JP6541255B2 - 杭の設計方法および構造物の支持構造 - Google Patents

Description

この発明は、杭の設計方法、および同設計方法に基づく構造物の支持構造の技術分野に属する。

構造物は基礎を介して複数の杭により支持されており、杭は所要の間隔をあけて規則的に配置されている。
構造物（特には矩形構造物）から受ける地震時等の水平力（荷重）が作用したときに生じる曲げモーメントやせん断力は、外周部、特には四隅部に配置された杭が最も大きいことが知られている。これに伴い、外周部や四隅部に配置した杭が破損・損傷して支持性能を損なう虞があることも知られている。

また、オフィスビルなどでは、オフィスやロビーとして用いられる部分は広々とした空間を確保するために壁を減らす一方で、エレベータなどを一箇所に集めたコア部に壁が集中し、剛性の高い要素となる。よって、当該コア部に配置された杭に、構造物から受ける地震時等の水平力が集中することも知られている。

例えば、特許文献１には、同文献１の図１に示したように、上部構造物１の荷重を基礎２を介して地盤に伝える杭群のうち、上部構造物１の外周隅部（四隅部）に対応（配置）した杭３ａのさらに外側に、主として水平力のみを支持するせん断力負担杭４を配置した発明が開示されている（請求項１等参照）。
この発明によると、前記せん断力負担杭４の分担効果により、地震時等に四隅部に配置した杭３ａに入力するせん断応力を低減でき、ひいては四隅部に配置した杭の破損・損傷を抑制することができる。

特許文献２には、大規模建物を多数の小径杭で支持する群杭建物の杭頭免震工法であって、同文献２の図２に示したように、矩形建物５の４隅近傍に敷設される杭７のみに免震処置を施した発明が開示されている（請求項１、２等参照）。
この発明によると、矩形建物５の４隅近傍に敷設される杭７のみに免震処置を施すので、当該杭７に入力するエネルギー（せん断応力）を効果的に低減でき、当該杭７、ひいては全体の杭群の破壊を抑制することができる。

ところで、本出願人は、ＰＨＣ杭と、ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とを、独特の手法により一体化してなる鋼管被覆高強度コンクリート杭（合成杭）を開発した（特許文献３参照）。この鋼管被覆高強度コンクリート杭は、本出願人によるここ数年にわたる実験をはじめとする各種の検討により、軸応力と、曲げ応力及びせん断応力との役割分担を明確化できるだけでなく、ＰＨＣ杭と比し、水平耐力と変形性能が非常に優れていることが明らかになった。

特開平１１−２９３６８６号公報 特開２０００−２９１０２５号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１４７６９０号公報

上記特許文献１、２は、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい杭（例えば四隅部に配置した杭）に対してせん断力負担杭（補助杭）や免震装置を設置し、当該水平力の入力を低減することを狙いとした技術である点で共通する。
しかし、このような技術は、せん断力負担杭や免震装置を新たに導入するための諸費用が非常に嵩み不経済であることに加え、施工手間を勘案すると大変煩わしい。

本発明の目的は、前記したような構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい杭に対して当該水平力の入力を低減するという技術的思想に対し、真逆の技術的思想、即ち、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい杭に、水平耐力と変形性能に優れた鋼管被覆高強度コンクリート杭を用い、さらに前記水平力を集中（入力）させるという逆転の発想に基づく技術的思想を導入することにより、当該杭、ひいては杭全体の支持性能の健全性を合理的かつ効果的に保持することができる、杭の設計方法および構造物の支持構造を提供することにある。
本発明の次の目的は、せん断力負担杭や免震装置を用いることのない、経済性に優れた杭の設計方法および構造物の支持構造を提供することにある。

