JP2006002355A - ロッキング機能を有した直接基礎構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で安価、且つ確実性の高い鋼管ダンパー用い、高耐震化に向けた構造を簡単で安価に構成可能としたロッキング機能を有する直接基礎構造を提供する。
【解決手段】 脚柱の下部を支持するフーチングを上部側フーチング２２と下部側フーチング２３とから構成すると共に、両者間に鋼管ダンパーを介在させる。鋼管ダンパーの鋼管２６は、下部側フーチング２３の上部内側に上下摺動可能にほぼ埋設状態に配置される。また、上部側フーチング２２には、鋼管２６の上部突出端外周に第二の鋼管２８が固定配置され、鋼管２６と第二の鋼管２８との間には所定の間隙が形成されて両者は縁切りされていると共に、第二の鋼管２８を配置するために上部側フーチング２２の下部に形成される凹部２８Ａの天井部と鋼管２６の上部との間には所定の間隙が形成されていている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、鋼管ダンパーを用いて基礎の高耐震化を図った直接基礎構造に関する。

橋脚基礎などにおいて、ロッキング振動を起すと免震効果があることが知られており、このようなロッキング機能を有した基礎の形式は、従来、様々な形式があるが、次の二種類に大別できる。一つは、浮上がりを制限しない構造で、ロッキング部（浮上がり部）とシェアキー機能を持たせた地中梁が全杭頭に固定されているものである。他の一つは、「シェアキー」と「ダンパーキー」とを組み合わせた高架構造である。これは浮上がり部にシェアキーとダンパーキーが配置されており、浮上がり量を緩和する構造となっている。

図９（ａ），（ｂ）は前者の構造を示すものであり、このものは、橋脚柱１を支持したフーチング２と、その両側に配置され、杭３と一体の土台部（地中梁）４とからなっており、フーチング２がロッキング部となり、土台部４は支承とシェアキーの機能を兼用する。土台部４には、浮上がる反対側（転がり側）に大きなせん断力が伝達される。このせん断力を各杭３に均等に伝えるため地中梁で結合されている場合が多いが、地中梁なしでもロッキング基礎として成立つ。また、土台−ロッキングフーチング間には衝撃緩衝材としてネオプレンゴム５が介在されている。

図１０は後者の構造を示すもので、一対の橋脚柱６の下部にはロッキング部７が形成されている、ロッキング部７は、図の一部に拡大して示すように、ゴムなどの弾性材料８を介して凹凸状に接合した接合位置の上下を貫通してシェアキー９が配置され、その下部側を橋脚柱６の下部に定着させているとともに、上部側をエネルギー吸収用のダンパー装置１０に接続している。この構造においては、ロッキングによる橋軸直角方向への移動量は、橋脚の浮上がり量が安全値を超えない範囲で止るように設計されている。

しかしながら、以上のロッキング基礎では、いずれも次に述べるような問題点があった。即ち、まず、前者の構造では、図９（ｂ）に矢印に示す方向に地震力が作用すると、浮上がる反対箇所一カ所にせん断力が集中するので、それを杭全体に伝達するために、大きな地中梁を必要としていた。

また、後者の組合わせ構造では、浮上がる反対側一カ所にせん断力が集中するため、設計が難しく、断面を大きく取らざるを得なかった。また、図示のごとく、横梁１１を設けてせん断力を浮上がり側の橋脚柱６に伝える必要があり、加えて浮上がり量を緩和するためのダンパー装置１０も高価なものとなり、構築費用がその分嵩んでしまい、不経済となっていた。

そこで、これらの問題点を解消できるものとして、本願発明者は特開２００３−２３２０４６号公報にて開示された「鋼管ダンパーを用いたロッキング基礎構造」の提案を既になした。このロッキング基礎構造は、図１１及び図１２に示すように、脚柱２１の下部を支持するフーチング２２と、このフーチング２２の下部に設置した複数のコンクリート杭２４と、これら各コンクリート杭２４の上部と前記フーチング２２との間に介在される鋼管ダンパー２５とから主になる。

当該鋼管ダンパー２５は、前記杭２４の上部内に上下方向に摺動可能にほぼ埋設状態で配置されて上端部が前記フーチング２２内に突出挿入された鋼管２６と、この鋼管２６の上下を貫通して挿通配置され、上端が前記フーチング２２内に定着されるとともに下端が前記鋼管２６の下端部に定着された鋼材３４とからなる。

