專利名稱：鋼管柱結(jié)構(gòu)物及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼制煙囪、橋梁主塔、風(fēng)力發(fā)電用塔、海洋結(jié)構(gòu)物、建筑類結(jié)構(gòu)物等鋼管柱結(jié)構(gòu)物及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為鋼管柱結(jié)構(gòu)物的例子，例如可以舉出鋼制煙囪、風(fēng)力發(fā)電塔、海上風(fēng)力發(fā)電地基等。關(guān)于這樣的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，著眼于高度方向的鋼管直徑時(shí)，大致分為鋼管直徑一樣的鋼管柱結(jié)構(gòu)物、及在高度方向上形成錐度而使鋼管直徑逐漸減小的鋼管柱結(jié)構(gòu)物。關(guān)于鋼管的板厚，通常在高度方向上相同或逐漸變薄，但周向的板厚相同(參照非專利文獻(xiàn)I)。構(gòu)成鋼管柱結(jié)構(gòu)物的鋼管直徑較大且厚壁。因此，關(guān)于這樣的鋼管柱結(jié)構(gòu)物50的制造方法，通過將圖16(a)所示那樣的軋制鋼板51卷起而制作圖16(b)所示那樣的圓形鋼管53。制作好的圓形鋼管53的高度為軋制鋼板的寬度、即3 5m，如圖16(c)所示，將制作好的圓形鋼管53在上方依次堆疊，并通過焊接、螺栓等接合，由此制造鋼管柱結(jié)構(gòu)物50。通過在軋制方向(L方向)上形成曲率地將軋制鋼板51彎曲而進(jìn)行圓形鋼管53的制作。當(dāng)鋼管直徑為IOm規(guī)模這樣的大徑時(shí)，也存在無法用一片軋制鋼板制作圓形鋼管53的情況，在該情況下，將軋制鋼板51連接而成為長板，之后將該長板卷成圓環(huán)狀而制作圓形鋼管53。如圖17所示，在鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，也存在在鋼管柱結(jié)構(gòu)物55的基部設(shè)置用于供人出入的開口部57的情況。因?yàn)樵O(shè)有開口部57的部位成為截面缺損，所以耐力降低，因此安裝例如圖18的(a) (b)所示那樣的加強(qiáng)部件。根據(jù)非專利文獻(xiàn)2、3，示出了下述內(nèi)容:通過將圖18(a)所示那樣的復(fù)板59、或圖18(b)所示那樣的厚壁材料61嵌入并焊接于開口部57而進(jìn)行開口部57的加強(qiáng)。非專利文獻(xiàn)1:塔狀鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南.同解說(1980年)，日本建筑學(xué)會(huì)非專利文獻(xiàn)2:風(fēng)力發(fā)電設(shè)備支承物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南.同解說《2007年版》，土木學(xué)會(huì)非專利文獻(xiàn)3:結(jié)構(gòu)工學(xué)叢書17，2007年9月，土木學(xué)會(huì)

發(fā)明內(nèi)容
如以往例那樣，在周向的板厚相同的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，在周向上(按方位分)具有相同的剛性。即，鋼管柱結(jié)構(gòu)物的阻力(resistance force)與方位無關(guān)，是相同的。另一方面，外力一般根據(jù)方位不同而變動(dòng)。例如，在外力為風(fēng)力的情況下，因?yàn)楸厝淮嬖谥鲗?dǎo)風(fēng)向，所以外力的大小根據(jù)方位而不同，因此，作用的力的大小根據(jù)方位而不同。
此外，在外力為潮流的情況下，因?yàn)槌绷鞯姆较蚴侵鲗?dǎo)的方向，所以與風(fēng)力的情況相同，作用的力的大小也根據(jù)方位而不同。在一般的設(shè)計(jì)中，將阻力和作用力之比作為安全率，對(duì)于作用力，使其與某一安全率相乘而決定阻力，以能夠發(fā)揮該阻力的方式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)物。在設(shè)計(jì)鋼管柱時(shí)，阻力由鋼管直徑和板厚決定。但是，有時(shí)鋼管直徑由制作、施工、使用性等其他因素決定。因此，多在設(shè)計(jì)階段通過與阻力的關(guān)系只是決定板厚。在設(shè)計(jì)中，將成為最大外力的方位作為作用力，將使作用力與安全率相乘得到的所需阻力作為結(jié)構(gòu)物的最大阻力，根據(jù)該最大阻力決定板厚。在上述方法中，在成為最大阻力的方位以外，作用力較小，因此與作用力相比，阻力過大。即，阻力和作用力之比即安全率根據(jù)方位而不同，成為最大阻力的方位的安全率變得最小，其他方位的安全率變大。但是，若要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，則需要將安全率也根據(jù)方位而平均化。但是，現(xiàn)狀是未將安全率根據(jù)方位而平均化，這一點(diǎn)是鋼管柱結(jié)構(gòu)物的課題。此外，如前所述，在鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，也存在在基部附近具有用于供人出入的開口部57的情況。在該情況下，由于開口部57的部分成為截面缺損，因此需要進(jìn)行加強(qiáng)。