JP2008291601A - 杭頭結合構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】鋼殻フーチングとRC杭の結合力の最適化を図る。
【解決手段】鋼殻フーチング30に鉄筋コンクリート杭定着用の貫通孔34を設けると共に、貫通孔34の内壁面35に環状のずれ止め鋼板11を設ける。そして、ずれ止め鋼板11の厚さt(mm)が、次式(1)〜(3)を満足するようにする。
u =π・d2 ・σck ・・・・ (1)
ub=α・n・π・(d−t)・t・σck ・・・・ (2)
ub>Qu ・・・・ (3)
u は鉄筋コンクリート杭の耐力、Qubはずれ止め鋼板の耐力、dは鉄筋コンクリート杭の半径(mm)、σckはコンクリートの設計基準強度(N/mm2 )、αは補正係数(通常、6とする)、nはずれ止め鋼板の段数
【選択図】図3

Description

本発明は、杭頭結合構造、更に詳しくは、鋼殻フーチングと、該鋼殻フーチングに定着させた鉄筋コンクリート杭の頭部との結合力の最適化を図ることができる杭頭結合構造に関する。
従来、橋梁の下部工は、鉄筋コンクリートのフーチングと、鉄筋コンクリートの杭(以下、RC杭と称する。)、もしくは鋼管杭などを鉄筋や鋼管に溶接したずれ止め鋼板を用いて結合している。
一方、本願出願人は、都市部の立体交差道路橋の急速施工法として、所謂「みつき橋工法」を開発した。この工法は、鋼殻フーチングとTBHリバース工法によるRC杭を採用し、立体交差道路橋の上下部を同時に施工することで、工期の短縮を図っている。その際、必要に応じてコンタクトグラウトを使用してフーチング基礎用鋼殻と膨張コンクリートとの一体性を高めてもよいとしている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、鋼殻フーチングと、該鋼殻フーチングに定着させたRC杭の頭部との結合力の向上を図るようにした杭頭結合構造に関する鋼殻フーチングとRC杭を結合した杭頭結合構造については、その仕様が確立されていないのが実状である。
特開2004−324340号公報
本発明は、このような状況に鑑みて行われたものであり、その目的とするところは、鋼殻フーチングとRC杭の頭部とを結合した杭頭結合構造については、その結合力の最適化を図ることができる杭頭結合構造を提供することにある。
即ち、請求項1に記載の発明に係る杭頭結合構造は、箱状の鋼殻フーチングに鉄筋コンクリート杭の頭部を定着させた杭頭結合構造において、前記鋼殻フーチングに鉄筋コンクリート杭定着用の貫通孔を設けるとともに、該貫通孔の内壁面に環状のずれ止め鋼板を設け、かつ、前記ずれ止め鋼板の厚さt(mm)が、次式(1)〜(3)を満足するようにすることを特徴とする杭頭結合構造。
u =π・d2 ・σck ・・・・ (1)
ub=α・n・π・(d−t)・t・σck ・・・・ (2)
ub>Qu ・・・・ (3)
ここで、Qu は鉄筋コンクリート杭の耐力、Qubはずれ止め鋼板の耐力、dは鉄筋コンクリート杭の半径(mm)、σckはコンクリートの設計基準強度(N/mm2 )、αは補正係数(通常、「6」とする。)、nはずれ止め鋼板の段数である。
請求項2に記載の発明に係る杭頭結合構造は、請求項1において、ずれ止め鋼板の幅方向の長さbをずれ止め鋼板の厚さtの1〜5倍にすることを特徴とする。
請求項3に記載の発明に係る杭頭結合構造は、請求項1において、ずれ止め鋼板を貫通孔の内壁面に上下2段に設け、かつ、貫通孔の上端から上段のずれ止め鋼板の中央部迄の距離を杭径Dの1/4とし、貫通孔の上端から下段のずれ止め鋼板の中央部迄の距離を杭径Dの1/2とすることを特徴とする。
