JP4989409B2 - 基礎杭構造、既製コンクリート杭、および既製コンクリート杭と鋼管杭の継手金物 - Google Patents

Description

本発明は、既製コンクリート杭（ＰＨＣ杭、ＲＣ杭、ＰＲＣ杭などを含む）と鋼管杭を用いた基礎杭構造、該基礎杭構造に利用可能な既製コンクリート杭および継手金物に関するものである。

近年の基礎杭の高支持力化や設計地震力の大規模化に伴って、設計時に想定される建物からの地震時水平力や地中部での地盤変位が大きくなり、これによって杭体に生じる大きな断面力に耐え得るように耐力の大きな杭体を使用するケースが増えている。

建物の基礎杭には安価であるなどの理由からＰＨＣ杭（遠心力プレストレストコンクリート杭）などの既製コンクリート杭が広く使用されている。ＰＨＣ杭にはプレストレス力が異なるＡ種、Ｂ種、Ｃ種が設定されており、これらが発生する断面力の大きさに応じて使い分けられている。

上述のような環境のもと、特に発生曲げモーメントが大きくなることが多い上杭については、最も耐力の大きなＣ種のＰＨＣ杭でも発生断面力に耐え切れない場合が増加しており、そのような場合には鋼管内部に遠心力コンクリートを打設した高い水平耐力と曲げ耐力を有するＳＣ杭（外殻鋼管付き既製コンクリート杭）が使用されることが多い。

ＳＣ杭は鋼管と高強度コンクリートからなる鋼−コンクリート複合構造であり、用いる鋼管の板厚にもよるが、通常のＰＨＣ杭に比べて十分に大きな曲げ耐力やせん断耐力を有している。また、当然のことながら、同じ鋼管板厚であれば鋼管杭と比較しても大きな曲げ耐力を保有している。

また、ＳＣ杭はＰＨＣ杭と同様に端部に端板が設けられているため、従来のＰＨＣ杭同士の接合と同様に端板同士をつき合せて溶接することなどにより、容易にＰＨＣ杭と接合することができる。

しかし、ＳＣ杭は端板を取り付けた鋼管を予め準備した後に、コンクリートを注入して遠心締固めを行い、養生を行う工程を経て製造されるため、製造に必要な期間が長く、鋼管を用いることから高価なものとなっている。

そのため、鋼管の製造とコンクリートの打設・養生のための時間がとれず製造が間に合わない場合が生じたり、ＳＣ杭を適用することによって基礎杭としてのコストが増加してしまうなどの課題がある。

以上のような問題を解決するために、例えば特許文献１には、大きな耐力を必要とする箇所にＳＣ杭の代わりに鋼管杭を適用し、既製コンクリート杭と鋼管杭の異種杭の接合構造を用いる方法が開示されている。

特開２００３−２３２０３３号公報 実公昭３９−０１８１２６号公報

図５（特許文献２参照）および図６は、従来のＰＨＣ杭（既製コンクリート杭１１）の継手部構造の例を示したもので、上述のように端板１４同士をつき合せて面接触を確保し縁端部を溶接することなどにより接合が行われている。図５および図６において、符合６は溶接部、符号１３は補強バンド、１５はプレストレス導入のためのＰＣ鋼材を示す。

図７に示すように、この従来のＰＨＣ杭の端部構造に対して、そのまま鋼管杭２を接続すると以下のような問題が発生する。

(1) ＰＨＣ杭どうしやＰＨＣ杭とＳＣ杭の接合のように端板１４の面接触とはならず、接合部において断面が急激に変化するため、杭基礎に作用する鉛直荷重や水平荷重の円滑、かつ健全な伝達の観点から課題が残る。すなわち、ＰＨＣ杭部分では厚肉のコンクリートによって分担されている軸力が接合部において肉厚の小さな鋼管に集約されることになるが、このとき、鋼管杭２の接合部付近には単純な軸方向力だけでなく、ＰＨＣ杭（既製コンクリート杭１１）の端板１４からの曲げ応力Ｍが作用するため構造的な弱所となる。

(2) 鋼管端面と端板の間に隙間ができると溶接金属の漏れなどによって溶接不良を引き起こす恐れがあるため、鋼管杭２の端面精度や杭継ぎ時の鉛直精度を厳格に確保する必要があり、現場での溶接の品質確保の観点からの課題が残る。

このような課題に対応するため、前述の特許文献１には以下のような構造が開示されている。すなわち、従来のＰＨＣ杭どうしの接合と同様に現場溶接が行えるように、鋼管杭のＰＨＣ杭と接合する側の端部にも予め同様の端板を設置しておく構造である。