特別是，在風(fēng)力發(fā)電用塔等中，由于風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生作用的塔的晃動(dòng)導(dǎo)致的疲勞很嚴(yán)重，因此也采取增加加強(qiáng)部件的板厚并降低產(chǎn)生應(yīng)力的措施。但是，在將鑄鋼用于加強(qiáng)部件、或?qū)訌?qiáng)部件焊接加強(qiáng)用的鋼板的對(duì)策中，存在工序數(shù)增加、焊接部的質(zhì)量成為問題的情況。本發(fā)明是為了解決上述課題而完成，目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)具有按方位平均化的安全率等的合理設(shè)計(jì)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物及其制造方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種在基部附近具有開口部的情況下也無需利用焊接等加強(qiáng)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物及其制造方法。為解決上述課題，發(fā)明人考慮制成如下的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，即:在鋼管柱結(jié)構(gòu)物的高度方向上的至少一部分，板厚在周向上發(fā)生變化。通常，多是主導(dǎo)的外力在一個(gè)方向、或者在具有規(guī)定寬度的范圍的方位產(chǎn)生作用的情況。因此，發(fā)明人考慮只要增厚與主導(dǎo)的外力相對(duì)應(yīng)的部分的板厚，根據(jù)由按方位的外力產(chǎn)生的作用力使鋼管的阻力發(fā)生變化即可。但是，也可以不增厚板厚，而是在決定了外力最大的方位的板厚的情況下，在與此不同的方位針對(duì)每個(gè)方位的作用力減薄板厚。圖14是說明使板厚在鋼管的周向上發(fā)生變化的情況下的外力和阻力的關(guān)系的說明圖。在該例中，使用圖14(a)所示那樣的包含使板厚在軋制方向(L方向)上發(fā)生變化的部分的軋制鋼板、即變厚度鋼板65，將變厚度鋼板65沿軋制方向即L方向卷起而形成圖14(b)所示那樣的圓形鋼管67。如圖14(b)所示，圓形鋼管的圖中左右區(qū)域(圖中著色的區(qū)域)的板厚薄，圖中上下區(qū)域成為厚壁。假設(shè)是外力作用于鋼管的圖中上下方向，鋼管柱結(jié)構(gòu)物沿圖中的箭頭方向晃動(dòng)的情況。在該情況下，如圖14(c)所示，外力在南北(SN)方向上大，在東西(EW)方向上小?？芍c此相對(duì)應(yīng)，鋼管柱結(jié)構(gòu)物的阻力(截面剛性)也在南北(SN)方向上大，在東西(EW)方向上小，為合理的形狀。與此相對(duì)，以往例是將厚度相同的軋制鋼板69 (參照?qǐng)D15(a))沿L方向卷起而制作在周向上厚度相同的圓形鋼管71，并將多個(gè)圓形鋼管71堆疊起來并接合而成。如圖15(c)所示，可知外力與圖15(c)所示相同，在南北(SN)方向上大，在東西(EW)方向上小，但阻力(截面剛性)在所有方位上都相等，成為浪費(fèi)的設(shè)計(jì)。通過如以上那樣使圓形鋼管的板厚在周向上發(fā)生變化，能夠按方位改變截面剛性，能夠根據(jù)外力而按方位改變阻力。由此，能夠謀求按方位的安全率(阻力/作用力)的平均化。本發(fā)明基于這樣的知識(shí)而完成，具體而言包括以下構(gòu)成。在上述例子中，作為現(xiàn)有技術(shù)，舉出占據(jù)大多數(shù)的圓形鋼管而進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于圓形鋼管，在方形鋼管中也能夠適用。在方形鋼管的情況下，只要通過壓力彎曲(press bend)使LP鋼板或者楔板(taper plate)成形為方形即可。另外，作為方形鋼管的截面形狀，不僅可以是四邊形(矩形)截面，也可以是六邊形、八邊形等多邊形截面。即，也能夠適用于具有多邊形截面的多邊形鋼管柱。在多邊形鋼管中，當(dāng)在其截面的周向上使板厚發(fā)生變化時(shí)，可以使相當(dāng)于各邊的部分的鋼板的板厚按各邊發(fā)生變化。因此，也能夠如下地制作多邊形鋼管柱，即:以在周向上形成多邊形的方式配置板厚不同的平板，沿多邊形鋼管的軸向?qū)⑴渲煤玫南噜彽钠桨灞舜撕附樱瑥亩谱鞫噙呅武摴苤?I)本發(fā)明的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的特征在于，由鋼管形成，在高度方向上的至少一部分范圍內(nèi)，鋼管柱結(jié)構(gòu)物的與軸向垂直的截面處的鋼管的板厚在周向上發(fā)生變化。(2)此外，在上述(I)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，其特征在于，鋼管柱結(jié)構(gòu)物是將圓形鋼管在高度方向堆疊并接合而成，所述圓形鋼管是將變厚度鋼板形成為圓環(huán)狀而成。(3)此外，在上述(I)或(2)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，其特征在于，使板厚發(fā)生變化的邊界部借助錐面而連續(xù)。(4)此外，在上述⑴至(3)中任一項(xiàng)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，其特征在于，在鋼管周向上交替地形成板厚厚的區(qū)域和板厚薄的區(qū)域，厚的部位和薄的部位分別形成多處。(5)此外，在上述(4)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，其特征在于，板厚厚的區(qū)域及板厚薄的區(qū)域各自彼此形成于線對(duì)稱的位置。