JP6457886B2 - 杭頭ピン接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、建物の地中部に埋設された基礎杭の杭頭と上部構造物を接合するための杭頭ピン接合構造に関するものである。

従来の建物では、基礎杭と上部構造物の接合が剛接合となっているため、杭頭接合部は軸力とせん断力に加えて曲げ応力も伝達される構造となっていた。このため、基礎杭と上部構造物との間で曲げ応力が伝達する接合部では、接合境界部分に作用する曲げ応力に抵抗するために接合部および周辺の部材断面を大きくする必要があった。しかしながら、基礎杭と上部構造物との接合部および周辺の部材断面を大きくすると、コンクリートや鋼材等の資材の使用量が増え、工期も延長することから建設コストの高騰を招くことが懸念されている。

このような背景から、基礎杭の杭頭と上部構造物間の固定度を低減させて、杭および基礎梁などの上部構造の断面を縮小させる機構がこれまでに提案されてきた。例えば、杭頭の固定度低減機構として、接合部分の断面を絞るなどして、相対的に接合部剛性を低減させることが提案されている（特許文献１）。

この提案の杭頭接合構造では、基礎杭の上端に断面縮小部が設けられ、基礎杭と上部構造とを半剛接合させるのに必要な杭頭固定度になるように設定されているとともに、柱には、杭上部に設けられた基礎構造体が接合されている。このような構造を備えることにより、接合部は軸力とせん断力を伝達しながら、曲げ応力が伝達しにくい、ピンに近い構造としている。

しかしながら、特許文献１に記載された杭頭接合構造のように、ピンに近い構造では、上部構造物との接合部および周辺の部材断面が相対的に絞られているものの、実際にはある程度の曲げ応力を負担している。このため、構造設計でピンとみなすことはできない。

また、杭頭部に球座を取り付けることで、ほとんど回転抵抗が生じない杭頭接合構造も提案されている（特許文献２）。

この場合には、凹型接合部材と凸型接合部材との２部材で構成されており、凸型接合部材の先端が凹型部材内面中央で接触している杭頭接合装置として構成されている。

しかしながら、特許文献２に記載された杭頭接合装置のように、杭頭部に球座を用いた方法では、特殊な形状の部品が必要であり、基礎杭と上部構造物が緊結されていないため、緊結機能を有する他の接合機構と併用する必要が指摘される。

さらに、杭頭部に曲率を設けて、特殊な部品を使用することなく杭と上部構造間をピン接合とした技術も提案されている。（特許文献３）
この提案の基礎杭ピン結合構造は、杭頭部に曲率を設け、上部構造との間に変形に追従可能な充填剤を挿入することで、ほとんど回転抵抗が生じないようになっている。ただし、杭頭部分の曲率の施工は現場での精度管理が必要であり、施工の手間が増えることが指摘される。また、杭と上部構造間に緊結用のアンカーボルトが挿入されているため、ある程度の回転抵抗が生じてしまうおそれがある。

特開２００７−０３９９０２号公報 特開２００３−２５３６８８号公報 特開２０１３−１１２９４５号公報

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、基礎杭と上部構造物の部材断面を縮小しながら、特殊な材料や施工方法を用いることなく簡便に、基礎杭と上部構造物との接合部分に生じる曲げ応力を小さくすることのできる杭頭ピン接合構造を提供することを課題とする。

本発明の杭頭ピン接合構造は、建物の地中部に埋設された基礎杭と上部構造物との間に配設する杭頭ピン接合構造であって、せん断耐力を発揮する軸材部と軸剛性を低下させるコイルばね部とからなる複合ばね機構を備え、複合ばね機構の軸材部が基礎杭の杭頭部に挿入配置され、複合ばね機構のコイルばね部が上部構造物の柱下端に設けられたベース板の貫通孔を介して上部構造物の柱内部の空間に挿入配置されて、基礎杭と上部構造物とが接合されていることを特徴とする。