上記のように、本願の請求項1に係る発明は、箱状の鋼殻フーチングに鉄筋コンクリート杭の頭部を定着させた杭頭結合構造において、前記鋼殻フーチングに鉄筋コンクリート杭定着用の貫通孔を設けるとともに、該貫通孔の内壁面に環状のずれ止め鋼板を設け、かつ、前記ずれ止め鋼板の厚さt(mm)が、次式(1)〜(3)を満足するようにしたので、鋼殻フーチングと鉄筋コンクリート杭の頭部とを結合させた杭頭結合構造について、その結合力の最適化を図ることが可能となった。なお、次式(1)〜(3)が妥当なものであることは、実施例1により確認されている。
u =π・d2 ・σck ・・・・ (1)
ub=α・n・π・(d−t)・t・σck ・・・・ (2)
ub>Qu ・・・・ (3)
ここで、Qu は鉄筋コンクリート杭の耐力、Qubはずれ止め鋼板の耐力、dは鉄筋コンクリート杭の半径(mm)、σckはコンクリートの設計基準強度(N/mm2 )、αは補正係数(通常、「6」とする。)、nはずれ止め鋼板の段数である。
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図1に示すように、立体交差橋1の橋梁上部工(例えば、中央径間部に架設される橋梁上部工)2は、フーチング基礎3と、この上に立設された鋼製橋脚4とによって支持されている。そして、フーチング基礎3の下方には、複数本の鉄筋コンクリートの杭5が構築されている。
図2に示すように、フーチング基礎用鋼殻30は、道路上を搬送可能となるように工場で箱形状に製作された3種類の鋼殻ブロック31,32,33を現場に搬入し、ボルト接合または溶接接合で互いに接合することにより、所定の寸法に組み立てられる。
フーチング基礎用鋼殻30の中央に位置する鋼殻ブロック31の上面には、その上に鋼製橋脚4をボルト接合や溶接接合によって取り付け易くなるように、鋼製橋脚4の下橋部4aが、予め、工場で取り付けられている。
また、フーチング基礎用鋼殻30の内部には、ウェブ7やリブ9が所定間隔で取り付けられている。これにより、フーチング基礎用鋼殻30は、その内部にコンクリートが未充填の状態であっても、鋼製橋脚4と、その上に架設される橋梁上部工2との荷重を支持可能な強度及び支持面積を備えている。
更に、図2に示すように、フーチング基礎用鋼殻30は、その下方に鉄筋コンクリートの杭を造成して接合するため、所定径の貫通孔34が複数箇所(例えば、8箇所)設けられている。
そして、各貫通孔34の内壁面35には、図3に示すように、円環状のずれ止め鋼板11が上下2段に取り付けられている。その際、貫通孔34の上端36から上段のずれ止め鋼板11aの中央部13までの距離L1 を鉄筋コンクリート杭5の直径Dの1/4に設定し、貫通孔34の上端36から下段のずれ止め鋼板11bの中央部13までの距離L2 を鉄筋コンクリート杭5の直径Dの1/2に設定している。
ずれ止め鋼板11の厚さt(mm)は、次式(1)〜(3)を満足する必要がある。
u =π・d2 ・σck ・・・・ (1)
ub=α・n・π・(d−t)・t・σck ・・・・ (2)
ub>Qu ・・・・ (3)
ここで、
u :鉄筋コンクリート杭の耐力
ub:ずれ止め鋼板の耐力
d:鉄筋コンクリート杭の半径(mm)
σck:コンクリートの設計基準強度(N/mm2
α:補正係数(通常、「6」とする。)
n:ずれ止め鋼板の段数
である。
また、ずれ止め鋼板11の幅方向の長さbとしては、ずれ止め鋼板の厚さtの1〜5倍が好ましく、既成の平鋼を利用すれば経済的である。ずれ止め鋼板11の幅方向の長さbがずれ止め鋼板の厚さtの1倍未満の場合は、ずれ止め鋼板11を円環状又は半円状に加工する時に水平面内に収めることが難しくなる。他方、ずれ止め鋼板11の幅方向の長さbがずれ止め鋼板の厚さtの5倍を超えると、施工性が悪くなる。
上記ずれ止め鋼板11は、帯状の鋼板を半円形に加工したものを一つずつ貫通孔34の内壁面35に溶接したものであり、最終的に円環状になっている。
