JP3745752B2

JP3745752B2 - 鋼管柱構造

Info

Publication number: JP3745752B2
Application number: JP2003271434A
Authority: JP
Inventors: 薫小林; 高吉岩佐
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: JP2005030086A

Description

本発明は鋼管内部に補強材を有するコンクリート充填鋼管柱構造に関する。

従来の鋼管柱については、鋼管だけのものや鋼管の内部にコンクリートを充填しているだけのものが使用されていた。鋼管柱だけのものでは、水平荷重が作用すると、鋼管柱基部付近に曲げ圧縮による鋼管の局部座屈が発生し、その後急速に耐力が低下してしまう。そのため、コンクリートの座屈抑制効果によって、局部座屈発生を遅らせること、局部座屈発生後もコンクリートが局部変形の成長を抑制すること、鋼管が座屈しても軸力がコンクリートへ移行して保持されることなどを考慮してコンクリートを鋼管内部に充填することを行ってきた。

しかしながら、特に角形のコンクリート充填鋼管柱の場合、内部充填コンクリートによって鋼管壁面に作用する圧力により、鋼管壁面が面外に変形し、その鋼管内部のコンクリートは粉砕化され、その後鋼管の亀裂より粉砕化されたコンクリートが飛び出してしまう。この対策として、鋼管柱の梁に対する接合部内面に縦リブを設けるものが提案されている（特許文献１）。
しかし、特許文献１のような縦リブのみ設けたものは、鋼板の補強効果はあってもコンクリートの拘束効果が十分ではなく、局部座屈の抑制に難点がある。

また、コンクリート充填角形鋼管柱における上下両端部において、内側面と外側面に予め局部座屈補強用鋼板、或いはコンクリート拘束用補強鋼板を溶接したものが提案されている（特許文献２）。
特開平４−５２３５３号公報特開平７−１０９７８７号公報

特許文献２ではコンクリート充填角形鋼管柱における上下両端部において、内側面と外側面に予め局部座屈補強用鋼板、或いはコンクリート拘束用補強鋼板を溶接するものであるが、施工が簡単ではなくコストがかかり、また、内側面と外側面に溶接する補強鋼板は、コンクリート拘束よりも柱の鋼板を補強する意味合いが強く、コンクリート拘束用としては十分ではない。また、特許文献２の補強方法ではコンクリートを充填してない既設の鋼管柱の補強には対応できない。

本発明は上記課題を解決しようとするもので、鋼管内部のコアコンクリートを拘束することにより、曲げ圧縮力をより多く負担させ、局部座屈の発生を遅らせるとともに、局部座屈の発生後も座屈の進行を遅らせ、耐力劣化を緩和させるとともに、既設の鋼管柱の補強にも対応可能にし、コストダウンの図れる鋼管柱を提供することを目的とする。
そのために本発明は、鋼管柱において、鋼管基部から０．５Ｄ〜２Ｄ（Ｄ：柱幅）の範囲で鋼管内部にスパイラル筋の補強材を配置するとともに、前記範囲にわたって鋼管の周方向に所定間隔でスリットを複数本設けて鋼管内にコンクリートを充填したことを特徴とする。
また、本発明は、鋼管柱において、鋼管基部から０．５Ｄ〜２Ｄ（Ｄ：柱幅）の範囲で鋼管内部に繊維シートの補強材を配置するとともに、前記範囲にわたって鋼管の周方向に所定間隔でスリットを複数本設けて鋼管内にコンクリートを充填したことを特徴とする。
また、本発明は、鋼管柱において、鋼管基部から０．５Ｄ〜２Ｄ（Ｄ：柱幅）の範囲で鋼管内部に鉄筋かごの補強材を配置するとともに、前記範囲にわたって鋼管の周方向に所定間隔でスリットを複数本設けて鋼管内にコンクリートを充填したことを特徴とする。

