JP2009197472A - 鋼管杭および基礎構造 - Google Patents

Abstract

【課題】現場での補強作業を省略でき、建築物等から受ける荷重や曲げモーメントに対しても十分な強度を持った鋼管杭を提供する。
【解決手段】上端の杭頭部がフーチング１１に挿入される鋼管杭１であって、熱処理されることにより、鋼管杭１の上部の強度が１．２倍以上３．０倍以下にされている。本発明の鋼管杭１は、杭頭部も含めた鋼管杭１の上部が予め補強されているため、杭頭部１の補強に必要とされていた地盤の掘削や鋼管杭の洗浄等といった現場での付加的な補強作業を省略できるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築物や橋梁、鉄塔などの基礎構造に用いられる鋼管杭に関する。

一般に、ビルディング等の建築物や橋梁、鉄塔などの基礎構造は、鋼管杭の杭頭部にフーチングを支持させた構造になっている。鋼管杭の杭頭部には、建築物等の自重や地震時に発生する水平力により、軸力や曲げモーメントが作用することになるが、最近の鋼管杭では、鋼管の高耐力化等による基礎構造の合理化等を背景に、杭頭部に要求される支持力がますます大きくなってきている。かかる要求に対応すべく、大径で肉厚の鋼管杭を用いることも行われているが、大径の鋼管杭に主に用いられるスパイラル鋼管は、加工上の理由から板厚に限度がある。そこで、従来より、鋼管杭において特に大きな曲げモーメントが発生する杭頭部を別途補強することが行われている。

例えば、特許文献１には、杭頭部の内部に鉄筋とコンクリートを充填した構造が開示されている。また、特許文献２には、杭頭部の内部に鋼板製の補強部材を挿入する方法が開示されている。また、特許文献３には、杭頭部の外周に補強鋼管を配置してコンクリートを充填することにより補強する方法が開示されている。また、特許文献４には、杭頭部の外周に補強筋ユニットを設置して補強した構造体が開示されている。

特開２００５−１６３４２１号公報 特開２００７−１５４４５６号公報 特開２００６−２００１２８号公報 特開平９−２７３１６１号公報

しかしながら、上記特許文献１、２のように、杭頭部の内部から補強するためには、鋼管杭を地盤に打設した後、あるいは、打設している最中に、杭頭部の内部を洗浄等することが必要となり、施工性を低下させるといった難点がある。また、上記特許文献３、４のように、杭頭部の外周を補強するためには、打設後等において、杭頭部の周囲の地盤を掘削して補強構造を設けることが必要となり、施工性を低下させるといった難点がある。そして、上記特許文献１〜４の方法では、いずれの場合も建設現場で杭頭部を補強する作業をしなければならず、施工が煩雑となり、また、天候などの影響で施工できない場合は、工期を遅延させる要因となってしまう。また、施工コストも高くなるという難点もある。

本発明の目的は、現場での補強作業を省略でき、建築物等から受ける軸力や曲げモーメントに対しても十分な強度を持った鋼管杭を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によれば、上端の杭頭部がフーチングに挿入される鋼管杭であって、熱処理されることにより、上部の強度が１．２倍以上３．０倍以下にされていることを特徴とする、鋼管杭が提供される。この鋼管杭によれば、熱処理によって、杭頭部も含めた鋼管杭の上部を補強することができる。

この鋼管杭にあっては、鋼管杭の上端から下方に向って、例えば、鋼管杭の直径Ｄの１〜１２倍の距離までが熱処理されている。また、前記熱処理は、例えば、高周波誘導加熱後に水冷すること、もしくは高周波誘導加熱後に水冷し、その後、６００℃以下の温度で焼き戻し処理することである。

また、本発明によれば、鋼管杭を用いて設置されたことを特徴とする、基礎構造が提供される。

本発明によれば、鋼管杭の上部の強度を熱処理によって１．２倍以上３．０倍以下に向上させることにより、経済性や施工性に優れた鋼管杭を提供することが可能となる。本発明の鋼管杭にあっては、鉄筋やコンクリートなどの補強構造を用いないでも杭頭部も含めた鋼管杭の上部が予め補強されているため、杭頭部の補強に必要とされていた地盤の掘削や鋼管杭の内部の洗浄等といった現場での付加的な補強作業を省略できるようになる。このため、施工が容易になり、工期の短縮や施工コストの低減が達成できる。また、熱処理によって強度を向上させることにより、従来と同程度の直径と肉厚でありながら、より強度の高い鋼管杭を提供できるようになる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる鋼管杭１を用いて設置された基礎構造の説明図である。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

