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(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】P2024141787
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】鋼管継手の設計方法、鋼管継手および構造物
(51)【国際特許分類】
E02D 5/24 20060101AFI20241003BHJP
【ＦＩ】
E02D5/24 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023053621
(22)【出願日】2023-03-29
(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】110000637
【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所
(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】柳 悦孝
(72)【発明者】
【氏名】日下 裕貴
(72)【発明者】
【氏名】北濱 雅司
(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】 （修正有）
【課題】３次元的な変形を評価することによってより効果的に継手構造の変形を抑制する。
【解決手段】第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、複数の山部を有する複数の内嵌段部と複数の内嵌溝部とが管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、内嵌端部が外嵌端部の内側に嵌合することによって第１鋼管と第２鋼管とを連結する鋼管継手において、外嵌端部または内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、第１鋼管および第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、管軸方向の段部長さＬ、管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たすように設計する。
【選択図】図１０
【解決手段】第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、複数の山部を有する複数の内嵌段部と複数の内嵌溝部とが管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、内嵌端部が外嵌端部の内側に嵌合することによって第１鋼管と第２鋼管とを連結する鋼管継手において、外嵌端部または内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、第１鋼管および第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、管軸方向の段部長さＬ、管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たすように設計する。
【選択図】図１０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手の設計方法であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
【請求項2】
第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手の設計方法であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ii）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ii）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
【請求項3】
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、さらに応力有効幅係数βについて式（iii），（iv），（ｖ）を満たすように設計する、請求項１または請求項２に記載の鋼管継手の設計方法。
β≦１．０ ｛１２５＜Ｄｐ／ｔ１｝ ・・・（iii）
β≦３．５－（Ｄｐ／ｔ１）／５０ ｛７５≦Ｄｐ／ｔ１≦１２５｝ ・・・（iv）
β≦２．０ ｛Ｄｐ／ｔ１＜７５｝ ・・・（ｖ）
β≦１．０ ｛１２５＜Ｄｐ／ｔ１｝ ・・・（iii）
