JP2008069514A - 杭頭結合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】柱脚等の下部に設けられるフーチングに、鋼管杭を結合する杭頭結合構造で、杭頭結合部の固定度が低く、杭体に作用する曲げモーメントが軽減されたものを提供する。
【解決手段】フーチングと鋼管杭を、杭径より小さい円形断面の差込部材、例えば、外周部の少なくとも一部が補強部材で覆われた、コンクリートが充填された鋼管を本体とする、を介して接合した杭頭結合構造であって、前記差込部材の本体はその中心軸に沿って同心円状に配置され、両端部が前記差込部材の本体の上下端面から突出した複数の鉄筋を有し、前記差込部材の本体の上下部と前記鉄筋の突出部が、前記フーチングの下端部または、鋼管杭の杭頭部に充填されたコンクリート内に埋め込まれている。フーチングの下端と鋼管杭の杭頭に空隙を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、柱脚等の下部に設けられるフーチングに、鋼管杭を結合する杭頭結合構造に関し、特に杭頭結合部の固定度が低く、杭体に作用する曲げモーメントが軽減されるものに関する。

柱脚、橋脚の下部工であるフーチングとその下部で構造物を支持する鋼管杭の結合構造は、杭頭固定度によって、１．杭頭固定度を剛結合に近くする結合構造、２．杭頭固定度をピン結合に近くする結合構造、３．杭頭固定度を半剛結合とする結合構造に大別される。

これらのうち、杭頭固定度を半剛結合とする結合構造は杭頭結合部の回転剛性が、荷重状態による影響をそれほど受けず、ほぼ一定に保たれるため、耐久性やコストに優れ、以下に示す種々の構造のものが提案されている。

特許文献１には、鋼管杭の上端内部に、外周面に複数枚のリブを取り付けた結合棒状体を挿入して接合し、前記結合棒状体をフーチング内部に埋め込むことにより上部構造物荷重を鋼管杭に伝達する構造が記載されている。

特許文献２には、フーチングの下端部と鋼管杭の上端部を、それぞれの内部に所定の長さだけ埋め込む接続部鋼管を介して接合する鋼管杭の接合構造および当該接続部鋼管の径と板厚の比を所定の値に設定して地震力による最大曲げモーメントを保持した状態で鋼管杭の変形を許容して地震力に抵抗させることが記載されている。

しかしながら、特許文献１，２記載の接合構造では、地震時の水平剪断力により、上部構造基礎部のコンクリートへの埋め込み部においてコンクリートに作用する応力度が大きくなるため、コンクリートが破壊、欠損する可能性がある。

また、特許文献１記載の接合構造は地震時の水平剪断力がリブを介して集中荷重として鋼管の接合部に作用するため、局部座屈などが生じることが懸念され、構造が複雑でコストも高い。

特許文献３記載の結合構造は、上述した問題点を解決するもので、図６にはフーチング２の下端部と鋼管杭３の上端部を、それぞれの内部に所定の長さだけ埋め込む鋼製結合部材４４を介して結合する鋼管杭３の結合構造１において、前記フーチング２の下端部と鋼管杭３の上端部の間に所定の隙間を設け、更に、鋼製結合部材４４の、フーチング２や鋼管杭３の内部の充填コンクリート７内に埋め込まれる部分にずれ止め部材（リブ）６、６ａを取り付けて、引き抜き力が作用したとき伝達させる結合構造１が開示されている。尚、鋼製結合部材４４には防食・緩衝材４５が取り付けられている。
特公平８−６３３６号公報 特開２００１−１５９１４２号公報 特開２００４−１３２００９号公報

ところで、フーチングとその下部で構造物を支持する鋼管杭の結合構造において、鋼管杭の回転剛性が高くなり固定状態（固定度１．０）に近づくと、杭頭曲げモーメントが大きくなるため、コンクリートへの埋め込み部で、コンクリートが破壊、欠損する他に杭サイズおよびフーチングや基礎梁の配筋量の増大などの対処も必要となりコスト、施工で不利となる。

