JP3661753B2 - 杭の免震構造及びそれに用いる既製杭 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、杭、特に杭頭における免震構造及びそれに用いる既製杭に関する。
【０００２】
【従来の技術】
杭基礎には支持杭形式と摩擦杭形式とがあり、前者は、良質な支持層が地下深くにある場合に該支持層まで打ち込んだ杭の上に上部構造物を構築することによって、構造物重量を支持層で安定支持する形式であり、後者は、良質な支持層がない場合に周辺地盤との摩擦力によって上部構造物を支持する形式の基礎形式である。
【０００３】
これらの杭は、当然ながら上部構造物の重量を確実に支持できなければならないが、地震時においては、上部構造物からの水平力によって杭頭に大きなせん断力や曲げモーメントが作用するため、設計施工時には地震時安全性に対する十分な配慮が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、杭と基礎スラブとを接合する方法として、場所打ちコンクリート杭の杭頭を基礎スラブに１０ｃｍ程度埋め込んで予め出しておいた杭の主筋を基礎スラブに定着させたり、既製杭の杭頭を基礎スラブに杭径長さ程度埋め込んだりする方法があったが、これらの接合方法では、固定度αが１．０、すなわちほぼ剛接となり、巨大地震時においては、杭頭に過大なせん断力や曲げモーメントが作用し、杭の破壊ひいては上部構造物の倒壊といった不測の事態を招くおそれがあった。
【０００５】
また、ＰＣ杭やＰＨＣ杭の杭頭を１０ｃｍ程度基礎スラブに埋め込んで杭切断のときに残しておいたＰＣ鋼線や鋼棒を基礎スラブに定着させたり、鋼管杭や外殻鋼管付き既製コンクリート杭の杭頭に溶接された接合鉄筋を基礎スラブに定着させたり、杭中空部に杭径の２倍程度の長さで鉄筋コンクリートを充填する中詰め補強を行ったりする方法があったが、これらの接合方法でも、固定度は上述した接合方法よりも小さくなるものの、軸力作用下では、かなりの曲げモーメントが杭頭に発生することが実験で確かめられており、巨大地震の下では、やはり曲げモーメントによる杭頭破壊の懸念を免れない。
【０００６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、地震時曲げモーメントによる杭頭での破壊を防止可能な杭の免震構造及びそれに用いる既製杭を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る杭の免震構造は請求項１に記載したように、杭径とほぼ同等の外径を有する外管と該外管に補剛材を介して同軸に接合され前記外管よりも天端位置が高い内管とを備えた連結部材を杭頭に取り付けるとともに前記内管に所定の接合材を鉛直姿勢にて固定し、前記内管の天端を上部構造物の基部に当接するとともに該基部に前記接合材を貫入したものである。
【０００９】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記内管の内部空間にコンクリートを充填して該コンクリート内に前記接合材を定着したものである。
【００１０】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記内管と前記外管との間にコンクリートを充填したものである。
【００１１】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記接合材と前記基部との貫入構造を非付着構造としたものである。
【００１２】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記基部の下面に基部側補剛材を取り付け、該基部側補剛材に前記内管の天端を当接したものである。
【００１３】
また、本発明に係る既製杭は請求項６に記載したように、杭径とほぼ同等の外径を有する外管と、該外管に補剛材を介して同軸に接合され前記外管よりも天端位置が高い内管とを備えた連結部材を杭頭に取り付けてなるものである。
【００１７】
請求項１に係る本発明の杭の免震構造においては、外管よりも径の小さな内管の天端位置を外管よりも高く設定し、該内管の天端を上部構造物の基部に当接してある。
【００１８】
そのため、上部構造物の基部と杭の頂部との接触面積が大幅に小さくなって両者の接合状況がピン接合若しくはそれに近い状態となり、杭頭に発生する曲げモーメントも実質的に零となるか、若しくは大幅に減少する。一方、上部構造物の水平力は、基部に貫入された接合材を介してせん断力として杭頭に作用し、杭本体のせん断耐力が有効利用される。
【００１９】
請求項１に係る発明においては、内管天端に作用する上部構造物からの鉛直荷重は、該内管を介して補剛材や杭径とほぼ同等の外径を有する外管にも流れるので、該鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に作用させやすくなる。また、杭よりも径が小さな内管天端に鉛直荷重が作用することによる該内管の圧縮応力の増加については、そもそも補剛材によって内管の局部座屈が生じにくくなっているため、例えば内管の肉厚を厚くするなどして該内管の圧壊を容易に防止することができる。
なお、杭の種類は任意であり、現場打ちコンクリート杭をはじめ、鋼管杭、ＰＣ杭等の既製杭にも適用することができる。
【００２０】
接合材をどのようにして内管に固定するかは任意であり、内管を鋼管として該鋼管に溶接する、あるいは該鋼管に溶接されたカプラーにねじ込むといった方法が考えられるが、かかる内管の内部空間にコンクリートを充填して該コンクリート内に前記接合材を定着するようにしたならば、比較的低コストで接合材と内管との固定を実現することができるとともに、上部構造物の基部を構成する際のコンクリート工事と併せて行うことができるため、施工能率が改善する。
【００２１】