β≦３．５－（Ｄｐ／ｔ１）／５０ ｛７５≦Ｄｐ／ｔ１≦１２５｝ ・・・（iv）
β≦２．０ ｛Ｄｐ／ｔ１＜７５｝ ・・・（ｖ）
【請求項4】
第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たす鋼管継手。
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たす鋼管継手。
【請求項5】
第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）および式（ii）を満たす鋼管継手。
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）および式（ii）を満たす鋼管継手。
【請求項6】
前記第１鋼管と、前記第２鋼管と、請求項４または請求項５に記載の鋼管継手とを含む構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋼管継手の設計方法、鋼管継手および構造物に関する。
【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および特許文献２を参照）。また、段部の間に形成される溝部の変形を抑制して引張耐力を満足させるために、外嵌溝部における溝幅と周方向中央の板厚との比、または内嵌溝部における溝幅と周方向中央の板厚との比を所定値以下にする技術も知られている（特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【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
【特許文献3】特開２０２２－１６２２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、実際の継手構造の変形が３次元的に生じるのに対して、上記のような従来の技術は管軸方向または管周方向のいずれかの２次元的な断面変形に着目したものである。２次元的な断面変形に着目した場合にも変形の抑制は可能であるが、３次元的な変形を評価できた方が、より効果的に変形を抑制することができる。
【0005】
そこで、本発明は、３次元的な変形を評価することによってより効果的に継手構造の変形を抑制することができる鋼管継手の設計方法、鋼管継手および構造物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】
【0006】
［１］第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手の設計方法であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
［２］第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手の設計方法であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ii）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
［３］前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、さらに応力有効幅係数βについて式（iii），（iv），（ｖ）を満たすように設計する、［１］または［２］に記載の鋼管継手の設計方法。
β≦１．０ ｛１２５＜Ｄｐ／ｔ１｝ ・・・（iii）
β≦３．５－（Ｄｐ／ｔ１）／５０ ｛７５≦Ｄｐ／ｔ１≦１２５｝ ・・・（iv）
β≦２．０ ｛Ｄｐ／ｔ１＜７５｝ ・・・（ｖ）
［４］第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たす鋼管継手。
［５］第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）および式（ii）を満たす鋼管継手。
［６］前記第１鋼管と、前記第２鋼管と、［４］または［５］に記載の鋼管継手とを含む構造物。
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかを、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ii）を満たすように設計する、鋼管継手の設計方法。
β≦１．０ ｛１２５＜Ｄｐ／ｔ１｝ ・・・（iii）
β≦３．５－（Ｄｐ／ｔ１）／５０ ｛７５≦Ｄｐ／ｔ１≦１２５｝ ・・・（iv）
β≦２．０ ｛Ｄｐ／ｔ１＜７５｝ ・・・（ｖ）