この基礎構造は、地盤１０に垂直に埋め込まれた鋼管杭１の上端（杭頭部）にフーチング１１を一体的に支持させた構造である。鋼管杭１の下端は、地盤１０の深部に埋め込まれた根固め部１２に支持されている。根固め部１２は、地盤１０中の支持層内に形成される。フーチング１１には、地上に建設されるビルディング等の建築物や橋梁、鉄塔などの柱１３が取り付けられる。

以上のような基礎構造においては、鋼管杭１には、柱１３およびフーチング１１を介して、建築物等による荷重が作用している。また、例えば地震の発生時などには、柱１３およびフーチング１１を介して、鋼管杭１に曲げモーメントＭ（ｋＮ・ｍ）が作用することになる。

本発明者らは、地震の発生時等に鋼管杭１に作用する曲げモーメントＭが、鋼管杭１においてどのような位置に分布しているかを検討した。その結果、図２に示すように、曲げモーメントＭは、鋼管杭１の上端から下方に向って、鋼管杭１の直径Ｄの１〜１２倍の距離（Ｄ〜１２Ｄ）の間において鋼管杭１に作用するが、それよりも下方の位置では、鋼管杭１には、曲げモーメントＭがほとんど作用していないことが判明した。

本発明は、かかる知見に基いて案出されたものであり、地盤１０中に埋設される鋼管杭１において、地震の発生時等に特に曲げモーメントＭが作用しやすい箇所である、鋼管杭１の上端から下方に向って距離Ｄ〜１２Ｄまでの間を熱処理することによって、鋼管杭１の上部において、引張り強さ（Ｔｓ）と降伏応力（Ｙｓ）といった材料の強度を向上させたことを特徴としている。このように鋼管杭１の上部における強度（Ｔｓ、Ｙｓ）を向上させることにより、地震の発生時等に鋼管杭１に作用する曲げモーメントＭに対する曲げ強度も向上させることができる。

鋼管杭１の上部の強度を向上させるために行う熱処理は、例えば高周波焼き入れによって行われる。高周波焼き入れとは、加熱コイルに高周波の電流を付加して行う高周波誘導加熱により、鋼管杭１の上部の温度を変態点以上（例えば、１０５０℃）まで誘導加熱し、その後、冷却することによって、鋼管杭１の上部を焼き入れ処理することである。工場等において高周波誘導加熱を行い、その後、水冷すること、もしくは高周波誘導加熱後、水冷し、その後６００℃以下の温度で焼き戻しすることにより、強度、低温靭性などの品質・信頼性の高い鋼管杭１を製造することが可能である。

また、熱処理を行う場合、鋼管杭１の上部の強度（Ｙｓ）が、熱処理が行われない鋼管杭１の下部（鋼管杭１の上端から距離Ｄ〜１２Ｄの位置から鋼管杭１の下端までの間）の強度（熱処理が行われる前の鋼管杭１の強度と同じ）の１．２倍以上３．０倍以下となるようにする。なお強度の下限値は、経済性に係る効果等により定めたもので、２割以上に強度を向上したものである。また強度の上限値は、硬さの向上度合いに応じて定めたもので、３倍まで強度を向上したものである。

以上の基礎構造にあっては、鋼管杭１の上部が予め補強されているため、杭頭部１の補強に必要とされていた地盤の掘削や鋼管杭の洗浄等といった現場での付加的な補強作業を省略できるようになる。このため、施工が容易になり、工期の短縮や施工コストの低減が達成できる。また、熱処理によって強度を向上させることにより、従来と同程度の直径と肉厚でありながら、より強度の高い鋼管杭１を提供できるようになる。また、熱処理後においても鋼管杭１の外形は基本的に変化していない。このため、鋼管杭１の施工（打設）は、従来の鋼管杭と同様に行うことができる。また、鋼管杭１の上部だけ熱処理して強度を向上させれば足り、経済的に鋼管杭１の強度を向上することができる。

また、例えば橋梁などの基礎構造にあっては、鉛直荷重や水平力が大きい場合、図３に示すように、一つのフーチング１１に対して複数本の鋼管杭１が埋め込まれることがある。このような基礎構造の場合、複数本の鋼管杭１の全部について、鋼管杭１の上部を熱処理して強度を向上させても良い。あるいは、複数本の鋼管杭１のうち、一部の鋼管杭１の上部を熱処理して強度を向上させても良い。