(6)此外，在上述(I)至(5)中任一項(xiàng)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，其特征在于，板厚發(fā)生變化的區(qū)域只形成于高度方向的一部分區(qū)域。(7)此外，在上述(I)至(6)中任一項(xiàng)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，其特征在于，板厚發(fā)生變化的區(qū)域從上至下地設(shè)置于周向的相同區(qū)域，并且下部的板厚變化率設(shè)定為大于上部的板厚變化率。(8)此外，在上述⑴至(7)中任一項(xiàng)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物中，其特征在于，在鋼管柱結(jié)構(gòu)物的周面的一部分具有開口部，該開口部形成在板厚厚的部位。(9)本發(fā)明的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的制造方法是上述(I)至(8)中任一項(xiàng)所記載的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的制造方法，其特征在于，該方法包括以下工序:圓形鋼管制作工序，使一片LP鋼板或?qū)⒍嗥琇P鋼板接合而成的鋼板形成為圓環(huán)狀來制作圓形鋼管；及圓形鋼管接合工序，將制作好的圓形鋼管堆疊并接合。在此，LP鋼板是指包含使板厚在鋼板的軋制方向上發(fā)生線性變化的部分的厚鋼板，也稱為模形鋼板(Longitudinally Profiled Steel Plate)。
在本發(fā)明中，使鋼管柱結(jié)構(gòu)物的與軸向垂直的截面處的鋼管的板厚在周向上發(fā)生變化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)能夠按方位將安全率(鋼管的阻力/(外力的作用力))平均化的合理的結(jié)構(gòu)。由此，也能夠減少鋼材使用量，因此能夠提供廉價(jià)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物。此外，通過將鋼管柱基部的開口部厚壁化，無需再通過焊接等安裝新的加強(qiáng)部件，不會(huì)花費(fèi)工序數(shù)，焊接部的質(zhì)量也不會(huì)成為問題。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖。圖2是圖1所示的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的作用的說明圖。圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的構(gòu)成鋼管柱結(jié)構(gòu)物的圓形鋼管的說明圖。圖4是本發(fā)明的其他實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖。圖5是圖4的A-A向視剖視圖。圖6是圖4的B-B向視剖視圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例1的說明圖。圖8是圖7的X-X向視剖視圖。圖9是本發(fā)明的實(shí)施例2的說明圖。圖1O是圖9的A-A向視剖視圖。圖11是圖9的B-B向視剖視圖。圖12是實(shí)施例2的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的制造方法的說明圖。圖13是說明實(shí)施例2的效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表。圖14是用于解決課題的方法的說明圖。圖15是用于解決課題的方法的說明圖，是作為本發(fā)明的比較的以往例的說明圖。圖16是以往例的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖。圖17是以往例的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，是在基部附近具有開口部的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖，圖17(a)是主視圖，圖17(b)是圖17(a)的A-A向視剖視圖。圖18是圖17的開口部的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的說明圖。圖19是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的其他形態(tài)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖。圖20是圖19的A-A向視剖視圖。圖21是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的其他形態(tài)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖。圖22是圖21的A-A向視剖視圖。圖23是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的其他形態(tài)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖。