JP2001073390A

JP2001073390A - 杭頭構造

Info

Publication number: JP2001073390A
Application number: JP24810399A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takura; 隆田蔵; Akira Otsuki; 明大槻; Masayoshi Sato; 正義佐藤; Eiji Wakita; 英治脇田; Hideyuki Mano; 英之真野; Toshiyuki Iwamoto; 利行岩本; Noriyuki Arakawa; 範行荒川; Masayuki Okawa; 雅之大川
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Kubota Corp; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Kubota Corp; Shimizu Corp
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2001-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】小中規模の地震に対しては基礎杭と上部構造物
との間に、剛結合的な強度が期待でき、一方、大規模の
地震に対しては、基礎杭と上部構造物との接触界面に滑
りを生じさせ、基礎杭に大きな曲げモーメントが発生し
ないようにすることを課題とする。【解決手段】基礎杭１の頂部に設けられる基礎側球面部
材２と、該球面部材２の球面に沿う球面を有した上部構
造物側球面部材４とが、前記球面２ａ、４ａを介して重
ねられ、さらに、前記球面には両球面に対し共通する軸
線７に沿ってストッパピン８が貫通されてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、基礎杭と上部構
造物との結合状況が地震の大きさによって変化する杭頭
の結合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ビルなどの建築物を構築する場
合、支持地盤まで埋め込んだ杭にビルなどの上部構造物
を支持させ、これによって上部構造物全体を支持するこ
とが一般に行なわれている。従来では杭頭を建物に剛に
結合することとされてきたが、この場合、地震時に杭頭
に水平力を受けた場合の杭の曲げモーメントＭの分布
は、図１０に示すように杭頭部で最大曲げモーメントＭ
１を生じる分布となる。なお図１０に示すグラフは横軸
が曲げモーメントの大きさ、縦軸は杭の深度を示す。

【０００３】さらに、コンクリート杭の場合、図１１に
示すように杭の限界耐力Ｑは縦軸の曲げモーメントＭと
横軸の軸力（圧縮力）Ｎとにより、地震時に軸力Ｎが増
加する場合、ある範囲までは許容曲げモーメントＭが増
加し、軸力Ｎがある範囲を超えて大きくなると今度は許
容曲げモーメントＭは減少し、軸力Ｎにより圧縮破壊さ
れる点Ｑ１に至るまで杭の限界耐力Ｑも減少するといっ
た性質がある。

【０００４】そして、地震時に杭に生じる応力ｑが上記
杭の限界耐力Ｑの曲線内にあれば、杭は破壊されないと
いうことになる。地震時の実際の杭の応力ｑは、図１１
に示したように、常時荷重による杭軸力をＮ０としたと
き、図示のように曲げモーメント増分±ΔＭと軸力増分
±ΔＮにより、Ｎ０点を挟んでほぼ対称な直線状となる
と考えられる。

【０００５】この場合、コンクリート杭は、圧縮には強
く引っ張りには弱いという性質があるため、図１１の軸
力Ｎの減少側で、交点Ｑ０に示すように応力ｑが限界耐
力Ｑを超え易く、杭頭が破壊される危険が大きい懸念が
あった。そして、これを防ぐには杭頭部を大きく拡径す
るなどの補強が必要となる問題があった。一方、杭頭に
生じる応力を低減するため、建物に対し杭頭を相対回転
できるように結合し杭頭の応力を開放するようにしたピ
ン結合構造や、建物に対し杭頭をすべり移動できるよう
にして杭頭の応力を開放するようにしたローラ結合構造
が提案されている（例えば特開平1-284613号公報、同8-
120687号公報、同10-227039号公報、同10-227040号公
報）。

【０００６】しかし、この場合図１０に示したように、
杭頭の曲げモーメントＭ２は０となるものの縦軸の地中
部ｄに生じる最大曲げモーメントＭ３が、杭頭を剛に結
合したときの値Ｍ４よりも大となり、深度ｄ部分で杭が
破壊に至る可能性が大となる。このような地中での杭の
破壊は杭頭での破壊に比べて発見が困難な上、補修も困
難となる問題がある。

【０００７】さらに、杭頭をピン結合構造やローラ結合
構造で結合としたことにより、建物の変位が大きくなる
といった問題もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、中小規模
の地震に対しては基礎杭と上部構造物との間に、剛結合
的な強度が期待でき、一方、大規模の地震に対しては、
基礎杭と上部構造物との接触界面に滑りを生じさせ、基
礎杭に大きな曲げモーメントが発生しないようにするこ
とを課題としてなされたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１の杭頭構造は、基礎杭の頭部に設けられる基礎
側球面部材に、該球面部材の球面に沿う球面を有する上
部構造物側球面部材が重ねられ、さらに、前記球面には
両球面に対し共通する軸線に沿ってストッパピンが貫通
されてなるものである。

