JP3882633B2 - 鋼管ダンパー及びこれを用いたロッキング基礎構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管ダンパー、並びに、この鋼管ダンパーを用いることにより基礎の高耐震化を図ったロッキング基礎構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
橋脚基礎などにおいて、ロッキング振動を起すと免震効果があることは知られている。従来のロッキング基礎としては様々な形式があるが、次の二種類に大別できる。一つは、浮上がりを制限しない構造で、ロッキング部(浮上がり部)とシェアキー機能を持たせた地中梁が全杭頭に固定されているものである。他の一つは、「シェアキー」と「ダンパーキー」とを組み合わせた高架構造である。これは浮上がり部にシェアキーとダンパーキーが配置されており、浮上がり量を緩和する構造となっている。
【0003】
図9(a),(b)は前者の構造を示すものであり、このものは、橋脚柱1を支持したフーチング2と、その両側に配置され、杭3と一体の土台部(地中梁)4とからなっており、フーチング2がロッキング部となり、土台部4は支承とシェアキーの機能を兼用する。土台部4には、浮上がる反対側(転がり側)に大きなせん断力が伝達される。このせん断力を各杭3に均等に伝えるため地中梁で結合されている場合が多いが、地中梁なしでもロッキング基礎として成立つ。また、土台−ロッキングフーチング間には衝撃緩衝材としてネオプレンゴム5が介在されている。
【0004】
図10は後者の構造を示すもので、一対の橋脚柱6の下部にはロッキング部7が形成されている、ロッキング部7は、図の一部に拡大して示すように、ゴムなどの弾性材料8を介して凹凸状に接合した接合位置の上下を貫通してシェアキー9が配置され、その下部側を橋脚柱6の下部に定着させているとともに、上部側をエネルギー吸収用のダンパー装置10に接続している。この構造においては、ロッキングによる橋軸直角方向への移動量は、橋脚の浮上がり量が安全値を超えない範囲で止るように設計されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のロッキング基礎では、いずれも次に述べる技術課題があった。まず、前者の構造では、図9(b)に矢印に示す方向に地震力が作用すると、浮上がる反対箇所一カ所にせん断力が集中し、それを杭全体に伝達するために、大きな地中梁を必要とする。
【0006】
また、後者の組合わせ構造では、浮上がる反対側一カ所にせん断力を集中するため、設計が難しく、断面を大きく取らざるを得ない。また、図示のごとく、横梁11を設けてせん断力を浮上がり側の橋脚柱6に伝える必要があり、加えて浮上がり量を緩和するためのダンパー装置10も高価なものとなり、構築費用がその分かさむため、不経済となっていた。
【0007】
本発明は以上の課題を解決するものであり、その目的は、簡易な構造にして安価でありながら確実性の高い鋼管ダンパー、並びに、この鋼管ダンパーを用いることにより、高耐震化のための構造を簡単で安価に構成できるようにしたロッキング基礎構造を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明にかかる鋼管ダンパーは、相互に離間する方向への引抜き力が加えられる第1及び第2の構造体間に配設される鋼管ダンパーであって、前記第1の構造体内に埋設される有底の鋼管と、該鋼管を挿通して、その下端を前記鋼管の底部に定着するとともに、前記第2の構造体内に定着した鋼材とを備え、前記第1の構造体と前記第2の構造体とが相互に離間する方向に引抜き力が加わると、前記鋼材が前記鋼管の底部を引張ることにより前記鋼管の中間部が膨出するように構成されていることを特徴とするものである。
したがって、本発明では、第1の構造体と第2の構造体とが相互に離間する方向に引抜き力が加わると、第2の構造体内に定着した鋼材が鋼管の底部を引張る結果、鋼管の中間部が膨出して鋼管と第1の構造体との摩擦力が大きくなった状態で、第1の構造体から鋼管が抜け出される際に引抜き力が抑えられるため、簡易な構造にして安価でありながら、逸散減衰を阻害することがなく、一般のダンパーと比較してより効果的な減衰効果を得ることができ、確実なダンパー機能を得ることができる。