圖24是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的其他形態(tài)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的說明圖。圖25是圖24的A-A向視剖視圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式I基于圖1、圖2來說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I通過將多個(gè)圓形鋼管接合而形成，在高度方向上的至少一部分范圍內(nèi)，圓形鋼管的與軸向垂直的截面處的圓形鋼管的板厚在周向上發(fā)生變化。以下具體地進(jìn)行說明。作為鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的例子，在本實(shí)施方式中，舉出在上部設(shè)置有風(fēng)車設(shè)備的塔的例子。鋼管柱結(jié)構(gòu)物I是通過將18個(gè)圓形鋼管在地基3之上沿高度方向堆疊，通過將圓形端部對(duì)接焊接來接合而形成鋼管柱結(jié)構(gòu)物I。圖中的用虛線表示的部位是焊接部，從下開始依次為第I圓形鋼管la、第2圓形鋼管lb.. 、第18圓形鋼管Ir。另外，為了簡化，在各圓形鋼管的高度方向上未圖示鋼管直徑的錐度。本實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I在上部安裝風(fēng)車。風(fēng)力中存在主導(dǎo)方向，在圖2中，主導(dǎo)方向是圖中從上向下的方向。如圖1的A-A向視截面即圖2 (a)、B_B向視截面即圖2 (b)、C_C向視截面即圖2 (C)所示，各圓形鋼管的圖中上下的規(guī)定范圍形成為厚壁。使圖中上下的規(guī)定范圍為厚壁是為了將由風(fēng)力引起的晃動(dòng)主導(dǎo)的方向厚壁化以增加基于循環(huán)載荷的疲勞強(qiáng)度。另外，如圖2(a)、圖2(b)所示，在A-A向視截面的部位(第18圓形鋼管Ir)及B-B向視截面的部位(第11圓形鋼管lk)，各圓形鋼管的圖中上下的壁厚呈線對(duì)稱。但是，與A-A向視截面所示的第18圓形鋼管Ir相比，B-B向視截面所示的第11圓形鋼管Ik的厚壁部的厚度更厚。其原因是下部的由晃動(dòng)引起的疲勞大，因此要進(jìn)一步增強(qiáng)疲勞強(qiáng)度。這樣，在本實(shí)施方式中，板厚發(fā)生變化的區(qū)域設(shè)置在高度方向上相同的位置(圖中的上下規(guī)定的區(qū)域)，并且，下部的板厚的變化率設(shè)定得較大。另外，各圓形鋼管的管軸方向垂直截面在上下的任意部位都相同。因此，即使壁厚在圓周方向上發(fā)生變化，該圓形鋼管也明確地`區(qū)別于例如帶有肋的鋼管那樣的鋼管。此外，如圖2(c)所示，在C-C向`視截面的部位(第I圓形鋼管la)，也使圖中所示的上下為厚壁，但圖中下側(cè)的區(qū)域比上側(cè)的區(qū)域更加厚壁地形成。這是為了如下原因而更加厚壁化:在鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的基部附近，除針對(duì)由晃動(dòng)引起的疲勞的對(duì)策以外，作為針對(duì)由最大外力引起的壓曲的對(duì)策，增加由于最大外力而使壓縮力發(fā)揮作用的方位(圖中下側(cè))的耐力。另外，可以認(rèn)為當(dāng)在板厚發(fā)生變化的部位存在層差時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，在本實(shí)施方式中，如第11圓形鋼管Ik的剖視圖即圖3所示，在板厚發(fā)生變化的部位，以不設(shè)置層差、而是厚壁部和薄肉部借助錐面而連續(xù)的方式形成。在圖3中，錐面的部位用虛線的橢圓包圍。關(guān)于錐面的傾斜角度，只要是應(yīng)力集中較少即可，但通常優(yōu)選是使其成為1/5以下的梯度(相對(duì)于板厚1mm，長度為5mm以上)的傾斜度。另外，在利用變厚度鋼板形成鋼管的情況下，傾斜角度最大為10mm/m左右，變換為梯度為1/100以下的梯度，因此不會(huì)產(chǎn)生特別的問題。在圖3中，左右的大約70°的區(qū)域El、E2為板厚薄的區(qū)域，除此之外的上下的區(qū)域?yàn)榘搴窈竦膮^(qū)域。另外，第11圓形鋼管Ik成為相對(duì)于圖3中的輔助線A-A及輔助線B-B分別線對(duì)稱的截面。在本實(shí)施方式的例子中，在鋼管周向上交替地形成板厚厚的區(qū)域和薄的區(qū)域，厚的區(qū)域和薄的區(qū)域分別形成兩處。而且，板厚厚的區(qū)域及板厚薄的區(qū)域各自彼此形成于線對(duì)稱的位置。
<制造方法>以下給出鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的制造方法的一個(gè)例子。通過將變厚度鋼板(包含使板厚在鋼板的軋制方向上發(fā)生變化的部分的厚鋼板)沿軋制方向彎曲，制造多個(gè)(在本例中為18個(gè))板厚在圓周方向上發(fā)生變化的圓形鋼管。接著，將各圓形鋼管堆疊，通過對(duì)接焊接將連結(jié)部接合。在本實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I中，使鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的與軸向垂直的截面處的圓形鋼管的板厚在周向上發(fā)生變化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)能夠按方位將安全率(鋼管的阻力/外力的作用力)平均化的合理的結(jié)構(gòu)。