しかし、この構造では上記(2)の課題の解決が図られているが、(1)の課題が解決されない。すなわち、端板１４を介して鋼管杭２端部に作用する図７の曲げモーメントＭを解消することができない（端板が２重となることで剛性が向上し、鋼管杭端部に作用する曲げモーメントを若干緩和する効果を期待できる可能性はあるが、応力伝達が接合部で急激に変化する構造であることに変わりはない）。

この他、鋼管杭のＰＨＣ杭と接合する側の端部に予め補剛材を設置して補強しておく構造などが考えられるが、加工に費用がかかり高価なものとなってしまうこと、さらには上記(2)の課題が解決されないことなどの問題がある。

上記(2)の課題も解決するために、特許文献１の構造にさらに補剛材（鋼管杭と端板の隅角部を補剛材で補強するなど）を設けることも考えられるが、加工が複雑になり、使用材料も増加して非常に高価な構造となってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、既製コンクリート杭からなる基礎杭のうち大きな耐力が要求される箇所に鋼管杭を適用した異種杭からなる継杭構造に関し、押込み・引抜き・曲げによる各応力を円滑、かつ健全に伝達して継手部の耐力が確保でき、かつ現場での溶接作業も従来と同様の方法で実施できる施工性にも優れた基礎杭構造、該基礎杭構造に利用可能な既製コンクリート杭および継手金物を提供することを目的としている。

本願の請求項１に係る基礎杭構造は、既製コンクリート杭と、該既製コンクリート杭よりも曲げ耐力が大きい鋼管杭を接合してなり、前記既製コンクリート杭の鋼管杭と接合する側の端部には、内周面に一段または複数段の８〜１５ｍｍの高さの突起が設けられた軸力伝達用の外周鋼管が設けられていることを特徴とするものである。

ここでいう既製コンクリート杭には、コンクリートが主体となるＰＨＣ杭、ＲＣ杭、ＰＲＣ杭などを含むが、杭全体が鋼−コンクリート複合構造となるＳＣ杭は含まない。

また、基本的には、既製コンクリート杭の上部に鋼管杭を用いる構成が一般的であるが、特にこれに限定するものではなく、地中部に既製コンクリート杭に挟まれる形でもよい。

本発明によれば、接続される既製コンクリート杭と鋼管杭との間の断面急変に対し、既製コンクリート杭の端部に設けられた外周鋼管の内周面に突起を設けたことで、既製コンクリート杭のコンクリート部分で分担されて伝達される荷重が、外周鋼管の内周面に位置する突起を介して次第に外周鋼管側へ移行し、鉛直荷重を鋼管杭へ安定的に伝達することができる。

外周鋼管内周面の突起は、支圧力によって接合部位置での軸力を伝達するのに必要な段数を配置するものとする。

請求項２は、請求項１に係る基礎杭構造において、前記外周鋼管の板厚が前記鋼管杭の板厚以上であることを限定したものである。

本発明は、本来的に既製コンクリート杭と鋼管杭との接合部における断面急変に対処するものであり、外周鋼管の板厚が鋼管杭の板厚より小さいと鉛直荷重の安定的な伝達には不利であることから、請求項２ではコンクリート杭の外周鋼管の板厚を鋼管杭の板厚以上（通常、９ｍｍ以上）に限定している。

なお、従来、既製コンクリート杭の端部には、主として継手部の曲げに対してコンクリート端部を保護し、杭体一般部と同等の継手耐力を確保する目的で、補強バンドが取り付けられている。

しかし、コンクリート杭どうしの接合の場合、端板どうしが面接触するため、この補強バンドは軸力を伝達する機能は必要なく、曲げに対して鉄筋の役割を果たせばよく、板厚１．２〜３．２ｍｍ程度の鋼板、または縞鋼板（チェッカープレート）が用いられ、突起高さも縞鋼板程度の小さいものである。

請求項３は、請求項１または２に係る基礎杭構造において、前記外周鋼管の長さが前記既製コンクリート杭の外径の０．５〜１．５倍であることを限定したものである。

本発明は、断面の急変に対し、応力状態としてはある程度の長さで徐々に軸力伝達するようにしたものであり、既製コンクリート杭の外径Ｄに対し、外周鋼管の長さは０．３Ｄ以上、好ましくは０．５Ｄ以上必要である。また、長過ぎてもコストが嵩むだけであるので、請求項３では０．５〜１．５Ｄとした。