上記背景技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る杭の設計方法は、構造物を支持する複数の杭のうち、他の杭よりも水平耐力と変形性能が大きい鋼管被覆高強度コンクリート杭を、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位である構造物の四隅部、又は外周部、又はコア部に配置すること、
前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を剛性が大きくなるように基礎と接合して当該杭にさらに構造物から受ける地震時等の水平力を集中させる構成とし、前記他の杭には構造物から受ける地震時等の水平力を集中させる構成としないことにより、前記他の杭の負担を軽減させた杭設計を行うこと、
前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を剛性が大きくなるように基礎と接合する手段は、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の外殻を形成する鋼管の外周に平鋼板を介して定着鉄筋を接合することにより仮想鉄筋コンクリート断面を大きくすること、又は前記基礎の下部にフーチング等の杭頭埋込部を設け当該杭頭埋込部に前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を杭径以上の深さ埋め込むこと、又は前記鋼管被覆高強度コンクリート杭周辺の地盤を地盤改良し当該杭のみかけの剛性を大きくして基礎と接合すること、を特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した杭の設計方法において、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭は、ＰＨＣ杭と、ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とからなり、前記鋼管は、その上端部が構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合される構成で、その下端部が前記ＰＨＣ杭と縁切りしており、前記充填材は、前記鋼管に曲げ変形が生じても当該鋼管の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭よりも強度及び剛性が小さい材料とすることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載した杭の設計方法において、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭は、既製の鋼管被覆高強度コンクリート杭とすることを特徴とする。

請求項４に記載した発明は、請求項１〜３のいずれか一に記載した杭の設計方法において、前記他の杭は、ＰＨＣ杭であることを特徴とする。

請求項５に記載した発明に係る構造物の支持構造は、前記請求項１〜４のいずれか一に記載した杭の設計方法に基づいて、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭と前記他の杭とで基礎を介して構造物を支持していることを特徴とする。

本発明に係る杭の設計方法および構造物の支持構造によれば、以下の効果を奏する。
（１）鋼管被覆高強度コンクリート杭は水平耐力および変形性能に非常に優れているので、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位に設置し、さらに、当該杭（杭頭部）に構造物から受ける地震時等の水平力を集中させる手段を導入することができ、仮に震度６強〜７クラスの極稀に発生する大地震（極稀地震）が発生した場合であっても脆性破壊することなく塑性変形し、構造物から受ける地震時等の水平力を負担し続けることができる。より詳しく言えば、周知のとおり、当該杭の設置部位に応じて前記水平力の大きさは異なるが、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭はいずれの部位に設置されていたとしても、塑性変形の程度に差こそあれ、構造物から受ける地震時等の水平力に対し、水平耐力を維持して負担し続けることができる。
よって、その分、他の杭（ＰＨＣ杭等の既製コンクリート杭）の荷重負担を軽減した杭設計が可能となる。
例えば、構造物を支持する杭をすべてＰＨＣ杭で実施した場合と比し、相対的に他の杭が負担する水平力等の荷重を低減化できるので、他の杭の損傷を未然に防止できる（又は最小限に止めることができる）。杭頭接合部（基礎）の配筋を簡素化することもできる。他の杭を基礎へ半剛接合する等の技術導入も容易に可能となる。
まとめると、構造物を支持する杭全体の支持性能の健全性を合理的かつ効果的に保持することができる、杭の設計方法および構造物の支持構造を実現することができる。
（２）本出願人が行った実験、解析によれば、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭は、大きな水平力により杭体に大きな曲げモーメントが発生しても、鋼管の強度で抵抗できること、また、鋼管が降伏して変形が大きくなる非線形状態になったときにも、鋼管の損傷はあるが、その内部のＰＨＣ杭は損傷しないか、極めて軽微であることが分かった。変形性能が優れていると云われているＳＣ杭（外殻鋼管付きコンクリート杭）よりも変形性能が優れていることが分かった。
このように、鋼管被覆高強度コンクリート杭は、その内部のＰＨＣ杭が専ら建物荷重（軸応力）を負担する特性を備えた構成であるが故に、構造物を地震時あるいは地震後にも安全に支持することができる。また、事後的にＰＨＣ杭を補修する等の修復作業を行うことなく再利用できるので、せん断力負担杭や免震装置を用いる必要のない点も勘案すると、非常に経済的な杭の設計方法をおよび構造物の支持構造を実現することができる。