［４］第１鋼管の一端に設けられ、管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の外嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の外嵌溝部とが管周方向に交互に配列された外嵌端部、および第２鋼管の一端に設けられ、前記管軸方向に配列された複数の山部を有する複数の内嵌段部と前記管軸方向に延びる複数の内嵌溝部とが前記管周方向に交互に配列された内嵌端部を含み、前記内嵌端部が前記外嵌端部の内側に嵌合することによって前記第１鋼管と前記第２鋼管とを連結する鋼管継手であって、
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）を満たす鋼管継手。
前記外嵌端部または前記内嵌端部の少なくともいずれかが、基端部管厚ｔｐ、前記第１鋼管および前記第２鋼管の材料規格比η、先端山部高さｈｇ、先端谷部管厚ｔ１、根元谷部管厚ｔｎ、前記管軸方向の段部長さＬ、前記管周方向の溝部長さＢ、および応力有効幅係数βについて式（ｉ）および式（ii）を満たす鋼管継手。
【発明の効果】
【0007】
上記の構成によれば、鋼管継手の外嵌端部または内嵌端部の断面を模擬した片持ち梁モデルを用いて評価された管端部の面外変形と、継手の溝幅厚比に基づいた周方向断面における溝部の変形とを合わせた３次元的な変形を評価することによって、より効果的に継手構造の変形を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【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る。
【図3】継手構造に含まれる外嵌端部の構成を示す斜視図である。
【図4】継手構造に含まれる内嵌端部の構成を示す斜視図である。
【図6】片持ち梁モデルを用いて継手構造の面外変形量を算出する手法について説明するための図である。
【図7】片持ち梁モデルを用いて継手構造の面外変形量を算出する手法について説明するための図である。
【図8】継手の溝幅厚比について説明するための図である。
【図9】周方向断面における溝部の変形を示す図である。
【図10】本実施形態に係る鋼管継手の設計方法における離脱指標および溝幅厚比の範囲を示すグラフである。
【図11】本実施形態に係る鋼管継手の設計方法における溝部の応力有効幅係数の設定例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0010】
図１から図５は、本発明の一実施形態に係る鋼管の鋼管継手を示す図である。鋼管継手Ｔは、鋼管杭などの構造物を構成する鋼管１，２を連結する。以下の説明では、鋼管１，２の中心軸（軸心Ｏ）に沿う方向を管軸方向Ｘ、軸心Ｏに直交する方向を管径方向Ｙ、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。また、管径方向Ｙについては軸心Ｏに近づく側を内側、軸心Ｏから遠ざかる側を外側とする。
【0011】
図３に示されるように、鋼管１は、鋼管本体１０と、外嵌端部１Ａとを含む。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、管軸方向Ｘに配列された複数（ここでは４つ）の山部１１Ａを有する外嵌段部１１と、隣り合う外嵌段部１１同士の間に形成され管軸方向Ｘに延びる外嵌溝部１２とが、管周方向Ｚに交互に配列される。図５に示されるように、管軸方向Ｘで山部１１Ａ同士の間の位置には谷部１１Ｂが形成される。外嵌端部１Ａでは、外径寸法が管軸方向Ｘについて一定であるのに対して、内径寸法は管軸方向Ｘで鋼管本体１０側の基端から管端１ｂに向かうに従って拡大している。従って、外嵌端部１Ａの厚みは管軸方向Ｘで鋼管本体１０側の基端から管端１ｂに向かうに従って小さくなる。
【0012】
図４に示されるように、鋼管２は、鋼管本体２０と、内嵌端部２Ａとを含む。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、管軸方向Ｘに配列された複数（ここでは４つ）の山部２１Ａを有する内嵌段部２１と、隣り合う内嵌段部２１同士の間に形成され管軸方向Ｘに延びる内嵌溝部２２とが、管周方向Ｚに交互に配列される。図５に示されるように、管軸方向Ｘで山部２１Ａ同士の間の位置には谷部２１Ｂが形成される。内嵌端部２Ａでは、内径寸法が管軸方向Ｘについて一定であるのに対して、外径寸法は管軸方向Ｘで鋼管本体２０側の基端から管端２ｂに向かうに従って縮小している。従って、内嵌端部２Ａの厚みは管軸方向Ｘで鋼管本体２０側の基端から管端２ｂに向かうに従って小さくなる。
【0013】