なお、従来の補強バンドの場合、請求項２に関して述べた理由から、その長さも既製コンクリート杭の外径の０．２５〜０．５倍程度と短い。

請求項４は、請求項１、２または３に係る基礎杭構造において、前記既製コンクリート杭の端板を前記外周鋼管の内周面に設け、前記外周鋼管の端部を前記端板位置より突出させてある場合を限定したものである。

本発明における端板は遠心成型による製造上、あるいはＰＣ鋼棒などを固定するために必要な最小限の板厚のものでよい。

端板を軸力伝達用の突起付き外周鋼管の内周面に取り付け、外周鋼管端部を所定長突出させておくことで、従来の鋼管杭と同じ方法で現場周継ぎ溶接を行うことができる。

なお、外周鋼管と端板は、溶接等により一体化されていてもよい。

本願の請求項５に係る既製コンクリート杭は、鋼管杭との接続端部に、前記鋼管杭の板厚以上の板厚で、内周面に一段または複数段の連続するまたは不連続な８〜１５ｍｍの高さの突起を有する軸力伝達用の外周鋼管が設けられていることを特徴とするものである。

この請求項５に係る既製コンクリート杭はそのまま請求項１に係る基礎杭構造に適用することができるものである。

請求項６は、請求項５に係る基礎杭構造において、前記突起が溶接ビードにより形成されていることを限定したものである。

本発明において、既製コンクリート杭のコンクリートの厚さ、確実な軸力伝達機能の確保を考慮すると、外周鋼管の内面には、８〜１５ｍｍ程度の高さの突起を、１００〜２００ｍｍ程度のピッチで設置するのがよい。その場合、突起を溶接ビードで作るのが経済的である。

なお、必要以上に突起が高いとコンクリートの割れなどを誘発する恐れがある。また、ピッチが短いと突起による軸力伝達が一つの突起の支圧耐力が低下し非効率的となり、ピッチが長すぎると外周鋼管が長くなって不経済となる。

本願の請求項７に係る継手金物は、既製コンクリート杭と鋼管杭とを接合するための継手金物であって、前記鋼管杭の板厚以上の板厚で、内周面に一段または複数段の連続するまたは不連続な８〜１５ｍｍの高さの突起を有する軸力伝達用の外周鋼管と、前記既成コンクリート杭の端板とが一体に形成されていることを特徴とするものである。

外周鋼管の長さ、突起の高さ、段数、ピッチ等は、請求項１、請求項３、請求項６に関して述べたことと同様に考えることができるが、必ずしも限定されない。

本発明によれば、既製コンクリート杭と鋼管杭とが接合される断面急変部について、既製コンクリート杭の端部に設けた外周鋼管内周面の突起を介して応力が伝達され、それにより基礎杭に作用する押込み・引抜き・曲げによる各応力を円滑、かつ健全に伝達して継手部の耐力が確保できる。

また、既製コンクリート杭と鋼管杭の接合における現場での溶接作業も従来と同様の方法で実施でき、施工性にも優れる。

また、断面急変部における応力伝達を円滑にするための突起を溶接ビードで形成すれば、効率的であり、製作コストも安価となる。

図１は、本発明の基礎杭構造の全体形状を概略的に示したものであり、先端杭としての従来の一般的な既製コンクリート杭１１の上に、例えば本発明の請求項５に係る既製コンクリート杭１をつなぎ、その上に上杭としての曲げ耐力の大きい鋼管杭２をつなぎ、鋼管杭２の頭部がフーチングなどの基礎に埋め込まれる場合を想定している。

先端杭としての既製コンクリート杭１１は、両端に従来の薄肉の鋼板などからなる補強バンド１３と、端板１４を取り付けたものである。

本発明の既製コンクリート１については、図１に示した例では、下端には従来の既製コンクリート杭１１と同様の補強バンド１３と、端板１４を取り付け、上端には内周面に複数段の突起３ａが設けられた軸力伝達用の外周鋼管３と端板４を取り付けてある。

先端杭としての既製コンクリート杭１１と本発明の既製コンクリート１の接合は、従来の既製コンクリート杭１１同士の接合と同様に、端板１４と端板４同士を突き合わせて溶接接合している。

本発明の既製コンクリート１と鋼管杭１との接合は、この例では端板４より上方に突出させた外周鋼管３の上端と鋼管杭２の下端を突合せ、鋼管同士の溶接として接合している。

図２および図３は、図１の一点鎖線で囲んだＡ部について、それぞれ異なる実施形態を示したものである。

図２は、請求項１〜３に係る発明の一般的構造として示したもので、荷重伝達用の外周鋼管３の端部が端板４の下面に当接し、上側の鋼管杭１の下端を端板４の上面に溶接している。