内管と外管との間については、これを中空にしておいてもよいが、両者の間にコンクリートを充填するようにしたならば、内管、補剛材及び外管が該コンクリートを介して一体化するため、内管天端に作用する鉛直荷重を杭頭の広い範囲に作用させやすくなる。特に、内管の内部空間にコンクリートを充填する際には、連結部材の有効水平断面積が杭径を直径とする円の面積と等しくなり、現場打ちコンクリート杭で杭本体を形成する場合において、上部構造物からの鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に伝達させることが可能となる。
【００２２】
内管の断面形状については、円形、角形をはじめ、六角形や五角形など任意のものを採用することができる。
【００２３】
請求項１に係る杭の免震構造において、接合材としては、上部構造物からの水平力をせん断力として杭頭に伝達できるものであれば、どのようなものでもよく、具体的にはＰＣ鋼棒や鉄筋等が考えられる。
【００２４】
ここで、かかる接合材と基部との貫入構造をどのようにするかは任意であり、例えば接合材として異形鉄筋を用いるとともに該異形鉄筋を基部のコンクリートに定着させることにより、上部構造物のロッキングに伴う引抜き力を杭本体に伝達して該ロッキング振動を抑制することも可能となるが、上部構造物にロッキングが生じるおそれがない場合には、接合材と基部との貫入構造を非付着構造、すなわちアンボンド構造とすることができる。かかる構成によれば、地震時に上部構造物から水平力が作用したとき、接合材は、水平方向については付着構造のときと同様、該水平力をせん断力として杭頭に伝達するものの、鉛直方向については基部に何ら拘束されることなく自由に抜け出すので、上部構造物の基部と杭の頂部との接合状況は完全なピン接合状態となる。したがって、杭頭には全く曲げモーメントが発生しなくなる。
【００２５】
また、基部の下面に基部側補剛材を取り付け、該基部側補剛材に請求項１の内管天端を当接するようにしたならば、杭の頂部からの鉛直反力を基部の広い範囲に分散させることが可能となり、杭の頂部との接触面積減少に伴う基部の圧壊を未然に防止することができる。
【００２６】
請求項６に係る既製杭においては、外管よりも径の小さな内管の天端位置を外管よりも高く設定してあり、かかる内管の天端を上部構造物の基部に当接する。
【００２７】
このようにすると、上部構造物の基部との接触面積が大幅に小さくなって該基部との接合状況がピン接合若しくはそれに近い状態となり、杭頭に発生する曲げモーメントも実質的に零となるか、若しくは大幅に減少する。
【００２８】
一方、内管に固定された接合材を基部に貫入しておくことにより、上部構造物の水平力は、該接合材を介してせん断力として杭頭に作用し、杭本体のせん断耐力が有効利用される。
【００２９】
また、内管天端に作用する上部構造物からの鉛直荷重は、該内管を介して補剛材や杭径とほぼ同等の外径を有する外管にも流れるので、該鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に作用させやすくなる。また、杭よりも径が小さな内管天端に鉛直荷重が作用することによる該内管の圧縮応力の増加については、そもそも補剛材によって内管の局部座屈が生じにくくなっているため、例えば内管の肉厚を厚くするなどして該内管の圧壊を容易に防止することができる。
【００３０】
杭の種類については任意であり、具体的にはＰＣ杭、ＰＨＣ杭、鋼管杭等に適用することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る杭の免震構造及びそれに用いる既製杭の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
図１は、本実施形態に係る杭の免震構造を示した側面図である。同図でわかるように、本実施形態に係る杭の免震構造は、現場打ちコンクリート杭１の杭頭２に連結部材３を取り付けるとともに、上部構造物の基部である基礎版４に埋設された基部側補剛材５の下面に連結部材３の頂部を当接させてある。
【００３３】
連結部材３は、図２の斜視図及び図３の平面図でよくわかるように、現場打ちコンクリート杭１の杭径とほぼ同等の外径を有する外管６と、該外管に補剛材７を介して同軸に接合され外管６よりも天端位置が高い内管８とから構成してあり、上述した基部側補剛材５の下面には内管８の天端を当接してある。
【００３４】
外管６及び内管８は例えば円筒状の鋼管で構成し、それらに台形状平板をなす４枚の補剛材７を溶接するようにすればよい。
【００３５】
基部側補剛材５は、中央に円形開口を有する補強板９の該円形開口にその内径と同等の径を有する補強スリーブ１０を立設するとともに補強板９の面外剛性を補強するためのスチフナ１１を該補強板の背面に立設してこれを溶接等で補強スリーブ１０に固定してある。なお、基礎版４を構成するコンクリートへの定着を高めるべく、補強板９の背面にはスタッド１２を突設してある。
【００３６】
一方、連結部材３の内管８は、その内部空間に充填されたコンクリートに接合材である鉄筋１３を鉛直姿勢にて定着固定できるようになっており、該鉄筋は、図１でよくわかるように、基部側補剛材５の補強スリーブ１０内に貫通させた上、基礎版４のコンクリート内に貫入し、該コンクリートに付着によって定着してある。
【００３７】
また、内管８と外管６との間にはコンクリート１６を充填してあり、これら内管８、外管６及び補剛材７の一体化を図ることで、上部構造物からの鉛直荷重を杭頭２の全断面に均等に伝達させることができるようになっている。なお、内管８の外周面と外管６の内周面には、コンクリート１６への定着を高めるためのスタッド１４、１５をそれぞれ突設してある。
【００３８】
本実施形態に係る杭の免震構造を構築するには、まず、図４に示すように構築された現場打ちコンクリート杭１の杭頭２に連結部材３を被せ、しかる後に外管６と内管８の間にコンクリート１６を充填する。このようにすると、連結部材３の内管８、外管６及び補剛材７が相互に一体化されるとともに、現場打ちコンクリート杭１の杭頭２から突出する主筋２１がコンクリート１６内に定着されることにより、杭頭２に対しても同時に一体化される。