また、鋼管杭１の上端（杭頭部）には、フーチング１１との結合力を向上させるために、図４に示すように、複数本の鉄筋１５が、フレア溶接等によって取り付けられている場合もある。かかる場合、鉄筋１５が取り付けられた状態で、鋼管杭１の上部を熱処理して強度を向上させても良い。なお、図４に示す例では、鋼管杭１の杭頭部に、中詰めコンクリート１６が配置されている。また、鋼管杭１の内面には、ずれ止め１７が設けられている。

以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば、本発明で想定する鋼管杭１の外径は、例えば１４００ｍｍ程度、径厚比は５０程度以内の範囲であるが、用途等により、この範囲以外の値の鋼管杭１についても本発明は適用される。また、本発明の基礎構造は、現場での杭頭部の補強作業を排除するものではない。例えば鋼管杭１の杭頭部に鋼板を添接してさらに補強することも考えられる。この場合、鋼管杭１の周方向に分割するように複数枚の鋼板を鋼管杭１の長さ方向に一定の長さに接合してもよいし、杭先端補強バンドを多段に溶接し、補強バンドの間は、溶接ヒ゛ート゛で埋める、などの処理も適用できる。また、鋼管杭１として、スパイラル鋼管、その他のＵＯ管、電縫鋼管も適用できる

本発明例ａと比較例ｂ、ｃについて、Ｎ−Ｍ曲線を比較した。その結果を図５に示す。図５は、縦軸に鋼管杭に発生する軸力を、横軸に曲げモーメントを示したもので、図中の実線は、鋼管杭の強度が基準強度となる相関を示したものである。すなわち本実線と縦軸とで囲まれた面積が大きい程、鋼管杭はより大きな軸力や曲げモーメントに耐えうることを意味する。本発明例ａでは、直径１２００ｍｍ、肉厚２５ｍｍの鋼管杭について、高周波誘導加熱後に水冷を行い、強度を向上させた。一方、従来技術である比較例ｂは、直径１２００ｍｍ、肉厚２５ｍｍの鋼管杭であり、焼入れは行っていない。従来技術である比較例ｃは、直径１２００ｍｍ、肉厚２２ｍｍの鋼管杭であり、焼入れは行わないが、鋼管杭の内部に鉄筋とコンクリートからなる補強構造を設けた。本発明例ａは、比較例ｂ、ｃよりも大きい軸力や曲げモーメントに耐えうることが分かった。

また鋼管杭の径と従来技術ならびに本発明例の強度等との関係を表１に示す。表中の４９０Ｆ値とは、従来技術の鋼管の強度であり、新Ｆ値とは、本発明例の鋼管の強度である。また想定板厚とは、新Ｆ値の強度を用いた場合に必要な板厚である。表１より、新Ｆ値に強度を向上することにより、想定板厚を低減でき、鋼管の高耐力化を図ることができる。

本発明は、例えば土木建築分野における基礎構造に適用できる。

本発明の実施の形態にかかる鋼管杭を用いて設置された基礎構造の説明図である。 鋼管杭１に作用する曲げモーメントの分布を示す説明図である。 一つのフーチングに複数本の鋼管杭が埋め込まれた基礎構造の説明図である。 杭頭部に複数本の鉄筋が取り付けられた鋼管杭の説明図である。 本発明例と比較例のＮ−Ｍ曲線を示すグラフである。

符号の説明

１ 鋼管杭
１０ 地盤
１１ フーチング
１２ 根固め部
１３ 柱
１５ 鉄筋

Claims (5)

1. 上端の杭頭部がフーチングに挿入される鋼管杭であって、
   熱処理されることにより、上部の強度が１．２倍以上３．０倍以下にされていることを特徴とする、鋼管杭。
2. 鋼管杭の上端から下方に向って、鋼管杭の直径Ｄの１〜１２倍の距離までが熱処理されていることを特徴とする、請求項１に記載の鋼管杭。
3. 前記熱処理が、高周波誘導加熱後に水冷する処理であることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼管杭。
4. 前記熱処理が、高周波誘導加熱後に水冷し、その後、焼き戻しする処理であることを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼管杭。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の鋼管杭を用いて設置されたことを特徴とする、基礎構造。

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