鋼管１，２は、内嵌端部２Ａが外嵌端部１Ａの内側に嵌合することによって連結される。より具体的には、外嵌端部１Ａの外嵌溝部１２に内嵌端部２Ａの内嵌段部２１を挿入するとともに、内嵌端部２Ａの内嵌溝部２２に外嵌端部１Ａの外嵌段部１１を挿入する。続いて、鋼管１，２を軸心Ｏ回りに溝部幅分（または段部幅分）だけ管周方向Ｚに相対的に回転させることによって、外嵌段部１１および内嵌段部２１の管周方向Ｚの位置を揃え、外嵌段部１１および内嵌段部２１の噛み合いによって鋼管１，２の管軸方向Ｘへの相対移動を規制する。これによって、鋼管１，２が互いに連結される。
【0014】
上述したような鋼管継手Ｔは、鋼管１，２の連結後に管軸方向Ｘに作用する圧縮力および引張力を伝達する外嵌端部１Ａおよび内嵌端部２Ａについて、管軸方向Ｘで基端側から管端側に向かうに従って厚みが小さくなり、負担する引張力を低下させることによってコストを低減させられる点で合理的な設計である。しかしながら、管端側の部材厚みが小さすぎると剛性が不足し、設計時には想定されていない面外変形によって外嵌段部１１および内嵌段部２１の噛み合わせが悪化して、所定の耐力に到達する前に継手の離脱破壊につながる可能性がある。以下では、そのような継手の破壊をより確実に防止するための設計方法について説明する。
【0015】
図６および図７は、鋼管継手の外嵌端部または内嵌端部の管軸方向Ｘに沿った断面を模擬した片持ち梁モデルを用いて管端部の面外変形量ｗを算出する手法について説明するための図である。また、片持ち梁モデルで模擬した断面は管軸方向Ｘに直交する方向（図６の奥行き方向）に連続する短冊モデルと仮定する。なお、図示された例では外嵌端部１Ａが管径方向Ｙの外側に張り出さない一方で内嵌端部２Ａが管径方向Ｙの内側に張り出しているが、他の例では外嵌端部１Ａおよび内嵌端部２Ａがそれぞれ管径方向Ｙの外側および内側に張り出していてもよいし、外嵌端部１Ａが管径方向Ｙの外側に張り出す一方で内嵌端部２Ａが管径方向Ｙの内側に張り出していなくてもよい。面外変形量ｗが算出できれば、面外変形量ｗおよび先端山部高さｈｇを用いた離脱指標ｗ／ｈｇと、溝部の周方向長さＢ、鋼管本体の材料規格比η、基端部管厚ｔｐおよび溝部の応力有効幅係数βを用いた溝幅厚比Ｂ／（ηｔｐ／β）との関係から段部の離脱が生じない条件を特定することができる。なお、鋼管本体の材料規格比ηは、外嵌端部および内嵌端部が取り付けられた鋼管（上記の例では鋼管１，２）を構成する鋼材の種類ごとに規定される比であり、例えばＳＫＫ４００の降伏応力を基準として２３５／２３５＝１．０、ＳＫＫ４９０では３１５／２３５＝１．３４、ＳＭ５７０では４６０／２３５＝１．９６である。また、応力有効幅係数βは、継手断面が変形しないことを前提とし、後述するように継手の径厚比に応じて決定される。
【0016】
まず、管端部、すなわち図７に示す片持ち梁モデルにおける梁先端に作用するＳＫＫ４００の降伏応力を基準とした荷重Ｐを式（１）によって算出する。式（１）における係数Ｃ（ｎ）は、段部の数ｎよって決まる。式（１）に示されるように、短冊モデルにおけるＳＫＫ４００の降伏応力を基準とした荷重Ｐは鋼管本体の材料規格比ηおよび基端部管厚ｔｐに比例する。
Ｐ＝η×ｔｐ×Ｃ（ｎ） ・・・（１）
Ｐ＝η×ｔｐ×Ｃ（ｎ） ・・・（１）
【0017】
次に、管端部に作用する曲げモーメントＭを式（２）によって算出する。式（２）では先端山部高さｈｇおよび先端谷部管厚ｔ１のそれぞれの力の作用点の距離、すなわち先端山部高さｈｇおよび先端谷部管厚ｔ１を合わせた長さの半分をアーム長とする曲げモーメントＭが管端部に作用することが表されている。
Ｍ＝Ｐ×（ｈｇ＋ｔ１）／２ ・・・（２）
Ｍ＝Ｐ×（ｈｇ＋ｔ１）／２ ・・・（２）
【0018】
算出された曲げモーメントＭから、管端部の面外変形量ｗを式（３）によって算出する。式（３）では管軸方向Ｘの段部長さＬ、鋼材のヤング率Ｅおよび断面二次モーメントＩが用いられる。断面二次モーメントＩは、根元谷部管厚ｔｎ、すなわち最も基端部寄りの谷部の管厚を用いてＩ＝ｔｎ
３／１２で求められる。式（３）に式（１），（２）およびＩ＝ｔｎ
３／１２を代入すると式（４）が得られる。
【0019】
【数1】
【0020】
上記の式（４）の両辺を先端山部高さｈｇで割ると、離脱指標ｗ／ｈｇが式（５）のように算出される。式（５）において鋼管本体の材料規格比ＣＧ＝η、基端部と根元谷部との管厚比Ｃｔ＝ｔｐ／ｔｎ、先端部における谷部管厚と山部高さとの比Ｃ１＝１＋ｔ１／ｈｇ、および根元谷部管厚と段部長さとの比Ｃｎ＝（Ｌ／ｔｎ）２とすると、離脱指標ｗ／ｈｇがこれらの比に比例することを示す式（６）が得られる。
【0021】
【数2】
【0022】
