１１（ａ）は８分割の図、図１１（ｂ）は１６分割の図、図１１（ｃ）は３２分割の図である。図１１（ａ）～（ｃ）の結果から、分割数が小さいほど外嵌溝部１２の周長（溝幅に相当）も長くなり、外嵌溝部１２に応力がかからない部分Ｑ１（図面で色が薄い部分）の領域が大きくなる。一方、分割数が大きくなる３２分割の場合には、外嵌溝部１２が全体的に応力が作用する部分Ｑ２（図面で色が濃い部分）となる。
すなわち、分割数が多く、溝幅を小さくすることで、外嵌溝部１２全体で応力が掛かる効率よい構成となる。
すなわち、分割数が多く、溝幅を小さくすることで、外嵌溝部１２全体で応力が掛かる効率よい構成となる。
【0047】
表１は、本実施例において曲げ解析を行って確認した１１ケースの解析ケースを示している。使用した鋼管は、規格が弾性とし、鋼管径Ｄ、板厚ｔを変えたものである。各ケースにおける継手の構成は、対象鋼管の種類、山部の高さｈｇ、山部の幅ｌｇ、内嵌溝部の最小板厚ｔｊｐ１、外嵌溝部の最小板厚ｔｊｂ１、外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂ、設計荷重Ｐｕである。また、内嵌溝部における溝幅溝厚比（Ｗｊｐ／ｔｊｐ１）と、外嵌溝部における溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）は表１の通りである。なお、内嵌溝部の溝幅は外嵌溝部の溝幅と同等であるので、外嵌溝部の溝幅Ｗｊｂの値を使用している。また、表１には、各解析モードにおける、解析によって得られた最大荷重Ｐｍａｘと設計荷重Ｐｕの比（Ｐｍａｘ／Ｐｕ）、継手の破壊モードを示している。継手の破壊モードは、図９及び図１０に示すような解析結果より「降伏先行」、「継手離脱」の２つのモードから判断したものである。
【0048】
【表1】
【0049】
図１２は、表１に示す各解析ケース１～１１における最大荷重Ｐｍａｘと設計荷重Ｐｕの比（Ｐｍａｘ／Ｐｕ）で示す曲げ耐力と、代表例として外嵌溝部における溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）と、の関係を示すグラフである。図１２のグラフは、溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）を横軸とし、曲げ耐力を縦軸としている。
解析ケース７は、最大荷重Ｐｍａｘと設計荷重Ｐｕの比（Ｐｍａｘ／Ｐｕ）が１未満になっており、１１ケースで最小値となっている。また、解析ケース７における継手破壊モードは継手の離脱であった。
解析ケース７は、最大荷重Ｐｍａｘと設計荷重Ｐｕの比（Ｐｍａｘ／Ｐｕ）が１未満になっており、１１ケースで最小値となっている。また、解析ケース７における継手破壊モードは継手の離脱であった。
【0050】
図１２において、符号Ｇ１の直線は１１ケースの解析結果で最大荷重Ｐｍａｘと設計荷重Ｐｕの比（Ｐｍａｘ／Ｐｕ）が１を下回る最低値を示す直線である。また符号Ｇ２に示す直線は、最大荷重Ｐｍａｘと設計荷重Ｐｕの比（Ｐｍａｘ／Ｐｕ）が１以上となる点の下限値を結んだ直線である。そして、直線Ｇ１と直線Ｇ２との交点となる溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）は略２０となる。
表１および図１２に示す結果から、外嵌溝部における溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）を２０以下に設定することで、曲げ変形を抑えることができることがわかった。
表１および図１２に示す結果から、外嵌溝部における溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）を２０以下に設定することで、曲げ変形を抑えることができることがわかった。
【0051】
また、解析ケース１では、溝部の板厚ｔｊｐ１、ｔｊｂ１が最も小さく、溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）が１１．９である。そのため、溝幅溝厚比（Ｗｊｂ／ｔｊｂ１）を１２以下とすることで、継手を離脱させずに降伏先後となる曲げ耐力を確保できることがわかった。
なお、内嵌溝部における溝幅溝厚比についても、外嵌溝部の溝幅板厚比とほぼ同じ比率で同じ傾向となる。
なお、内嵌溝部における溝幅溝厚比についても、外嵌溝部の溝幅板厚比とほぼ同じ比率で同じ傾向となる。
【0052】
以上、本発明による鋼管の継手構造の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【0053】
例えば、本実施形態では、外嵌端部１Ａおよび内嵌端部２Ａそれぞれの板厚、及び外嵌溝部１２および内嵌溝部２２それぞれの板厚が、管端へ向かうに従い漸次小さくなる構成としているが、これに限定されることはなく、管軸方向Ｘに沿ってこれら板厚が一定であってもかまわない。
【0054】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、前記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【0055】
１ 第１鋼管
１Ａ 外嵌端部
２ 第２鋼管
２Ａ 内嵌端部
１０、２０ 鋼管本体
１１ 外嵌段部
１１Ａ 山部
１１Ｂ 谷部
１２ 外嵌溝部
１２ｂ 管周方向中央部
２１ 内嵌段部
２１Ａ 山部
２１Ｂ 谷部
２２ 内嵌溝部
２２ｂ 管周方向中央部
Ｔ 鋼管の継手構造
Ｏ 軸心
Ｘ 管軸方向
Ｙ 管径方向
Ｚ 管周方向
１Ａ 外嵌端部
２ 第２鋼管
２Ａ 内嵌端部
１０、２０ 鋼管本体
１１ 外嵌段部
１１Ａ 山部
１１Ｂ 谷部
１２ 外嵌溝部
１２ｂ 管周方向中央部
２１ 内嵌段部
２１Ａ 山部
２１Ｂ 谷部
２２ 内嵌溝部
２２ｂ 管周方向中央部
Ｔ 鋼管の継手構造
Ｏ 軸心
Ｘ 管軸方向
Ｙ 管径方向
Ｚ 管周方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】