その後、図4に示すように、フーチング基礎用鋼殻30の貫通孔34を利用して、地盤中にケーシングパイプを建て込み、削孔を行なう。そして、この削孔中に鉄筋かご12を挿入してコンクリートを打設することにより、フーチング基礎用鋼殻30の下方に杭5を造成する。
その後、フーチング基礎用鋼殻30内にコンクリートを打設して、鋼コンクリート合成構造のフーチング基礎3を完成させるとともに、フーチング基礎3に各杭5の頭部5aを定着させる。フーチング基礎用鋼殻30内に打設するコンクリートとしては、通常のコンクリートのほか、高流動膨張コンクリートを使用しても差し支えがない。
(実施例1)
ずれ止め鋼板を用いた杭頭結合構造について、押抜き試験、FEM解析を実施し、結合仕様及びずれ止め鋼板の設計提案式の妥当性を確認した。
1. 押抜き試験
1.1 検討モデル
杭に作用する鉛直力が、ずれ止め鋼板を介して鋼殻フーチングへ伝達されることを確認するため、試験体は、図5,図6に示すとおり、杭頭結合部の一部を取り出したモデルとした。実験、解析を行うに当たって、安定した状態で荷重を載荷するため180°反転し、実験設備の関係から3分の1程度の縮尺モデルとし、杭径を400mmとした。
1.2 実験ケース
安全性を見込んで当初設計したずれ止め段数が2段で膨張コンクリートを使用したものを試験体No.1とし、合理化を目的とした試験体No.2とNo.3を製作し、実験を行った。各試験体の一覧を「表1」に示す。
1.3 試験体
試験体は、図5,図6に示すように、鋼管(STK400)と鋼板(SS400)により鋼殻を製作し、ずれ止め鋼板(SS400)を鋼管内に溶接している。鋼管内及び杭であるコンクリート支柱部分は、普通コンクリートを使用した。なお、鋼殻内にはモルタルを充填した鋼殻内のコンクリートは、閉鎖空間へのコンクリート打設となるため、実構造物では、流動性、材料不分離性、自己充填性を有する必要があるが、今回の実験に関しては、杭体の拘束効果が期待できればよいものと考え、施工性を踏まえてモルタルを充填した。
1.4 試験方法
実験は、図7に示すように、5000kN油圧時ジャッキを使用した鉛直載荷による杭体の押抜き試験とした。試験体下面には、杭体の抜け出しを妨げないように鋼殻部分のみ鋼板プレートを架台として用いた。また、鋼殻と鋼板プレートの間には平坦性を調整するため、ゴムパットを敷いた。載荷は、ずれ止め部の局部支圧破壊・杭体部の圧壊のどちらかに至るまで行うものとし、載荷方法は、鋼管杭の中詰めコンクリート押抜き試験を参考とした。載荷速度は1分間に最大荷重(杭体の最大圧縮強度)の3%程度(80kN/min)の一定速度とし、載荷方法は50kNごとに約30秒間荷重増加を停止する段階載荷とした。
主な計測項目は、図7に示すように、杭体の抜け出し量(ダイヤルゲージ)と鋼殻内鋼管ひずみ(三軸ひずみゲージ)である。
1.5 押抜き試験結果
図8に各試験体の荷重−変位曲線、図9,図10に試験体No.2の鋼殻内鋼管ひずみより算出した最大荷重時の鉛直方向と周方向の応力分布を示す。図8に示すとおり、すべて試験体において杭体コンクリートで圧壊し、ずれ止め部の顕著な破壊は見られなかった。ずれ止め部の応力度分布は、図9,図10から明らかなように、鉛直方向ではずれ止め付近で発生応力度の方向が反転し上側が引張りで下側が圧縮となり、周方向ではずれ止め付近で大きな引張応力度が発生していることから、ずれ止めが荷重伝達に十分寄与しているものと考えられる。
以上から、杭頭結合部の仕様を検討する上で、下記のことが分かった。
(1)試験体No.2においても杭体の圧壊という結果となったことから、本構造では膨張材は不要と考えられる。
(2)実験モデルにおいては、ずれ止めの機能を満足できた。
(3)鋼管の拘束結果によって、ずれ止め部のコンクリート耐力が向上したと考えられる。
ただし、すべての試験体で杭頭コンクリートの圧壊で試験が終了しているため、ずれ止め部の最大耐力が確認できなかった。そこで、ずれ止め部の最大耐力を確認する目的で試験後の試験体No.2の杭部コンクリートを切断し、再度、押抜き試験を行った。その結果、図11に示すとおり、試験機の最大荷重の4500kNまで載荷したが、杭体の顕著な抜け出しは確認できなかった。