また、本発明にかかる鋼管ダンパーは、相互に離間する方向への引抜き力が加えられる第1及び第2の構造体間に配設される鋼管ダンパーであって、前記第1の構造体内に埋設される有底の鋼管と、該鋼管を挿通して、その下端を前記鋼管の底部に定着するとともに、前記第2の構造体内に定着した鋼材とを備え、前記鋼管の上半部内側にコンクリートを充填し、かつ該コンクリートの中心に配置されたシース管を通じて前記鋼材が前記鋼管の上下を貫通していることを特徴とする。
したがって、本発明では、第1の構造体と第2の構造体とが相互に離間する方向に引抜き力が加わると、第2の構造体内に定着した鋼材が鋼管の底部を引張る結果、鋼管のコンクリート無充填の下半部が膨出して鋼管と第1の構造体との摩擦力が大きくなった状態で、第1の構造体から鋼管が抜け出される際に引抜き力が抑えられるため、簡易な構造にして安価でありながら、逸散減衰を阻害することがなく、一般のダンパーと比較してより効果的な減衰効果を得ることができ、確実なダンパー機能を得ることができる。
【0009】
一方、本発明にかかるロッキング基礎構造は、脚柱の下部を支持するフーチングと、該フーチングの下部に設置した複数の杭と、該各杭の杭頭部と前記フーチングとの間に介在される鋼管とからなり、前記鋼管は、前記杭の上部内側にほぼ埋設状態に固定配置され、かつ前記フーチング内への上部突出端子外周にこれを定着させる手段を設けるとともに、前記鋼管の上下を貫通して鋼材を挿通し、該鋼材の下端を前記鋼管の底部に定着するとともに、上端を前記フーチング内に定着したものであることを特徴とするものである。したがって、本発明では、フーチングをロッキング部とし、各鋼管をロングストロークシェアキーとダンパーの二つの機能をもたらすことができる。フーチングの浮き上がり時には、鋼管底部が引張られ、鋼管が圧縮状態になって膨れることにより、コンクリートとの機械的摩擦力が発生して摩擦ダンパーとなる。そして、従来では、フーチングが杭頭に接触する際にダンパーが効き、振動エネルギーの地盤への逸散減衰効果が薄れるという課題があったが、本発明によれば、押込み時に鋼管が無応力となって膨張がなくなり、フーチング着地を阻害しない、地盤へのエネルギ逸散減衰効果を効率的に起こすことができる。
【0010】
また、本発明では、前記鋼管頭部のフーチングに対する定着手段が該フーチングの浮上がり方向に対して所定の遊びを設けて該フーチングに設置されるものであることにより、地震時においてまずフーチングがその遊び分だけ浮上がり、その後PC鋼棒の引張り力に応じて杭から鋼管が抜出すため、効果的に鋼管を圧縮応力状態とし、径方向への膨出により摩擦ダンパーとしての機能を達成する。
【0011】
さらに本発明では、前記鋼管の上半部内側にコンクリートを充填し、かつ該コンクリートの中心に配置されたシース管を通じて前記PC鋼棒が前記鋼管の上下を貫通していることにより、杭内部に配置されている鋼管の下半部のみ上下動に応じて圧縮応力を増減させて膨張収縮することにより、杭との間の摩擦力の増減がなされる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。図1(a),(b)は、本発明にかかるロッキング基礎20の全体構成を示すもので、ロッキング構造20は、橋脚柱等の脚柱21の下部を支持するフーチング22と、このフーチング22の下部に設置した複数のコンクリート杭24(第1の構造体)と、各杭24の杭頭部とフーチング22(第2の構造体)との間に介在された有底円筒形の鋼管26とからなっている。なお、各杭24の頂部には、ゴム等からなる扁平リング状の弾性体23が設けられている。
【0013】
鋼管26は、本発明の鋼管ダンパーを構成するものであって、図2に拡大して示すように、杭24の上部内側にほぼ埋設状態に固定配置されるものである。前記フーチング22には、鋼管26の上部突出端外周に第二の鋼管28が固定配置され、鋼管26と第二の鋼管28との間には所定の間隙が形成されて両者は縁切りされているとともに、第二の鋼管28を配置するためにフーチング22の下部に形成される凹部28Aの天井部と鋼管26の上部との間には所定の間隙が形成されていて鋼管26の上部とフーチング22との間には所定量の遊びが設けられている。
【0014】
そして、鋼管26の上半部内側にコンクリート30が充填されるとともに、コンクリート30の中心部にシース管32が配置され、このシース管32を通じてPC鋼棒34が鋼管26の上下を貫通して挿通されて、その下端を鋼管26の底部に定着材36を介して定着するとともに、上端がフーチング22内に定着材38を介して定着されている。そして、地震時には図1(b)に示すように、フーチング22をロッキング部とし、各鋼管26をロングストロークシェアキーとダンパーの二つの機能をもたらすことができるようにしたものであり、この機能をもたらすための素材構成およびその構造ともにきわめて簡素となっている。
