JP6224420B2 - Ｃｆｔ柱とコンクリート底版の接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、CFT柱とコンクリート底版の接続構造に関するものである。

CFT柱(Concrete Filled Steel Tube Column)は鋼管コンクリート柱とも称され、円形や角形の鋼管にコンクリートを充填した柱であり、このCFT柱に鉄骨梁等を組み合わせた構造はCFT造と称されている。 鋼管にコンクリートを充填することによって、鋼管の有している引張特性とコンクリートの有している圧縮特性といったそれぞれの材料特性以上の相乗効果を奏することができ、鉄筋コンクリート造(RC造)や鉄骨鉄筋コンクリート造(SRC造)、鉄骨造(S造)に続く構造として注目されている。なお、このCFT造に関し、CFT柱の構造に関する技術が特許文献１，２に開示されている。

ところで、CFT造において重要な構造として、CFT柱とコンクリート製の底版（コンクリート底版）の接続構造が挙げられる。

このCFT柱とコンクリート底版の従来の接続構造を図８に示す。ここで、図８ａは接続構造の縦断面図であり、図８ｂは図８ａにおけるｂ−ｂ矢視図である。なお、「底版コンクリート」とは、図示例のような基礎スラブのほか、基礎フーチングも含む意味である。

図示する接続構造ＣＳは、コンクリートＣｏが充填された鋼管Ｂの下端に鋼管Ｂの断面よりも大径の平面寸法を有するベース鋼管Ｆが取り付けられてCFT柱Ｃが構成され、このCFT柱Ｃがコンクリート底版Ｓ内に所定長ｓだけ埋設されて構成されている。

このCFT柱Ｃがコンクリート底版Ｓ内に埋設された構造により、CFT柱Ｃに生じた曲げモーメントやせん断力がコンクリート底版Ｓに伝達される。ここで、図示する接続構造ＣＳでは、CFT柱Ｃの側面とコンクリート底版Ｓの付着力が接続強度の主たる要素である。そのため、地震時にCFT柱Ｃの振動（もしくは交番荷重）によってコンクリート底版Ｓの上方領域に局所的に大きな圧縮応力や引張応力が生じた際に、CFT柱Ｃとコンクリート底版Ｓの付着が切れてCFT柱Ｃが滑るような挙動を示し、コンクリート底版Ｓの上方領域にクラック等の損傷を生ぜしめたり、この損傷に起因して内部鉄筋が腐食したり、場合によってはCFT柱Ｃが倒壊に至るといった問題が懸念事項の一つである。

特開２００９−２００６号公報 特開２０１１−２４１６５２号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、接続強度の高いCFT柱とコンクリート底版の接続構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成すべく、本発明によるCFT柱とコンクリート底版の接続構造は、鋼管と鋼管の内部を満たす充填コンクリートとから構成されるCFT柱がコンクリート製の底版に埋め込まれてなる、CFT柱とコンクリート底版の接続構造であって、鋼管の下端には該鋼管の断面積よりも大きな平面積のベース鋼板が設けてあり、鋼管のうち、コンクリート底版に埋め込まれている部分の側面には２以上の突起が設けてある。

本発明の接続構造は、CFT柱を構成するベース鋼板（のCFT柱から側方に突出した部分）による支圧強度やCFT柱を構成する鋼管の側面とコンクリート底版の付着強度を期待できることのほかに、鋼管の側面に設けられた突起とコンクリート底版による付着強度やせん断強度を期待することができ、もって簡易な構造改良にて高い接続強度を有するCFT柱とコンクリート底版の接続構造となっている。

ここで、「突起」には様々な形態が存在する。

突起の形態の一つは、突起がスタッドボルトであり、２以上の段において各段に２以上のスタッドボルトが設けてある形態である。

たとえばCFT柱を構成する鋼管の埋め込み部の側面の任意のレベル位置（段）に９０度ピッチで４つのスタッドボルトが取り付けられ、これがレベルの異なる３つの段に設けられた形態を例示することができる。なお、各段ともに、複数のスタッドボルトが鋼管の側面において放射状に配設されていることにより、鋼管からコンクリート底版への荷重伝達性が良好になるとともに、伝達される荷重が分散していることでコンクリート底版にクラックが生じ難くなる。