本発明によれば、コンクリート充填鋼管柱の変形性能を大きくとることが可能になったため、柱断面寸法を小さくすることができるので、コストダウンが図れる。また、鋼管内に配置する補強材は特別なものではなく既存の物なので、施工が容易であり経済的である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下では角形鋼管柱について説明するが、本発明は円形鋼管柱にも適用可能である。
図１は本実施形態の鋼管柱構造の例を説明する概念図である。
図１（ａ）は、角形鋼管柱１の内面に縦リブ補強材２が設けられた従来構造のものに、鉄筋補強材３を配置し、コンクリート４を充填した構造である。
図１（ｂ）は、角形鋼管柱１の内面に縦リブ補強材２が設けられた従来構造の柱の四隅に、スパイラル筋５を配置し、コンクリート４を充填した構造である。

従来の縦リブ補強は、鋼管柱の鋼板の補強にはなっているが、コンクリート拘束力の効果はない。図１（ａ）では柱中央部に鉄筋補強材を配置することによりコンクリートを拘束し、曲げ圧縮力に対して耐力を増大させることができる。また、特に角形鋼管柱の場合、四隅に縦方向及び横方向に亀裂が発生し易いが、図１（ｂ）のように四隅にスパイラル筋５を配置してこの部分のコンクリートを拘束することにより、この部分の曲げ圧縮力に対する耐力を増大させて亀裂の発生を抑える、もしくは遅らせることができる。

次に図２〜図４により本実施形態のコンクリート充填柱の補強断面形状について説明する。なお、以下では縦リブは省略して説明するが、縦リブを併設するようにしてもよい。
図２はスパイラル筋補強の例を示す図である。
スパイラル筋は１本の鉄筋をスパイラル状にしたものであり、図２（ａ）は小径のスパイラル筋５を鋼管柱内面に配置し、コンクリートを充填する例であり、各スパイラル筋内のコンクリートを拘束するとともに、スパイラル筋全体で囲んだ部分のコンクリートを拘束し、曲げ圧縮力に対する耐力を増大させることができる。
図２（ｂ）は四隅にスパイラル筋５を配置してコンクリートを充填し、この部分のコンクリートを拘束するもので、角型鋼管柱の四隅での亀裂の発生を抑える、もしくは遅らせることができる。
図２（ｃ）は鋼管柱に内接する径のスパイラル筋５を配置してコンクリートを充填し、コンクリートを拘束するものである。

図３は繊維シート補強の例を示す図である。
図３（ａ）は炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維、ポリアセタール繊維、その他繊維シートからなる繊維シート６を鋼管柱内面に貼付する等の方法で施工してコンクリートを充填し、コンクリートを拘束するものであり、曲げ圧縮力に対する耐力を増大させることができる。
図３（ｂ）は角型鋼管柱の四隅に繊維シート６を配置してコンクリートを充填するものであり、角型鋼管柱の四隅での亀裂の発生を抑える、もしくは遅らせることができる。
なお、繊維シートは１枚もの、或いは複数枚ものを鋼管柱内面に貼付或いは配置するだけでなく、繊維シートをまるめて円筒状にしたものを鋼管柱内部に配置した後、コンクリートを充填するようにしてもよい。

図４は鉄筋かご補強の例を示す図である。
鋼管柱内部に鉄筋かご３を配置してコンクリートを充填することにより、コンクリートを拘束して曲げ圧縮力に対する耐力を増大させることができる。

次に、図５、図６により補強材形状と内部配置例について説明する。
図５はスパイラル筋形状と配置状況例を示す図である。
スパイラル筋５は１本の鉄筋からなり（図５（ａ））、これを鋼管柱１内に配置して（図５（ｂ））、コンクリートを充填する。小径のスパイラル筋の場合には、既設の鋼管柱に形成した孔を通して内部に入れて配置し、その後コンクリート充填する方法を採用することが可能であり、既設鋼管柱の補強にも対応可能である。

図６は鉄筋かご形状と配置状況例を示す図である。
鉄筋かご鉄筋３は、直筋と帯鉄筋とからなり（図６（ａ））、これを鋼管柱１内に配置して（図６（ｂ））、コンクリートを充填する。鉄筋かごの場合、直筋と帯鉄筋をそれぞれ既設の鋼管柱に形成した孔を通して内部に入れ、人が中に入ってこれらを結ぶことができるので、既設鋼管柱の補強に対応可能である。