2. FEM解析
2.1 解析目的
押抜き試験結果を踏まえたFEM解析を行い、モデル化の妥当性や実構造寸法におけるずれ止めの仕様の適用性について検証した。
2.2 解析手法
解析は、実施工での適用が望まれる試験体No.2に着目して、図12に示すモデルにて軸対称非線形解析を行った。なお、解析にはDIANAを使用し、コンクリートの圧縮は、Thorenfeldt モデルを、引張軟化はHordijk モデルを使用した。材料特性を「表2」に示すとおり、杭部コンクリートの圧縮強度のみ実験機を用いて、その他は公称値を用いた。また、ゴムは弾性体と仮定している。
鋼とコンクリートの界面要素は、Coulomb の非線形摩擦モデルを使用し初期剛性を150N/mm2 とし、法線方向の剛性を3.0×108 N/mm2 と大きく設定した。また、拘束効果を考慮して、杭部コンクリートの材料モデルをDrucker-Pragerモデルとし、内部摩擦角を20°に設定した。
実験における杭体の圧壊は、コンクリート強度に依存した応力度で発生しており、主鉄筋の影響は微小であったことから、解析モデルとしては主鉄筋の影響はモデル化しないこととした。また、実験では不陸を調整するためゴムパットを敷いており、解析においても考慮することとした。
解析モデル、材料モデル及び解析条件の妥当性は、荷重−変位関係や鋼管の発生応力の実験結果と比較することで判定した。
2.3 解析結果
解析結果については、図13に荷重−変位曲線、図14,図15に鋼管の応力度分布を示す。解析の結果、荷重−変位関係は良好に再現された。解析の最大荷重に対して、実験の最大荷重が小さくなっている。実験では、圧縮強度実験値から推定される最大荷重以下でかぶり、コンクリートが剥落したためと考えられる。また、鋼管の応力度分布も鉛直方向及び周方向ともに、応力度分布の傾向は全般的に良く一致している。ただし、実験では図5に示したとおり、鋼管の上下縁に補強リブがあるが、解析では軸対称モデルのため補強リブのモデル化は行っていない。したがって、鋼管の上下縁近くでは、応力度の値に差異がみられる。しかしながら、ずれ止め付近では応力度の値もほぼ一致しており、解析ではずれ止め部の構造特性や鋼とコンクリートの境界条件を最適にモデル化できると考えられる。
以上の結果より、同じ条件を用いて実施工レベルでのずれ止め鋼板仕様を検討する。
3. 実施工におけるずれ止め鋼板仕様
実施工では、場所打ちRC杭でTBHリバース工法を採用しており、杭径として1000mm〜1200mmを標準としている。今回は、杭径1000mmを想定してずれ止め鋼板を検討する。
道路橋示方書の仕様規定(表3)に従って、ずれ止め鋼板の厚さ、および幅をそれぞれt=12mm、b=24mmとし、段数と配置は杭径の1/4と1/2の位置に配置した。実構造を想定してコンクリート圧縮強度を24N/mm2 、ゴムパッドはモデル化せず鋼殻を直接支持させた以外は、同じ条件でFEM解析を行い荷重−変位曲線を求めた。
図16,図17に示す解析結果のとおり、杭体のコンクリートの圧壊ではなく、ずれ止め付近の局部支圧破壊となった。これは、実験で使用したずれ止め厚さを表3にしたがって9mmとしたが、試験体の杭径は実験設備の関係で400mmと「表3」に示す最大杭径800mmに対して1/2の大きさで相対的にずれ止め厚さが大きめだったことが原因と考えられる。したがって、実際の工事においては、「表3」の仕様では、ずれ止め厚さが不足することが判明した。
実際の構造物では、ずれ止め部の耐力が杭体の耐力以上とすることで、ずれ止め部の性能を確保することになる。したがって、「表3」の仕様よりずれ止め厚さを大きくすることで耐力の増加を図ることとするが、設計においては、杭径に応じた適切なずれ止め厚さを算定する必要がある。