【００３９】
コンクリート１６を同図に示す天端ラインまで充填したならば、次に、図５に示すように内管８内に接合材である鉄筋１３を配筋するとともに該内管内にコンクリート１７を充填し該鉄筋を定着する。なお、かかるコンクリート充填作業は、コンクリート１６の充填作業と同時に行うようにしてもよいし、後述する基礎版４のコンクリート工事と同時に行ってもよい。
【００４０】
このように杭側の施工が終了したならば、次に、鉄筋１３を基部側補剛材５の補強スリーブ１０に通すとともに、該基部側補剛材をその補強板９に連結部材３の内管８の天端が当接されるように適当な支保工で仮止めし、かかる状態にて基礎版４を施工する。
【００４１】
本実施形態に係る杭の免震構造においては、連結部材３の外管６よりも径の小さな内管８の天端位置を外管６よりも高く設定し、内管８の天端を基礎版４に取り付けられた基部側補剛材５の補強板９に当接してある。
【００４２】
このようにすると、上部構造物の基礎版４と杭全体の頂部、すなわち内管８の天端との接触面積は従来に比べて大幅に小さくなり、基礎版４と杭全体の頂部との接合状況は、ピン接合に近い状態となる。そのため、上部構造物からの水平力に起因して杭頭２に発生する曲げモーメントも大幅に減少する。一方、上部構造物の水平力は、基礎版４と内管８の天端との接触面における摩擦力並びに基礎版４に貫入定着された鉄筋１３を介してせん断力として杭頭２に作用し、現場打ちコンクリート杭１の杭本体のせん断耐力が有効利用されることとなる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、杭本体よりも径の小さな内管８の天端を基礎版４に取り付けられた基部側補剛材５に当接することにより、上部構造物の基礎版４と杭全体の頂部との接触面積が従来に比べて大幅に小さくなる。
【００４４】
そのため、基礎版４と杭全体の頂部との接合状況をピン接合に近い状態にすることが可能となり、上部構造物からの水平力に起因して杭頭２に発生する曲げモーメントを大幅に低減し、その結果として、巨大地震下での杭頭での破断ひいては上部構造物の倒壊を未然に防止することが可能となる。また、従来であれば、地震時曲げモーメントが大きいために安全率を十分に見込まざるを得ず、その結果、杭が過大設計となることも少なくなかったが、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、地震時曲げモーメントが大幅に低減されるので、現場打ちコンクリート杭１の合理的な断面設計が可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、内管８の天端で受けた上部構造物の鉛直荷重を補剛材７を介して外管６に伝達させるとともに、内管８と外管６の間にコンクリート１６を充填して連結部材３自体の一体化及び該連結部材と杭頭２との一体化を図り、さらに内管８内にもコンクリートを充填するようにしたので、鉛直荷重の伝達に寄与する連結部材３の有効水平断面積は、杭径を直径とする円の面積とほぼ等しくなり、かくして、上部構造物からの鉛直荷重を現場打ちコンクリート杭１の全断面に均等に伝達させることが可能となる。
【００４６】
また、常時の鉛直荷重を杭頭２に均等に作用させることができる結果、上述した地震時曲げモーメントの大幅な低減作用と相まって、現場打ちコンクリート杭１のさらなる合理化が可能となる。
【００４７】
なお、内管８には、断面積が小さい分だけ大きな圧縮応力が作用するが、その内外にコンクリートが充填されていること及び補剛材７があることによって局部座屈が生じる懸念はほとんどない。したがって、内管８の肉厚を適宜設定しておけば、上部構造物の鉛直荷重を安全確実に下方に伝達させることができる。また、内管８内のコンクリートは、該内管によって拘束されるため、有効圧縮強度が増加する。
【００４８】
また、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、内管８の内部空間にコンクリート１７を充填して該コンクリート内に接合材である鉄筋１３を定着するようにしたので、比較的低コストで鉄筋１３と内管８との固定を実現することができるとともに、基礎版４のコンクリート工事と併せて行うことができるため、施工に時間を要することもない。
【００４９】
また、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、基礎版４に基部側補剛材５を取り付け、該基部側補剛材に内管８の天端を当接するようにしたので、内管８の天端から受ける鉛直反力を基礎版４の広い範囲に分散させることが可能となり、杭の頂部との接触面積減少に伴う基礎版４の圧壊を未然に防止することが可能となる。
【００５０】
本実施形態では、内管８の内部空間にコンクリート１７を充填して該コンクリート内に接合材である鉄筋１３を定着するようにしたが、鉄筋１３をどのようにして内管８に固定するかは任意であり、例えばかかる構成に代えて、図６に示すように内管８にカプラー２１を溶接し、該カプラーにネジ鉄筋をねじ込んで固定するようにしてもよい。
【００５１】
また、本実施形態では、内管８と外管６との間にコンクリート１６を充填するようにしたが、例えば杭本体が鋼管、ＰＣ杭、ＰＨＣ杭等の中空杭であるような場合において、該杭本体の肉厚断面に均等に鉛直荷重を伝達させることができるのであれば、内管と外管との間のコンクリート充填を省略してもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、接合材である鉄筋１３を基部である基礎版４に定着し、その貫入構造を通常の付着構造としたが、上部構造物にロッキングが生じるおそれがない場合には、接合材である鉄筋１３と基部である基礎版４との貫入構造を非付着構造、すなわちアンボンド構造としてもよい。