本発明の杭頭ピン接合構造においては、複合ばね機構が、鋼管にらせん状の切り込みを設けてなる鋼管コイルばねであることが好ましい。

また、本発明の杭頭ピン接合構造においては、複合ばね機構が、柱状の鋼材の一部分がコイルばねに置き換えられたものであることが好ましい。

本発明の杭頭ピン接合構造においては、コイルばね部の周囲に緩衝材が配置されていることが好ましい。

本発明の杭頭ピン接合構造においては、複合ばね機構とベース板の接触部に補強用部材または傾斜部材が配置されていることが好ましい。

また、本発明の杭頭ピン接合構造においては、傾斜部材の傾斜面とベース板の貫通孔の内縁部とが密着していることが好ましい。

本発明の杭頭ピン接合構造によれば、基礎杭と上部構造物の部材断面を縮小しながら、特殊な材料や施工方法を用いることなく簡便に、基礎杭と上部構造物との接合部分に生じる曲げ応力を小さくすることのできる杭頭ピン接合構造を提供することが可能となる。

本発明の杭頭ピン接合構造を適用し、既製杭と地中梁を設けない上部構造物とが接合されている構造の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造を適用し、現場造成杭と地中梁を設けない上部構造物とが接合されている構造の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、鋼管コイルばねを用いて基礎杭と上部構造物の柱を直接接合させた場合の概略断面図である。（ａ）は、通常時にける杭頭ピン接合構造を示す概略断面図である。（ｂ）は、上部構造物に地震等による水平力が加わった際の、杭頭ピン接合構造の機構動作状況を示す概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、コイルばね部に鋼管コイルばねを用いた場合の複合ばね機構に作用する力と、複合ばね機構の各部の機能を示す概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、コイルばね部として鋼材の一部をコイルばねに置き換えた場合の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、コイルばね部に特性が異なる複数のばねを用いた場合の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、コイルばね部に折返し接合したばねを用いた場合の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の柱下端のベース板の形状を示した表面図およびＡ−Ａ断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造のベース板接触部に補強用部材を取り付けた場合の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造のベース板接触部に複合ばね機構の動きを滑らかにする傾斜部材を取り付けた場合の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合バネ機構を柱に取り付けたダイアフラム板に溶接接合し、かつ、ベース板接触部に複合ばね機構の動きを滑らかにする傾斜部材を取り付けた場合の概略断面図である。 図１１の要部Ａの拡大図である。図中の矢印は、水平方向の荷重の伝達状態を示している。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合バネ機構を柱に取り付けたダイアフラム板に溶接接合した場合の概略断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構をＨ形断面柱に取り付けた場合の概略断面図およびＢ−Ｂ断面図である。 本発明の杭頭ピン接合構造の柱下端の断面積を減少させた場合の概略断面図である。 地中梁を設けない構造における本発明の杭頭ピン接合構造の地震時の動きを模式的に示した断面図である。（ａ）は、上部構造物と基礎杭とが従来技術の杭頭剛接合によって接合されている場合に、上部構造物の右方向に水平力βが作用した状態を示す概略断面図である。（ｂ）は、上部構造物と基礎杭とが本発明の杭頭ピン接合構造によって接合されている場合に、上部構造物の右方向に水平力βが作用した状態を示す概略断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の杭頭ピン接合構造を適用し、既製杭と地中梁を設けない上部構造物とが接合されている構造の概略断面図である。

図１に例示したように、本発明の杭頭ピン接合構造１は、建物の地中部に埋設された基礎杭２と上部構造物３に配設された、せん断耐力を発揮する軸材部４と軸剛性を低下させるコイルばね部５とからなる複合ばね機構６を備えている。複合ばね機構６の軸材部４は、基礎杭２の杭頭部７に挿入配置され、複合ばね機構６のコイルばね部５が上部構造物３の柱下端８に設けられたベース板９の貫通孔１０を介して上部構造物３の柱内部の空間１１に挿入配置されて、基礎杭２と上部構造物３とを柱１３を介して接合している。このような複合ばね機構６を介して、上部構造物３の荷重が基礎杭２に伝達支持される。