即ち、鋼管ダンパー２５はフーチング２２が上方に浮き上がると鋼材３４を介して鋼管２６が上方に向けて摺動移動して抜き出されるようになっている。そして、この際に鋼管２６に作用する摺動抵抗（摩擦力）によって、鋼材３４には緊張力が生じる一方、鋼管２６には当該緊張力に相応した圧縮力が生じ、この圧縮力によって鋼管２６が径方向外方に膨らみ、この膨らみによりコンクリート杭２４との摺動抵抗、つまり機械的摩擦力は増大していくことになり、もって摩擦ダンパー２５として有効に機能する。一方、フーチング２２が落ち込む鋼管２６の押込み時には、逆に鋼材３４に圧縮力が生じて鋼管２６には引っ張り力が生じることになり、これにより鋼管２６は縮径されて摺動抵抗（機械的摩擦力）が減少するので、フーチング２２はその着地が阻害されることがない。よって、地盤へのエネルギ逸散減衰効果を効率的に起こすことができる。また、フーチング２２の水平方向への変位は鋼管２６が受けてこれを規制する。したがって、フーチング２２をロッキング部として、各鋼管２６にロングストロークシェアキーとダンパーとの２つの機能をもたらすことができる。
特開２００３−２３２０４６号公報

しかしながら、フーチングが地盤に直接支持された支持杭を備えていない従来の直接基礎にあっては、上記鋼管ダンパーを設けて高耐震化を図ることができなかった。

本発明は、以上の課題を解決するものであり、その目的とするところは、基礎杭を有さない直接基礎にあっても、そのフーチングのロッキング振動を許容しつつ、その浮き上がりを摩擦ダンパーとして機能する鋼管ダンパーで抑制して高耐震化を図ることができる、構造が簡単で安価な、ロッキング機能を有した直接基礎構造を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明にかかるロッキング機能を有した直接基礎構造にあっては、脚柱の下部を支持する上部側フーチングの下側に下部側フーチングを設け、該下部側フーチングと上部側フーチングとの間に、該上部側フーチングの浮き上がりを抑制する鋼管ダンパーを介在させ、前記鋼管ダンパーは、下部が前記下部側フーチングの上部内に上下方向に摺動可能にほぼ埋設状態で配置されて上端部が前記上部側フーチング内に突出する鋼管と、該鋼管の上下を貫いて挿通され、上端部が前記上部側フーチング内に定着されるとともに下端が該鋼管の下端部に定着された鋼材とから構成することを特徴とする（請求項１）。

ここで、前記鋼管の上端部外周には、該鋼管を該上部側フーチングの浮上がり方向に対して所定の遊びを有して定着させる定着手段を設けた構成となし得る（請求項２）。

ことを特徴とする請求項１に記載のロッキング機能を有した直接基礎構造。

また、前記鋼管の上半部内側にコンクリートを充填するとともに、該コンクリートの中心にシース管を配置し、該シース管を挿通させて前記鋼材を配設した構成となし得る（請求項３）。

本発明によるロッキング機能を有した直接基礎構造によれば、基礎杭を有さない直接基礎にあっても、そのフーチングのロッキング振動を許容しつつ、その浮き上がりを摩擦ダンパーとして機能する鋼管ダンパーで抑制して高耐震化を図ることができ、当該高耐震性をもたらすための構造を簡単で安価に構成できる。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明にかかるロッキング機能を有した直接基礎２０の全体構成を示すものである。この直接基礎２０のロッキング構造は、橋脚柱等の脚柱２１の下部を支持する上部側フーチング２２と、この上部側フーチング２２の下部に設置した下部側フーチング２３と、これら下部側フーチング２３の上部と上部側フーチング２２の下部との間に介在された複数の鋼管ダンパー２５とから構成されている。なお、下部側フーチング２３の上面には、各鋼管ダンパー２５の周囲を取り囲んでゴム等からなる扁平リング状の弾性体１８が設けられている。

