JP2004100304A - 杭頭接合構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】杭1と、柱脚部に基礎梁3が接合された柱2との接合構造であり、杭1の杭頭部を構成するコンクリート断面の中央部および柱2の柱脚部を構成するコンクリート7内に、杭1および柱2の軸方向に延びる鋼棒などの棒状金物6を配設する。所定以上の曲げモーメントが作用した場合、棒状金物6の抜け出しによって杭頭接合部が半固定の状態となり、杭頭部の曲げモーメントを低減し、杭頭接合部を安価な簡単な構造とすることができる。また、杭の断面中央部に棒状金物6を配置した構造であるため、杭1のある程度の施工誤差に対しても柱2内への棒状金物6の設置が可能であり、水平方向の施工誤差吸収が容易である。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本願発明は、杭と、基礎梁が接合された柱とをつなぐ杭頭接合部の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
杭頭接合部については、従来、RC基礎梁を用い、基礎梁と杭頭を剛接合するのが一般的である。
【0003】
例えば、鋼管杭とフーチングの接合部は杭本体の曲げ耐力以上に接合するため、杭外周に鉄筋を溶接し基礎梁に定着している。また、場所打ち杭の場合も同様に杭本体の鉄筋を延長し、基礎梁に定着させている。
【0004】
しかし、従来の剛接合では、杭頭部鉄筋の過密配置、基礎梁の大断面化等を招き、コストアップの要因となっている。
【0005】
これに対して、近年、杭頭応力を低減し、上記問題を解決すべく、杭頭部をピン接合あるいは半剛接合させる技術が広がりつつある。
【0006】
例えば、特許文献1には杭頭部を球面状とすることで杭頭モーメントを低減する杭頭構造が記載されている。
【0007】
特許文献2には、ずれ止め鉄筋を有し杭頭部よりも断面積を小さくした柱部を介して杭頭部と基礎コンクリートスラブとを連結することにより、杭頭部の曲げ剛性と曲げ耐力を杭体よりも小さくしたものが記載されている。
【0008】
鋼製の基礎梁を用いた場合として、例えば、特許文献3に鉄筋コンクリート柱あるいは充填鋼管コンクリート柱の内部に杭頭部を挿入し、鋼製基礎梁と柱はダイアフラムを介して基礎梁と溶接接合されているものが記載されている。
【0009】
【特許文献1】
特開2001−73387号公報
【特許文献2】
実用新案登録第3058723号公報
【特許文献3】
特開2001−248167号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1記載の発明の場合、杭頭部を凹凸面としたことでモーメントの低減には効果があるが、支承部分の加工工数が多く、コストアップの要因となる。
【0011】
特許文献2記載の発明は、上部構造として、打設に伴う杭の水平方向の施工誤差に影響されにくい基礎コンクリートスラブを対象とする発明であり、杭の上部に閉鎖形断面の柱を設ける場合には、杭の水平方向の施工誤差によって柱の内部にずれ止め鉄筋を配置できない場合がある。
【0012】
特許文献3記載の発明は、充填鋼管コンクリート柱の内部に杭頭部を挿入するものであり、柱とその内側の杭との隙間が小さいため、打設に伴う杭の水位へ方向の誤差吸収が困難であり、また杭頭接合部の簡略化という面でも不利である。
【0013】
本願発明は、上述のような従来技術における課題の解決を図ったものであり、安価で、施工誤差吸収が容易で、かつ杭頭曲げモーメントを低減可能な杭頭接合構造を提供することを目的としたものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項1に係る杭頭接合構造は、杭と柱の接合部において、前記柱の柱脚部に基礎梁が接合されており、前記杭の杭頭部を構成するコンクリート断面の中央部と、前記柱の柱脚部を構成するコンクリート内に、該杭および柱の軸方向に延びる棒状金物が配されていることを特徴とするものである。
【0015】
所定以上の曲げモーメントが作用した場合、杭頭部および柱脚部に跨がって配された棒状金物の抜け出しによって杭頭接合部が半固定の状態となり、杭頭部の曲げモーメントを低減し、杭頭接合部を安価な簡単な構造とすることができる。