基礎杭２は、地盤中に鉛直に打設された杭であり、例えば、鋼杭、プレストレスト鉄筋コンクリート杭、鋼管被覆コンクリート杭等の既製コンクリート杭のほか、場所打ちコンクリート杭等の現場造成杭等が例示される。図１においては、基礎杭２として、鋼管被覆コンクリート杭を用いており、この鋼管被覆コンクリート杭は、鋼管１９の中空部にコンクリート２０が充填されて、硬化している。また、基礎杭２の杭頭部７は、上部構造物３と接触する表面が平滑に処理されており、複合ばね機構６を配置するための開口部１２が設けられている。

上部構造物３の柱１３は、基礎杭２の断面と比較して小断面の構造体であって、柱１３の中心と基礎杭２の中心とが同一直線上に配置される。柱１３の材料としては、例えば、コンクリート、Ｈ型鋼などの鉄骨等を用いることができる。

柱１３は、柱下端８に後述の複合ばね機構６が配置されるため、複合ばね機構６を挿入可能な柱内部の空間１１を備えている。柱内部の空間１１の大きさや形状は、柱１３の強度が確保される範囲内であれば、何ら制限されるものではない。この柱内部の空間１１には、複合ばね機構６を挿入して、固定するためにコンクリートや接着剤等を充填することができる。このようなコンクリートや接着剤等の充填は、柱内部の空間１１に複合ばね機構６を挿入する前に予め行ってもよいし、複合ばね機構６を挿入した後に行ってもよい。

また、複合ばね機構６のコイルばね部５の周囲に緩衝材１６が配置されていることが好ましい。緩衝材１６は、弾性変形するためコイルばね部５の動きを妨げることがなく、柱内部の空間１１および柱内部の空間１１に充填されたコンクリート等を弾性変形したコイルばね部５による損傷から保護することも可能となる。

緩衝材１６の材料としては、例えば、発泡ウレタン、発泡スチロール等が例示される。

緩衝材１６の形状としては、例えば、管状、柱状、環状等特に制限されず、その大きさは、コイルばね部５を被覆することができれば、特に制限されない。

図１に示すように、基礎杭２として既製コンクリート杭である鋼管被覆コンクリート杭を用いる場合の複合ばね機構６の固定方法としては、例えば、鋼管被覆コンクリート杭の上端に開口部１２を設け、この開口部１２に複合ばね機構６の下端側の軸材部４を挿入後、鋼管被覆コンクリート杭の上端を型枠で囲い、鉄筋を配筋してコンクリートを打設し、複合ばね機構６が突設する杭頭部７を構築する方法等が例示される。

図２は、本発明の杭頭ピン接合構造を適用し、現場造成杭と地中梁を設けない上部構造物とが接合されている構造の概略断面図である。図１に示した実施形態と共通する部分については図中に同一の符号を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、基礎杭２として現場造成杭の場所打ちコンクリート杭を用いる場合の杭頭部７および上部構造物３への複合ばね機構６の固定方法としては、複合ばね機構６の軸材部４の端部にベースを設けてアンカーやスタッド等の固定金具１５を用いて杭頭部７に固定する方法等が例示される。この他にも、例えば、現場造成杭のコンクリート硬化前に、杭頭部７に複合ばね機構６を直接挿入し、コンクリートを硬化させることによって固定する方法や、上記の方法において接着剤を併用することによって固定する方法等が例示される。

なお、杭頭部７と上部構造物３の柱１３を接合させる際には、地中梁を設けずに直接杭頭部７と上部構造物３の柱１３を接合させることができる。また、基礎杭２と上部構造物３の柱１３との間には、地中梁が設けられていてもよい。その場合、地中梁にも杭頭部７と同様に、複合ばね機構６を挿入配置するための開口部１２が設けることができる。

複合ばね機構６は、せん断耐力を発揮する軸材部４と軸剛性を低下させるコイルばね部５で構成されている。複合ばね機構６は、上部構造物３からのせん断力を軸剛性のある軸材部４に負担させて、曲げにより生じる接合部への引き抜き荷重を、軸剛性がほとんどないコイルばね部５に負担させることにより、せん断抵抗を有しつつ、回転抵抗が非常に小さい接合構造を実現している。