【００５３】
かかる構成によれば、地震時に上部構造物から水平力が作用したとき、鉄筋１３は、水平方向については付着構造のときと同様、該水平力をせん断力として杭頭２に伝達するものの、鉛直方向については基礎版４に何ら拘束されることなく自由に抜け出すので、上部構造物の基礎版４と杭本体の頂部との接合状況は完全なピン接合状態となり、かくして、杭頭２での曲げモーメントの発生をほぼ完全に防止することが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態では、基部である基礎版４の下面に基部側補剛材５を取り付け、該基部側補剛材に内管８の天端を当接するようにしたが、基礎版４が圧壊するおそれがないのであれば、基部側補剛材５を省略して内管８の天端を直接基礎版４の下面に当接させるようにしてもよい。
【００５５】
また、本実施形態では、現場打ちコンクリート杭への採用を前提とした上で連結部材３を現場にて杭頭に連結するようにしたが、ＰＣ杭等の既製杭を使用する場合には、図７に示すように、連結部材３を予め工場にてＰＣ杭本体の杭頭３１に取り付けた既製杭３２を製作し、内管８の内部空間への鉄筋１３の配筋やコンクリート１７の充填だけを現場で行うようにしてもよい。なお、内管８と外管６との間に充填するコンクリート３３については、ＰＣ杭本体を構成するコンクリートと兼用することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、杭頭に連結部材３を取り付け、その天端を基礎版４に当接するようにしたが、必ずしも本実施形態のような連結部材３を採用する必要はなく、要は、杭頭を先細に形成して該杭頭の先細天端を上部構造物の基部である基礎版４に当接するとともに、かかる先細天端から鉛直上方に延びる接合材としての鉄筋を基礎版４に貫入するようにすればよい。
【００５７】
具体的には、例えば鋼管杭の杭頭に中空円錐台状の鋼製先細体を溶接等で取り付け、該鋼製先細体の内部空間にコンクリートを充填して該コンクリートに接合材を鉛直姿勢にて固定し、該接合材を基礎版に貫入する構成や、同様の鋼製先細体の天端に溶接等で立設固定された接合材を基礎版に貫入する構成などが考えられる。
【００５８】
なお、かかる構成における作用効果については、上述した実施形態の作用効果とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に係る本発明の杭の免震構造によれば、上部構造物の基部と杭全体の頂部との接合状況をピン接合若しくはそれに近い状態にすることが可能となり、上部構造物からの水平力に起因して杭頭に発生する曲げモーメントを大幅に低減し、その結果として、巨大地震下での杭頭での破断ひいては上部構造物の倒壊を未然に防止することが可能となる。
【００６０】
また、請求項２に係る本発明の杭の免震構造によれば、比較的低コストで接合材と内管との固定を実現することができるとともに、基部のコンクリート工事と併せて行うことができるため、施工に時間を要することもないという効果も奏する。
【００６１】
また、請求項３に係る本発明の杭の免震構造によれば、内管、補剛材及び外管が該コンクリートを介して一体化するため、内管天端に作用する鉛直荷重を杭頭の広い範囲に作用させやすくなる。特に、内管の内部空間にコンクリートを充填する際には、連結部材の有効水平断面積が杭径を直径とする円の面積と等しくなり、現場打ちコンクリート杭で杭本体を形成する場合において、上部構造物からの鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に伝達させることが可能となるという効果も奏する。
【００６２】
また、請求項４に係る本発明の杭の免震構造によれば、鉛直方向については基部に何ら拘束されることなく接合材が自由に抜け出すので、上部構造物の基部と杭の頂部との接合状況が完全なピン接合状態となり、かくして、杭頭での曲げモーメント発生をほぼ完全に防止することができるという効果も奏する。
【００６３】
また、請求項５に係る本発明の杭の免震構造によれば、杭の頂部からの鉛直反力を基部の広い範囲に分散させることが可能となり、杭の頂部との接触面積減少に伴う基部の圧壊を未然に防止することができるという効果も奏する。
【００６４】
また、請求項６に係る本発明の既製杭によれば、上部構造物の基部と杭全体の頂部との接合状況をピン接合若しくはそれに近い状態にすることが可能となり、上部構造物からの水平力に起因して杭頭に発生する曲げモーメントを大幅に低減し、その結果として、巨大地震下での杭頭での破断ひいては上部構造物の倒壊を未然に防止することが可能となる。
【００６５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る杭の免震構造の側面図。
【図２】本実施形態に係る杭の免震構造の分解斜視図。
【図３】基部側補剛材及び連結部材の各平面図。
【図４】本実施形態に係る杭の免震構造の施工手順を示した断面図。
【図５】引き続き施工手順を示した断面図。
【図６】変形例に係る連結部材を示した平面図。
【図７】本実施形態に係る既製杭を示した図であり、(a)は側面図、(b)はＡ―Ａ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１ 現場打ちコンクリート杭
２ 杭頭
３ 連結部材
４ 基礎版（基部）
５ 基部側補剛材
６ 外管
７ 補剛材
８ 内管
１３ 鉄筋（接合材）
１６、１７ コンクリート
３１ 杭頭
３２ 既製杭
３３ コンクリート
【発明の属する技術分野】
本発明は、杭、特に杭頭における免震構造及びそれに用いる既製杭に関する。
【０００２】
【従来の技術】
杭基礎には支持杭形式と摩擦杭形式とがあり、前者は、良質な支持層が地下深くにある場合に該支持層まで打ち込んだ杭の上に上部構造物を構築することによって、構造物重量を支持層で安定支持する形式であり、後者は、良質な支持層がない場合に周辺地盤との摩擦力によって上部構造物を支持する形式の基礎形式である。