【0016】
鋼製の基礎梁を使用した場合、RC基礎梁の場合に比べ、杭頭部の曲げモーメントを低減するため、さらに効果が向上する。
【0017】
また、杭の断面中央部に棒状金物を配置した構造であるため、杭のある程度の施工誤差に対しても柱内への棒状金物の設置が可能であり、水平方向の施工誤差吸収が容易である。
【0018】
なお、杭頭部を剛接合と考え、杭頭接合部の変形を設計で考慮しない従来と比較して、接合部変形を積極的に設計に反映する本願発明の構造は半剛接合構造と言える。
【0019】
棒状金物としては、鋼棒、異形棒鋼等の丸棒の他、角棒、長手方向と直角な断面が多角形の多角形棒、円形鋼管、角鋼管、極太鉄筋、十字形断面材、クロスH形断面材等、接合部におけるせん断力を負担するのに十分な断面、剛性を有するものであれば特に限定されない。また、棒状金物は1本のものに限らず、鉄筋籠、または棒材などを複数本束ねたものなどでもよい。
【0020】
棒状金物は、杭の施工誤差を考慮しても柱内に設置できるようなサイズとする。複数の棒状金物を設置する場合には、それら全体としての径と、柱の内径と、杭の施工誤差とを考慮して、棒状金物を束ねる本数や、鉄筋籠等の仕様を決定すればよい。柱の下端に後述するベースプレートを設ける場合には、柱の内径に替えてベースプレートの貫通孔の大きさを考慮する必要がある。
【0021】
請求項2は、請求項1に係る杭頭接合構造において、前記棒状金物に、前記コンクリートに対する定着力またはコンクリートとの付着力を高めるための手段が設けられていることを特徴とするものである。
【0022】
棒状金物には引張力が生じるが、コンクリートに対する定着力またはコンクリートとの付着力を高める手段が設けられていることによって、棒状金物の抜け出しを効果的に防止することができる。
【0023】
コンクリートに対する定着力を高めるための手段としては、例えば棒状金物の両端あるいは中間部に取り付けた定着板などコンクリートに対し大きな支圧力が得られるものが挙げられ、コンクリートとの付着力を高めるための手段としては、例えば棒状金物の軸部外周に設けられるスタッド、節(異形棒鋼の節などを含む)、突起、孔などが挙げられるが、定着力と付着力の両機能について必ずしも明確に区別する必要はない。
【0024】
請求項3は、請求項1または2に係る杭頭接合構造において、前記杭は、少なくとも杭頭部が鋼殻内にコンクリートが充填された構造となっていることを特徴とするものである。
【0025】
本願発明の適用対象としての杭は、現場打ちのRC杭の他、鋼管杭その他各種既成杭があるが、棒状金物がコンクリート中に埋め込まれなければならないため、例えば鋼管杭の場合には少なくとも杭頭部にコンクリートを充填し、例えば棒状金物の下部の約半分の長さの部分が杭頭部のコンクリート中に埋設されるようにする。
【0026】
なお、この場合、鋼殻としての鋼管杭あるいはSC杭の鋼管、あるいは現場打ちRC杭、既成杭としてのRC杭、PC杭などの杭頭部のみに設けた鋼管がその内側のコンクリートを拘束することによる棒状金物の定着力または付着力の増加も期待できる。
【0027】
請求項4は、請求項1、2または3に係る杭頭接合構造において、前記柱は、少なくとも柱脚部が鋼殻内にコンクリートが充填された構造となっていることを特徴とするものである。
【0028】
柱についても、本願発明の適用対象としての柱は、現場打ちのRC構造、SRC構造の柱の他、鋼管柱、コンクリート充填鋼管柱など、種々の構造形式の柱が考えられるが、杭側と同様、棒状金物がコンクリート中に埋め込まれなければならないため、例えば鋼管柱の場合には少なくとも柱脚部にコンクリートを充填し、例えば棒状金物の上部の約半分の長さの部分が柱脚部のコンクリート中に埋設されるようにする。
【0029】
また、RC構造、SRC構造の柱の柱脚部の外周に鋼殻を設けてもよく、その場合、杭側と同様、鋼殻部分が内側のコンクリートを拘束することによる棒状金物の定着力または付着力の増加が期待できる。
【0030】
請求項5は、請求項1、2、3または4に係る杭頭接合構造において、前記柱の下端にベースプレートが設けられていることを特徴とするものである。
【0031】