図３は、本発明の杭頭ピン接合構造１の複合ばね機構６の一形態であり、鋼管コイルばね６ａを用いて基礎杭２と上部構造物３の柱１３を直接接合させた場合の概略断面図である。（ａ）は、通常時にける杭頭ピン接合構造１を示す概略断面図である。（ｂ）は、上部構造物３に地震等による水平力βが加わった際の、杭頭ピン接合構造１の機構動作状況を示す概略断面図である。図４は、本発明の杭頭ピン接合構造１の複合ばね機構６の一形態であり、コイルばね部５ａに鋼管コイルばね６ａを用いた場合の複合ばね機構に作用する力と、複合ばね機構６の各部の機能を示す概略断面図である。

複合ばね機構６は、例えば図３、４に示すように構造用鋼管にらせん状の切り込みを設けてなる鋼管コイルばね６ａや、後述の図５〜７の例に示すように柱状の鋼材の一部分をコイルばねに置き換えたもの６ｂであってもよい。

図３の例では、鋼管コイルばね６ａは、構造用鋼管にらせん状の切り込みを設けたコイルばね部５ａと、切り込みを設けない軸材部４ａとで構成される。コイルばね部５ａは、図４に示すように、ばねとして機能し、地震の際に大きな水平力βがかかってもコイルばね部５ａを大変形させることによって、軸剛性を大幅に低減することができる。そのため、コイルばね部５ａは、引張力γのみを荷重として負担する。一方、軸材部４ａは、コイルばねとなっていないため、軸材が持つ本来のせん断耐力を発揮することができる。そのため、軸材部４ａは、せん断力αと引張力γの２つの力を荷重として負担する。また、軸材部４ａは、水平力βを杭に伝達することができる。このように、複合ばね機構６は、１つの部材でありながら２つの異なる耐力機構を備えていることを特徴とする。

鋼管コイルばね６ａは、コイルばね部５ａの切り込みピッチと切り込みの周回数を調整することにより、同一断面の鋼管でありながら、軸剛性を任意に調整することが可能である。切込み間隔は鋼管径の０．３〜１．０倍程度、切込み周回数は１〜４回程度であることが好ましい。

また、鋼管コイルばね６ａを用いれば、コイルばね部５ａの切り込みピッチと切り込みの周回数を任意に変化させることが可能であるため、１本の鋼管を材料として複数の特性が異なる鋼管コイルばね６ａを作製することができる。また、図６に示すように、一本の長尺の鋼管において、それぞれ複数の特性が異なるコイルばね部５ｂとコイルばね部５ｃを備えた鋼管コイルばね６ａを作製することも可能である。

上記「複数の特性」の用語は、ばねの有効巻き数、平均コイル径、ばね定数等を含んでいる。

鋼管コイルばね６ａに用いられる鋼管としては、一般的な構造用鋼管が例示される。このように、鋼管コイルばね６ａは、一般の建築物で使用される材料が用いられることによって、材料調達や設計変更が容易であり、簡便かつ迅速な施工が可能となる。

なお、鋼管コイルばね６ａのコイルばね部５ａは、ばねとして働く必要があるため、ばねの動きを拘束することがないよう、周辺部を縁切りしておくことが好ましい。

図５は、本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、コイルばね部５ｂとして、軸材部４ｂである鋼材の一部分をばねに置き換えた場合の概略断面図である。図６は、本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、コイルばね部５ｂ、５ｃにそれぞれ特性が異なる複数のばねを用いた場合の概略断面図である。図７は、本発明の杭頭ピン接合構造の複合ばね機構の一形態であり、コイルばね部５ｄに折返し接合したばねを用いた場合の概略断面図である。

このような柱状の鋼材およびコイルばねに用いられる材料には、一般の建築物で使用される材料が用いられ、特殊な材料を必ずしも必要としない。したがって、材料調達や設計変更および加工が容易であり、簡便かつ迅速な施工が可能となる。

複合ばね機構６は、工場において製造されるため、施工現場で特殊な部材を加工、調整する必要が無く、施工現場での省力化や工期の短縮につながる。また、複合ばね機構６は、予め防錆処理を施しておくことにより、部材の劣化を未然に防ぐことが可能となる。さらに、複合ばね機構６は、建物供用中に特殊な管理を必要としないため、メンテナンスフリーな構造物を提供することができる。そのため、杭頭部７の点検に必要な設備を設ける必要がない。