ここで、前記２以上の段の各スタッドボルトが、底版内におけるCFT柱の埋め込み長さの中央レベルよりも底版の上方領域に位置しているのが好ましい。

CFT柱に交番荷重が作用した際にコンクリート底版の上方領域には局所的に大きな圧縮応力や引張応力が生じ易いが、スタッドボルトが底版内の上方領域に集中して配設されていることでこれらの応力に対する底版耐力を高めることができ、クラックの発生を抑制することができる。

また、突起の形態の他の一つは、突起が孔開き鋼板であり、孔開き鋼板の孔に鉄筋が貫通した姿勢で固定されている形態である。

孔開き鋼板によってCFT柱とコンクリート底版の付着強度が向上することのほかにも、孔開き鋼板から突出する鉄筋によって引抜きに対するせん断強度が向上し、結果としてCFT柱とコンクリート底版の一体性が向上する。

なお、孔開き鋼板は、縦長で高さ方向に複数の孔が開設され、したがって複数の鉄筋が孔開き鋼板の高さ方向に配設された形態であってもよいし、横長で水平方向に複数の孔が開設され、したがって複数の鉄筋が孔開き鋼板の水平方向に配設された形態であってもよい。

このように多様な形態の突起により、CFT柱とコンクリート底版の一体性が向上し、接続強度の高い接続構造が形成される。

ここで、ベース鋼板に改良を加えて、ベース鋼板に２以上の孔が開設され、各孔に鉄筋が貫通しており、ベース鋼板よりも下方に突出している２以上の鉄筋を第１のフープ筋が包囲している形態であってもよい。なお、この「フープ筋」にはスパイラル筋が含まれる。

CFT柱を構成する鋼管の側面に設けられた突起によるコンクリート底版との一体性向上効果に加えて、ベース鋼板から突出する鉄筋とコンクリート底版との付着強度、さらには、この鉄筋を包囲する第１のフープ筋とコンクリート底版との付着強度により、CFT柱とコンクリート底版との一体性はより一層向上する。

さらに、前記突起よりも上方の領域において、第２のフープ筋がCFT柱を包囲している形態が好ましい。

ここで記載する「上方領域」とは、スタッドボルトをはじめとする各種突起よりも上方の領域や、鋼管に交番荷重が作用した際にクラックが生じ易いコンクリート底版の領域のことを意味している。底版の上方領域において第２のフープ筋がCFT柱を包囲するように埋設されていることにより、クラックの発生し易いコンクリート底版の上方領域における耐クラック性を向上させることができる。

本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造によれば、コンクリート底版に対するCFT柱の埋め込み式の定着構造において、双方の一体性が向上し、コンクリート底版に生じ得るクラックの発生を抑制でき、交番荷重等の載荷によってCFT柱に生じる軸力や曲げモーメント、せん断力等の断面力をコンクリート底版に確実に伝達することができる。

このように、接続強度が高く、CFT柱とコンクリート底版の一体性の高い接続構造は、建築分野における高層ビルは勿論のこと、基礎の規模が一般に大きな橋梁の橋脚等にも好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造によれば、CFT柱を構成するベース鋼板による支圧強度やCFT柱を構成する鋼管とコンクリート底版の付着強度のほかに、鋼管の側面に設けられた突起による付着強度により、高い接続強度を有し、コンクリート底版における耐クラック性に優れたCFT柱とコンクリート底版の接続構造を提供することができる。

本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態１を説明した図であって、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態２を説明した図であって、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態３を説明した縦断面図である。 本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態４を説明した図であって、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態５を説明した図であって、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態６を説明した図であって、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。 （ａ）はCFT柱とコンクリート底版（フーチング）の実物大の1/3寸法の交番載荷実験で使用した試験体の仕様を説明した図であり、（ｂ）は試験体の写真図である。 従来のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態を説明した図であって、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視図である。

以下、図面を参照して、本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態を説明する。なお、図示例は、多様な建築構造物で適用される複数の接続構造のうちの一箇所を抽出して示したものである。

（CFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態１）
図１は本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態１を説明した図であって、図１ａは縦断面図であり、図１ｂは図１ａのｂ−ｂ矢視図である。

図示する接続構造１００は、所定長さのCFT柱１０がコンクリート底版２０に埋設されて構成されている。CFT柱１０は、鋼管１と、鋼管１の下端に溶接等で固定されて鋼管１の断面積よりも大きな平面積を有するベース鋼板３と、鋼管１の内部を満たす充填コンクリート２とから大略構成されている。