図８は、継手の溝幅厚比について説明するための図である。図示された例のような外嵌端部（内嵌端部でも同様）において、外嵌段部１１の幅をＬＢ、外嵌段部１１の両側の外嵌溝部１２を含めた荷重の広がりを考慮できる幅をＬＡとし、溝部の応力有効幅係数βをβ＝ＬＡ／ＬＢ（１．０≦β≦２．０）として定義する。なお、幅ＬＡは外嵌端部の径厚比に応じて決まる。溝幅厚比Ｂ／（ηｔｐ／β）は、外嵌溝部の幅、すなわち溝部の周方向長さＢと、外嵌端部の基端部管厚ｔｐに鋼管本体の材料規格比ηを乗じて応力有効幅係数βで割った実質的な荷重伝達領域の厚さとの比である。溝幅厚比Ｂ／（ηｔｐ／β）によって、例えば図９に示すような、周方向断面における溝部の変形を考慮することができる。
【0023】
図１０は、本実施形態に係る鋼管継手の設計方法における離脱指標および溝幅厚比の範囲を示すグラフである。本発明者らが、上述した離脱指標ｗ／ｈｇを与える式ＣＧ×Ｃｔ×Ｃ１×Ｃｎおよび溝幅厚比Ｂ／（ηｔｐ／β）を様々に設定した鋼管継手について実験および解析を行ったところ、それぞれの例における所定の耐力到達前の継手の離脱の有無は図１０のグラフに○（離脱なし）および×（離脱あり）で示されるようになった。この結果から、離脱指標および溝幅厚比について以下の式（７）および式（８）のような条件を特定することができる。式（７）は、図１０のグラフにおいて継手の離脱が発生しなかったケースを含む矩形範囲を示す。式（８）は、継手の離脱が発生したケースと発生しなかったケースとの領域の境界にあたる直線によって規定される範囲を示す。
【0024】
【数3】
【0025】
図１１は、本実施形態に係る鋼管継手の設計方法における溝部の応力有効幅係数βの設定例を示すグラフである。上述の通り、本実施形態に係る設計方法では、溝部のうち段部に隣接し荷重の伝達に寄与する部分の大きさを応力有効幅係数β＝ＬＡ／ＬＢ、すなわち段部の幅ＬＢと荷重の広がり幅ＬＡとの比で表す。図１１のグラフに示されるように継手の先端谷部管厚ｔ１に対して管径Ｄｐ（図９参照）が大きい場合はβ＝１．０、すなわち段部以外の溝部は荷重の伝達に寄与しないと考えられる。一方で、先端谷部管厚ｔ１に対して管径Ｄｐが小さい、つまり管径Ｄｐに対して先端谷部管厚ｔ１が相対的に大きい場合はβ＝２．０、すなわち段部に隣接する溝部で段部幅の約１／２の領域（段部とその両側を合わせて段部幅の約２倍の領域）が荷重の伝達に寄与すると考えられる。段部幅と溝部幅とが同じ場合、β＝２．０であれば継手の全周に相当する領域が荷重の伝達に寄与することになる。図１１のグラフは上記の考え方に従って実験および解析の結果を整理したものであり、応力有効幅係数βについて管径Ｄｐおよび先端谷部管厚ｔ１に応じて以下の式（９）～（１１）のように設定している。なお、式（９）～（１１）の左辺と右辺が等しいときが無駄のない合理的なβを設定できるが、より安全側に設計する場合は左辺が右辺よりも小さくなるように設定しても良い。
また、継手の素材は、例えば、ＪＩＳ Ｇ３２２１に規定するＳＦＣＭ８８０ＲおよびＳＦＣＭ８８０Ｒ－Ｍなどの鍛造材、ＪＩＳ Ｇ３１０６に規定するＳＭ４００、ＳＭ４９０、ＳＭ４９０Ｙ、ＳＭ５２０およびＳＭ５７０などの溶接構造用圧延鋼材やＪＩＳ Ｇ３１４０に規定するＳＢＨＳ４００およびＳＢＨＳ５００などの橋梁用高性能鋼材を利用した板曲げ材であっても良く、さらに、継手の形状は管径方向の外側および内側に張り出していても良く、逆にフラットであっても良い。
β≦１．０ ｛１２５＜Ｄｐ／ｔ１｝ ・・・（９）
β≦３．５－（Ｄｐ／ｔ１）／５０ ｛７５≦Ｄｐ／ｔ１≦１２５｝ ・・・（１０）
β≦２．０ ｛Ｄｐ／ｔ１＜７５｝ ・・・（１１）
また、継手の素材は、例えば、ＪＩＳ Ｇ３２２１に規定するＳＦＣＭ８８０ＲおよびＳＦＣＭ８８０Ｒ－Ｍなどの鍛造材、ＪＩＳ Ｇ３１０６に規定するＳＭ４００、ＳＭ４９０、ＳＭ４９０Ｙ、ＳＭ５２０およびＳＭ５７０などの溶接構造用圧延鋼材やＪＩＳ Ｇ３１４０に規定するＳＢＨＳ４００およびＳＢＨＳ５００などの橋梁用高性能鋼材を利用した板曲げ材であっても良く、さらに、継手の形状は管径方向の外側および内側に張り出していても良く、逆にフラットであっても良い。
β≦１．０ ｛１２５＜Ｄｐ／ｔ１｝ ・・・（９）
β≦３．５－（Ｄｐ／ｔ１）／５０ ｛７５≦Ｄｐ／ｔ１≦１２５｝ ・・・（１０）
β≦２．０ ｛Ｄｐ／ｔ１＜７５｝ ・・・（１１）
【符号の説明】
【0026】
１…鋼管、１Ａ…外嵌端部、１ａ…内周面、１ｂ…管端、２…鋼管、２Ａ…内嵌端部、２ａ…外周面、２ｂ…管端、１０…鋼管本体、１１…外嵌段部、１１Ａ…山部、１１Ｂ…谷部、１２…外嵌溝部、２０…鋼管本体、２１…内嵌段部、２１Ａ…山部、２１Ｂ…谷部、２２…内嵌溝部。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】