【０００３】
これらの杭は、当然ながら上部構造物の重量を確実に支持できなければならないが、地震時においては、上部構造物からの水平力によって杭頭に大きなせん断力や曲げモーメントが作用するため、設計施工時には地震時安全性に対する十分な配慮が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、杭と基礎スラブとを接合する方法として、場所打ちコンクリート杭の杭頭を基礎スラブに１０ｃｍ程度埋め込んで予め出しておいた杭の主筋を基礎スラブに定着させたり、既製杭の杭頭を基礎スラブに杭径長さ程度埋め込んだりする方法があったが、これらの接合方法では、固定度αが１．０、すなわちほぼ剛接となり、巨大地震時においては、杭頭に過大なせん断力や曲げモーメントが作用し、杭の破壊ひいては上部構造物の倒壊といった不測の事態を招くおそれがあった。
【０００５】
また、ＰＣ杭やＰＨＣ杭の杭頭を１０ｃｍ程度基礎スラブに埋め込んで杭切断のときに残しておいたＰＣ鋼線や鋼棒を基礎スラブに定着させたり、鋼管杭や外殻鋼管付き既製コンクリート杭の杭頭に溶接された接合鉄筋を基礎スラブに定着させたり、杭中空部に杭径の２倍程度の長さで鉄筋コンクリートを充填する中詰め補強を行ったりする方法があったが、これらの接合方法でも、固定度は上述した接合方法よりも小さくなるものの、軸力作用下では、かなりの曲げモーメントが杭頭に発生することが実験で確かめられており、巨大地震の下では、やはり曲げモーメントによる杭頭破壊の懸念を免れない。
【０００６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、地震時曲げモーメントによる杭頭での破壊を防止可能な杭の免震構造及びそれに用いる既製杭を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る杭の免震構造は請求項１に記載したように、杭径とほぼ同等の外径を有する外管と該外管に補剛材を介して同軸に接合され前記外管よりも天端位置が高い内管とを備えた連結部材を杭頭に取り付けるとともに前記内管に所定の接合材を鉛直姿勢にて固定し、前記内管の天端を上部構造物の基部に当接するとともに該基部に前記接合材を貫入したものである。
【０００９】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記内管の内部空間にコンクリートを充填して該コンクリート内に前記接合材を定着したものである。
【００１０】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記内管と前記外管との間にコンクリートを充填したものである。
【００１１】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記接合材と前記基部との貫入構造を非付着構造としたものである。
【００１２】
また、本発明に係る杭の免震構造は、前記基部の下面に基部側補剛材を取り付け、該基部側補剛材に前記内管の天端を当接したものである。
【００１３】
また、本発明に係る既製杭は請求項６に記載したように、杭径とほぼ同等の外径を有する外管と、該外管に補剛材を介して同軸に接合され前記外管よりも天端位置が高い内管とを備えた連結部材を杭頭に取り付けてなるものである。
【００１７】
請求項１に係る本発明の杭の免震構造においては、外管よりも径の小さな内管の天端位置を外管よりも高く設定し、該内管の天端を上部構造物の基部に当接してある。
【００１８】
そのため、上部構造物の基部と杭の頂部との接触面積が大幅に小さくなって両者の接合状況がピン接合若しくはそれに近い状態となり、杭頭に発生する曲げモーメントも実質的に零となるか、若しくは大幅に減少する。一方、上部構造物の水平力は、基部に貫入された接合材を介してせん断力として杭頭に作用し、杭本体のせん断耐力が有効利用される。
【００１９】
請求項１に係る発明においては、内管天端に作用する上部構造物からの鉛直荷重は、該内管を介して補剛材や杭径とほぼ同等の外径を有する外管にも流れるので、該鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に作用させやすくなる。また、杭よりも径が小さな内管天端に鉛直荷重が作用することによる該内管の圧縮応力の増加については、そもそも補剛材によって内管の局部座屈が生じにくくなっているため、例えば内管の肉厚を厚くするなどして該内管の圧壊を容易に防止することができる。
なお、杭の種類は任意であり、現場打ちコンクリート杭をはじめ、鋼管杭、ＰＣ杭等の既製杭にも適用することができる。
【００２０】
接合材をどのようにして内管に固定するかは任意であり、内管を鋼管として該鋼管に溶接する、あるいは該鋼管に溶接されたカプラーにねじ込むといった方法が考えられるが、かかる内管の内部空間にコンクリートを充填して該コンクリート内に前記接合材を定着するようにしたならば、比較的低コストで接合材と内管との固定を実現することができるとともに、上部構造物の基部を構成する際のコンクリート工事と併せて行うことができるため、施工能率が改善する。
【００２１】
内管と外管との間については、これを中空にしておいてもよいが、両者の間にコンクリートを充填するようにしたならば、内管、補剛材及び外管が該コンクリートを介して一体化するため、内管天端に作用する鉛直荷重を杭頭の広い範囲に作用させやすくなる。特に、内管の内部空間にコンクリートを充填する際には、連結部材の有効水平断面積が杭径を直径とする円の面積と等しくなり、現場打ちコンクリート杭で杭本体を形成する場合において、上部構造物からの鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に伝達させることが可能となる。
【００２２】
内管の断面形状については、円形、角形をはじめ、六角形や五角形など任意のものを採用することができる。