【００１０】従って、この発明によれば中小規模の地震
に対しては、ストッパピンの強度と球面同士の摩擦によ
り杭と上部構造物とが剛構造的に一体化され、大規模な
地震に対してはストッパピンの強度を超える地震力によ
ってストッパピンが破断され、その結果基礎杭と上部構
造物との接触界面に滑りが生じ、杭頭及び杭の地中部で
の大きな曲げモーメントの発生が防止できるのである。

【００１１】請求項２の杭頭構造は、上記杭頭構造にお
いて、重ねられる球面間が適度な摩擦抵抗を有するもの
とされている。この発明によれば、中小規模な地震に対
しては、ストッパピンの強度と球面同士の摩擦とにより
杭と上部構造物とが剛構造的に一体化される。また、ピ
ンが破断された後も適度な摩擦抵抗によって、中小地震
に対しては摩擦抵抗だけで剛構造的な一体化が期待でき
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、この発明の実施の形態を説
明する。実施の形態１図１は、この発明の実施の形態１の杭頭構造を示す断面
図である。図１において、１は地盤５に打ち込まれた基
礎杭を示し、基礎杭１の頭部１ａに凸球面２ａを有した
基礎側球面部材２が、球面が上面となるように取り付け
られている。図中２ｂは基礎側球面部材２と基礎杭１と
を接続する継手部を示し、基礎杭１上端を受容する内径
を有した筒状に形成されている。

【００１３】３は上部構造物、例えばビル等の基礎部分
を示し、上部構造物の基礎下面には前記基礎側球面部材
２の球面に合致する凹球面４ａを有する上部構造物側球
面部材４が前記基礎側球面部材２の位置に対応して設け
られている。なお、凸球面２ａ、凹球面４ａの関係は、
両者の曲率半径がほぼ等しいか図示のように凸球面２ａ
の曲率半径が凹球面４ａの曲率半径よりやや小さくされ
ていれば良く、要するに凹球面４ａ内に凸球面２ａが受
容される関係であれば良い。

【００１４】なお、図中４ｂは上部構造物３との取り付
け座を示す。上記基礎側球面部材２と上部構造物側球面
部材４は共に例えば鋳鉄製などとされ、両者の接触界面
には両球面２ａ、４ａに対し共通する軸線７に沿ってス
トッパピン８が貫通されている。このストッパピン８
は、地盤の小さな振動程度では破壊されず、一定以上の
地震力が作用した時点で破壊するような強度とされ、鋼
鉄製ないしは鋳鉄製の金属製ピンとされる。

【００１５】また、上記ストッパピン８は基礎側球面部
材２と上部構造物側球面部材４に対し隙間無く接してい
る状態に嵌合されており、ねじ嵌合により隙間なく嵌合
する構造としても良い。なお、更に他のストッパピン８
の取り付け構造として、図２に示すように、上部構造物
側球面部材４からねじ込んだボルトをストッパピン８と
して基礎側球面部材２に捻じ込む構成としても良い。

【００１６】また、凹球面４ａを有する上部構造物側球
面部材４の周縁に、図示したように基礎側球面部材２の
周囲を一定の間隔Ｓを隔てて囲む周壁４ｆを形成し、間
隔Ｓに相当する一定幅の相対ずれ移動は許容するが、そ
れ以上のずれ移動は拘束するように構成しても良い。ま
た、杭頭１ａに対する基礎側球面部材２の取り付け構造
として、図３に示すように杭頭１ａに差し込まれるアン
カーボルト状の係止部材２ｃで止着する構造としても良
い。

【００１７】上記実施の形態として、基礎杭１が鋼管、
鋳鉄管などを埋め込んだ場合を示したが図４に示すよう
に、施工現場にてコンクリートにより形成される場合で
あっても同様に実施できる。図４において、杭１は、地
盤５に設けた掘削孔１ｄ内に配筋された鉄筋１ｂと打設
されたコンクリート１ｃとからなり、杭１の上面にレベ
ル調整モルタル１ｅを充填して平らにし、その上に鉄板
１ｆを鉄筋１ｂの上端部などを利用してボルトナット１
ｇによりねじ留めし、その鉄板に締結部材６により基礎
側球面部材２が固定されている。

