JP6009778B2 - 鋼製橋脚とコンクリート製杭基礎との接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、立体交差橋、高架橋、高架構造体、一般橋梁、鉄道橋等の地中に打ち込まれたコンクリート製の杭基礎と鋼製の橋脚との接合構造に関するものである。

従来、前記の杭基礎と橋脚の接合は、杭基礎の頂部に設けたフーチングに橋脚の基端部を接合するか（特許文献１）、アンカーボルトにより杭基礎と脚柱を接合するか（特許文献２）、杭基礎に脚柱を埋め込んで接合する（特許文献３）、ことにより行われていた。

しかしながら、特許文献１に記載されたフーチングによる接合構造の場合、型枠工事等、煩雑な現場工事が付随するので工期が長くなる。また、現場施工に広い面積が必要になるのと共に、フーチング形成時のコンクリート打設面積が広いと天候の影響を受けやすくなる。さらに寸法精度の確保が困難である。

また、特許文献２に記載されたアンカーボルトによる接合構造の場合も、煩雑な現場工事が付随するので工期が長くなるという問題や、寸法精度の確保が困難であるという問題がある。

また、特許文献３に記載された杭基礎に脚柱を埋め込む接合構造の場合、杭基礎を施工した後の脚柱を設置する前に、埋め込み部の鉄筋かごやソケット鋼管を施工する必要があるので、施工手順が煩雑となり、工期が長くなる。

そこで、出願人は、上記従来の接合構造にあった問題点を解決すべく、他社と共願で、現場工事に必要な面積が狭くてすみ、施工工期を短縮できて工事費の削減が図れ、十分な接合部の耐力を確保できる接合部構造を提案した（特許文献４）。

しかしながら、特許文献４で提案した鋼製橋脚とコンクリート製杭基礎との接合構造は、その接合部で断面が急変するので、断面の急変部で応力が集中することが懸念される。また、橋梁の上部工に作用する水平荷重によって生じたせん断力により鋼部材とコンクリートとの剥離も懸念される。

特開平９−７１９４９号公報 特開２０００−２９１１４６号公報 特開２００１−３４８８８７号公報 特許第４６９１６９０号公報

本発明が解決しようとする問題点は、出願人が特許文献４で提案した接合構造では、鋼製橋脚の基部とコンクリート製杭基礎との接合部で応力が集中することが懸念され、また、鋼部材とコンクリートとの剥離も懸念されるという点である。

本発明の鋼製橋脚とコンクリート製杭基礎との接合構造は、
鋼製橋脚の基部とコンクリート製杭基礎との接合部における応力集中と、鋼部材とコンクリートとの剥離を抑制するために、
コンクリート製杭基礎の杭頭と、筒状の鋼製橋脚との接合構造であって、
前記杭頭に直接又は据え付け台板を介して着座させるべく、前記橋脚の基部に連続形成した、多数のずれ止め孔を有する外板と、
この外板の外周側に前記杭頭から突出させた接合用鉄筋と、
この接合用鉄筋の突出方向と同方向に長手方向がくるように、前記外板の外周面に交互に突出させた複数の第１の孔あき鋼板及び第２の孔あき鋼板と、
前記外板及び前記接合用鉄筋に外嵌され、外板を外周側に延長させた延長部を介して外板と連結固定される筒状の鋼殻を備え、
前記第２の孔あき鋼板は前記第１の孔あき鋼板よりも長手方向の寸法が短く、前記外板の上端部分に設けられており、
前記鋼殻と外板の間に打設する接合用コンクリートが外板の前記ずれ止め孔に入り込むことで杭頭にせん断力を伝達すると共に、第１の孔あき鋼板と第２の孔あき鋼板の孔に接合用コンクリートが入り込むことで橋脚基部と鋼殻間の断面急変による鋼とコンクリート間の応力集中と剥離を抑制するようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明では、橋脚の基部に連続形成した外板の外周面に、杭頭から突出させた接合用鉄筋の突出方向と同方向に長手方向がくるよう、複数の第１の孔あき鋼板及び第２の孔あき鋼板を交互に突出させるので、これら孔あき鋼板の孔に接合用コンクリートが入り込んで、鋼とコンクリートが確実に一体化され、橋脚基部と鋼殻間の断面急変による鋼とコンクリート間の応力集中と剥離を効果的に抑制できる。

本発明では、橋脚基部と鋼殻間の断面急変部における鋼とコンクリートを確実に一体化できるので、前記断面急変による鋼とコンクリート間の応力集中と剥離を効果的に抑制できる。