Ａ〜Ｃはそれぞれ、本発明に係る杭の設計方法に基づいて配置した杭を概略的に示した杭伏図（平面図）である。 Ａ、Ｂはそれぞれ、本発明に係る杭の設計方法に基づいて配置した杭を概略的に示した杭伏図である。 Ａ、Ｂはそれぞれ、本発明に係る杭の設計方法に基づいて配置した杭を概略的に示す杭伏図である。 Ａは、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭を示した立断面図であり、Ｂは、ＡのＢ−Ｂ線矢視断面図であり、Ｃは、当該杭の平面図である。 Ａは、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭の異なる実施例を示した立断面図であり、Ｂは、ＡのＢ−Ｂ線矢視断面図であり、Ｃは、当該杭の平面図である。 Ａは、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭と定着鉄筋との接合状態を概略的に示した立面図であり、Ｂは、同定着鉄筋を拡大して示した立面図であり、Ｃは、Ａの一部を拡大して示した平面図である。 Ａは、定着鉄筋を直接溶接接合した場合の鋼管被覆高強度コンクリート杭の仮想鉄筋コンクリート断面を示した概略図であり、Ｂは、図６にかかる鋼管被覆高強度コンクリート杭の仮想鉄筋コンクリート断面を示した概略図である。 図６にかかる鋼管被覆高強度コンクリート杭の異なる実施例の仮想鉄筋コンクリート断面を示した概略図である。 Ａは、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭と定着鉄筋との接合状態のバリエーションを概略的に示した立面図であり、Ｂは、同定着鉄筋を拡大して示した立面図であり、Ｃは、Ａの一部を拡大して示した平面図である。 Ａ、Ｂはそれぞれ、鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を剛性が大きくなるように基礎と接合する手段の一例を示した概略図である。 Ａは、鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を剛性が大きくなるように基礎と接合する手段の一例を概略的に示した立断面図であり、Ｂは、同平面図である。 本出願人が解析した既製の鋼管被覆高強度コンクリート杭（ＳＰＨＣ杭と表記）とＰＨＣ杭について、変形挙動（Ｍ−Φ関係）を対比して示したグラフである。なお、本出願人は、軸力作用下でのＭ−Φ関係、Ｑ−Ｒ関係、Ｍ−δ関係等について対比したグラフも種々保有しているが、出願図面上クリアに表れないので割愛する。

次に、本発明に係る杭の設計方法および構造物の支持構造の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明に係る杭の設計方法は、図１〜図３に示したように、構造物（上部構造物）を支持する複数の杭のうち、他の杭１１（図中の○印参照）より水平耐力と変形性能が大きい鋼管被覆高強度コンクリート杭１０を構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位（図中の●印参照）に配置し、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭１０の杭頭部１０ａを剛性が大きくなるように基礎１２と接合して当該杭１０にさらに構造物から受ける地震時等の水平力を集中させることにより、他の杭１１の負担を軽減させた杭設計を行うことを特徴とする。
ちなみに、図１〜図３中の●（黒丸）に配置された杭（例えば、図１Ａでは４本）が、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭１０であり、○（白丸）に配置された杭（例えば、図１Ａでは１２本）が、他の杭１１である。

前記鋼管被覆高強度コンクリート杭１０は、現場作業の省力化、天候に左右されない点を考慮し、予め工場等で製造しておき現場へ搬入した既製の鋼管被覆高強度コンクリート杭１０を用いて実施しているが、現場打ちで実施することもできる。
前記他の杭１１は、ＰＨＣ杭が好適に用いられる。
また、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭１０を配置（配設）する構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位とは、構造物（基礎１２）の四隅部（図１Ａ、図２Ａ、図３Ｂ参照）、外周部（図１Ｂ、図２Ｂ）、コア部（図３Ａ参照）、又は図示は省略したが構造物の四隅部（外周部）とコア部との組合せを云う。

要するに、本発明に係る杭の設計方法は、水平耐力と変形性能に優れた鋼管被覆高強度コンクリート杭１０の特性を有効利用するべく、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位に配置する技術的思想に立脚している。
よって、以下、本発明に係る杭の設計方法の特徴点である水平耐力と変形性能に優れた前記鋼管被覆高強度コンクリート杭１０の構成について具体的に説明する。

（前記鋼管被覆高強度コンクリート杭についての説明）
前記既製の鋼管被覆高強度コンクリート杭（以下適宜、合成杭と略称する。）１０は、図４に示したように、ＰＨＣ杭１と、ＰＨＣ杭１の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管２と、前記隙間に充填される充填材３とからなる。
前記鋼管２は、その上端部が構造物の基礎１２と水平力を伝達可能に接合され、その下端部が前記ＰＨＣ杭１と縁切りされている。鋼管２の上端部を構造物の基礎１２に水平力を伝達可能に接合する手段は種々あるが、本実施例では、一例として、図６と図７Ｂに示したように、前記鋼管２の上端部の外周面に上方へ突き出す複数の定着鉄筋６をバランスのよい配置（等ピッチ）で溶接接合し、基礎コンクリートを打設して、鋼管２の上端部と構造物の基礎１２とを接合している。
前記充填材３は、前記鋼管２に曲げ変形が生じても当該鋼管２の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭１よりも強度及び剛性が小さい材料からなる。