【００１８】上部構造物３の基礎梁の中に上部構造物側
球面部材４が鉄板３ａ又は上部構造物３を構成する鉄筋
３ｂに固定されている。なお、図中９は栗石、１０は表
面均し用の打設コンクリートを示す。上記実施の形態と
して、基礎側球面部材２を凸球面、上部構造物側球面部
材４を凹球面とした場合を示したが、図５に示すように
逆に基礎側球面部材２を凹球面、上部構造物側球面部材
４を凸球面としても良い。

【００１９】なお、図中２ｆは周壁を示し、上部構造物
側球面部材４の周囲を一定の間隔Ｓを隔てて囲み、間隔
Ｓに相当する一定幅の相対ずれ移動は許容するがそれ以
上のずれ移動は拘束するもので、図１に示した周壁４ｆ
と同じ作用を行なう。その他図５において、図１に示し
たものと同一符号で示す部材は同一又は相当する部材を
示すため詳細な説明は省略する。

【００２０】次に、上記実施の形態１の杭頭構造の作用
について説明する。図６は地盤に打ち込まれた杭と上部
構造物との関係を示す説明断面図である。図６に示すよ
うに硬い地盤ないしはこれに相当する支持力を有する支
持地盤まで埋込んだ杭１の杭頭１ａに、図１〜図５に示
すように基礎側球面部材２を取り付ける。

【００２１】次いで、上部構造物側球面部材４を前記基
礎側球面部材２に配置し、ストッパピン８を挿し込んで
両者を固定し、次いで上部構造物３を構築する。上部構
造物３の重量は、前記基礎側球面部材２と上部構造物側
球面部材４との接触界面で基礎杭１によって支持され
る。そして、接触界面にはストッパピン８が共通軸で貫
通し、中小規模の地震程度ではストッパピン８は破壊さ
れず、杭頭１ａと上部構造物３とはしっかりと一体化し
たままの状態が維持され、剛構造的な状態となる。

【００２２】従って、杭頭の応力ｑは、図７（ａ）の範
囲Ｓ１に示すように従来の剛結合（図１１）とほぼ同等
の応力となる。次に、大規模地震時などの杭の軸力が変
化する場合で、軸力の大きさに応じてある曲げモーメン
トが作用すると、ストッパピン８の極限耐力は杭より小
さいので杭より先に破断され、その結果、ストッパピン
８の破断する曲げモーメントから基礎側球面部材２の凸
球面２ａと上部構造物側球面部材４の凹球面４ａとの摩
擦で負担できる最大曲げモーメントまでのＭｓｐ分、曲
げモーメントが軽減され、その後量球面間で回転が生じ
る。この破断後回転の始まった時点ｑ１、ｑ２を境にし
て杭頭の曲げモーメントが緩和され、図７（ａ）の範囲
Ｓ２、Ｓ３に示すように杭の応力ｑが減少し、杭頭に生
じる曲げモーメントを杭の安全を確保できる曲げモーメ
ント以下に抑えることが可能となる。

【００２３】コンクリート杭の場合は、図７（ａ）に示
した杭の極限耐力Ｑを表わす曲線と対比すれば明らかな
ように、杭の応力に余裕が大きい軸力下では大きな曲げ
モーメント（範囲Ｓ１）が生じる一方で、杭の応力に余
裕が小さい軸力下では小さな曲げモーメント（範囲Ｓ
２、範囲Ｓ３）しか生じないこととなり、コンクリート
杭の場合でも、常に安全に保つ事ができる。

【００２４】なお、ストッパピン８の破断後、振動の幅
が大きく球面同士のずれが大きくなった場合は、周壁４
ｆ（又は２ｆ（図５））がストッパとなって基礎側球面
部材２のそれ以上の相対ずれ移動が防止され、基礎側球
面部材２と上部構造物側球面部材４が外れるのが防止さ
れる。以上説明したように、この発明の実施の形態１の
杭頭構造によれば、杭と上部構造物との支持部分が、ス
トッパピンにより中小規模の地震時には剛結合的構造と
して、大規模の地震時には破断したストッパピンにより
両球面は相対回転できる機能を有した構造となる。実施の形態２実施の形態２の杭頭構造は、実施の形態１の杭頭構造に
おいて、重ねられる球面間、即ち基礎側球面部材２の球
面２ａと上部構造物側球面部材４の球面４ａの摩擦が適
度な摩擦抵抗とされいている。