柱と杭間での軸力の伝達を分散させてスムーズに行う目的で柱の下端に鋼板等からなるベースプレートが設けられる。この場合、ベースプレートの中央には、棒状金物が貫通する貫通孔が設けられる。
【0032】
【発明の実施の形態】
図1は本願発明の杭頭接合構造の一実施形態を示したものである。
【0033】
本実施形態において、上部構造は鉄骨造であり、柱2は角形鋼管柱、基礎梁3はH形鋼梁、杭1は場所打ちRC杭である。
【0034】
図示したものでは、鋼製基礎梁3と柱2を溶接接合し、接合部をノンダイアフラム形式としている。柱2の下部には孔あきのベースプレート4が設けられ、孔部4aを棒状金物5としての金属製の丸棒が杭1から柱2内部まで貫通している。
【0035】
棒状金物5はその下部が杭1のコンクリート内に埋設され、また柱2の基礎梁3との接合部近傍の内部にはコンクリート7が打設され、このコンクリート7内に棒状金物5の上部が埋設されている。この棒状金物5には、杭1と柱2の接合面に位置するほぼ全長に多数のスタッド6が溶接されている。
【0036】
なお、本願発明において、柱2の断面は、円形、角形、多角形などでもよく、図1に示したものに限定されない。また、基礎梁3の断面についても、図1のH形の他、角形、円形、ダブルウェブH形などでもよく、特に限定されない。
【0037】
柱2と基礎梁3の接合は溶接接合の場合、ノンダイアフラム形式、外ダイアフラム形式、内ダイアフラム形式、通しダイアフラム形式のいずれでもよい。また、ボルト接合の場合は、スプリットティー、アングル、エンドプレート、溝形鋼などの接合金物を介して接合することができる。
【0038】
図2(a) 〜(h) は、棒状金物の変形例を示したもので、図2(a) は丸棒5a(丸鋼)の場合、図2(b) は多角形棒5b(角鋼)の場合、図2(c) は小径の鋼管5cの場合、図2(d) は小径の角形鋼管5dの場合、図2(e) は十字形断面材5eの場合、図2(f) はクロスH形断面材5fの場合である。その他、図2(g) のように複数の鉄筋5g、あるいは丸棒、多角形棒等を密にまたは若干隙間を空けて複数本束ねたものや、図2(h) のように鉄筋籠5hを用いてもよい。
【0039】
図3(a) 〜(c) は、それぞれ棒状金物の定着力または付着力を高めるための手段を示したもので、図3(a) は棒状金物5としての丸棒の両端に定着板11を取り付けた場合、図3(b) は棒状金物5としての丸棒にねじ節などの節12を設けた場合、図3(c) は棒状金物5としての十字形断面材(クロスH形断面材でもよい)の両端部に縞状突起13(図中、左側)または孔14(図中、右側)を形成した場合ある。
【0040】
図4(a) 、(b) は、それぞれ柱2を構成する鋼管とその内側に充填されるコンクリート7との付着に関する変形形態を示したもので、図4(a) は鋼管柱2の基礎梁3が取り付く高さの内面に設けた内ダイアフラム21がコンクリート7との付着力の増強に利用されている場合、図4(b) は柱2の鋼管内部に多数の突起22を形成し、柱2の鋼管とコンクリート7の付着力の増強を図ったものである。
【0041】
図5は、図1の実施形態の変形例を示したものであり、柱2のベースプレート4を杭1の頭部に埋め込んだ場合である。また、図6は、柱2にベースプレートがない場合の実施形態である。図7は、基礎梁3がRC構造の場合の実施形態である。
【0042】
図8(a) 、(b) は、それぞれ本願発明の具体的な実施形態における杭頭部の構造例を示したもので、図8(a) は場所打ちRC杭31aの杭頭部外周に鋼管31bが設けた鋼管巻き補強した耐震場所打ち杭31の場合、図8(b) は鋼管杭41の頭部にコンクリート8を充填してある場合である。
【0043】
以下に、10階建ての鉄骨造建物の杭頭部について、本願発明による杭頭接合部の寸法形状を検討した場合の接合部寸法例を説明する。
【0044】
杭頭接合部は、図9の寸法形状を想定する。基礎梁は鉄骨梁を想定する。基礎梁(H形鋼で、幅300mm、高さ700mmのものを想定)と柱(冷間プレス成形角形鋼管で、柱脚部には外形600mm、板厚38mmのものを想定)は十分な補剛がなされているものとする。棒状金物としての丸棒は、異形鉄筋(SR235)で、直径100mmのものを想定している。