なお、複合ばね機構６は、せん断降伏させないものとする。また、複合ばね機構６は、軸降伏させてもよい。

図８は、本発明の杭頭ピン接合構造の柱下端のベース板の形状を示した表面図およびＡ−Ａ断面図である。ベース板９は、図８に示すように略正方形の形状を備えた金属板であり、その中心部に複合ばね機構が挿通可能な貫通孔１０が開孔されている。ベース板９の端部および貫通孔１０の内縁部１０ａは、複合ばね機構の滑らかな変形を実現するために、面取りされていてもよいし、逆テーパー面を形成してあってもよい。

貫通孔１０の孔径は、軸材の径に対して通常の施工で許容される程度大きく設定されている。通常の施工誤差としては、例えば、軸材の直径プラス５ｍｍ程度が好ましい。軸材の径に対して大きな径を有するベース板９の貫通孔１０に、複合ばね機構６を挿入することにより、ベース板９と複合ばね機構６との間で相互にガタツキが生じ、設計で想定されるレベルの回転変形を拘束しない構造となる。そして、せん断力を伝達する軸材部４と上部構造物３との間に、通常施工レベルのクリアランスがあることにより、接合部回転変形により引抜力を全てコイルばね部に伝達させることが可能である。

また、ベース板９は、複合ばね機構６のコイルばね部５を柱内部の空間１１から脱落させることを防ぐためのストッパーとしての役割も果たしている。

ベース板９に用いられる材料には、一般の建築物で使用される金属材料が用いられ、特殊な材料を必ずしも必要としない。したがって、材料調達や設計変更および加工が容易であり、簡便かつ迅速な施工が可能となる。また、ベース板９には、予め防錆処理を施しておくことで、部材の劣化を未然に防ぐことが可能となる。

図９は、本発明の杭頭ピン接合構造のベース板接触部に補強用部材を取り付けた場合の概略断面図である。図１０は、本発明の杭頭ピン接合構造のベース板接触部に複合ばね機構の動きを滑らかにする傾斜部材を取り付けた場合の概略断面図である。

ベース板９と複合ばね機構６の接触部には、図９に示すように補強用部材１７が配置されていることが好ましい。補強用部材１７は、ベース板９と複合ばね機構６の接触部を保護することを目的として配置されており、その形状としては、環状のものが好ましい。このような補強用部材１７を配置することにより、軸材部４における支圧強度を向上させることができる。

また、ベース板９と複合ばね機構６の接触部には、図１０に示すように傾斜部材１８が配置されていることが好ましい。傾斜部材１８は、ベース板９と複合ばね機構６の接触部を滑らかに挙動させることを目的として配置されており、その形状としては、一部にテーパー面が形成された環状のものが好ましい。

さらに、図１１に示すように、傾斜部材１８の傾斜面１８ａとベース板９の貫通孔１０の内縁部１０ａとが密着していることが好ましい。すなわち、傾斜部材１８の傾斜面１８ａとベース板９の貫通孔１０の内縁部１０ａとが密着した状態では、図１２に示すように、ベース板９から傾斜部材１８に伝達される荷重は、傾斜部材１８の傾斜面１８ａと平行方向に分力を持つ。この傾斜部材１８の傾斜面１８ａと平行方向の分力は、接触している傾斜部材１８の傾斜面１８ａとベース板９の貫通孔１０の内縁部１０ａとの間に生じる摩擦力を相殺する。このため、図中に矢印で示したように、ベース板９を持ちあげる方向の力が発生し、ベース板９の動きを滑らかにし、しかも、傾斜部材１８の傾斜面１８ａとベース板９の貫通孔１０の内縁部１０ａとの接触面の回転抵抗を減少させることで、前記接触面の固定度を低減させることができる。この場合、ベース板９の貫通孔１０の内縁部１０ａには、逆テーパー面が形成されている必要がある。