【００２３】
請求項１に係る杭の免震構造において、接合材としては、上部構造物からの水平力をせん断力として杭頭に伝達できるものであれば、どのようなものでもよく、具体的にはＰＣ鋼棒や鉄筋等が考えられる。
【００２４】
ここで、かかる接合材と基部との貫入構造をどのようにするかは任意であり、例えば接合材として異形鉄筋を用いるとともに該異形鉄筋を基部のコンクリートに定着させることにより、上部構造物のロッキングに伴う引抜き力を杭本体に伝達して該ロッキング振動を抑制することも可能となるが、上部構造物にロッキングが生じるおそれがない場合には、接合材と基部との貫入構造を非付着構造、すなわちアンボンド構造とすることができる。かかる構成によれば、地震時に上部構造物から水平力が作用したとき、接合材は、水平方向については付着構造のときと同様、該水平力をせん断力として杭頭に伝達するものの、鉛直方向については基部に何ら拘束されることなく自由に抜け出すので、上部構造物の基部と杭の頂部との接合状況は完全なピン接合状態となる。したがって、杭頭には全く曲げモーメントが発生しなくなる。
【００２５】
また、基部の下面に基部側補剛材を取り付け、該基部側補剛材に請求項１の内管天端を当接するようにしたならば、杭の頂部からの鉛直反力を基部の広い範囲に分散させることが可能となり、杭の頂部との接触面積減少に伴う基部の圧壊を未然に防止することができる。
【００２６】
請求項６に係る既製杭においては、外管よりも径の小さな内管の天端位置を外管よりも高く設定してあり、かかる内管の天端を上部構造物の基部に当接する。
【００２７】
このようにすると、上部構造物の基部との接触面積が大幅に小さくなって該基部との接合状況がピン接合若しくはそれに近い状態となり、杭頭に発生する曲げモーメントも実質的に零となるか、若しくは大幅に減少する。
【００２８】
一方、内管に固定された接合材を基部に貫入しておくことにより、上部構造物の水平力は、該接合材を介してせん断力として杭頭に作用し、杭本体のせん断耐力が有効利用される。
【００２９】
また、内管天端に作用する上部構造物からの鉛直荷重は、該内管を介して補剛材や杭径とほぼ同等の外径を有する外管にも流れるので、該鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に作用させやすくなる。また、杭よりも径が小さな内管天端に鉛直荷重が作用することによる該内管の圧縮応力の増加については、そもそも補剛材によって内管の局部座屈が生じにくくなっているため、例えば内管の肉厚を厚くするなどして該内管の圧壊を容易に防止することができる。
【００３０】
杭の種類については任意であり、具体的にはＰＣ杭、ＰＨＣ杭、鋼管杭等に適用することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る杭の免震構造及びそれに用いる既製杭の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
図１は、本実施形態に係る杭の免震構造を示した側面図である。同図でわかるように、本実施形態に係る杭の免震構造は、現場打ちコンクリート杭１の杭頭２に連結部材３を取り付けるとともに、上部構造物の基部である基礎版４に埋設された基部側補剛材５の下面に連結部材３の頂部を当接させてある。
【００３３】
連結部材３は、図２の斜視図及び図３の平面図でよくわかるように、現場打ちコンクリート杭１の杭径とほぼ同等の外径を有する外管６と、該外管に補剛材７を介して同軸に接合され外管６よりも天端位置が高い内管８とから構成してあり、上述した基部側補剛材５の下面には内管８の天端を当接してある。
【００３４】
外管６及び内管８は例えば円筒状の鋼管で構成し、それらに台形状平板をなす４枚の補剛材７を溶接するようにすればよい。
【００３５】
基部側補剛材５は、中央に円形開口を有する補強板９の該円形開口にその内径と同等の径を有する補強スリーブ１０を立設するとともに補強板９の面外剛性を補強するためのスチフナ１１を該補強板の背面に立設してこれを溶接等で補強スリーブ１０に固定してある。なお、基礎版４を構成するコンクリートへの定着を高めるべく、補強板９の背面にはスタッド１２を突設してある。
【００３６】
一方、連結部材３の内管８は、その内部空間に充填されたコンクリートに接合材である鉄筋１３を鉛直姿勢にて定着固定できるようになっており、該鉄筋は、図１でよくわかるように、基部側補剛材５の補強スリーブ１０内に貫通させた上、基礎版４のコンクリート内に貫入し、該コンクリートに付着によって定着してある。
【００３７】
また、内管８と外管６との間にはコンクリート１６を充填してあり、これら内管８、外管６及び補剛材７の一体化を図ることで、上部構造物からの鉛直荷重を杭頭２の全断面に均等に伝達させることができるようになっている。なお、内管８の外周面と外管６の内周面には、コンクリート１６への定着を高めるためのスタッド１４、１５をそれぞれ突設してある。
【００３８】
本実施形態に係る杭の免震構造を構築するには、まず、図４に示すように構築された現場打ちコンクリート杭１の杭頭２に連結部材３を被せ、しかる後に外管６と内管８の間にコンクリート１６を充填する。このようにすると、連結部材３の内管８、外管６及び補剛材７が相互に一体化されるとともに、現場打ちコンクリート杭１の杭頭２から突出する主筋２１がコンクリート１６内に定着されることにより、杭頭２に対しても同時に一体化される。
【００３９】
コンクリート１６を同図に示す天端ラインまで充填したならば、次に、図５に示すように内管８内に接合材である鉄筋１３を配筋するとともに該内管内にコンクリート１７を充填し該鉄筋を定着する。なお、かかるコンクリート充填作業は、コンクリート１６の充填作業と同時に行うようにしてもよいし、後述する基礎版４のコンクリート工事と同時に行ってもよい。
【００４０】