【００２５】この摩擦抵抗の大きさは、上部構造物側球
面部材４と基礎側球面部材２との間に加わる荷重によっ
て両接触面間の滑りを制限するもので、中小規模地震で
はストッパピン８と共同して滑りを生じさせない程度と
され、杭が安全に負担できる曲げモーメントや建物の振
動特性を考慮して決定する。そして、このような摩擦抵
抗の大きさとするため、鋳鉄製の場合は、凸球面２ａ、
凹球面４ａを鋳放したままの粗面とし、あるいは凸球面
２ａ、凹球面４ａの両者にスチールショットを打つこと
によって粗面としあるいはピーニングハンマーで叩いて
粗面とされる。

【００２６】さらに、図８（ａ）に示すように凸球面２
ａと凹球面（図示省略）の表面にそれぞれ放射格子状の
細溝２ｃを形成し、これによって適度な摩擦抵抗とする
ことのほか、図８（ｂ）に示すように一方の球面（図示
例は凸球面２ａ）表面に小突起２ｄ…２ｄを多数分散状
に設けると共に、他方の球面（図示例は凹球面４ａ）に
陥凹部４ｄ…４ｄを対応位置に設け両者を嵌合させるこ
とや、前記小突起２ｄに替え、図８（ｃ）に示すよう
に、一方の球面（図示例は凸球面２ａ）表面に同心円状
の突条２ｅ…２ｅを設けると共に、他方の球面（図示例
は凹球面４ａ）に同心円状の凹溝４ｅ…４ｅを対応位置
に設け両者を嵌合させ、これら小突起２ｄと陥凹部４ｄ
との係合ないしは突条２ｅと凹溝４ｅの係合により一定
以下の外力では両球面２ａ、４ａは相対移動せず、これ
を超える外力で初めてずれ移動するようにして、適度な
摩擦抵抗とすることもできる。

【００２７】なお、適度な摩擦係数とする手段として、
接触面間の粗面化による場合を説明したが、これに限ら
ず、基礎側球面部材２の球面２ａと上部構造物側球面部
材４の球面４ａとの曲率の差による接触面積の調整によ
っても良く、さらに接触面積の調整と上記粗面との組み
合わせによっても良い。次に、この実施の形態２の杭頭
構造の作用について説明する。

【００２８】実施の形態１と同様、埋込んだ杭に基礎側
球面部材２を取り付け、上部構造物側球面部材４を前記
基礎側球面部材２に配置し、ストッパピン８を挿し込
み、次いで上部構造物３を構築していく。実施の形態２
の場合、凸球面２ａと凹球面４ａとの接触界面には適度
な摩擦抵抗があり、かつストッパピン８が共通軸で貫通
しているので、中小規模の地震程度ではストッパピン８
は破壊されず、杭頭１ａと上部構造物３とはしっかりと
一体化したままの状態が維持され、剛構造的な状態とな
り、図７（ａ）で説明したのと同様な状態となる。

【００２９】次に、大規模地震時などの杭の軸力が変化
する場合で、摩擦抵抗より大きくかつ、ストッパピン８
の極限耐力を超える外力が作用するとストッパピン８が
破断され、かつ基礎側球面部材２と上部構造物側球面部
材４との間で回転が生じ、これによって曲げモーメント
の軽減化が図られるのは前記実施の形態１と同じであ
る。

【００３０】次に、ストッパピンの破断後は、上部構造
物と杭頭との接触曲面間に生じる摩擦抵抗によって、中
小規模の地震程度では杭頭１ａと上部構造物３とはしっ
かりと一体化したままの状態が維持され、剛構造的な状
態となり、図７（ａ）で説明したのと同様な状態とな
る。一方大規模地震の外力に対してはある程度の曲げモ
ーメントを伝達しながら回転する機能を持つ。

【００３１】従って、この摩擦抵抗と相対移動により図
７（ｂ）に示すように回転の始まった時点ｑ２、ｑ４を
境にして杭頭の曲げモーメントが緩和され、図７（ｂ）
の範囲Ｓ４、Ｓ５に示すように杭の応力ｑが小さくな
り、杭頭に生じる曲げモーメントを杭の安全を確保でき
る曲げモーメント以下に抑えることが可能となる。コン
クリート杭の場合も、図７（ｂ）から明らかなように、
杭の応力に余裕が大きい軸力下では大きな曲げモーメン
ト（範囲Ｓ１）が生じる一方で、杭の応力に余裕が小さ
い軸力下では小さな曲げモーメント（範囲Ｓ４、範囲Ｓ
５）しか生じないこととなる。