特許文献３記載の結合構造では、結合部に引張軸力が作用する場合、リブ６ａによって抵抗する機構であるため、半剛結合において固定度を低減しようとしてもリブを設置することによって固定度が高くなってしまうため望ましくない。

そこで、本発明はフーチングの下端部と鋼管杭の杭頭を、それぞれの内部に所定の長さだけ埋め込む差込部材を介して結合する鋼管杭の結合構造において、固定度の増加が少なく、差込部材の転がり変形を抑制することなく引張り抵抗力の確保が可能な結合構造を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．フーチングと鋼管杭を、前記フーチングの下端と前記鋼管杭の杭頭の間に所定の隙間を設け、差込部材を介して結合した杭頭結合構造であって、前記差込部材は前記鋼管杭径より小さい円形断面の本体と、該本体の中心軸に沿って配置され、両端部が前記本体の上下端面から突出した棒状部材を有し、前記本体の上下部と前記棒状部材の突出部が、前記フーチングの下端部又は、鋼管杭の杭頭部に充填されたコンクリート内に埋め込まれていることを特徴とする杭頭結合構造。
２．前記棒状部材が、前記本体の中心軸に沿って同心円状に配置された複数の鉄筋であることを特徴とする１記載の杭頭結合構造。
３．前記棒状部材が、前記本体より小径の鋼管であることを特徴とする１記載の杭頭結合構造。
４．前記本体が、コンクリートが充填された鋼管であることを特徴とする１〜３のいずれか一つに記載の杭頭結合構造。
５．前記本体の外周部の少なくとも一部が補強部材で覆われていることを特徴とする１〜４のいずれか一つに記載の杭頭結合構造。

本発明は、同等の引張り抵抗力を備えたリブ付き鋼管を差込部材に用いる場合に対して以下の効果が得られる。
１．差込部材の中心部に棒状部材が配置されるので回転剛性が小さい。
２．差込部材近傍の転がり変形が大きくなり固定度が小さい。
３．その結果、差込部材やその周辺のコンクリートの破損が抑制され、結合構造としての耐久性が向上する。

本発明は、フーチングと鋼管杭を差込部材を介して結合する杭頭結合構造において、差込部材が本体とその上下端面から突出する棒状部材を有することを特徴とする。以下、本発明の棒状部材を複数の鉄筋とした場合について、図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る杭頭接合構造を説明する概略図で、（ａ）は側方向断面図、（ｂ）は径方向断面図を示す。これらの図において１は杭頭結合構造、２はフーチング、３は鋼管杭、１１は差込部材、４は差込部材１１の本体（以下、本体）、５は本体４に挿入された鉄筋、６は鋼管杭３の頭部にはめ込まれたずれ止め部材、７は鋼管杭３の上部に充填された充填コンクリート、４１は本体４に充填されたコンクリート、４２は本体４の胴体部を補強する補強部材、４６はフーチング２に充填されたコンクリートを示す。

本発明では、フーチング２と鋼管杭３を本体４と鉄筋５を備えた差込部材を介して結合する。本体４は鋼管杭３の径より小さい円形断面の部材で、例えば、鋼管の内部にコンクリート４１を充填させたものとする。

また、本体４は強度を上げるため補強部材４２で外周部の少なくとも一部を覆うことが好ましい。さらに、本体４および／または補強部材４２の外周部は土壌と接し、腐食環境に晒されるため、ゴム、樹脂、またはアスファルト等の弾性材料からなる防食・緩衝部材で覆うことが好ましい。

本体４には、鉄筋（棒状部材）５を本体４の中心軸に沿って同心円状に複数本を配置し、鉄筋（棒状部材）５は、本体４を挿通し、その両端部が本体４の上下端面から突出する長さとする。

杭頭結合構造１は、差込部材１１の上下部、すなわち、本体４の上下部と鉄筋（棒状部材）５の突出部を、フーチング２の下端部に充填された充填コンクリート４６、または鋼管杭３の杭頭部に充填された充填コンクリート７内に埋め込んで構成する。本体４の埋め込み量は、本体４の外径の１．０〜１．５倍程度が好ましい。また、半剛結合とするため、フーチングの下端と鋼管杭の杭頭に空隙を設ける。