由此，也能夠減少鋼材使用量，因此能夠提供廉價(jià)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I。以往，只存在所有方位相同地增加板厚的鋼管柱結(jié)構(gòu)物。但是，通過按方位考慮外力而使板厚在周向上發(fā)生變化，能夠?qū)崿F(xiàn)減少鋼材使用量的合理的結(jié)構(gòu)。已知在疲勞達(dá)到臨界的情況下，疲勞性能與產(chǎn)生應(yīng)力的三次方成正比，即使僅使板厚局部地增加1mm，按方位的疲勞性能也會(huì)發(fā)生很大變化。因此，即使變厚量為幾_左右，也具有充分的效果。另外，上述實(shí)施方式是用于設(shè)置風(fēng)力設(shè)備的塔，因此與風(fēng)力的方向相對(duì)應(yīng)地設(shè)定板厚發(fā)生變化的部位。這樣，只要將使板厚發(fā)生變化的部位根據(jù)作用于鋼管柱結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力設(shè)定在適當(dāng)?shù)牟课患纯?。例如，在通常的柱狀鋼管物中，在基部的壓曲成為問題的情況下，只要增厚最大外力產(chǎn)生作用的方位的相反側(cè)(即，在作用力下產(chǎn)生壓縮力的一側(cè))的板厚即可。此外，在海上風(fēng)力發(fā)電塔或風(fēng)力發(fā)電用海中地基的樁(單樁、三樁等)中，也產(chǎn)生由于風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的晃動(dòng)導(dǎo)致塔、海中地基的樁的疲勞成為問題的情況。在該情況下，需要通過增加晃動(dòng)主導(dǎo)方位的板厚來降低產(chǎn)生應(yīng)力。因此，只要相對(duì)于晃動(dòng)的方向線對(duì)稱地形成厚壁部即可?；蛘?，也可以用晃動(dòng)主導(dǎo)方位的板厚設(shè)計(jì)截面，減小非主導(dǎo)方位的板厚。通過這些措施也能夠?qū)崿F(xiàn)合理的設(shè)計(jì)。設(shè)置于海中部的鋼管柱的例子如圖19及圖19中的A-A向視剖視圖即圖20所示。圖19、圖20所示的鋼管柱73設(shè)置于受到海流的影響的海中，在設(shè)置于海中部的部位的周向上，抵抗海流的方向的板厚變大。在圖20中，海流的最大的力所作用的方向是圖中從上向下的方向，使鋼管柱73的圖中下側(cè)為厚壁。因?yàn)楹Ａ髟陂L時(shí)間范圍內(nèi)具有大致一定的方向和大小，所以考慮海流的方向的變動(dòng)的極大值、循環(huán)變動(dòng)量的大小和循環(huán)次數(shù)來設(shè)定增厚的板厚。設(shè)置于海中的海中部結(jié)構(gòu)物的例子如圖21及圖21的A-A向視剖視圖即圖22所
/Jn ο圖21、圖22所示的海中部結(jié)構(gòu)物75設(shè)置于受到潮流的影響的海中，且具有三根鋼管柱77。三根鋼管柱77是相同的結(jié)構(gòu)。如圖22所示，各鋼管柱77設(shè)定為板厚在周向上不同，且徑向相對(duì)的面具有相同的板厚。這是為了使各鋼管柱77抵抗由潮流引起的流動(dòng)，增大潮流方向的板厚以提高潮流方向的彎曲剛性。潮流是伴隨潮汐的海水的水平運(yùn)動(dòng)，周期性地變化，因此根據(jù)抵抗由上述潮流引起的流動(dòng)的方向而增大板厚。具體而言，如圖22所示，圖中從上向下的方向是某一時(shí)刻t的潮流的方向。但是，潮流的方向周期性地變化，在另一時(shí)刻t,成為圖中從下向上的方向。因此，將鋼管柱的圖中上下部分設(shè)定為厚壁。
關(guān)于增厚鋼管柱77的抵抗潮流的方向的板厚，反而言之，可以不增厚無需抵抗潮流的部位的板厚。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)合理的設(shè)計(jì)。另外，在如復(fù)雜的地形等那樣由于各種原因?qū)е铝鲃?dòng)在各方向發(fā)生變化的情況下，只要根據(jù)流動(dòng)的方向設(shè)定需要的板厚即可。在存在壓曲、疲勞雙方的情況下，若以使按方位的安全率平滑化為目的，則關(guān)于鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的高度方向上的設(shè)置變厚度的部位，能夠如本實(shí)施方式那樣，設(shè)置于鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的整個(gè)高度方向。另一方面，若除壓曲、疲勞以外也考慮耐受自重的必要性和最小板厚的限制，則也可以在高度方向的一部分適用本發(fā)明，只在該部分的圓形鋼管上設(shè)置周向的變厚度、或只在該部分的方形鋼管的一部分面上設(shè)置變厚度。另外，在上述實(shí)施方式I中，使圓形鋼管中的板厚發(fā)生變化的部位借助錐面而連續(xù)，但在本發(fā)明中，并不排除在板厚發(fā)生變化的部位形成階梯部的情況。在上述實(shí)施方式中，作為鋼管柱結(jié)構(gòu)物的例子，以使用截面為圓形的圓形鋼管的鋼管柱結(jié)構(gòu)物為例進(jìn)行了說明，但也可以使制管方法為制造方形鋼管柱。作為方形鋼管的截面形狀，不僅可以是四邊形(矩形)截面，也可以是六邊形、八邊形等多邊形截面。在方形鋼管的情況下也與圓形鋼管的情況相同，板厚在周向上變化，以使在周向上存在板厚大的部位和板厚小的部位的方式。關(guān)于這樣的方形鋼管的制造方法，存在如下方法:通過壓力彎曲而使LP鋼板或楔板形成為截面為多邊形。圖23是使用LP鋼板(圖23(a))來成型八邊形的方形鋼管的例子。