鋼管ダンパー２５は、図２に拡大して示すように、有底円筒形の鋼管２６を主体として構成されている。この鋼管２６は下部側フーチング２３の上部内に、上下方向に沿って摺動移動可能にほぼ埋設状態に配置されていて、その上端部は当該下部側フーチング２３の上面から所定長上方に突出されている。また、前記上部側フーチング２２には、上記鋼管２６の上部突出端の外周を囲繞する第二の鋼管２８が固定配置され、鋼管２６と第二の鋼管２８との間には所定の間隙が形成されて両者は縁切りされているとともに、第二の鋼管２８を配置するために上部側フーチング２２の下部に形成される凹部２８Ａの天井部と鋼管２６の上端部との間には所定の間隙が形成されていて、鋼管２６の上端部と上部側フーチング２２との間には上下方向に所定量の遊びが設けられている。

また、上記鋼管２６の上半部内側には、コンクリート３０が充填されるとともに、当該コンクリート３０の中心部にシース管３２が配置されている。そして、このシース管３２内には鋼管２６の上下を貫通するＰＣ鋼棒３４が挿通配置され、当該ＰＣ鋼棒３４の下端は鋼管２６の下端部の底板部 に定着材３６を介して定着されるとともに、上端は上部側フーチング２２内に定着材３８を介して定着されて、鋼管ダンパー２５が構成されるようになっている。

即ち、この直接基礎２０の構造にあっては、フーチングを上部側フーチング２２と下部側フーチング２３とに分割形成して、これら上部側フーチング２２と下部側フーチング２３との間に上記鋼管ダンパー２５を介在させることによって、地震時には図１（ｂ）に示すように、上部側フーチング２２をロッキング部としてそのロッキング振動を許容しつつ、当該上部側フーチング２２の浮き上がりと水平方向への変位を各鋼管ダンパー２５で抑制するようになっており、各鋼管ダンパー２５はロングストロークシェアキーとダンパーとの２つの機能を発揮し得るようになっていて、これらの機能をもたらすための素材構成およびその構造は、ともにきわめて簡素となっている。

図３は、上記鋼管ダンパー２５のシェアキーとしての設計思想を示すもので、地震時において、上部側フーチング２２が浮上がるときにＰＣ鋼棒３４を介して鋼管２６を引上げようとする力が作用すると仮定し、地震時の左右の水平変位モーメントをＭとし、その時の上部側フーチング２２の浮上がり量をＤとすると、その垂直分力であるせん断力Ｓは、 Ｓ＝２Ｍ／Ｄとなり、それ故Ｍ＝０．５ＳＤとなる。したがって、鋼管２６の弾性設計としては、Ｍ^Ｕ＞Ｍ（ｕ：ultimate）となる鋼管を使用すればよいものとなる。

また、図４は、前記鋼管ダンパー２５を下部側フーチング上端ピンとして半剛結とする場合の設計思想を示すもので、上端モーメント≦Ｍｕであり、下部側フーチング上端が半剛結となる。なおＭ^ｕ→０の場合は完全ピンである。

そして、個々の鋼管の浮上がり量をＤとすると、最も浮上がった側から負担せん断力が低下するため、個々の鋼管２６に作用する剪断力Ｓの範囲は、Ｓ≦２Ｍ^ｕ／Ｄ，Ｄ≦Ｄmaxとなる。

また、Ｓｉ＝全せん断力／ダンパー本数とすると、個々の鋼管を弾性設計とした場合には、
Ｓｉ≦Ｓ（＝２Ｍ^ｕ／Ｄｍａｘ）
また、弾塑性設計とした場合には、
Ｓｉ≧Ｓ（＝２Ｍ^ｕ／Ｄｍａｘ）
が成立する。

次に、上記鋼管ダンパー２５が発揮する摩擦ダンパーとしての機能を、図５を用いて説明する。先ず、上部側フーチング２２が浮上がる鋼管２６の抜け出し時について述べる。 上部側フーチング２２の浮き上がりの初期段階では、同図（ａ）に示すように、上部側フーチング２２が所定量、例えば弾性体１８の圧縮量分ｄだけ上昇するまで、鋼管２６は静止している。つまり、このときにも鋼管２６には、ＰＣ鋼棒３４を介して上昇力が伝えられるが、鋼管２６は下部側フーチング２３のコンクリートとの摩擦力によって係止されているので、鋼棒３４から伝えられる上昇力が静止摩擦力を上回るまで、鋼管２６は静止したままの状態に保持されて、その上昇が規制されることになる。