ちなみに図４は、合成杭１０を、地盤５からの深さが深い（例えば３０ｍ程度の）支持層Ｓに支持杭として適用する場合の実施例を示している。この場合、前記合成杭１０のＰＨＣ杭１の下方には、通常のＰＨＣ杭１が１本又は複数本継ぎ足されている。前記合成杭１０を構成するＰＨＣ杭１と鋼管２の上端部は同等高さに揃えられ、地盤５の上面から突き出した構成で実施しているがこれに限定されない。その上部に構築される構造物の基礎１２の施工法に応じ、例えば地盤５レベルの高さに揃えて実施することもできる。前記構造物は、低層構造物でも、高層構造物あるいは超高層構造物でもよい。
なお、前記合成杭１０は、その下方にＰＨＣ杭１を継ぎ足して実施する場合であっても、構造設計に応じ、支持層Ｓに到達しない構成で実施する場合もある。

前記合成杭１０を構成する前記ＰＨＣ杭１は、その軸方向両端部にリング状の端板１ａを備えており、大きな鉛直荷重を支持できる１００Ｎ／ｍｍ^２以上の強度（Ｆｃ）を有するものが好適に用いられる。前記ＰＨＣ杭１は、外径（Ｄ）が４００〜１４００ｍｍ程度、長さ（Ｌ）が１０〜２０ｍ程度の大きさが好適とされる。
なお、前記ＰＨＣ杭１の大きさは勿論これに限定されず、支持する構造物の形態、或いは地盤５の性状等に応じて適宜設計変更可能である。

次に、前記合成杭１０を構成する前記鋼管２は、外径（Ｄ）が４２０〜１６００ｍｍ程度、厚さ（ｔ）が９〜２５ｍｍ程度、長さ（Ｌ）が５〜１５ｍ程度の大きさの市販品が好適に用いられる。
具体的に、外径が４００ｍｍ程度のＰＨＣ杭１を用いるときは、外径が４２０〜６００ｍｍ程度の鋼管２を用いることが好ましい。外径が１４００ｍｍ程度のＰＨＣ杭１を用いるときは、外径が１４２０〜１６００ｍｍ程度の鋼管２を用いることが好ましい。要するに、充填材３を充填する隙間（径）を１０〜１００ｍｍ程度確保した同心配置に鋼管２を配設する。
なお、前記鋼管２の長さは、合成杭１０が支持する構造物の形態、或いは構造物に作用する水平力（曲げ応力及びせん断応力）に対し、効果的に抵抗できる長さとされる。目安として、ＰＨＣ杭１の杭径の５倍程度の長さが好ましいとされるが、地盤５の性状に応じて適宜設計変更される。
ただし、前記鋼管２の長さは、前記ＰＨＣ杭１よりも短尺で実施することが好ましい。その理由は、経済的であることは勿論のこと、支持層Ｓまでの深さが深くて通常のＰＨＣ杭１と工場等で製造した合成杭１０とを継ぎ足す必要がある場合、鋼管２が邪魔にならないスムーズな継ぎ足し作業を行い得るからである。
また、充填材３を充填する隙間は、前記１０〜１００ｍｍ程度に限定されるものではなく、当該合成杭１０に作用する水平力（曲げ応力及びせん断応力）の大きさに応じて適宜設計変更される。

