JP4649283B2

JP4649283B2 - 形鋼を用いた柱状構造体、橋脚又は基礎杭及び、その製作方法

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Publication number: JP4649283B2
Application number: JP2005211151A
Authority: JP
Inventors: 克佳中西; 豊川井; 幹男小泉; 毅石澤; 卓也元木; 光男東野; 要安部
Original assignee: JFE Steel Corp; Obayashi Corp; JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Obayashi Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP2007023712A

Description

本発明は、形鋼を用いた柱状構造体あるいは橋脚あるいは基礎杭、及び、その製作方法に関する。

本発明に関する先行技術として、非特許文献１のビームスラブ式ラーメン橋の橋脚構造が知られている。又、ビル等の建築構造物に用いられている従来の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁との接合構造が、特許文献１で知られている。

前者は、図１１に示す如く、Ｈ形鋼をウェブ中央で切断してＴ形断面形状になったもの１２を、同寸法のＨ形鋼１０のウェブ中央両側に溶接し、これをコンクリート１４で被覆してなるもので、鋼断面とコンクリート断面とは、合成しない、即ち一体化しない重ね梁構造として設計されている。図において１６は柱の主鉄筋、１７は柱の帯鉄筋、１８は梁の主鉄筋、１９は梁のスターラップである。

後者は、図１２（特許文献１の図５に対応）に示す如く、鉄骨梁２２と鉄筋コンクリート柱２０との結合を強化するために、部分的に鉄筋コンクリート柱内で用いられる構造であり、鉄骨梁２２が鉄筋コンクリート柱２０に埋設される部分に、柱の一方の外面から他方の外面まで鉄骨梁２２の上下面に鉄骨長手方向リブ２４を突出して取り付け、これを鉄筋コンクリート柱内に埋設する構造である。図において、２６は補強板、２８は主筋、２９はフープ筋である。

又、Ｈ形鋼の内面にリブを付けた内リブＨ形綱の合成効果については、非特許文献２が知られており、Ｈ形鋼の内面に突起を付けた場合、コンクリートと高い合成劫果が得られることが解析的及び実験的に確認されている。ここで、リブは突起を意味し、Ｈ形鋼においては通常、矩形乃至三角形の鋼材をフランジの内側に溶接して取り付けるか、Ｈ形鋼の圧延の際に一体で成形して形成される。

又、建築構造物等の基礎に用いられる構真柱建て込み工法では、場所打ち杭の杭体の中に上部構造の鉄骨支柱を挿入し、杭と上部の柱を一体の構造物として施工するが、鉄骨支柱部は形鋼あるいは鋼板を十字断面や箱形断面に溶接で組み立てられ、先端に数多くのスタッドジベル等のずれ止め材を設けることにより場所打ちコンクリートと鉄骨支柱との一体化を確実なものとしている。

特開平８−２７８９４号公報「ＳＲＣ構造ディテール集」（財団法人鉄道総合技術研究所、１９８７年２月）「ＳＣ合成地中連続壁の基礎的曲げ性状」（土木学会第５８回年次学術講演会V−２４４、４８７〜４８８頁、２００３年９月）

ところが、上記した柱構造では、鋼断面とコンクリート断面とは、合成しない、即ち一体化しない重ね梁構造として設計しているため、柱の曲げ強度が、合成断面として設計する合成構造に比べて低く、変形もし易い。又、断面形状が２軸対称でない場合、鋼断面の中立軸の位置とコンクリート断面の中立軸の位置とがずれるため、設計曲げ強度の精度が低くなる。更に、橋脚柱のように柱の断面寸法が大きい場合、適用できない等の問題点を有する。

又、構真柱では、鉄骨支柱部先端に数多くのスタッドジベル等のずれ止め材を設け、鋼断面とコンクリート断面を一体化し剛性の高い杭体としているが、スタッドジベル等取り付け加工の工数が増加する上、これらずれ止めの高さ分掘削土量が増え、不経済となる問題点を有する。

本発明は、上記のような問題点を解決するために成されたもので、経済的で施工性がよく、しかも終局状態に至るまで合成断面として曲げモーメントに抵抗できる柱状構造体あるいは橋脚あるいは構真柱等の基礎杭の構造、及び、その製作方法を提供することを課題とする。