圖23中的各邊a h分別對(duì)應(yīng)圖23 (b)的邊a h。如圖23(b)所示,八邊形截面的相對(duì)的邊a、e是薄壁的邊,相對(duì)的邊c、g是厚壁的邊。而且，位于厚壁的邊和薄壁的邊之間的邊b、d、f、h是錐形狀的邊。若可以采用厚壁的邊作為板厚厚的區(qū)域、薄壁的邊作為板厚薄的區(qū)域，則圖23所示的例子也是“板厚厚的區(qū)域及板厚薄區(qū)域各自彼此形成于線對(duì)稱的位置”。此外，即使可以將薄壁的邊a、e作為板厚薄的區(qū)域，將厚壁的邊和包括錐形狀的邊在內(nèi)的(b、c、d)、(f、g、h)作為板厚厚的區(qū)域，圖23所示的例子也是“板厚厚的區(qū)域及板厚薄區(qū)域各自彼此形成于線對(duì)稱的位置”。此外，作為其他方法，也可以將構(gòu)成各邊的平板狀的鋼材沿周向排列成方形并將各鋼材焊接。在該情況下，由于不是在周向上將鋼管卷起，因此構(gòu)成制作好的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的一個(gè)鋼管的長度變長。在圖24的A-A向視剖視圖即圖25中表示具有八邊形截面的方形鋼管柱結(jié)構(gòu)物79的一個(gè)例子。圖24、圖25所示的例子是將構(gòu)成各邊的平板狀的鋼材以沿周向形成八邊形的方式排列并焊接而形成的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，圖25中的與左右相對(duì)的邊相當(dāng)?shù)拿娴陌搴裣嗤@些面的板厚比其他部位薄。在像這樣通過焊接將板厚不同的平板接合的情況下，板厚在接合部位發(fā)生變化，但焊接端部是切下一部分制成槽來焊接，因此不會(huì)在焊接部形成階梯。另外，如圖24、圖25所示，在將平板狀的鋼材以沿周向形成多邊形的方式排列并焊接而形成的情況下，與使相同的平板形成為圓環(huán)狀的情況相比，構(gòu)成柱結(jié)構(gòu)物的一個(gè)鋼管的長度變長。具體而言，構(gòu)成圖24、圖25所示的方形鋼管柱結(jié)構(gòu)物79的第I方形鋼管79a、第2方形鋼管7%、第3方形鋼管79c的長度變得比構(gòu)成圖1所示的圓形截面的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的第I圓形鋼管Ia等的長度長。實(shí)施方式2基于圖4 圖6來說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物10的特征在于，在構(gòu)成鋼管柱結(jié)構(gòu)物10的鋼管的一部分上具有開口部13，且該開口部13形成在板厚厚的部位。作為具有開口部13的鋼管柱結(jié)構(gòu)物10的具體例子，有鋼制煙囪、風(fēng)力發(fā)電用塔、風(fēng)力發(fā)電用海中地基樁等。圖4 圖6所示的例子是鋼管的直徑為6m(Φ 6000)、且設(shè)置有寬度lm、高度2m的開口部13的情況。本實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物10是與實(shí)施方式I相同地通過將多個(gè)圓形鋼管以使其圓形端部抵接的方式堆疊，使抵接部對(duì)接焊接而形成。此外，如圖4所示，本實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物10在沿著最下部的第I圓形鋼管IOa和下數(shù)第二個(gè)的第2圓形鋼管IOb雙方的部位形成有開口部13。如圖4的A-A向視剖視圖即圖5所示，最下部的第I圓形鋼管IOa和其之上的第2圓形鋼管IOb的相當(dāng)于開口部13的區(qū)域形成為厚壁。以圖5所示的第2圓形鋼管IOb為例具體說明使形成有開口部13的區(qū)域?yàn)楹癖诘膱A形鋼管。第2圓形鋼管IOb具有:標(biāo)準(zhǔn)板厚區(qū)域21、厚壁區(qū)域23、連接標(biāo)準(zhǔn)板厚區(qū)域21和厚壁部的錐面區(qū)域25。第2圓形鋼管IOb是將例如寬度(C方向)3mX長度(L方向)大約18.8m(6mX 3.14=18.84m)的LP鋼板以L方向?yàn)閳A周方向進(jìn)行彎曲而制作的。開口部13的大約Im及其周邊的Im即合計(jì)3m的區(qū)域?yàn)楹癖趨^(qū)域23，厚壁區(qū)域23兩側(cè)的1.5m的部分為5mm/m的錐面區(qū)域25，除此以外的部分、即作為圓周的一半的大約(L方向長度18.84-3-1.5-1.5 = 12.84m)為標(biāo)準(zhǔn)板厚區(qū)域21。標(biāo)準(zhǔn)板厚區(qū)域21的板厚為40mm，厚壁區(qū)域23的板厚為50mm，錐面區(qū)域25的傾斜度為5mm/m0如圖4的B-B向視剖視圖即圖6所示，下數(shù)第三個(gè)的第3圓形鋼管IOc的板厚在周向上不發(fā)生變化，是標(biāo)準(zhǔn)的板厚(4mm)。關(guān)于第3圓形鋼管10c，是如以往那樣的使用不是變厚度鋼板的通常的軋制鋼板進(jìn)行制管而成的鋼管?！粗圃旆椒ā典摴苤Y(jié)構(gòu)物10的制造方法與實(shí)施方式I相同，通過將變厚度鋼板沿軋制方向彎曲，制造板厚在圓周方向上發(fā)生變化的圓形鋼管。通過對(duì)接焊接使圓形鋼管的圓形端部接合。開口部13只要在將圓形鋼管接合后形成即可。LP鋼板的板厚變化部、板厚一定部能夠通過軋制時(shí)的控制而制作。通常能夠用一片軋制厚板進(jìn)行制管。但是，隨著塔的大型化，也存在鋼管直徑超過6m、接近IOm的情況，關(guān)于該情況，當(dāng)用一片軋制厚板進(jìn)行制作時(shí)需要30m左右的長度，不僅是鋼板制造，在制作時(shí)的操作性也變差。因此，在這樣的情況下，優(yōu)選將兩片15m左右長度的厚板連接后進(jìn)行制管。此時(shí)，存在兩片鋼板都是LP鋼板的情況，也存在僅有單側(cè)是LP鋼板的情況。