次に、前記合成杭１０を構成する前記充填材３は、前記ＰＨＣ杭１の外周面と前記鋼管２の内周面とが形成する隙間に、当該鋼管２のほぼ全長にわたって密実に充填されている。前記充填材３は、前記ＰＨＣ杭１よりも強度及び剛性が低い材料（目安として２０〜５０Ｎ／ｍｍ^２程度の強度）からなる。もちろん、一定の靱性をもち、鋼管２の局部座屈を防止できる程度の強度及び剛性を有する必要もある。
図示例に係る充填材３は、セメントミルクで実施している。その他、モルタル、樹脂モルタル、アスファルトコンクリート、又は相対密度が８０％以上の密詰めの砂でも実施することができる。前記充填材３として塑性性能を有する樹脂モルタルを用いれば、エネルギー吸収材としての機能をさらに期待できる。また、前記密詰めの砂であれば圧縮特性は高く、かつ鋼管２とＰＨＣ杭１の間で発生するせん断応力に対してダイレタンシー効果によって体積圧縮を防ぐこともできる。
その他、これらの充填材３は、充填する隙間の大きさ等に応じて適宜使い分けられる。例えば、１０ｍｍ程度の狭い隙間のときはセメントミルクなどの流動性のよい材料が好適に用いられ、５０ｍｍ程度の広い隙間のときはモルタルが好適に用いられる。
このような材料からなる前記充填材３は、ＰＨＣ杭１の強度及び剛性よりも小さな材質を有することで鋼管２の曲げ応力（曲げモーメント）、及びせん断応力を効果的に吸収し、隣接するＰＨＣ杭１へ伝達し難くする構成を実現できる。また、前記充填材３は、ＰＨＣ杭１よりも剛性（鉛直剛性）が小さいので、構造物の鉛直荷重の大部分をＰＨＣ杭１のみで負担させる構成を実現できる。

図５にかかる合成杭（鋼管被覆高強度コンクリート杭）１０は、図４にかかる合成杭１０と比し、前記鋼管２の上端開口部に、該上端開口部を塞ぐ平板部材２ａが、溶接（全周隅肉溶接）等の接合手段で一体的に接合されている点が相違する。その他の構成および作用効果は、図４にかかる合成杭１０と同一なので同一の符号を付して説明を省略する。

なお、前記合成杭１０のバリエーション、合成杭１０を予め工場等で製造する具体的手法、又は現場で構築する具体的手法等は、既述した前記特許文献３に詳細に示されていることを念のため特記しておく。

上記構成の合成杭（鋼管被覆高強度コンクリート杭）１０は、以下の特性を有する。
（１）鋼管２は、その上端部が構造物の基礎１１と地震等の水平力（短期荷重）を伝達可能に接合され、その下端部がＰＨＣ杭１と縁切りされた構成なので、鋼管２は、該鋼管２自体に生じる摩擦抵抗程度の軸力負担で済み、構造物の軸応力（長期鉛直荷重）の負担は小さい。よって、鋼管２は、前記水平力に起因する曲げ応力とせん断応力を専ら負担する構成にできる。
加えて、ＰＨＣ杭１と鋼管２とが形成する間隙に充填する充填材３の特性、すなわち前記鋼管２に曲げ変形が生じても当該鋼管２の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭１よりも強度及び剛性が小さい材料からなる特性により、前記鋼管２は、局部座屈を生じることなく前記曲げ応力とせん断応力に対して積極的に抵抗できる。
要するに、本発明に係る合成杭１０を構成する鋼管２は、曲げ応力とせん断応力が主体的に作用し、しかも局部座屈が防止されるので、その曲げ性能は十分な靱性性能を有することができる。
（２）一方、構造物の軸応力（長期鉛直荷重）を負担するＰＨＣ杭１については、構造物に前記水平力が発生した場合、前記鋼管２が前記曲げ応力とせん断力に抵抗することに加え、前記充填材３が当該曲げ応力とせん断力のエネルギーを効果的に吸収するので、該鋼管２及び充填材３の内方に位置するＰＨＣ杭１への曲げ応力とせん断力の伝達は小さい。また、前記充填材３は、ＰＨＣ杭１より剛性（鉛直剛性）が小さいので、構造物の鉛直荷重の大部分をＰＨＣ杭１のみで負担させる構成を実現できる。ＰＨＣ杭１は高強度であるから構造物の鉛直荷重を十分に負担できる。
（３）よって、本発明に係る合成杭１０は、軸応力に非常に強いＰＨＣ杭１と、曲げ応力、せん断応力に強い鋼管２のそれぞれの長所を活用した合理的な構造となり、もって、ＰＨＣ杭１は軸応力を専ら負担し、鋼管２は曲げ応力、せん断応力を専ら負担するので、役割分担が明確な合成杭１０を実現できる。
また、前記鋼管２は鉛直荷重に耐える必要がなく、かつ局部座屈を防ぐことができるので、比較的薄い鋼管（市販品）でもその性能を十分に発揮でき、経済的である。
（４）したがって、軸応力と、曲げ応力及びせん断応力との役割分担を明確化できるので、２次設計（保有水平耐力法、時刻歴応答解析）に十分対応できるだけの杭体の性能保証ができるほか、構造物の許容応力度、終局耐力、靱性の評価等の設計上の重要項目も構造設計することができ、低層構造物はもとより、高層構造物又は超高層構造物を好適に支持できる合成杭を実現できる。
（５）さらに、この合成杭１０は、図１２に示したように、ＰＨＣ杭と比し、変形挙動（Ｍ−Φ関係）が大幅に上昇していることから明らかなように、大きな水平耐力（曲げ耐力）を有していることが分かるとともに、大きく変形（曲率）したとしても水平耐力の低下がないこと、すなわち変形性能に非常に優れていることが分かる。