鋼管１の側面において、等間隔で離間した３つの高さレベル位置（３つの段）には、各段においてそれぞれ８つのスタッドボルト４（突起）が取り付けられている。なお、スタッドボルト４の設置レベル（段）の数や各段におけるスタッドボルト４の数、スタッドボルト４の長さ等は、所望するCFT柱１０とコンクリート底版２０の接続強度（付着強度、せん断強度等）に応じて適宜設定できる。

スタッドボルト４は鋼管１の側面に溶接にて固定され、スタッドボルト４を備えた鋼管１が現場に搬送され、不図示の架台を介して未だコンクリートが打設されていない底版の鉄筋内に架設される。また、鋼管１内へのコンクリートの充填は、予めコンクリートが充填されたCFT柱１０を現場へ搬入する方法や、現場打設にて鋼管１内にコンクリートを充填してCFT柱を製作する方法がある。

図示する接続構造１００によれば、CFT柱１０を構成するベース鋼板３による支圧強度やCFT柱１０を構成する鋼管１の側面とコンクリート底版２０の付着強度に加えて、鋼管１の側面に設けられたスタッドボルト４とコンクリート底版２０の付着強度により、簡易な構造改良にて高い接続強度を有するCFT柱１０とコンクリート底版２０の接続構造１００となっている。

また、図１ｂで示すようにスタッドボルト４が鋼管１の側面において放射状に配設されていることにより、鋼管１に作用した交番荷重を鋼管１を介してコンクリート底版２０に放射状に分散させながら伝達することができる。この作用により、鋼管１からコンクリート底版２０への荷重伝達性が良好になるとともに、伝達される荷重が分散していることでコンクリート底版２０にクラックが生じ難くなる。

（CFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態２）
図２は本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態２を説明した図であって、図２ａは縦断面図であり、図２ｂは図２ａのｂ−ｂ矢視図である。

同図で示す接続構造１００Ａと図１で示す接続構造１００の相違点は、接続構造１００Ａが最上段のスタッドボルト４よりも上方の領域においてフープ筋５（第２のフープ筋）を鋼管１を包囲する姿勢で備えている点である。なお、図示例は１本のフープ筋５が鋼管１の周囲に配設されている形態であるが、２本以上のフープ筋５が配設されている形態や、２本以上で径の異なるフープ筋が配設されている形態などであってもよい。

CFT柱１０に交番荷重が作用した際にコンクリート底版２０の上方領域には局所的に大きな圧縮応力や引張応力が生じ易い。ここで、「上方領域」とは、スタッドボルト４をはじめとする各種突起よりも上方の領域や、鋼管１に交番荷重が作用した際にクラックが生じ易いコンクリート底版の領域のことを意味している。

コンクリート底版２０の上方領域においてフープ筋５がCFT柱１０を包囲するように埋設されていることにより、クラックの発生し易いコンクリート底版２０の上方領域における耐クラック性を向上させることができる。さらに、既述するようにスタッドボルト４が鋼管１の側面において放射状に配設されていることによる荷重分散効果も相俟って、コンクリート底版２０におけるクラック抑制効果は一層高くなる。

（CFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態３）
図３は本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態３を説明した縦断面図である。

同図で示す接続構造１００Ｂは、３段で各段に複数のスタッドボルト４が配設されている点は図１，２で示す接続構造１００，１００Ａと同様であるが、全てのスタッドボルト４が、鋼管１の埋め込み部分の上方領域であって、この埋め込み部分の埋め込み長t1の半分の長さt2の範囲に集中的に配設されたものである。

既述するように、CFT柱１０Ｂに交番荷重が作用した際にコンクリート底版２０の上方領域には局所的に大きな圧縮応力や引張応力が生じ易いが、スタッドボルト４がコンクリート底版２０内の上方領域に集中して配設されていることでこれらの応力に対する底版耐力を高めることができ、クラックの発生を抑制することができる。さらに、この構成と、スタッドボルト４よりも上方の領域においてフープ筋５を鋼管１を包囲する姿勢で備えている構成が相俟って、より一層高いクラック発生抑制効果を期待することができる。

（CFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態４）
図４は本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態４を説明した図であって、図４ａは縦断面図であり、図４ｂは図４ａのｂ−ｂ矢視図である。