在本實(shí)施方式的鋼管柱結(jié)構(gòu)物10中，為了防止由于開口部13的截面缺損引起的壓曲耐力，預(yù)先在制管階段將該部分的板厚厚壁化來提高壓曲耐力。因此，無需加強(qiáng)部件，也無需伴隨加強(qiáng)的焊接作業(yè)。另外，當(dāng)存在焊接部時(shí)，也有可能產(chǎn)生質(zhì)量、疲勞裂紋的問題，但在本實(shí)施方式中由于在開口部13附近不存在加強(qiáng)用的焊接部，因此也不存在質(zhì)量的問題、或疲勞裂紋的問題。在上述實(shí)施方式2中，作為鋼管柱結(jié)構(gòu)物10的例子，以使用截面為圓形的圓形鋼管的鋼管柱結(jié)構(gòu)物為例進(jìn)行了說明，但也可以使制管方法為制造方形鋼管柱。在該情況下，其制造方法等與實(shí)施方式I中說明的內(nèi)容相同。實(shí)施例1基于圖7、圖8來說明與上述實(shí)施方式I相對(duì)應(yīng)的實(shí)施例1。另外，在圖7、圖8中，對(duì)與圖1 圖3相同的部分標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記。實(shí)施例1的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I作為具有鋼管直徑4000mm、板厚30mm的圓形截面的、取代以往的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，通過將適用本發(fā)明而使用變厚度鋼板進(jìn)行制作而成的圓形鋼管在高度方向上接合25個(gè)，使各圓形鋼管的截面在周向上發(fā)生變化。如圖7的X-X向視剖視圖即圖8所示，實(shí)施例1的鋼管柱結(jié)構(gòu)物I具有如下截面:使用變厚度鋼板，使周向上70°區(qū)間為板厚22_，并使其之間的部分形成錐形。在圖8中，鋼管柱結(jié)構(gòu)物的截面是相對(duì)于輔助線A-A、輔助線B-B分別線對(duì)稱的截面。相對(duì)于由主導(dǎo)風(fēng)向引起的晃動(dòng)的方向(圖中A-A方向)的循環(huán)次數(shù)，由與主導(dǎo)風(fēng)向垂直的風(fēng)向引起的晃動(dòng)的循環(huán)次數(shù)(圖中B-B方向)為40%，所以對(duì)于B-B方向的晃動(dòng)，A-A方向的40%的疲勞壽命就足夠了。因此，將B-B方向的板厚從30mm減薄到22mm。通過減薄B-B方向的板厚，能夠以使力作用于圖8中的鉛垂方向(A-A方向)的情況下的剛性(截面慣性矩)幾乎不變的方式減小力作用于水平方向(B-B方向)的剛性(截面慣性矩)，水平方向(B-B方向)的截面慣性矩變?yōu)樵瓉淼拇蠹s80%。在梁理論中，產(chǎn)生應(yīng)力σ = (M/I).y(M:彎矩，1:截面慣性矩，y:到緣端部的距離(在圓管的情況下為鋼管外法半徑))，所以通過板厚的變化，只有截面慣性矩發(fā)生變化，產(chǎn)生應(yīng)力改變。若截面慣性矩為原來的80%，則產(chǎn)生應(yīng)力變?yōu)樵瓉淼?/0.8 = 1.25倍。疲勞壽命與產(chǎn)生應(yīng)力的三次方成反比，因此將板厚減薄的方向上的疲勞壽命變?yōu)樵瓉淼腎/(1.25X 1.25X 1.25) = 0.51倍。可知當(dāng)要求的疲勞壽命為40%以上時(shí)，即使是該截面也充分地滿足性能。實(shí)施例2基于圖9 圖11來說明與上述實(shí)施方式2的形態(tài)相對(duì)應(yīng)的實(shí)施例2。另外，在圖9 圖11中,對(duì)與圖4、圖5所不的部分相同的部分標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記。實(shí)施例2的鋼管柱結(jié)構(gòu)物10在直徑5m ( φ5000 )、板厚40_的鋼管柱的基部設(shè)有開口部13 (Im寬度X 2m高度)，作為取代設(shè)有開口部13的加強(qiáng)部件的以往例的結(jié)構(gòu)，適用本發(fā)明而在設(shè)置有開口部13的部位使用變厚度鋼板，使開口部13附近成為厚壁。在實(shí)施例2中，使開口部13及其周圍Im的區(qū)域即厚壁區(qū)域23的板厚比標(biāo)準(zhǔn)板厚區(qū)域21的板厚即40mm增加8mm，為48mm，使標(biāo)準(zhǔn)板厚區(qū)域21和厚壁區(qū)域23的邊界形成8mm/m的錐形的錐面區(qū)域25。開口部13以外的部分是標(biāo)準(zhǔn)板厚，板厚不發(fā)生變化。實(shí)施例2的鋼管柱結(jié)構(gòu)物10如下地制造。
軋制鋼板為寬度(C方向)3mX長度(L方向)大約15.7m(5mX 3.14= 15.7m)，如圖12所示，通過將一片變厚度鋼板27的L方向彎曲成環(huán)狀并將端部焊接，從而制作多個(gè)圓形鋼管。通過將該圓形鋼管在高度方向上重疊并接合，從而制作鋼管柱結(jié)構(gòu)物10。關(guān)于設(shè)置有開口部13的部位的第I圓形鋼管10a、第2圓形鋼管10b，使軋制鋼板為LP鋼板,開口部13的大約Im及其周邊的Im即合計(jì)3m的區(qū)域的板厚為48mm,其兩側(cè)的Im的區(qū)域?yàn)?mm/m的錐形，除此以外的區(qū)域即作為圓周的一半的大約10.7m(L方向長度