本発明の鋼製橋脚とコンクリート製杭基礎との接合構造を一部断面して示す斜視図である。 本発明の鋼製橋脚とコンクリート製杭基礎との接合構造を示した図で、（ａ）（ｂ）は側面方向から見た図、（ｃ）（ｄ）は平面方向から見た図で、（ａ）は（ｃ）図のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は（ｃ）図のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）図のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）図のＤ−Ｄ断面図である。 （ｂ）は、（ａ）に示す本発明の基本寸法モデルに（ａ）に示す方向の荷重を載荷させた場合の橋脚からコンクリートに作用する支圧力の分布を示した図、（ｃ）は同じく接合部の上端部におけるコンクリートに作用する支圧応力の分布を示した図である。 本発明の最大寸法モデルにおける図３と同様の図である。 （ｂ）は、（ａ）に示す本発明の基本寸法モデルに鉛直荷重と水平荷重を作用させた場合の接合用コンクリートと外板の剥離が生じる範囲を示した図である。 本発明の最大寸法モデルにおける図５と同様の図である。 鋼製橋脚と杭基礎との特許文献４で提案した接合構造を一部断面して示す斜視図である。 基本寸法モデルにおける接合部長を２．２５mとした以外は、図７に示す接合構造における図３と同様の図である。 図７に示す接合構造における図４と同様の図である。 図７に示す接合構造における図５と同様の図である。 図７に示す接合構造における図６と同様の図である。

本発明では、鋼製橋脚の基部とコンクリート製杭基礎との接合部における応力集中と、鋼部材とコンクリートとの剥離を抑制するという目的を、橋脚の基部に連続形成した外板の外周面に、杭頭から突出させた接合用鉄筋の突出方向と同方向に長手方向がくるよう、複数の第１の孔あき鋼板及び第２の孔あき鋼板を交互に突出させることで実現した。

先ず、本発明の鋼製橋脚とコンクリート製杭基礎との接合構造の説明に先立ち、本発明の基礎となる、出願人が特許文献４で提案した接合構造について図７を用いて簡単に説明する。

１は地中に打ち込まれたコンクリート製の円柱状の杭基礎、２はこの杭基礎１の杭頭１ａに、例えば直接着座させた状態で接合する鋼製の角筒状の橋脚であり、その基部に多数のずれ止め孔２ａａを有する外板２ａを連続して形成している。

３は前記外板２ａの外周側に前記杭頭１ａから突出させた接合用鉄筋であり、この接合用鉄筋３及び前記外板２の外側に円筒状の鋼殻４を外嵌状に配置している。この鋼殻４は、前記外板２ａを外周側に延長させた延長部２ａｂを介して外板２ａと連結固定され、外板２ａと一体化される。以下、延長部２ａｂを有する外板２ａを表すときにはフランジ２ａと、延長部２ａｂを有さない外板２ａを表すときにはウェブ２ａという。

上記構成の接合構造では、前記鋼殻４と外板２ａの間に接合用コンクリート５を打設すれば、外板２ａの前記ずれ止め孔２ａａに接合用コンクリート５が入り込むことで、杭頭１ａにせん断力を伝達することができる。

発明者らの３次元ＦＥＭ解析によれば、前記構造の接合部では、支配的な断面力である曲げモーメントの伝達は、多数のずれ止め孔２ａａを有する外板２ａが７０％近くを受け持っており、この外板２ａが荷重の伝達に支配的な役割を担っていることを確認できた。

この図７に示した接合構造に、鉛直荷重として４１２８kN、水平荷重として９９２kNの力を作用させた場合の支圧力の分布を図８に、鉛直荷重として７５６８kN、水平荷重として２４１４kNの力を作用させた場合の支圧力の分布を図９に示す。

図８（ａ）は外径が３mの円筒状の杭基礎１と、外形寸法が１．５m×２．１mの角筒状の橋脚２を、橋脚２の基部に連続形成した外板２ａ部（フランジ２ａの厚さは２２mm、ウェブ２ａの厚さは２４mm）で接合した場合（接合部長は２．２５m。以下、基本寸法モデルという。）の解析結果である。なお、解析に使用した円筒状の鋼殻４は外径が３．３m、厚さは１０mmで、外板２ａには直径が７０mmのずれ止め孔２ａａを３６４個設けたものとした。

また、図９（ａ）は外径が４mの円柱状の杭基礎１と、外形寸法が２．７５m×２．７５mの角筒状の橋脚２を、橋脚２の基部に連続形成した外板２ａ部（フランジ２ａの厚さ、ウェブ２ａの厚さは共に２１mm）で接合した場合（接合部長は４．１２５m。以下、最大寸法モデルという。）の解析結果である。なお、解析に使用した円筒状の鋼殻４は外径が４．５m、厚さは１０mmで、外板２ａには直径が７０mmのずれ止め孔を６２４個設けたものとした。

これら、図８（ｂ），図９（ｂ）より、支圧力は接合部の上端部分、具体的には接合部長の２０〜３０％程度の範囲で分布していることが分かる。また、図８（ｃ），図９（ｃ）より、コンクリートの支圧応力は接合部の上端部分の両側に応力集中が発生していることがわかる。この支圧力により生じる接合用コンクリート５の応力は、許容値内ではあるものの、部材の照査法を考える上で、無視できない値となっていることも分かる。

この図７に示した接合構造に、図８（ａ），図９（ａ）と同じ力を作用させた場合の、荷重載荷側の外板２ａと接合用コンクリート５の剥離量を図１０（ｂ），図１１（ｂ）に示す。

図１０（ｂ），図１１（ｂ）より、基本寸法モデル、最大寸法モデルのいずれの場合も、接合部の上端部分、具体的には接合部長の３０％程度の範囲で、外板２ａと接合用コンクリート５の剥離が生じていることが分かる。