この際、上部側フーチング２２の上昇に伴って、ＰＣ鋼棒３４には引っ張り力（緊張力）が働き始める一方、鋼管２６にはその反作用として圧縮力が働き始める。ここで、この圧縮力によって鋼管２６はポアソン比に基づいて径方向に膨張し、当該膨張に伴って摩擦力も増加するが、その増加はまだ僅かであり、上部側フーチング２２が所定量上昇した時点で、同図（ｂ）に示すように、鋼管２６も上昇し始めて下部側フーチング２３から抜け出していく。

さらに上部側フーチング２２が上昇すると鋼管２６も抜け出していくが、当該鋼管２６は下部側フーチング２３との摩擦力を受ける分だけ、その上昇量は上部側フーチング２２の上昇量よりも小さくなり、この上昇量の差分（相対変位差）に応じてＰＣ鋼棒３４と鋼管２６とにそれぞれ作用する引っ張り力と圧縮力とは増大していく。このため、同図（ｃ）に示すように、鋼管２６は特にそのコンクリート無充填の下半部の圧縮応力状態が高まって、当該部分のポアソン比による径方向への膨出が大きくなり、もって当該鋼管２６と下部側フーチング２３を構成するコンクリート間の摩擦力（減衰力）が増大していくことになり、可変摩擦ダンパーとして有効に機能することとなる。

次に、上部側フーチング２２が落下する鋼管２６の押し込み時について述べる。この押込み時（下降時）には、同図（ｄ）に示すように、まず、ＰＣ鋼棒３４に働いている引っ張り力がなくなって当該ＰＣ鋼棒３４が圧縮ストラットとして機能して所定の圧縮力が作用し、逆に、鋼管２６に働いている圧縮力がなくなって所定の引っ張り力が作用するまで、当該鋼管２６は下降せずに上部側フーチング２２が沈む。

つまり、鋼管２６に作用する引っ張り力によって当該鋼管２６は縮径変形を来たし、これにより下部側フーチング２３との摩擦力が低下していくことになるが、当該摩擦力が鋼管２６の下方への引っ張り力を下回ると、同図（ｅ）に示すように、鋼管２６が下降し始める。即ち、鋼管２６の縮径により応力が解放され、ほぼ無応力に近くなって摩擦が減少する結果、スムーズに上部側フーチング２２を沈降させることができる。

以上のごとく、引き抜かれる時のみ鋼管２６の膨張に応じたダンパーを利かせてエネルギーロスさせることで、浮上がり量を抑え、押込み時には、下部側フーチング２３と上部側フーチング２２との衝突を阻害させない構造となっている。そして、下部側フーチング２３と上部側フーチング２２との衝突により、地震力は下部側フーチング２３を伝って地盤側に効果的に散逸される。

図６は、他の実施の形態を示し、この実施の形態では、鋼管２６にはその上部側フーチング２２に対する突出端外周に上下複数段（本実施の形態では２段）のジベル４０が水平方向に突出され、それぞれのジベル４０が上部側フーチング２２に形成された穴２２Ｂ内を上下方向に若干の遊びをもって、上下動可能に配置されていて、鋼管２６上端部の外周面は上部側フーチング２２と縁切りされている。

図７は、図６の実施の形態の作用を示している。この実施の形態の引き抜き時にあっては、図７（ａ）に示すように、上部側フーチング２２が浮上がり始めた直後にＰＣ鋼棒２８が緊張され、これによって鋼管２６が圧縮力を受けて径方向に膨らみ、摩擦力が増大する。そして、上記遊び分ｄだけ上部側フーチング２２が上昇した以後は、同図（ｂ）に示すように、穴２２Ｂの下側面が鋼管２６のジベル４０に当接して、鋼管２６を一緒に持ち上げて引き抜いていく。つまり、ジベル４０が穴２２Ｂの下側面に当接した時点で、ＰＣ鋼棒３４の伸び変形は規制されて引っ張り力は増大しなくなり、もって鋼管２６の圧縮力も増大しなくなり、鋼管２６の膨れは一定に保たれてその摩擦力も一定になる。即ち、線形な減衰力が得られることになる。