鉄筋（棒状部材）５は、杭頭結合構造１に地震水平力が作用したとき、本体４がフーチング２や鋼管杭３から抜け出そうとすることを防止する。そのため、鉄筋（棒状部材）５の本体４からの突出し長さは、所要の引抜き抵抗力を担保するのに十分な定着長を確保できる長さとする。

図５は、本発明の原理となる、差込部材を用いた杭頭接合構造に地震水平力が作用した場合の変形挙動を示す模式図で、（ａ）は本発明に係る杭頭結合構造の場合、（ｂ）は従来の、本体の上下端部に本体より大径のずれ止めリブを設けた杭頭結合構造の場合を示す。

図において４３はずれ止めリブ、ａ、ｂは地震水平力により差込部材に作用する応力で、図１と同じ個所、部材には同じ符号を付す。

本発明に係る杭頭結合構造１の場合、地震水平力が作用すると、本体４の外周部に応力ｂが圧縮方向に作用するが、引張方向の応力ａはその中心部近傍に配置された鉄筋５に作用する。

一方、従来の杭頭結合構造の場合、圧縮方向の応力ｂと引張方向の応力ａは、本体４より大径のずれ止めリブ４３の直径方向の両端部に作用するので、地震水平力に対する差込部材の回転剛性は、本発明に係る杭頭結合構造１よりも大きくなる。

すなわち、引抜き抵抗力を増大させるため、鉄筋５を用いると、ずれ止めリブ４３を用いる場合と比較して、差込部材の回転剛性の増大を抑制することが可能である。

また、転がり変形の増加も小さいので、固定度の上昇も小さくなり、回転剛性の増大が抑制されることと相俟って、引き抜き抵抗力が増大してもフーチングや鋼管杭内のコンクリートが破壊、欠損する可能性が低下する。以下、力学モデルを用いて、本発明の作用効果を説明する。

図３は杭頭結合構造の力学モデルで（ａ）は本発明例、（ｂ）は比較例（ずれ止めリブを用いた差込部材の場合）を示す。図において、Ｍｏ，Ｎｏはそれぞれ曲げ方向の外力、軸方向の外力、Ｔ，Ｃはそれぞれ引張方向の応力、圧縮方向の応力、ｋｃ：比較例の、ずれ止めリブを用いた差込部材の圧縮抵抗バネでずれ止めリブの支圧面コンクリートの挙動を模したもの、ｋｔ：比較例の、ずれ止めリブを用いた差込部材の引張り抵抗バネで、後述する図２の回転剛性算定に際しては仮にｋｃの１／２の大きさとした。ｋｔ^，：本発明例の、鉄筋を用いた差込部材の引張り抵抗バネで図２の剛性算定に際しては、仮に、ｋｔと同一の剛性を仮定した。

また、ｋｒｏｔ：回転剛性、矢印Ｃ：差込部材の端面に作用する圧縮方向の応力、矢印Ｔ：リブに作用する引張方向の応力（本発明に係る構造では鉄筋に作用する引張方向の応力）、ｌ：応力Ｃ，Ｔのアーム長（本発明構造では比較構造のｌ／２と仮定）、δｃ：応力Ｃによる変形量、δｔ：応力Ｔによる変形量，８、９は外力Ｍｏ，Ｎｏの作用点を示す。

結合部の剛性ｋｔｏｔは、差込部材の曲げ剛性ｋｆと差込部材端部の回転剛性ｋｒｏｔの直列バネとして式（１）により表現できる。

また、ｋｒｏｔは、外力Ｍｏとバネの作用力と変形の関係より式（２）として表現することができ、図２の算定値は式（２）の評価値である。ここでＲｒｏｔは、外力Ｍｏによる差込部材両端部の回転方向の変形量の和である。