本発明においては、橋脚柱のように断面が大きい場合、請求項１や５に記載したように、内側に突起を付けたＨ形鋼の片側のフランジ端部を、Ｈ形鋼の軸方向に沿って隣り合う、内側に突起を付けたＨ形鋼の片側のフランジ端部に溶接して、フランジで閉じた多角形断面（例えばＨ形鋼が４本の場合は四角形）を形成し、その周囲に帯状筋（例えば帯鉄筋）を巻き付け、これらをコンクリートで被覆する。

本発明によれば、柱が合成断面として挙動するため、ＳＲＣ構造に比べて高い曲げ強度、及び剛性が得られる。又、断面形状が２軸対称でない場合も、鋼断面の中立軸の位置とコンクリート断面の中立軸の位置とが一致するため、設計曲げ強度の精度が高い。

更に、橋脚柱のように柱の断面寸法が大きい場合でも、適用が可能である。

加えて、突起の軸方向間隔を内側に突起を付けたＨ形鋼のウェブ高さの２分の１乗以下にすれば、柱内のコンクリートには、図１０に示すように、軸方向にも圧縮応力ｃが作用し、Ｈ形鋼Ｓ、Ｈ形鋼と帯鉄筋、あるいはＨ形鋼と鋼板によって断面方向に拘束されている結果発生する断面方向の２軸圧縮力と合わせ３軸圧縮応力状態が形成される。このとき、突起（図では内リブ）Ｒは、Ｈ形鋼Ｓのフランジの面外変形を抑制するため、断面方向の２軸圧縮力を上昇させる効果も有している。この３軸圧縮応力状態の形成によって、コンクリートの圧縮強度が上昇し、柱の曲げ強度が上昇する。

なお、本発明におけるＨ形鋼の本数は４本に限定されず、３本又は５本以上であっても良い。

又、帯状筋も帯鉄筋に限定されず、例えばガラス繊維や炭素繊維を用いた繊維筋であっても良い。

本発明の効果を以下に示す。

（１）柱が合成断面として挙動するため、ＳＲＣ構造に比べて高い曲げ強度、及び剛性が得られる。

（２）断面形状が２軸対称でない場合も、鋼断面の中立軸の位置とコンクリート断面の中立軸の位置が一致するため、設計曲げ強度の精度が高い。

（３）橋脚のように柱の断面寸法が大きい場合でも、適用が可能である。

（４）Ｈ形鋼内側の突起の軸方向間隔を該Ｈ形鋼のウエブ高さの２分の１乗以下にすれば、３軸圧縮応力状態の形成によって、コンクリートの圧縮強度が上昇し、柱の曲げ強度が上昇する。

（５）Ｈ形鋼内側の突起は、Ｈ形鋼のフランジの面外変形を抑制するため、断面方向の２軸圧縮力を上昇させる効果を有している。

（６）内側に突起を付けたＨ形鋼を用いれば、スタッド等のずれ止めを設置しなくても合成効果が得られるため、ずれ止め溶接費が削減でき、経済的である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態を具備する橋梁構造であり、Ｐは、本発明が適用される橋脚、Ｂは、同じく横梁、Ｄは床版、Ｆはフーチング、Ｇは地盤である。

図２は、本発明の実施形態において用いる内リブＨ形鋼３０の構造であり、３０ａはフランジ、３０ｂはウエブ、３０ｃは内リブ（突起）である。

図３は、参考例で用いる内リブＨ形鋼３０を、例えばウェブ中央で切断してＴ形断面形状になったもの３０’にするための切断方法である。

図５は、参考例を具備する形鋼を用いた柱であり、図４は、図５のコンクリート打設前状態である。即ち、内リブＨ形鋼３０を例えばウェブ３０ｂ中央で切断してＴ形断面形状になったもの３０’を、内リブＨ形鋼３０の例えばウェブ３０ｂ中央両側に溶接し、これをコンクリート３４で被覆して成る。図において、Ｗは溶接線である。

図７は、本発明の実施形態を具備する形鋼を用いた柱であり、図６は、図７のコンクリート打設前の状態である。即ち、内リブＨ形鋼３０の片側のフランジ３０ａ端部を、Ｈ形鋼３０の軸方向に沿って隣り合う内リブＨ形鋼３０の片側のフランジ３０ａ端部に溶接して、フランジ３０ａで閉じた四角形閉断面Ａを形成する。その後、周囲に帯鉄筋３２を巻き付け、これらをコンクリート３４で被覆して成る。