そこで、ずれ止め部の耐力を杭基礎設計便覧で用いられているずれ止めの支圧応力度の算出式を参考に式(2)を推定した。式(3)のとおり、ずれ止めの耐力が杭体の耐力以上となるように、ずれ止めの厚さt(mm)を決定して前述と同じ条件で解析を行い、その適用性を確認した。
杭体の耐力 Qu =π・d2 ・σck ・・・・ (1)
ずれ止めの耐力 Qub=α・n・π・(d−t)・t・σck ・・・・ (2)
ub>Qu ・・・・ (3)
ここで、
d:鉄筋コンクリート杭の半径(mm)
σck:コンクリートの設計基準強度(N/mm2
α:補正係数(通常、「6」とする。)
n:ずれ止め鋼板の段数
である。
式(3)より杭径1000mmの時の必要ずれ止め厚さは19mmとなる。図16〜図18に示す解析及び計算結果のとおり、ずれ止め厚さが12mmの場合は、式(2)で求めたずれ止め耐力の荷重12300kNが杭体耐力計算値の18850kN以下であり、FEM解析においてもずれ止めの局部支部圧破壊となった。
また、ずれ止め厚さが19mmの場合は、式(2)で求めたずれ止め耐力の荷重19340kNは、杭体耐力計算値の18850kN以上であり、式(3)の判定のとおり、FEM解析でも杭部コンクリートが18890kNで圧壊した。以上により、杭径に対するずれ止め厚さの推定算出式は妥当であることが確認された。
本発明に係る杭頭結合構造を含む立体交差橋の一部断面を含む斜視図である。 フーチング基礎用鋼殻の一部断面を含む斜視図である。 杭頭結合構造の説明図である。 本発明に係る杭頭結合構造の断面図である。 検討モデル概略図である。 試験体の説明図である。 試験体載荷状況図である。 載荷荷重と変位(ずれ量)の相関図である。 鋼管の鉛直方向応力分布図(試験体No.2)である。 鋼管の周方向応力分布図(試験体No.2)である。 載荷荷重と変位(ずれ量)の相関図(試験体No.2)である。 FEM解析モデルを示す図である。 FEM解析結果(荷重−変位)(試験体No.2)を示す図である。 FEM解析結果(鋼管の鉛直方向応力分布図(試験体No.2))を示す図である。 FEM解析結果(鋼管の周方向応力分布図(試験体No.2))を示す図である。 実物大モデルのFEM解析結果(荷重−変位)を示す図である。 最大荷重時の鉛直方向応力コンター図である。 最大荷重時の鉛直方向応力コンター図である。
符号の説明
11 ずれ止め鋼板
30 鋼殻フーチング
34 貫通孔
35 内壁面

Claims (3)

  1. 箱状の鋼殻フーチングに鉄筋コンクリート杭の頭部を定着させた杭頭結合構造において、前記鋼殻フーチングに鉄筋コンクリート杭定着用の貫通孔を設けるとともに、該貫通孔の内壁面に環状のずれ止め鋼板を設け、かつ、前記ずれ止め鋼板の厚さt(mm)が、次式(1)〜(3)を満足するようにすることを特徴とする杭頭結合構造。
    u =π・d2 ・σck ・・・・ (1)
    ub=α・n・π・(d−t)・t・σck ・・・・ (2)
    ub>Qu ・・・・ (3)
    ここで、Qu は鉄筋コンクリート杭の耐力、Qubはずれ止め鋼板の耐力、dは鉄筋コンクリート杭の半径(mm)、σckはコンクリートの設計基準強度(N/mm2 )、αは補正係数(通常、「6」とする。)、nはずれ止め鋼板の段数である。
  2. ずれ止め鋼板の幅方向の長さbをずれ止め鋼板の厚さtの1〜5倍にすることを特徴とする請求項1記載の杭頭結合構造。
  3. ずれ止め鋼板を貫通孔の内壁面に上下2段に設け、かつ、貫通孔の上端から上段のずれ止め鋼板の中央部迄の距離を杭径Dの1/4とし、貫通孔の上端から下段のずれ止め鋼板の中央部迄の距離を杭径Dの1/2とすることを特徴とする請求項1記載の杭頭結合構造。
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