図１２においては、傾斜部材１８の傾斜面１８ａは、ベース板９の下面より下方まで延設されているが、必ずしも傾斜面１８ａが、ベース板９の下面より下方まで延設されている必要はなく、ベース板９の下面と傾斜面１８ａの下端が接触している形態も考慮される。

傾斜部材１８の曲率や、傾斜面１８ａの傾斜角などは所望の性能を発揮する限り特に制限されないが、傾斜角が１／３〜１／４程度であることが好ましい。

補強用部材１７や傾斜部材１８に用いられる材料は、一般の建築物で使用される金属材料が用いられ、特殊な材料を必ずしも必要としない。したがって、材料調達や設計変更および加工が容易であり、簡便かつ迅速な施工が可能となる。補強用部材１７や傾斜部材１８は、予め防錆処理をほどこしておくことで、部材の劣化を未然に防ぐことが可能となる。

次に、本発明の杭頭ピン接合構造１における複合ばね機構６の配設方法について詳細に説明する。

まず、従来の基礎杭の施工方法と同様に、支持層まで到達させて地盤内に基礎杭２を構築する。基礎杭２の杭頭部７に開口部１２を形成し、この開口部１２に複合ばね機構６の軸材部４を挿入し、固定する。複合ばね機構６の軸材部４は、既製コンクリート杭の中空部分に挿入後、コンクリートで杭頭部分を構築してもよいし、現場造成杭のコンクリート硬化前に杭頭部７に直接挿入し、後にコンクリートで固定してもよい。

複合ばね機構６の取り付け位置は、杭芯であることが理想であるが、施工誤差やその他納まりの影響により、杭芯からずれた位置であってもよい。

次に、ベース板９に開口した貫通孔１０に、複合ばね機構６のコイルばね部５を挿入する。図１〜３に示す実施形態においては、ベース板９と接触してせん断力が伝達される複合ばね機構６側の接点は、軸材部４であって、コイルばねとなっておらず、軸材本来の形状を維持している必要がある。また、図９〜１１に示す実施形態においては、複合ばね機構６の軸材部４とベース板９が直接接触しておらず、補強部材１７や傾斜部材１８を介して軸材部４にせん断力が伝達される。

ベース板９の貫通孔１０に複合ばね機構６が挿入されることにより、基礎杭２と上部構造物３の柱１３とが緊結される。ベース板９の貫通孔１０への複合ばね機構６の挿入時には、複合ばね機構６に引っ張り荷重を付加し、テンションのかかった状態で挿入することが好ましい。引張荷重を加えることにより、ベース板９の貫通孔１０の内縁部１０ａと傾斜部材１８の傾斜面１８ａとが常に接触した状態となり、施工時の衝撃等により、傾斜部材１８と貫通孔１０の間に隙間が生じるのを防止することができる。そして、ベース板９は、柱下端８に溶接されて取り付けられる。

複合ばね機構６の杭頭部７および上部構造物３への固定方法としては、上記のとおり杭頭部７に設けた開口部１２と上部構造物３の柱内部の空間１１に複合ばね機構６を埋め込む方法の他、例えば、コンクリートや接着剤によって固定させる方法、鋼管端部にベースを設けてアンカーやスタッド等の固定金具１５を用いて固定する方法等が例示される。

また、図１１や図１３に示したように、上部構造物３の柱１３が鉄骨柱である場合、複合ばね機構６の上側の軸材部４をあらかじめダイアフラム板２２と溶接接合し、このダイアフラム板２２と上部構造物３の柱１３とを溶接接合することによって複合ばね機構６を固定してもよい。この場合、複合ばね機構６と上部構造物３の柱１３との固定にはコンクリート２０を必要としないため、ダイアフラム板２２と溶接接合された柱下部２３において、柱内部の空間１１は中空のままである。複合ばね機構６と上部構造物３の柱１３との溶接接合による固定は、通常の鉄骨工事と同等の方法で良いため、特殊な技術を必要とせずに、簡便に複合ばね機構６を固定することが可能である。