同図で示す接続構造１００Ｃは、その構成要素である鋼管１の側面に、スタッドボルトに代わって縦長の孔開き鋼板４Ａを備えたものであり、図示例はこの孔開き鋼板４Ａを９０度間隔で４箇所備えている。

孔開き鋼板４Ａはその長手方向の３箇所に孔４Ａａを備えており、各孔４Ａａに鉄筋６が挿通され、固定されている。

接続構造１００Ｃによれば、鋼管１とコンクリート底版２０の間の付着強度やベース鋼板３による支圧強度に加えて、孔開き鋼板４Ａとコンクリート底版２０の間の付着強度やせん断強度のほか、鉄筋６によるせん断強度を期待することができ、CFT柱１０Ｃとコンクリート底版２０の一体性が一層向上する。

（CFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態５）
図５は本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態５を説明した図であって、図５ａは縦断面図であり、図５ｂは図５ａのｂ−ｂ矢視図である。

同図で示す接続構造１００Ｄは、その構成要素である鋼管１の側面に、横長の孔開き鋼板４Ｂを備えたものであり、図示例はこの孔開き鋼板４Ｂを９０度間隔で４箇所備えている。

孔開き鋼板４Ｂはその長手方向（水平方向）の２箇所に孔４Ｂａを備えており、各孔４Ｂａに鉄筋６が挿通され、固定されている。

接続構造１００Ｄによれば、接続構造１００Ｃと同様に、鋼管１とコンクリート底版２０の間の付着強度やベース鋼板３による支圧強度に加えて、孔開き鋼板４Ｂとコンクリート底版２０の間の付着強度やせん断強度のほか、鉄筋６によるせん断強度を期待することができ、CFT柱１０Ｄとコンクリート底版２０の一体性が一層向上する。

（CFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態６）
図６は本発明のCFT柱とコンクリート底版の接続構造の実施の形態６を説明した図であって、図６ａは縦断面図であり、図６ｂは図６ａのｂ−ｂ矢視図である。

同図で示す接続構造１００Ｅは、図３で示す接続構造１００Ｂのベース鋼板３に複数の孔３ａを開設し（図示例では周方向に８つ）、各孔３ａに鉄筋７（もしくはスタッドボルト）を挿通させてその一部をベース鋼板３の下方に突出させ、８本の鉄筋７のベース鋼板３から下方へ突出した部分を複数のフープ筋８（第１のフープ筋）で包囲した構成が付加されたCFT柱１０Ｅを備えたものである。なお、この接続構造１００Ｅは、ベース鋼板３より下方の構造に特徴を有するものであり、接続構造１００Ｂ以外の他の接続構造（接続構造１００，１００Ａ等）に対して図示するベース鋼板３より下方の構造を付加した形態であってもよいことは勿論のことである。

接続構造１００Ｅによれば、鋼管１とコンクリート底版２０の間の付着強度やベース鋼板３による支圧強度、スタッドボルト４とコンクリート底版２０の間の付着強度やせん断強度に加えて、ベース鋼板３から突出する鉄筋７とコンクリート底版２０との付着強度、さらには、この鉄筋７を包囲するフープ筋８とコンクリート底版２０との付着強度により、CFT柱１０Ｅとコンクリート底版２０との一体性はより一層向上する。

また、ベース鋼板３から突出する複数の鉄筋７とこれを包囲するフープ筋８によってCFT柱１０Ｅのコンクリート底版２０からの引抜き抵抗力が高められるため、CFT柱１０Ｅのコンクリート底版２０に対する埋め込み長を通常の1D(D:鋼管径)よりも短くすることも可能となる。

［接合構造に対する解析とその結果、および、実験とその結果］
＜解析条件＞
本発明者等は、橋脚柱１本（φ1.0m）とフーチング（4.5m×9.0m×2.0m（厚み））を対象として３次元要素で解析モデルを構成した（フーチングに対する橋脚柱の埋め込み長は1D(D:直径)の1.0m）。異種部材定着部となる鋼管とコンクリートの接触条件に着目し、解析は以下の２ケースで実施することとした。

ケース１は、複合構造標準示方書、土木学会、2009（以下、示方書という）に記載の構造に従って埋込み部の鋼管とコンクリートとの付着は考慮しない構造であり、ケース２は、示方書の構造細目で示されるスタッドボルトの付着効果を検証するために鋼管の側面にスタッドボルトを30 本配置し、軸方向力に抵抗する構造とした。