尚、本発明に係る差込部材（鉄筋補強方式）については、図示した力学モデルではｋｔ^，として模擬しているが、簡単のためｋｔと同一の剛性とし、作用点９は差込部材４の軸中心、アーム長ｌについては、ｌ／２とした。
ｋｔｏｔ＝１／（１／ｋｆ＋１／ｋｒｏｔ）・・・（１）
ｋｒｏｔ＝Ｍｏ／Ｒｒｏｔ・・・（２）
ここで、Ｒｒｏｔ＝２×（δｃ＋δｔ）／ｌ＝２／ｌ×（（Ｍｏ／ｌ）×（１＋０．５β）／ｋｔ^，＋（Ｍｏ／ｌ）×（１−０．５β）／０．５ｋｃ）・・・（３）
結合部の剛性は厳密には上記式（１）で表されるが、弾性挙動時にｋｒｏｔの寄与が相対的に大きいこと、バネがリブ挙動を模装していることから、ここでは便宜的に上記式（２）の評価式を以って接合部剛性とした。図２に、本発明に係る杭頭結合構造に用いる差込部材の、軸力比と回転剛性の関係を示す。

図２は、上述の力学モデルを用いて算定した軸力比βと回転剛性の関係を、比較例（ずれ止めリブを用いた差込部材）と比較した結果を示す。

ここで、軸力比βは、結合部の外力Ｍｏに由来する偶力（Ｍｏ／２）と外力Ｎｏの関係を表す係数Ｎｏ／（Ｍｏ／ｌ）である。

図示のように、本発明に係る杭頭結合構造に用いる差込部材の回転剛性は比較構造より低く、また、外力の変化による剛性の変動量も小さいことが認められる。

図４は、本発明の他の実施例に係る杭頭結合構造を説明する概略図で、（ａ）は側方向断面図、（ｂ）は径方向断面図を示す。これらの図において１０は本体４に挿入された鉄筋に替わる棒状部材としての補強鋼管、６ｂは補強鋼管１０の頭部にはめ込まれたずれ止め部材を示す。補強鋼管１０は鉄筋より圧縮抵抗性能に優れるので、圧縮と引張の両方の応力に対し、より安定した、変形性能と杭性能が得られる。

本発明では、杭頭結合構造における、差込部材やフーチング下端と鋼管杭の杭頭との空隙など各部の具体的寸法は特に規定しない。所望する結合性能に応じて適宜決定する。

本発明例で（ａ）は側方向断面図、（ｂ）は径方向断面図。 本発明の効果を示す図。 杭頭結合構造の力学的モデルで、（ａ）は本発明例、（ｂ）は比較例の場合を示す図。 本発明の他の実施例を示し、（ａ）は側方向断面図、（ｂ）は径方向断面図。 本発明の原理を説明する図で、（ａ）は本発明例、（ｂ）は比較例の場合を示す図。 従来例。

符号の説明

１ 杭頭結合構造
２ フーチング
３ 鋼管杭
４ 本体
５ 鉄筋
６、６ａ，６ｂ ずれ止め部材
７、４１、４６ 充填コンクリート
８、９ 作用点
１０ 補強鋼管
１１ 差込部材
４２ 補強部材
４３ ずれ止めリブ
４４ 鋼製結合部材
４５ 防食・緩衝材

Claims (5)

1. フーチングと鋼管杭を、前記フーチングの下端と前記鋼管杭の杭頭の間に所定の隙間を設け、差込部材を介して結合した杭頭結合構造であって、前記差込部材は前記鋼管杭径より小さい円形断面の本体と、該本体の中心軸に沿って配置され、両端部が前記本体の上下端面から突出した棒状部材を有し、前記本体の上下部と前記棒状部材の突出部が、前記フーチングの下端部又は、鋼管杭の杭頭部に充填されたコンクリート内に埋め込まれていることを特徴とする杭頭結合構造。
2. 前記棒状部材が、前記本体の中心軸に沿って同心円状に配置された複数の鉄筋であることを特徴とする請求項１記載の杭頭結合構造。
3. 前記棒状部材が、前記本体より小径の鋼管であることを特徴とする請求項１記載の杭頭結合構造。
4. 前記本体が、コンクリートが充填された鋼管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の杭頭結合構造。
5. 前記本体の外周部の少なくとも一部が補強部材で覆われていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の杭頭結合構造。

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