このように杭側の施工が終了したならば、次に、鉄筋１３を基部側補剛材５の補強スリーブ１０に通すとともに、該基部側補剛材をその補強板９に連結部材３の内管８の天端が当接されるように適当な支保工で仮止めし、かかる状態にて基礎版４を施工する。
【００４１】
本実施形態に係る杭の免震構造においては、連結部材３の外管６よりも径の小さな内管８の天端位置を外管６よりも高く設定し、内管８の天端を基礎版４に取り付けられた基部側補剛材５の補強板９に当接してある。
【００４２】
このようにすると、上部構造物の基礎版４と杭全体の頂部、すなわち内管８の天端との接触面積は従来に比べて大幅に小さくなり、基礎版４と杭全体の頂部との接合状況は、ピン接合に近い状態となる。そのため、上部構造物からの水平力に起因して杭頭２に発生する曲げモーメントも大幅に減少する。一方、上部構造物の水平力は、基礎版４と内管８の天端との接触面における摩擦力並びに基礎版４に貫入定着された鉄筋１３を介してせん断力として杭頭２に作用し、現場打ちコンクリート杭１の杭本体のせん断耐力が有効利用されることとなる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、杭本体よりも径の小さな内管８の天端を基礎版４に取り付けられた基部側補剛材５に当接することにより、上部構造物の基礎版４と杭全体の頂部との接触面積が従来に比べて大幅に小さくなる。
【００４４】
そのため、基礎版４と杭全体の頂部との接合状況をピン接合に近い状態にすることが可能となり、上部構造物からの水平力に起因して杭頭２に発生する曲げモーメントを大幅に低減し、その結果として、巨大地震下での杭頭での破断ひいては上部構造物の倒壊を未然に防止することが可能となる。また、従来であれば、地震時曲げモーメントが大きいために安全率を十分に見込まざるを得ず、その結果、杭が過大設計となることも少なくなかったが、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、地震時曲げモーメントが大幅に低減されるので、現場打ちコンクリート杭１の合理的な断面設計が可能となる。
【００４５】
また、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、内管８の天端で受けた上部構造物の鉛直荷重を補剛材７を介して外管６に伝達させるとともに、内管８と外管６の間にコンクリート１６を充填して連結部材３自体の一体化及び該連結部材と杭頭２との一体化を図り、さらに内管８内にもコンクリートを充填するようにしたので、鉛直荷重の伝達に寄与する連結部材３の有効水平断面積は、杭径を直径とする円の面積とほぼ等しくなり、かくして、上部構造物からの鉛直荷重を現場打ちコンクリート杭１の全断面に均等に伝達させることが可能となる。
【００４６】
また、常時の鉛直荷重を杭頭２に均等に作用させることができる結果、上述した地震時曲げモーメントの大幅な低減作用と相まって、現場打ちコンクリート杭１のさらなる合理化が可能となる。
【００４７】
なお、内管８には、断面積が小さい分だけ大きな圧縮応力が作用するが、その内外にコンクリートが充填されていること及び補剛材７があることによって局部座屈が生じる懸念はほとんどない。したがって、内管８の肉厚を適宜設定しておけば、上部構造物の鉛直荷重を安全確実に下方に伝達させることができる。また、内管８内のコンクリートは、該内管によって拘束されるため、有効圧縮強度が増加する。
【００４８】
また、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、内管８の内部空間にコンクリート１７を充填して該コンクリート内に接合材である鉄筋１３を定着するようにしたので、比較的低コストで鉄筋１３と内管８との固定を実現することができるとともに、基礎版４のコンクリート工事と併せて行うことができるため、施工に時間を要することもない。
【００４９】
また、本実施形態に係る杭の免震構造によれば、基礎版４に基部側補剛材５を取り付け、該基部側補剛材に内管８の天端を当接するようにしたので、内管８の天端から受ける鉛直反力を基礎版４の広い範囲に分散させることが可能となり、杭の頂部との接触面積減少に伴う基礎版４の圧壊を未然に防止することが可能となる。
【００５０】
本実施形態では、内管８の内部空間にコンクリート１７を充填して該コンクリート内に接合材である鉄筋１３を定着するようにしたが、鉄筋１３をどのようにして内管８に固定するかは任意であり、例えばかかる構成に代えて、図６に示すように内管８にカプラー２１を溶接し、該カプラーにネジ鉄筋をねじ込んで固定するようにしてもよい。
【００５１】
また、本実施形態では、内管８と外管６との間にコンクリート１６を充填するようにしたが、例えば杭本体が鋼管、ＰＣ杭、ＰＨＣ杭等の中空杭であるような場合において、該杭本体の肉厚断面に均等に鉛直荷重を伝達させることができるのであれば、内管と外管との間のコンクリート充填を省略してもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、接合材である鉄筋１３を基部である基礎版４に定着し、その貫入構造を通常の付着構造としたが、上部構造物にロッキングが生じるおそれがない場合には、接合材である鉄筋１３と基部である基礎版４との貫入構造を非付着構造、すなわちアンボンド構造としてもよい。
【００５３】
かかる構成によれば、地震時に上部構造物から水平力が作用したとき、鉄筋１３は、水平方向については付着構造のときと同様、該水平力をせん断力として杭頭２に伝達するものの、鉛直方向については基礎版４に何ら拘束されることなく自由に抜け出すので、上部構造物の基礎版４と杭本体の頂部との接合状況は完全なピン接合状態となり、かくして、杭頭２での曲げモーメントの発生をほぼ完全に防止することが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態では、基部である基礎版４の下面に基部側補剛材５を取り付け、該基部側補剛材に内管８の天端を当接するようにしたが、基礎版４が圧壊するおそれがないのであれば、基部側補剛材５を省略して内管８の天端を直接基礎版４の下面に当接させるようにしてもよい。