一方、押し込み時には、図７（ｃ），（ｄ）に示すように、上部側フーチング２２が下降し始めると、その直後にあっては鋼管２６は静止したまま上部側フーチング２２が下降する。この降下の開始と同時にＰＣ鋼棒３４の引っ張り力と鋼管３６の圧縮力とは減少してゆき、上記遊び分ｄを降下するまでの間に、それら引っ張り力と圧縮力は完全に除去されて鋼管２６の膨らみもなくなる。そして、当該遊び分ｄを降下した以後は、ジベル４０が穴２２Ｂの上側面に当接して、鋼管２６は上部側フーチングと一緒に下降され始める。

図８は、さらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、鋼管２６の上部側フーチング２２に対する突出端外周に、当該突出端を囲繞する第二の鋼管４０が配置され、第二の鋼管４０の外周はジベル４２を介して上部側フーチング２２に結合され、鋼管２６の頭部を上部側フーチング２２に対して縁切りしている。この実施の形態においても、上部側フーチング２２が浮き上がり始めた直後にＰＣ鋼棒２８が緊張され、これによって鋼管２６が上部側フーチング２２とともに上昇する。

なお、以上の構造の他に、上部側フーチング２２の浮上がり始め直後にＰＣ鋼棒２８が緊張し始める構造であって、鋼管２６と下部側フーチング２３との摩擦力よりも、鋼管２６の頭部と上部側フーチング２２との摩擦力の方が小さくて自由に上下に動けること、並びにシェアキーとしての機能を発現するために、鋼管頭部が回転しない構造を満足するならば、各種構造を採用することが可能である。

また、本発明に用いられている鋼管ダンパーは、ロッキング振動により免震効果を期待する構造以外にも、例えば、鉄道等の高架橋の制振、橋梁の橋軸方向制振、斜張橋の桁に作用する横揺れ、ねじれの制振、免震橋の地震変位制御、アスペクト比が小さい扁平な建物の制振、カルバートの引張力低減等の、振動制御、変位制御手段として用いることもできる。

（ａ），（ｂ）は本発明にかかるロッキング機能を有した直接基礎構造の全体構成および地震作用時における挙動を示す説明図である。 同ロッキング機能を有した直接基礎に採用された鋼管ダンパーの断面図である。 同鋼管ダンパーのシェアキーとしての設計思想を示す説明図である。 同鋼管ダンパーを下部側フーチング上端ピンとして半剛結とする場合の設計思想を示す説明図である。 （ａ）〜（ｅ）は同鋼管ダンパーの挙動を示す説明図である。 鋼管ダンパーの他の実施の形態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は同他の実施の形態における鋼管ダンパーの挙動を示す説明図である。 鋼管ダンパーのさらに他の実施の形態を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は従来のロッキング基礎の一例および地震作用時の挙動を示す全体説明図である。 従来のロッキング基礎の他の例を示す部分拡大図を含む全体説明図である。 従来の杭頭に鋼管ダンパーを用いたロッキング基礎構造の全体構成および地震作用時における挙動を示す説明図である。 図１１のロッキング基礎に採用された鋼管ダンパーの断面図である。

符号の説明

２０ ロッキング基礎
２１ 橋脚柱
２２ 上部側フーチング
２３ 下部側フーチング
２６ 鋼管
２８ 第二の鋼管
３０ コンクリート
３２ シース管
３４ ＰＣ鋼棒
３６，３８ 定着部
４０ 遊び付ジベル（定着手段）

Claims (3)

1. 脚柱の下部を支持する上部側フーチングの下側に下部側フーチングを設け、該下部側フーチングと上部側フーチングとの間に、該上部側フーチングの浮き上がりを抑制する鋼管ダンパーを介在させてなるロッキング機能を有する直接基礎構造であって、
   前記鋼管ダンパーは、
   下部が前記下部側フーチングの上部内に上下方向に摺動可能にほぼ埋設状態で配置されて上端部が前記上部側フーチング内に突出する鋼管と、
   該鋼管の上下を貫いて挿通され、上端部が前記上部側フーチング内に定着されるとともに下端が該鋼管の下端部に定着された鋼材とからなる、
   ことを特徴とするロッキング機能を有した直接基礎構造。
2. 前記鋼管の上端部外周に、該鋼管を該上部側フーチングの浮上がり方向に対して所定の遊びを有して定着させる定着手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のロッキング機能を有した直接基礎構造。
3. 前記鋼管の上半部内側にコンクリートを充填するとともに、該コンクリートの中心にシース管を配置し、該シース管を挿通させて前記鋼材を配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のロッキング機能を有した直接基礎構造。
   

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