つまり、図７に示した接合構造の場合、接合部内において橋脚２から作用するせん断力を接合部上部の局部的な支圧力で全て伝達しているため、発明者らは、前記せん断力を、前記外板２ａから接合用コンクリート５を介して杭基礎１にスムーズに伝達する構造について検討し、以下の発明を成立させた。

すなわち、本発明は、図７の前記接合構造において、図１及び図２に示すように、接合用鉄筋３の突出方向と同方向に長手方向がくるように、前記外板２ａの外周面の接合部分に、例えば直径が７０mmの孔６ａを１８個、２列に設けた第１の孔あき鋼板６を複数枚、並列に突出させて溶接している。

加えて、本発明では、前記第１の孔あき鋼板６の間に、例えば直径が７０mmの孔７ａを５個、１列に設けた第２の孔あき鋼板７を、外板２ａの上端部分における接合部長の２０〜３０％程度の範囲に、並列に突出させて溶接している。

このような本発明の接合構造では、第１の孔あき鋼板６と第２の孔あき鋼板７の孔６ａ，７ａに接合用コンクリート５が入り込むことで橋脚２の基部と鋼殻４の間の断面急変による鋼とコンクリート間の応力集中と剥離を抑制することができる。

ちなみに、図１，２に示す構成の本発明の接合構造に、基本寸法モデルにおける接合部長を２．７mとした以外は、図８（ｂ），図９（ｂ）と同じ条件の解析を行った結果を図３（ｂ），図４（ｂ）に示す。図３（ｂ），図４（ｂ）より明らかなように、接合部の上端部分の支圧力が低減されていることが分かる。

また、図３（ｃ），図４（ｃ）より、接合コンクリート５に作用する支圧応力は、接合部の上端部分の両側において、第１の孔あき鋼板６及び第２の孔あき鋼板７を設けない図８（ｃ），図９（ｃ）に比べて５５％程度低減されており、許容値に対しても十分小さいことが分かる。

また、図１，２に示す構成の本発明の接合構造に、図１０（ｂ），図１１（ｂ）と同じ条件の解析を行った結果を図５（ｂ），図６（ｂ）に示す。図５（ｂ），図６（ｂ）より明らかなように、外板２ａと接合用コンクリート５の剥離量は、図１０（ｂ），図１１（ｂ）に比べて６０％程度低減されており、ほとんど剥離が生じていないことが分かる。

本発明は、前記の例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、図１及び図２に示した例では、円柱状の杭基礎１の杭頭１ａに角筒状の橋脚２を直接着座させた状態で接合したものについて説明したが、据え付け台板を介して接合しても良い。

また、第１の孔あき鋼板６と第２の孔あき鋼板７の形状、大きさ、数や、その孔６ａ，７ａの形状、大きさは、杭基礎１や橋脚２の形状、大きさによって適宜決定するもので、図１，２に示した例に限られるものではない。

また、本発明の基礎となる接合部構造は、図７に示したものに限られず、特許文献４に記載された範囲内であれば良い。

例えば鋼殻４は杭基礎１の杭頭１ａの頂面より下方まで外嵌したものでなく、杭頭１ａの頂面まで外嵌したものでも良い。また、杭基礎は円柱状でなくても角柱状でも良い。但し、この場合は鋼殻４も角筒状とする。また、橋脚２も角筒状でなくても円筒状でも良い。

１ 杭基礎
１ａ 杭頭
２ 橋脚
２ａ 外板
２ａａ ずれ止め孔
２ａｂ 延長部
３ 接合用鉄筋
４ 鋼殻
５ 接合用コンクリート
６ 第１の孔あき鋼板
６ａ 孔
７ 第２の孔あき鋼板
７ａ 孔

Claims (1)

1. コンクリート製杭基礎の杭頭と、筒状の鋼製橋脚との接合構造であって、
   前記杭頭に直接又は据え付け台板を介して着座させるべく、前記橋脚の基部に連続形成した、多数のずれ止め孔を有する外板と、
   この外板の外周側に前記杭頭から突出させた接合用鉄筋と、
   この接合用鉄筋の突出方向と同方向に長手方向がくるように、前記外板の外周面に交互に突出させた複数の第１の孔あき鋼板及び第２の孔あき鋼板と、
   前記外板及び前記接合用鉄筋に外嵌され、外板を外周側に延長させた延長部を介して外板と連結固定される筒状の鋼殻を備え、
   前記第２の孔あき鋼板は前記第１の孔あき鋼板よりも長手方向の寸法が短く、前記外板の上端部分に設けられており、
   前記鋼殻と外板の間に打設する接合用コンクリートが外板の前記ずれ止め孔に入り込むことで杭頭にせん断力を伝達すると共に、第１の孔あき鋼板と第２の孔あき鋼板の孔に接合用コンクリートが入り込むことで橋脚基部と鋼殻間の断面急変による鋼とコンクリート間の応力集中と剥離を抑制するようにしたことを特徴とする鋼製橋脚とコンクリート製杭基礎との接合構造。