【００３２】なお、ストッパピン８の破断後、振動の幅
が大きく球面同士のずれが摩擦抵抗にもかかわらず大き
くなった場合は、周壁４ｆがストッパとなって基礎側球
面部材２のそれ以上の相対ずれ移動が防止され、基礎側
球面部材２と上部構造物側球面部材４が外れるのが防止
される。以上説明したように、この発明の実施の形態２
の杭頭構造によれば、杭と上部構造物との支持部分が、
適度な摩擦抵抗とストッパピンの共同により中小規模の
地震時には剛結合的構造として、大規模地震時にはスト
ッパピンの破断により両球面は相対回転でき、しかも適
度な摩擦抵抗によりその摩擦抵抗に応じた大きさの曲げ
モーメントを伝達しながら回転する機能を有した構造と
なる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、ビルなどの上部構造物を基礎杭で支持する場合
に、上部構造物と杭頭との間を杭より破断強度の低いス
トッパピンで止着することによって、杭頭に生じる曲げ
モーメントを常に杭の破壊曲げモーメント以下に抑える
ことができるので、杭頭の拡径などの対策を行なわなく
ても杭頭の安全性を確保できる。また、ストッパピンの
破断後は、上部構造物と杭頭との接触曲面間に生じる摩
擦力によって、ある程度の曲げモーメントを伝達しなが
ら回転する機能を持つので、地中部での曲げモーメント
も低く抑えることができ、杭が持つ耐力の範囲内で荷重
を受け持たせるので、合理的な杭の使用条件とすること
ができ、杭を必要最小限の性能を有するものとすること
ができる。

【００３４】請求項２の杭頭構造は、上記請求項１の発
明の効果に加え、適度な摩擦抵抗のためストッパピンの
破断強度の小さい小型のものとすることができ、ストッ
パピンの破断後は、適度な摩擦抵抗により、杭頭に生じ
る曲げモーメントを剛結時よりも設定値以下に抑えるこ
とができ、また地中部の杭の最大曲げモーメントも杭頭
をピン結合とした場合よりも小さくなるので、より杭の
安全性が増す。

【００３５】また、上部構造物と杭頭との間の接触界面
には、すべり抵抗を減らす樹脂加工や潤滑油充填などが
必要がなく施工が簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す要部拡大断面図
である。

【図２】この発明の一実施の形態の他の構成例を示す要
部拡大断面図である。

【図３】この発明の一実施の形態のさらに他の構成例を
示す要部拡大断面図である。

【図４】この発明の一実施の形態のさらに他の構成例を
示す要部拡大断面図である。

【図５】この発明の一実施の形態の他の構成例を示す要
部拡大断面図である。

【図６】杭と上部構造物との関係を示す説明断面図であ
る。

【図７】この発明の実施の形態の地震外力と杭の応力関
係を示したグラフであり、（ａ）はピンが破断するまで
のもの、（ｂ）はピンが破断した後のものを示す。

【図８】この発明の実施の形態の摩擦抵抗を適度にする
ための構成例を示す要部説明図であり、（ａ）は放射溝
により、（ｂ）は突起により、（ｃ）は同心円状突条に
より摩擦抵抗を大きくしたものである。

【図９】この発明の実施の形態の杭の深度に対する曲げ
応力発生状況を従来例との関係で示したグラフである。

【図１０】従来例の杭の深度に対する曲げ応力発生状況
を示したグラフである。

【図１１】従来例の杭の地震外力と応力の関係を示した
グラフである。

【符号の説明】

１基礎杭１ａ杭頭２基礎側球面部材２ａ凸球面２ｂ基礎側球面部材の継手部３上部構造物４上部構造物側球面部材４ａ凹球面７共通軸線８ストッパピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大槻明東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者佐藤正義東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者脇田英治東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者真野英之東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者岩本利行兵庫県尼崎市大浜町２丁目26番地株式会社クボタ武庫川製造所内 (72)発明者荒川範行兵庫県尼崎市大浜町２丁目26番地株式会社クボタ武庫川製造所内 (72)発明者大川雅之兵庫県尼崎市大浜町２丁目26番地株式会社クボタ武庫川製造所内Ｆターム(参考） 2D041 AA01 AA02 BA19 BA37 DB02 DB06 2D046 CA03 DA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基礎杭の頭部に設けられる基礎側球面部材
に、該球面部材の球面に沿う球面を有する上部構造物側
球面部材が重ねられ、さらに、前記球面には両球面に対
し共通する軸線に沿ってストッパピンが貫通されてなる
杭頭構造。
【請求項２】請求項１の杭頭構造において重ねられる球
面間が適度な摩擦抵抗を有するものである杭頭構造。