示方書の照査手法により、応力値を算出して各ケースの応力分布状況を確認し、比較検討をおこなった。ここで、鋼管とフーチングコンクリートの定着部に配置したスタッドボルトはせん断力のみ作用するバネ要素とした。また、拘束条件として、スタッドボルトによる接合部はスタッドボルトのせん断変形によるずれ量を考慮した非線形バネ要素、ベースプレートとフーチングコンクリートの接合部は圧縮側のみ有効となる線形バネ要素とした。また、フーチング側面は自由とし、フーチング基部は杭と地盤側面の抵抗を考慮して線形バネ要素とした。また、材料定数に関し、鋼材のヤング係数は200kN/mm²、コンクリートは28kN/mm²とした。さらに、接合部の断面破壊に対する照査は、曲げモーメントと軸方向力、およびせん断力に対しておこなった。

＜解析結果＞
解析の結果、フーチング上面、鋼管側面、およびベースプレート下面に発生する支圧応力はケース１よりケース２の方が小さくなる結果が得られた。応力分布状況に関しては、スタッドボルトの配置によって応力が分散し、支圧応力が低減する傾向が確認できた。

なお、参考のためにスタッドボルトを60 本配置したケースも別途解析を試みた。その結果、スタッドボルトの本数を増やすことでフーチング上面に発生する圧縮応力がより一層分散される傾向となることが確認できた。しかしながら、応力値で4%程度の差に留まっていたことと施工性を考慮し、鋼管の側面にスタッドボルトを30 本配設した試験体を交番載荷実験に採用することとした。

また、レベル2 地震時の支圧応力を比較した結果、いずれのケースでも平均支圧応力はコンクリート設計強度の30N/mm²以下となって示方書モデルと同様の応力分布をしており、レベル2 地震時の耐荷性能に問題がないことが確認された。なお、本解析において鋼管の埋込み深さは1.0D（D はCFT柱の直径）としているが、埋込み深さは妥当であったと考えられる。

＜実験とその結果＞
上記する解析結果に基づき、本発明者等はCFT柱とコンクリート底版（フーチング）の実物大の1/3寸法の試験体を製作し、交番載荷実験をおこなった。ここで、図７ａは交番載荷実験で使用した試験体の仕様を説明した図であり、図７ｂは試験体の写真図である。

交番載荷実験の結果、スタッドボルトが有効に作用し、荷重分散効果とひび割れ抑制効果によってフーチングにひび割れがほとんど確認されず、スタッドボルトがない場合に比して大きなひび割れ低減効果が期待できることが確認された。なお、このことは、上記する応力解析と同様の結果である。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…鋼管、２…充填コンクリート、３…ベース鋼板、３ａ…孔、４…突起（スタッドボルト）、４Ａ，４Ｂ…孔開き鋼板、４Ａａ，４Ｂａ…孔、５…フープ筋（第２のフープ筋）、６…鉄筋、７…鉄筋（もしくはスタッドボルト）、８…フープ筋（第１のフープ筋）、１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…CFT柱、２０…コンクリート底版、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ…接続構造（CFT柱とコンクリート底版の接続構造）

Claims (4)

1. 鋼管と鋼管の内部を満たす充填コンクリートとから構成されるCFT柱がコンクリート製の底版に埋め込まれてなる、CFT柱とコンクリート底版の接続構造であって、
   鋼管の下端には該鋼管の断面積よりも大きな平面積のベース鋼板が設けてあり、
   鋼管のうち、コンクリート底版に埋め込まれている部分の側面には、２以上の段において各段に２以上のスタッドボルトが設けてあり、
   前記２以上の段の各スタッドボルトが、底版内における鋼管の埋め込み長さの中央レベルよりも底版の上方領域に位置している、CFT柱とコンクリート底版の接続構造。
2. 各段ともに、複数のスタッドボルトが鋼管の側面において放射状に配設されている請求項１に記載のCFT柱とコンクリート底版の接続構造。
3. 前記ベース鋼板には２以上の孔が開設され、各孔に鉄筋が貫通しており、
   ベース鋼板よりも下方に突出している２以上の鉄筋を第１のフープ筋が包囲している請求項１または２に記載のCFT柱とコンクリート底版の接続構造。
4. 前記突起よりも上方の領域において第２のフープ筋が鋼管を包囲している請求項１〜３のいずれかに記載のCFT柱とコンクリート底版の接続構造。

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