【0045】
杭頭部のモーメント・回転角関係は、図10のように最外縁コンクリート部の圧縮応力が0の時点の耐力Mcrまでは剛性が無限大、それ以降は中央部の金属製の丸棒の抜け出しにより回転が生じるものとする。
【0046】
Mcr以降の回転剛性は、中央部の丸棒の引張降伏時耐力My と回転角θy より求める。My はベースプレート部をRC断面として算定する。θy は図11に示した丸棒降伏時の丸棒の材軸方向軸ひずみ分布を積分し、抜け出し部の変形を断面中立軸までの距離xn で除した値とする。
【0047】
図12は、このように算定した杭頭部のモーメントMと回転角の関係を示したものである。図中には、水平方向の施工誤差eを100mmとした場合についても示している。
【0048】
解析モデルは、図13に示すように、無限均等ラーメン骨組を想定し、上下部一体で計算する。杭頭部の回転変形は杭頭部に回転バネを設けることで評価する。
【0049】
地盤条件は、GLから−12mまではN値=5の粘土層、−12mから−16mまでは、N値=20の細砂層、以深はN値=50の砂礫層とする。
【0050】
このようなモデルに地震時(短期)の水平力を加える。この場合、杭頭部に加わるせん断力は7.03×105 Nである。
【0051】
図14は、解析モデルを用いた結果の、地震時(短期)の杭モーメント分布である。杭頭部を剛接合とした場合に比べ、杭頭部を半剛接合とした場合の杭頭モーメントは6割程度に低減している。
【0052】
図15は、基礎梁をRCとした場合についての結果である。杭頭部を剛接合とした場合に比べ、杭頭部を半剛接合とした場合の杭頭モーメントは2割程度に低減している。
【0053】
図16は、杭頭部の短期許容軸力Nと曲げモーメントMの関係で、鉄骨基礎梁、RC基礎梁に係わらず、発生したモーメントは短期許容内に収まっており、構造的に問題のないことが分かる。
【0054】
この時、丸棒に生じる軸応力は7.64×103 N/cm2 である。丸棒が杭頭のせん断力を全て負担すると仮定すると、丸棒に生じるせん断応力は、杭頭せん断力/丸棒断面積=(7.03×105 N)/(78.5cm2 )=8.92×103 N/cm2 となる。
【0055】
丸棒の降伏条件として、下記のものを考える。
(κ・τmean/τy )2 +(σ/σy )2
ここで、
κ:形状係数(円形なので、1.3)
τmean:平均せん断応力
τy :降伏せん断応力(=σy /√3)
σ:軸応力
σy :降伏応力(2.35×104 )
上式に諸元を代入すると下記のようになり、丸棒は軸力とせん断力を負担しても降伏しない。
【0056】
(κ・τmean/τy )2 +(σ/σy )2 =0.83<1.0
仮に丸棒がなく、柱内部のコンクリート部だけでせん断力を負担することを考えると、コンクリートFc =2.35×103 N/cm2 として、短期許容せん断力は2.94×105 程度で、必要値7.03×103 N/cm2 の半分程度しかなく、コンクリート部のせん断抵抗だけでは負担することが困難なことは明らかである。
【0057】
このように基礎梁の構造形式に係わらず、本願発明では杭頭部モーメントの低減が可能で、モーメントおよびせん断力に対して十分な抵抗力がある。
【0058】
次に、水平方向の施工誤差が生じた場合について検討する。
【0059】
図17および図18は、図12の杭頭部のモーメントMと回転角の関係を用いた場合の杭モーメント分布である。基礎梁は鋼製、RCの双方について検討している。
【0060】
e=0の場合に比べ、杭頭部の回転剛性は増大するが、全体的には鋼製基礎梁、RC基礎梁ともにモーメントの差はほとんど見られない。すなわち、鋼製基礎梁の場合は杭頭モーメントの増加はほとんど見られず、RC基礎梁の場合にはe=0の場合に比べ2割程度モーメントが増大する程度である。
【0061】
図19は施工誤差を考慮した杭頭部の短期許容軸力Nと曲げモーメントMの関係を示したもので、基礎梁の構造形式に係わらず、100mmの施工誤差の場合でも、短期許容内に収まっており、水平方向の誤差が生じた場合でも構造的に問題のないことが分かる。
【0062】
【発明の効果】