【0015】
図3は、以上の鋼管26のシェアキーとしての設計思想を示すもので、地震時において、フーチング22が浮上がるときにPC鋼棒34を介して鋼管26を引上げようとする力が作用すると仮定し、地震時の左右の水平変位モーメントをMとし、その時のフーチング22の浮上がり量をDとすると、その垂直分力であるせん断力Sは、
S=2M/Dとなり、それ故M=0.5SDとなる。したがって、鋼管26の弾性設計としては、MU>M(u:ultimate)となる鋼管を使用すればよいものとなる。
【0016】
また、図4は、前記鋼管26を杭頭ピンとして半剛結とする場合の設計思想を示すもので、杭頭モーメント≦Muであり、杭頭が半剛結となる。なおMu→0の場合は完全ピンである。
【0017】
そして、個々の鋼管の浮上がり量をDとすると、最も浮上がった側から負担せん断力が低下するため、個々の鋼管26にはS≦2Mu/D,D≦Dmaxとなる。
【0018】
また、Si=全せん断力/杭本数とすると、個々の鋼管を弾性設計とした場合には、
Si≦S(=2Mu/Dmax)
また、弾塑性設計とした場合には、
Si≧S(=2Mu/Dmax)
が成立する。
【0019】
次に、以上の鋼管26の摩擦ダンパーとしての機能を、図5を用いて説明する。浮上がり時(抜出し時)には、(a)に示すように、まずフーチング22が弾性体23の圧縮量分dだけ上昇し、次いで(b)に示すように、PC鋼棒34の引張り力により、鋼管26が抜出す。さらに鋼管26が抜け出すと、(c)に示すように、鋼管26はコンクリート無充填の下半部が圧縮応力状態となり、ポアソン比により径方向に膨出し、鋼管26と杭24を構成するコンクリート間の摩擦力が大となる。なお、鋼管26とPC鋼棒34との軸圧縮・引張り剛性に応じた必要性の有無に応じて凹部28Aの遊びの量が決まる。このように遊びを付けた方が効果的に圧縮力を導入可能である。
【0020】
逆に、押込み時(下降時)には(d)に示すように、まず、鋼管26の膨出分までフーチング22が沈む。この時、PC鋼棒34は、圧縮ストラットとして作用し、鋼管26の下端を下方に向けて押圧する。これによって、鋼管26は径方向に収縮して応力が解放され、無応力に近くなり摩擦が減少する結果、(e)に示すように、スムーズにフーチング22を沈降させることができる。
【0021】
以上のごとく、引き抜かれる時のみ鋼管26の膨張に応じたダンパーを利かせてエネルギーロスさせることで、浮上がり量を押え、押込み時には、杭24とフーチング22との衝突を阻害させない構造となっている。そして、杭24とフーチング22との衝突により、地震力は各杭24を伝って地盤側に効果的に散逸される。
【0022】
図6は、他の実施の形態を示し、この実施の形態では、鋼管26のフーチング(第2の構造体)22に対する突出端外周には上下複数段(本実施の形態では2段)のジベル28が水平方向に突出され、それぞれのジベル28がフーチング22に形成された穴22B内を上下方向に若干の遊びをもって配置されている。この実施形態においても、フーチング22が浮上がり始めた直後にPC鋼棒28が緊張され、これによって鋼管26がフーチング22とともに上昇する。
【0023】
図7は、図6の実施の形態の作用を示している。浮上がり時(抜出し時)には、(a)に示すように、まずフーチング22がジベル28と穴22Bとの遊び分だけ上昇し、次いで(b)に示すように、PC鋼棒34の引張り力により、鋼管26が抜出す。さらに鋼管26が抜け出すと、鋼管26はコンクリート無充填の下半部が圧縮応力状態となり、ポアソン比により径方向に膨出し、鋼管26と杭24を構成するコンクリート間の摩擦力が大となる。なお、鋼管26とPC鋼棒34との軸圧縮・引張り剛性に応じた必要性の有無に応じてジベル28と穴22Bとの遊びの量が決まる。このように遊びを付けた方が効果的に圧縮力を導入可能である。
【0024】
図8は、さらに他の実施の形態を示している。この実施の形態では、鋼管26のフーチング22に対する突出端外周に第二の鋼管40が配置され、第二の鋼管40の外周はジベル42を介してフーチング22に結合され、鋼管26の頭部をフーチング22に対して縁切りしている。実施の形態においても、フーチング22が浮き上がり始めた直後にPC鋼棒28が緊張され、これによって鋼管26がフーチング22とともに上昇する。