【００５５】
また、本実施形態では、現場打ちコンクリート杭への採用を前提とした上で連結部材３を現場にて杭頭に連結するようにしたが、ＰＣ杭等の既製杭を使用する場合には、図７に示すように、連結部材３を予め工場にてＰＣ杭本体の杭頭３１に取り付けた既製杭３２を製作し、内管８の内部空間への鉄筋１３の配筋やコンクリート１７の充填だけを現場で行うようにしてもよい。なお、内管８と外管６との間に充填するコンクリート３３については、ＰＣ杭本体を構成するコンクリートと兼用することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、杭頭に連結部材３を取り付け、その天端を基礎版４に当接するようにしたが、必ずしも本実施形態のような連結部材３を採用する必要はなく、要は、杭頭を先細に形成して該杭頭の先細天端を上部構造物の基部である基礎版４に当接するとともに、かかる先細天端から鉛直上方に延びる接合材としての鉄筋を基礎版４に貫入するようにすればよい。
【００５７】
具体的には、例えば鋼管杭の杭頭に中空円錐台状の鋼製先細体を溶接等で取り付け、該鋼製先細体の内部空間にコンクリートを充填して該コンクリートに接合材を鉛直姿勢にて固定し、該接合材を基礎版に貫入する構成や、同様の鋼製先細体の天端に溶接等で立設固定された接合材を基礎版に貫入する構成などが考えられる。
【００５８】
なお、かかる構成における作用効果については、上述した実施形態の作用効果とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に係る本発明の杭の免震構造によれば、上部構造物の基部と杭全体の頂部との接合状況をピン接合若しくはそれに近い状態にすることが可能となり、上部構造物からの水平力に起因して杭頭に発生する曲げモーメントを大幅に低減し、その結果として、巨大地震下での杭頭での破断ひいては上部構造物の倒壊を未然に防止することが可能となる。
【００６０】
また、請求項２に係る本発明の杭の免震構造によれば、比較的低コストで接合材と内管との固定を実現することができるとともに、基部のコンクリート工事と併せて行うことができるため、施工に時間を要することもないという効果も奏する。
【００６１】
また、請求項３に係る本発明の杭の免震構造によれば、内管、補剛材及び外管が該コンクリートを介して一体化するため、内管天端に作用する鉛直荷重を杭頭の広い範囲に作用させやすくなる。特に、内管の内部空間にコンクリートを充填する際には、連結部材の有効水平断面積が杭径を直径とする円の面積と等しくなり、現場打ちコンクリート杭で杭本体を形成する場合において、上部構造物からの鉛直荷重を杭本体の全断面に均等に伝達させることが可能となるという効果も奏する。
【００６２】
また、請求項４に係る本発明の杭の免震構造によれば、鉛直方向については基部に何ら拘束されることなく接合材が自由に抜け出すので、上部構造物の基部と杭の頂部との接合状況が完全なピン接合状態となり、かくして、杭頭での曲げモーメント発生をほぼ完全に防止することができるという効果も奏する。
【００６３】
また、請求項５に係る本発明の杭の免震構造によれば、杭の頂部からの鉛直反力を基部の広い範囲に分散させることが可能となり、杭の頂部との接触面積減少に伴う基部の圧壊を未然に防止することができるという効果も奏する。
【００６４】
また、請求項６に係る本発明の既製杭によれば、上部構造物の基部と杭全体の頂部との接合状況をピン接合若しくはそれに近い状態にすることが可能となり、上部構造物からの水平力に起因して杭頭に発生する曲げモーメントを大幅に低減し、その結果として、巨大地震下での杭頭での破断ひいては上部構造物の倒壊を未然に防止することが可能となる。
【００６５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る杭の免震構造の側面図。
【図２】本実施形態に係る杭の免震構造の分解斜視図。
【図３】基部側補剛材及び連結部材の各平面図。
【図４】本実施形態に係る杭の免震構造の施工手順を示した断面図。
【図５】引き続き施工手順を示した断面図。
【図６】変形例に係る連結部材を示した平面図。
【図７】本実施形態に係る既製杭を示した図であり、(a)は側面図、(b)はＡ―Ａ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１ 現場打ちコンクリート杭
２ 杭頭
３ 連結部材
４ 基礎版（基部）
５ 基部側補剛材
６ 外管
７ 補剛材
８ 内管
１３ 鉄筋（接合材）
１６、１７ コンクリート
３１ 杭頭
３２ 既製杭
３３ コンクリート
Claims (6)
- 杭径とほぼ同等の外径を有する外管と該外管に補剛材を介して同軸に接合され前記外管よりも天端位置が高い内管とを備えた連結部材を杭頭に取り付けるとともに前記内管に所定の接合材を鉛直姿勢にて固定し、前記内管の天端を上部構造物の基部に当接するとともに該基部に前記接合材を貫入したことを特徴とする杭の免震構造。
- 前記内管の内部空間にコンクリートを充填して該コンクリート内に前記接合材を定着した請求項１記載の杭の免震構造。
- 前記内管と前記外管との間にコンクリートを充填した請求項１若しくは請求項２記載の杭の免震構造。
- 前記接合材と前記基部との貫入構造を非付着構造とした請求項１記載の杭の免震構造。
- 前記基部の下面に基部側補剛材を取り付け、該基部側補剛材に前記内管の天端を当接した請求項１記載の杭の免震構造。
- 杭径とほぼ同等の外径を有する外管と、該外管に補剛材を介して同軸に接合され前記外管よりも天端位置が高い内管とを備えた連結部材を杭頭に取り付けてなることを特徴とする既製杭。
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