15.7-3-1-1 = 10.7m)為 40mm 的板厚。第3圓形鋼管IOc在周向上沒有板厚的變化。若是以往的結(jié)構(gòu)，需要在設(shè)置開口部13之后加入厚壁鑄造部件、加強(qiáng)部件，但在本實(shí)施例中，通過使用變厚度鋼板27來增厚板厚，由此壓曲耐力提高，因此無需加強(qiáng)部件。關(guān)于實(shí)施例2,圖13是表不實(shí)施壓曲分析后的結(jié)果的圖表。圖13的圖表中，縱軸為基部阻力矩(KNmm)，橫軸為水平位移(mm)，分別表示在開口部13設(shè)有加強(qiáng)部件的以往例(圖表柱的〇標(biāo)記)、在開口部13未設(shè)置加強(qiáng)部件的比較例(圖中的Λ標(biāo)記)、使用LP鋼板的實(shí)施例2 (圖中的 標(biāo)記) 。從圖1 3的圖表可知，在設(shè)置開口部13且未進(jìn)行加強(qiáng)的比較例中，從水平位移小的階段開始耐力就降低。此外，在設(shè)置開口部13且進(jìn)行加強(qiáng)的以往例中，在到達(dá)一定程度的水平位移之前耐力未降低，但當(dāng)水平位移到達(dá)一定階段以后耐力降低。與此相對(duì)，可知在實(shí)施例2中，即使水平位移變大，耐力也幾乎不降低。附圖標(biāo)記說明I鋼管柱結(jié)構(gòu)物
3地基
Ia第I圓形鋼管Ib第2圓形鋼管Ik第11圓形鋼管Ir第18圓形鋼管10鋼管柱結(jié)構(gòu)物
13開口部IOa第I圓形鋼管IOb第2圓形鋼管IOc第3圓形鋼管
21標(biāo)準(zhǔn)板厚區(qū)域23厚壁區(qū)域
25錐面區(qū)域50鋼管柱結(jié)構(gòu)物
51軋制鋼板53圓形鋼管55鋼管柱結(jié)構(gòu)物
57開口部59復(fù)板61厚壁材料
65變厚度鋼板67圓形鋼管
69軋制鋼板71圓形鋼管
73鋼管柱
75海中結(jié)構(gòu)物 77鋼管柱
79方形鋼管柱結(jié)構(gòu)物 79a第I方形鋼管79b第2方形鋼管 79c第3方形鋼管
權(quán)利要求
1.一種鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 由鋼管形成，在高度方向上的至少一部分范圍內(nèi)，鋼管柱結(jié)構(gòu)物的與軸向垂直的截面處的鋼管的板厚在周向上發(fā)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 所述鋼管柱結(jié)構(gòu)物是將圓形鋼管在高度方向堆疊并接合而成，所述圓形鋼管是將變厚度鋼板形成為圓環(huán)狀而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 所述板厚發(fā)生變化的邊界部借助錐面而連續(xù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 在鋼管周向上交替地形成板厚厚的區(qū)域和板厚薄的區(qū)域，厚的部位和薄的部位分別形成多處。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 板厚厚的區(qū)域及板厚薄的區(qū)域各自彼此形成于線對(duì)稱的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 板厚發(fā)生變化的區(qū)域只形成于高度方向的一部分區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 板厚發(fā)生變化的區(qū)域從上至下地設(shè)置于周向的相同區(qū)域，并且下部的板厚變化率設(shè)定為大于上部的板厚變化率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項(xiàng)所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物，其特征在于， 在鋼管柱結(jié)構(gòu)物的周面的一部分具有開口部，所述開口部形成在板厚厚的部位。
9.權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的鋼管柱結(jié)構(gòu)物的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下工序: 圓形鋼管制作工序，使一片LP鋼板或?qū)⒍嗥琇P鋼板接合而成的鋼板形成為圓環(huán)狀來制作圓形鋼管；及 圓形鋼管接合工序，將制作好的圓形鋼管堆疊并接合。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)合理的設(shè)計(jì)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物及其制造方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種在基部附近具有開口部的情況下也無需利用焊接等加強(qiáng)的鋼管柱結(jié)構(gòu)物及其制造方法。本發(fā)明的鋼管柱結(jié)構(gòu)物(1)的特征在于，由第1圓形鋼管(1a)～第18圓形鋼管(1r)形成，在高度方向上的至少一部分范圍內(nèi)，鋼管柱結(jié)構(gòu)物的與軸向垂直的截面處的圓形鋼管的板厚在周向上發(fā)生變化。
文檔編號(hào)E04H12/08GK103097626SQ20118004356
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者村上琢哉, 加藤真志 申請(qǐng)人:杰富意鋼鐵株式會(huì)社