【0025】
なお、以上の構造の他に、フーチング22の浮上がり始め直後にPC鋼棒28が緊張し始める構造であって、鋼管26の頭部がフーチング22側に結合していること並びにシェアキーとしての機能を発現するために、鋼管頭部が回転しない構造を満足するならば、各種構造を採用することが可能である。
【0026】
また、本発明に係る鋼管ダンパーは、本実施の形態に示した橋脚基礎以外の構造においてロッキング振動による免震効果を期待できる構造、例えば、塔状構造物、ケーソン、鉄道等の高架橋の基礎に適用することができる。さらに、本発明の鋼管ダンパーは、ロッキング振動により免震効果を期待する構造以外にも、例えば、鉄道等の高架橋の制振、橋梁の橋軸方向制振、斜張橋の桁に作用する横揺れ、ねじれの制振、免震橋の地震変位制御、アスペクト比が小さい扁平な建物の制振、カルバートの引張力低減等の、振動制御、変位制御手段として用いることもできる。
【0027】
【発明の効果】
以上の説明により明らかなように、本発明による鋼管ダンパー及びロッキング基礎構造によれば、高耐震性をもたらすための構造を簡単で安価に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a),(b)は本発明にかかるロッキング基礎の全体構成および地震作用時における挙動を示す説明図である。
【図2】同ロッキング基礎に採用された鋼管ダンパーの断面図である。
【図3】同鋼管ダンパーのシェアキーとしての設計思想を示す説明図である。
【図4】同鋼管ダンパーを杭頭ピンとする場合の設計思想を示す説明図である。
【図5】(a)〜(e)は同鋼管ダンパーの挙動を示す説明図である。
【図6】鋼管ダンパーの他の実施の形態を示す断面図である。
【図7】(a)〜(d)は同鋼管ダンパーの挙動を示す説明図である。
【図8】鋼管ダンパーのさらに他の実施の形態を示す断面図である。
【図9】(a),(b)は従来のロッキング基礎の一例および地震作用時の挙動を示す全体説明図である。
【図10】従来のロッキング基礎の他の例を示す部分拡大図を含む全体説明図である。
【符号の説明】
20 ロッキング基礎
21 橋脚柱
22 フーチング
24 杭
26 鋼管
28 遊び付ジベル(定着手段)
30 コンクリート
32 シース管
34 PC鋼棒
36,38 定着部
40 第二の鋼管(定着手段)
Claims (5)
- 相互に離間する方向への引抜き力が加えられる第1及び第2の構造体間に配設される鋼管ダンパーであって、
前記第1の構造体内に埋設される有底の鋼管と、
該鋼管を挿通して、その下端を前記鋼管の底部に定着するとともに、前記第2の構造体内に定着した鋼材とを備え、
前記第1の構造体と前記第2の構造体とが相互に離間する方向に引抜き力が加わると、前記鋼材が前記鋼管の底部を引張ることにより前記鋼管の中間部が膨出するように構成されていることを特徴とする鋼管ダンパー。 - 相互に離間する方向への引抜き力が加えられる第1及び第2の構造体間に配設される鋼管ダンパーであって、
前記第1の構造体内に埋設される有底の鋼管と、
該鋼管を挿通して、その下端を前記鋼管の底部に定着するとともに、前記第2の構造体内に定着した鋼材とを備え、
前記鋼管の上半部内側にコンクリートを充填し、かつ該コンクリートの中心に配置されたシース管を通じて前記鋼材が前記鋼管の上下を貫通していることを特徴とする鋼管ダンパー。 - 脚柱の下部を支持するフーチングと、該フーチングの下部に設置した複数の杭と、該各杭の杭頭部と前記フーチングとの間に介在される鋼管とからなり、
前記鋼管は、前記杭の上部内側にほぼ埋設状態に固定配置され、かつ前記フーチング内への上部突出端子外周にこれを定着させる手段を設けるとともに、前記鋼管の上下を貫通して鋼材を挿通し、該鋼材の下端を前記鋼管の底部に定着するとともに、上端を前記フーチング内に定着したものであることを特徴とするロッキング基礎構造。 - 前記鋼管頭部のフーチングに対する定着手段が該フーチングの浮上がり方向に対して所定の遊びを設けて該フーチングに連結されるものであることを特徴とする請求項3に記載のロッキング基礎構造。
- 前記鋼管の上半部内側にコンクリートを充填し、かつ該コンクリートの中心に配置されたシース管を通じて前記鋼材が前記鋼管の上下を貫通していることを特徴とする請求項3または4に記載のロッキング基礎構造。
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