図７はコンクリート充填鋼管柱の補強区間を説明する図である。
鋼管柱１の局部座屈が発生するのは柱の幅Ｄと同じ程の高さである。そこで、本実施形態では、補強区間はフーチング１０（または梁接合部）から０．５Ｄ以上の高さとすることが望ましく、０．５〜２Ｄとすれば十分である。

図８は補強区間の鋼管柱にスリットを形成した例を示す図で、図８（ａ）は柱の鋼板断面図、図８（ｂ）は側断面図である。
本実施形態では、図示するように所定間隔で補強区間（鋼管内には上記した補強筋が配置されて補強されている）にわたって縦方向に鋼板にスリット７を入れる。鋼管柱１では局部座屈が生じて亀裂が発生する。局部座屈が亀裂の発生原因であり、鋼管柱に形成するスリット７は、鋼管に発生する座屈範囲をスリットの長さ方向に大きくするので、亀裂の発生防止に有効である。また、角型鋼管柱などの場合には、四隅で発生したクラックが延びていくので、スリット７は亀裂の伝搬を阻止する機能も有する。なお、スリットは、コンクリートを打ったときに漏れないように鋼板を貫通しないように設けてもよいし、鋼板を貫通させてもよい。鋼板はスリット部分で薄い板で繋がって引張鋼材の役割を果たす。なお、スリットを入れたために強度的に弱くなっている場合は、スリットの上端部には、鋼管柱内部に平板状のダイヤフラム８を設けて補強するようにしてもよい。もちろん、ダイヤフラム８は設けなくてもよい。この場合は、スリット先端にストップホールを設ける。

本発明によれば、鋼管内部のコアコンクリートを拘束することにより、曲げ圧縮力をより多く負担させ、局部座屈の発生を遅らせるとともに、局部座屈の発生後も座屈の進行を遅らせ、耐力劣化を緩和させるとともに、既設の鋼管柱の補強にも対応可能にし、コストダウンが図れるので、産業上の利用価値は大きい。

本実施形態の鋼管柱構造の例を説明する概念図である。スパイラル筋補強の例を示す図である。繊維シート補強の例を示す図である。鉄筋かご補強の例を示す図である。スパイラル筋形状と配置状況例を示す図である。鉄筋かご形状と配置状況例を示す図である。コンクリート充填鋼管柱の補強区間を説明する図である。補強区間の鋼管柱にスリットを形成した例を示す図である。

符号の説明

１…鋼管柱、２…縦リブ、３…鉄筋かご、４…コンクリート、５…スパイラル筋、６…繊維シート、７…スリット、８…ダイヤフラム、１０…フーチング。

Claims

鋼管柱において、鋼管基部から０．５Ｄ〜２Ｄ（Ｄ：柱幅）の範囲で鋼管内部にスパイラル筋の補強材を配置するとともに、前記範囲にわたって鋼管の周方向に所定間隔でスリットを複数本設けて鋼管内にコンクリートを充填したことを特徴とする鋼管柱構造。
前記スパイラル筋を鋼管内面に複数配置したことを特徴とする請求項１記載の鋼管柱構造。
鋼管に内接する径を有する１本のスパイラル筋を配置したことを特徴とする請求項１記載の鋼管柱構造。
鋼管柱において、鋼管基部から０．５Ｄ〜２Ｄ（Ｄ：柱幅）の範囲で鋼管内部に繊維シートの補強材を配置するとともに、前記範囲にわたって鋼管の周方向に所定間隔でスリットを複数本設けて鋼管内にコンクリートを充填したことを特徴とする鋼管柱構造。
前記繊維シートを角型鋼管四隅内面に貼付したことを特徴とする請求項４記載の鋼管柱構造。
鋼管柱において、鋼管基部から０．５Ｄ〜２Ｄ（Ｄ：柱幅）の範囲で鋼管内部に鉄筋かごの補強材を配置するとともに、前記範囲にわたって鋼管の周方向に所定間隔でスリットを複数本設けて鋼管内にコンクリートを充填したことを特徴とする鋼管柱構造。