さらに、図１４に示したように、上部構造物３の柱１３がＨ形断面柱２４である場合、複合ばね機構６の上側の軸材部４をあらかじめダイアフラム板２２と溶接接合し、このダイアフラム板２２と上部構造物３の柱１３とを溶接接合することによって複合ばね機構６を固定してもよい。この場合、ダイアフラム板２２と溶接接合された柱下部２３において、Ｈ型断面柱２４のウェブ２５の少なくとも一部に切り欠き２６を設け、複合ばね機構６のコイルばね部５が変形可能な空間を確保する必要がある。なお、複合ばね機構６と上部構造物３の柱１３との固定にはコンクリート２０を必要としないため、ダイアフラム板２２と溶接接合された柱内部の空間は、中空のままである。複合ばね機構６と上部構造物３の柱１３との溶接接合による固定は、通常の鉄骨工事と同等の方法で良いため、特殊な技術を必要とせずに、簡便に複合ばね機構６を固定することが可能である。

複合ばね機構６は剛性が小さく、接合部に生じる変形の範囲では大きな荷重を受けない。そのため、図１〜３、９、１０で示すようなコンクリート埋め込み等による簡易な方法での定着が可能である。一方、柱下端８をまとめて工場生産とする場合には、図１１、１３、１４で示すようなダイアフラム板２２へ複合ばね機構６を溶接接合する。この場合、溶接方法は通常の鉄骨工事と同等の方法で良いため、特殊な技術を必要としない。

また、図１５に示したように、柱下端８の接地面積を低減させた場合、上部構造物３の柱１５が軸力を受けた場合に生じる幾何学的な回転抵抗を、さらに減少させることも可能である。

以上のように、本発明の杭頭ピン接合構造１は、複合ばね機構６を用いることによって、簡便な方法で基礎杭２と上部構造物３とを緊結することが可能となる。このような複合ばね機構６を、基礎杭２と上部構造物３との間に配設することによって、地震時等に上部構造物３にかかる曲げ応力による引き抜き荷重を複合ばね機構６に負担させ、せん断力を上部構造物３から基礎杭２に伝達させることが可能となる。また、複合ばね機構６は、変形追従するため軸剛性が低減されており、曲げ応力を杭頭部７に伝達することがない。

複合ばね機構６の許容変形能力は、複合ばね機構６の軸材部４と上部構造物３の柱下端８に設けられたベース板９の貫通孔１０のクリアランスによって決定されるが、通常の施工管理レベルの誤差でも、１／１０ｒａｄ以上確保することができる。

また、１本の基礎杭２と上部構造物３の柱１３に対し、必要に応じて複数の複合ばね機構６を設けてもよい。複合ばね機構６を複数配設することによって、複合ばね機構６が一つの場合と比較して設計自由度が高まり、さらに杭頭部７の損傷を抑制することが可能となる。複合ばね機構６を複数配設する場合には、杭芯を中心として平面視において線対称あるいは点対称となる位置に複合ばね機構６を配設することが好ましい。

次に、本発明の杭頭ピン接合構造１の動作について詳細に説明する。

図１６は、地中梁を設けない構造における本発明の杭頭ピン接合構造１の地震時の動きを模式的に示した断面図である。図１６（ａ）は、上部構造物３と基礎杭２とが従来技術の杭頭剛接合によって接合されている場合に、建物の右方向に水平力βが作用した状態を示す概略断面図である。図１６（ｂ）は、上部構造物３と基礎杭２とが本発明の杭頭ピン接合構造１によって接合されている場合に、上部構造物の右方向に水平力βが作用した状態を示す概略断面図である。

図１６（ａ）は、上部構造物３に地震の発生により左方向から右方向に向かって水平力βが作用した状態を示すが、基礎杭２と上部構造物３の柱１３が剛接合されているため、接合部に杭頭曲げ応力が集中しており、基礎杭２の杭頭部７の損傷が懸念される。また、相対的に左の地盤が硬い場合、図１６（ａ）に示すように、左側の柱１３にかかる柱せん断力α１および杭頭曲げ応力δ１が大きく、右側の柱１３にかかる柱せん断力α２および杭頭曲げ応力δ２は小さくなり、基礎杭２および上部構造物３の柱１３の損傷が左側に偏って集中するおそれがある。