荷重伝達用の外周鋼管３の内周面には、複数段の突起３ａが設けられている。また、端板４には、ＰＣ鋼材５の端部が定着されている。

図３は、請求項４、７に係る発明の一実施形態を示したもので、荷重伝達用の外周鋼管３の内周面に端板４を設け、外周鋼管３の端部を端板４位置より突出させて突出部３ｂを形成している。

このように、外周鋼管３の端部を所定長突出させて突出部３ｂを形成しておくことで、鋼管杭２との接合に関しては、従来の鋼管杭と同じ方法で現場周継ぎ溶接を行うことができる。

図２の実施形態にも共通するが、軸力伝達は図４に示すように、外周鋼管３の内周面の突起３ａと外周鋼管３で行うため、端板４には構造部材としての機能を期待しなくてよい。従って、端板４は遠心成型による製造上、あるいはＰＣ鋼棒５などを固定するために必要な最小限の板厚のものでよい。

円滑な軸力伝達のための剛性・耐力確保、突起３ａ付近の局所応力に対する耐力確保、鋼管杭２との現場周継溶接という観点からは、外周鋼管３の板厚は、鋼管杭２と同板厚（通常、９ｍｍ以上）、あるいはそれ以上とする。

また、応力状態の急変を避け、ある程度の長さで徐々に軸力伝達すという観点から、外周鋼管３の長さは０．３〜１．５Ｄ程度、より好ましくは０．５〜１．５Ｄ程度とする。

突起３ａに関しては、既製コンクリート杭１のコンクリートの厚さ、確実な軸力伝達機能の確保を考慮すると、８〜１５ｍｍ程度の突起３ａを１００〜２００ｍｍ程度のピッチで設置するのがよく、その場合、溶接ビードで突起３ａを形成するのが経済的である。

必要以上に突起３ａが高いとコンクリートの割れなどを誘発する恐れがある。突起３ａ間のピッチが短いと突起３ａによる軸力伝達が非効率的（一つの突起の支圧耐力が低下する）であり、長過ぎると外周鋼管３が長くなって不経済である。

突起３ａは、支圧力によって接合部位置での軸力を伝達するのに必要な段数を配置する。

本発明の基礎杭構造の全体形状を示す断面図である。 請求項１〜３に係る発明の一実施形態を示す要部の断面図である。 請求項４、７に係る発明の一実施形態を示す要部の断面図である。 本発明における異種杭接合部の応力伝達を示す説明図である。 従来のＰＨＣ杭の接合部を示す立面図（左半分は断面図）である。 従来のＰＨＣ杭の接合部の詳細断面図である。 従来の異種杭接合部の応力伝達を示す説明図である。

符号の説明

１…既製コンクリート杭、２…鋼管杭、３…外周鋼管、３ａ…突起、３ｂ…突出部、４…端板、５…ＰＣ鋼材、６…溶接部、
１１…従来の既製コンクリート杭、１３…補強バンド、１４…端板、１５…ＰＣ鋼材

Claims (7)

1. 既製コンクリート杭と、該既製コンクリート杭よりも曲げ耐力が大きい鋼管杭を接合してなり、前記既製コンクリート杭の鋼管杭と接合する側の端部には、内周面に一段または複数段の８〜１５ｍｍの高さの突起が設けられた軸力伝達用の外周鋼管が設けられていることを特徴とする基礎杭構造。
2. 前記外周鋼管の板厚が前記鋼管杭の板厚以上である請求項１記載の基礎杭構造。
3. 前記外周鋼管の長さが前記既製コンクリート杭の外径の０．５〜１．５倍である請求項１または２記載の基礎杭構造。
4. 前記既製コンクリート杭の端板を前記外周鋼管の内周面に設け、前記外周鋼管の端部を前記端板位置より突出させてある請求項１、２または３記載の基礎杭構造。
5. 鋼管杭との接続端部に、前記鋼管杭の板厚以上の板厚で、内周面に一段または複数段の８〜１５ｍｍの高さの連続するまたは不連続な突起を有する軸力伝達用の外周鋼管が設けられていることを特徴とする既製コンクリート杭。
6. 前記突起が溶接ビードにより形成されている請求項５記載の既製コンクリート杭。
7. 既製コンクリート杭と鋼管杭とを接合するための継手金物であって、前記鋼管杭の板厚以上の板厚で、内周面に一段または複数段の連続するまたは不連続な８〜１５ｍｍの高さの突起を有する軸力伝達用の外周鋼管と、前記既成コンクリート杭の端板とが一体に形成されていることを特徴とする既製コンクリート杭と鋼管杭の継手金物。

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