図９は、他の参考例を具備する形鋼を用いた柱であり、図８は、図９のコンクリート打設前の状態である。即ち、内リブＨ形鋼３０の片側のフランジ３０ａ端部を、Ｈ形鋼３０の軸方向に沿って隣り合う内リブＨ形鋼３０の片側のフランジ３０ａ端部に溶接して、フランジ３０ａで閉じた四角形断面Ａを形成する。その後、内リブＨ形鋼３０の隣り合うもう一方のフランジ３０ａ同士を、Ｌ形状に加工した鋼板３６を介して溶接によって繋いだ後、鋼断面の内側にコンクリート３４を充填して成る。

本発明を構真柱等の基礎杭に用いる場合には、場所打ち杭の芯材として杭径に応じて先に述べた断面構成の鉄骨支柱を用い、現場打ちコンクリートで被覆することにより掘削土量を必要以上に大きくすることなく施工が可能となる。

なお、突起はリブに限定されず、ウエブの切断位置や、ウエブ両側への接合位置も、ウエブ中央に限定されない。

本実施の形態に係る橋梁の諸元については、柱の断面形状や大きさに応じて種々異なるが、図９の参考例の構成における寸法の一例を示せば、次の通りである。

内リブＨ形鋼３０の断面寸法は６００ｍｍｘ３００ｍｍｘ１２ｍｍｘ２５ｍｍで、長さは１２ｍである。内リブ３０ｃの寸法は、高さが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、幅が高さの１倍から５倍である。内リブ３０ｃの間隔は幅の４倍以下である。併設する内リブＨ形鋼３０の間隔は６００ｍｍである。Ｌ形状に加工した鋼板３６の板厚は２５ｍｍである。従って、柱の断面は、１．５ｍ×１．５ｍとなる。

本発明の実施形態を具備する橋梁構造を示す斜視図本発明の実施形態において用いる内リブＨ形鋼の構造を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図参考例で用いる内リブＨ形鋼の切断方法を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図参考例の形鋼を用いた柱のコンクリート打設前の状態を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図図４のコンクリート打設後の状態を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図本発明による実施形態の形鋼を用いた柱のコンクリート打設前の状態を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図図６のコンクリート打設後の状態を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図他の参考例の形鋼を用いた柱のコンクリート打設前の状態を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図図８のコンクリート打設後の状態を示す、（ａ）正面図及び（ｂ）斜視図本発明の形鋼を用いた柱におけるコンクリートに発生する圧縮応力を示す斜視図従来の形鋼を用いた柱の一例を示す水平断面図従来の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁との接合構造の一例を示す斜視図

符号の説明

Ｄ…床版
Ｂ…梁
Ｐ…形鋼を用いた橋脚（柱）
Ｆ…フーチング
Ｇ…地盤
Ｓ…形鋼
Ｒ…リブ
ｃ…圧縮応力方向
３０…内リブＨ形鋼
３０’…内リブＨ形鋼を切断してＴ形断面形状になったもの
３０ａ…フランジ
３０ｂ…ウエブ
３０ｃ…内リブ
３２…帯鉄筋
３４…コンクリート
３６…鋼板
Ｗ…溶接線
Ａ…閉断面

Claims

互いに接合されたフランジで閉じた矩形断面が形成されるよう、隣り合う片側のフランジ端部同士が接合された、内側に突起を付けた３本以上のＨ形鋼と、その周囲に巻きつけられた帯状筋と、これらを被覆するコンクリートと、を備えたことを特徴とする、形鋼を用いた柱状構造体。
断面強軸方向に配置するＨ形鋼のウェブ高さをｄ１、断面弱軸方向に配置するＨ形綱のウェブ高さをｄ２としたとき、突起の軸方向間隔が（ｄ１^２＋ｄ２^２）の１／２乗以下であることを特徴とする請求項１に記載の形鋼を用いた柱状構造体。
請求項１又は２に記載の柱状構造体を備えたことを特徴とする橋脚。
請求項１又は２に記載の柱状構造体を用いたことを特徴とする、構真柱を含む基礎杭。
フランジの内側に突起を付けたＨ形鋼の片側のフランジ端部を、Ｈ形鋼の軸方向に沿って隣り合うフランジ内側に突起を付けたＨ形鋼の片側のフランジ端部に溶接して、フランジで閉じた矩形断面を形成し、その周囲に帯状筋を巻き付け、これらをコンクリートで被覆することを特徴とする、形鋼を用いた柱状構造体又は橋脚又は基礎杭の製作方法。