一方、図１６（ｂ）は、本発明の杭頭ピン接合構造１を適用した建物に、地震の発生により左方向から右方向に向かって水平力βが作用した状態を示すが、複合ばね機構６のコイルばね部が変形追従することによって、基礎杭２と上部構造物３の柱１３に曲げ応力がほとんどかからない。そして、図３（ｂ）で示したように、コイルばね部５が伸びることによって、上部構造物３が基礎杭２の杭頭部７から容易に浮き上がり、柱せん断力αおよび曲げ応力δがほとんど作用しないため、基礎杭２と上部構造物３との接合部が破損することはない。

このように、本発明の杭頭ピン接合構造１は、基礎杭２と上部構造物３の接合部分に複合ばね機構６を配設することで、基礎杭２と上部構造物３の接合部分に生じる曲げ応力を限りなく小さくすることができ、基礎杭２および上部構造物３の柱１３の断面積を、杭頭剛接合と比較して安全性が確保された形で合理的に縮小させることが可能となる。

また、本発明の杭頭ピン接合構造１を用いることによって、基礎杭２以下の地中部分と上部構造物３との間の曲げ応力の伝達がなくなるため、例えば、地中梁を設けずに基礎杭２と上部構造物３の柱１３とを直接接合させた建物等でも、部材断面の増加を最小限に抑え、さらに構造設計モデルを簡略化することも可能である。

そして、本発明の杭頭ピン接合構造１は、従来のピン接合構造と比較して、構造設計上のモデルに近い特性を持つため、構造設計モデルとのかい離が少ない建物を実現可能とする。このように、本発明の杭頭ピン接合構造１は、構造設計モデルと同様に建物および基礎への負担の少ない建物が実現できるため、必要な構造性能を維持しつつ、低コストの建物を短い工期で実現することができる。

１ 杭頭ピン接合構造
２ 基礎杭
３ 上部構造物
４、４ａ、４ｂ 軸材部
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ コイルばね部
６ 複合ばね機構
６ａ 鋼管コイルばね
６ｂ 柱状の鋼材の一部分がコイルばねに置き換えられたもの
７ 杭頭部
８ 柱下端
９ ベース板
１０ 貫通孔
１０ａ 内縁部
１１ 柱内部の空間
１２ 開口部
１３ 柱
１４ 基礎
１５ 固定金具
１６ 緩衝材
１７ 補強用の環状部材
１８ 傾斜部材
１８ａ 傾斜面
１９ 鋼管
２０ コンクリート
２１ 地盤面
２２ ダイアフラム板
２３ 柱下端部
２４ Ｈ形断面柱
２５ ウェブ
２６ ウェブ切欠き

Claims (6)

1. 建物の地中部に埋設された基礎杭と上部構造物との間に配設する杭頭ピン接合構造であって、
   せん断耐力を発揮する軸材部と軸剛性を低下させるコイルばね部とからなる複合ばね機構を備え、
   前記複合ばね機構の軸材部が基礎杭の杭頭部に挿入配置され、前記複合ばね機構のコイルばね部が上部構造物の柱下端に設けられたベース板の貫通孔を介して上部構造物の柱内部の空間に挿入配置されて、基礎杭と上部構造物とが接合されていることを特徴とする杭頭ピン接合構造。
2. 前記複合ばね機構が、鋼管にらせん状の切り込みを設けてなる鋼管コイルばねであることを特徴とする請求項１に記載の杭頭ピン接合構造。
3. 前記複合ばね機構が、柱状の鋼材の一部分がコイルばねに置き換えられたものであることを特徴とする請求項１に記載の杭頭ピン接合構造。
4. 前記コイルばね部の周囲に緩衝材が配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の杭頭ピン接合構造。
5. 前記複合ばね機構と前記ベース板の接触部に補強用部材または傾斜部材が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の杭頭ピン接合構造。
6. 前記傾斜部材の傾斜面と前記ベース板の前記貫通孔の内縁部とが密着していることを特徴とする請求項５に記載の杭頭ピン接合構造。

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