本願発明では杭中央部および柱脚部内のコンクリート中に配された棒状金物がせん断力を負担するとともに、所定以上の曲げモーメントが作用した場合に、棒状金物の軸方向のひずみにより半剛接合の形で杭頭接合部の曲げモーメントを低減できるため、杭頭接合部を安価な簡単な構造とすることができる。
【0063】
また、杭の断面中央部に棒状金物を配置した構造であるため、ある程度の施工誤差に対しても柱の設置が可能であり、水平方向の施工誤差吸収が容易であり、杭頭接合部の機能についても施工誤差による影響が少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の杭頭接合構造の一実施形態を示す鉛直断面図である。
【図2】(a) 〜(h) は、それぞれ図1の実施形態に対する棒状金物の変形形態を示す軸方向と直角な断面図である。
【図3】(a) 〜(c) は、それぞれ棒状金物の定着力または付着力を高めるための手段を示す鉛直断面図である。
【図4】(a) 、(b) は、それぞれ柱を構成する鋼管とコンクリートとの付着に関する変形形態を示す鉛直断面図である。
【図5】図1の実施形態に対し、柱のベースプレートを杭頭部に埋め込んだ場合の実施形態を示す鉛直断面図である。
【図6】図1の実施形態に対し、柱にベースプレートがない場合の実施形態を示す鉛直断面図である。
【図7】図1の実施形態に対し基礎梁がRC構造の場合の実施形態を示す鉛直断面図である。
【図8】(a) 、(b) はそれぞれ本願発明の他の実施形態を示す鉛直断面図である。
【図9】本願発明の杭頭接合構造を説明するための設計モデルを示したもので、(a) は鉛直断面図、(b) は水平断面図である。
【図10】設計モデルにおける杭頭部のモーメントと回転角の関係を説明するためのグラフである。
【図11】設計モデルにおける曲げモーメントおよび軸力と回転角および棒状金物の軸方向のひずみとの関係を説明するための図である。
【図12】算定された杭頭部のモーメントMと回転角の関係を示したグラフである。
【図13】無限均等ラーメン骨組を想定した解析モデルの説明図である。
【図14】図13の解析モデルを用いた場合の地震時(短期)の杭モーメント分布を示すグラフである。
【図15】基礎梁をRC構造とした場合についての地震時(短期)の杭モーメント分布を示すグラフである。
【図16】杭頭部の短期許容軸力Nと曲げモーメントMの関係を示すグラフである。
【図17】基礎梁を鋼製梁とした場合について、水平方向の施工誤差eが0の場合(実線)と100mmの場合(点線)の杭モーメント分布を比較して示したグラフである。
【図18】基礎梁をRC構造とした場合について、水平方向の施工誤差eが0の場合(実線)と100mmの場合(点線)の杭モーメント分布を比較して示したグラフである。
【図19】(a) は施工誤差を考慮した杭頭部の短期許容軸力Nと曲げモーメント関係を示したグラフ、(b) は検討における施工誤差の説明図である。
【符号の説明】
1…杭、2…柱、3…基礎梁、4…ベースプレート、4a…孔部、5…棒状金物、6…スタッド、7…コンクリート、8…コンクリート、
11…定着板、12…節、13…縞状突起、14…孔、
21…内ダイアフラム、22…突起、
31…耐震場所打ち杭、31a…RC杭、31b…鋼管、
41…鋼管杭、
w…溶接箇所
Claims (5)
- 杭と柱の接合部において、前記柱の柱脚部に基礎梁が接合されており、前記杭の杭頭部を構成するコンクリート断面の中央部と、前記柱の柱脚部を構成するコンクリート内に、該杭および柱の軸方向に延びる棒状金物が配されていることを特徴とする杭頭接合構造。
- 前記棒状金物に、前記コンクリートに対する定着力またはコンクリートとの付着力を高めるための手段が設けられていることを特徴とする請求項1記載の杭頭接合構造。
- 前記杭は、少なくとも杭頭部が鋼殻内にコンクリートが充填された構造となっていることを特徴とする請求項1または2記載の杭頭接合構造。
- 前記柱は、少なくとも柱脚部が鋼殻内にコンクリートが充填された構造となっていることを特徴とする請求項1、2または3記載の杭頭接合構造。
- 前記柱の下端にベースプレートが設けられていることを特徴とする請求項1、2、3または4記載の杭頭接合構造。
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