本発明に係る杭の設計方法は、上述した特性を有する合成杭（鋼管被覆高強度コンクリート杭）１０を、単に構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位（図中の●印参照）に配置するだけではなく、前記合成杭１０の杭頭部１０ａを、剛性が大きくなるように基礎１２と接合し、当該杭１０にさらに構造物から受ける地震時等の水平力を集中させる構成を大きな特徴としている。
よって、以下、本発明に係る杭の設計方法の特徴点である前記合成杭１０の杭頭部１０ａを剛性が大きくなるように基礎１２と接合する手段について具体的に説明する。

（合成杭の杭頭部を剛性が大きくなるように基礎と接合する手段についての説明）
図６は、当該手段のバリエーション１を示している。
この手段は、合成杭１０の杭頭部１０ａの剛性を大きくすることにより、さらに構造物から受ける地震時等の水平力を集中させることを目的とする。
具体的に、この手段は、杭頭部１０ａの外殻を形成する鋼管２の外周に定着鉄筋６を直接溶接接合せず、平鋼板７を介して溶接接合している（図７Ｂも合わせて参照）。ここでは、現場作業の省力化を考慮し、図６Ｂに示したように、予め所要の大きさの平鋼板７と定着鉄筋６とを工場等で溶接して一体化したもの必要数準備しておく。そして、現場で前記一体化したものを鋼管２の外周に溶接接合し、全体として所要のピッチでバランスよく配設する。もとより、鋼管２と平鋼板７との接合部は、平鋼板７の鋼管２への当接部を溶接が容易になるように開先をとる等の工夫は適宜行われる。
前記平鋼板７の大きさは、構造設計に応じて適宜設計変更可能であり、例えば、図７Ｂに示したように、同形同大の平鋼板７を用いて実施することもできるし、図８に示したように、幅寸を適宜設計変更した平鋼板７を用いて実施することもできる。
このように、平鋼板７を介して定着鉄筋６を溶接接合してなる杭頭部１０ａ（合成杭１０）によれば、定着鉄筋６を直接溶接した場合と比し、仮想鉄筋コンクリート断面Ｄを大きくできるので（図７Ａと、図７Ｂ又は図８とを対比して参照）、剛性（曲げ抵抗）と強度を大きくすることができ、ひいては構造物から受ける地震時等の水平力をさらに集中させることができるのである。
また、図８にかかる合成杭１０によれば、平鋼板７の幅寸を自在に変更することにより、基礎１２内部に配筋された鉄筋と干渉を生じない柔軟な配筋ができる利点もある。
なお、図９は、平鋼板７の上部を定着鉄筋６が通るように切欠き、該切欠き部内に定着鉄筋６を挿入して位置決めし、片側２箇所ずつ溶接したものである。この図９にかかる定着鉄筋６を備えた合成杭１０によれば、上記各効果に加え、より定着鉄筋６の安定性を高めた実施が可能となる。

図１０は、当該手段のバリエーション２を示している。
この手段は、合成杭１０の杭頭部１０ａの剛性を大きくすることにより、さらに構造物から受ける地震時等の水平力を集中させることを目的とする。
具体的に、この手段は、前記基礎１２の下部にフーチング８等の杭頭埋込部８を設け、当該杭頭埋込部８に前記合成杭１０の杭頭部１０ａを杭径以上の深さ埋め込むことにより、杭頭部１０ａの剛性（曲げ抵抗）と強度を大きくすることができ、ひいては構造物から受ける地震時等の水平力をさらに集中させることができる。

図１１は、当該手段のバリエーション３を示している。
この手段は、地盤からの反力を大きくすることにより、さらに構造物から受ける地震時等の水平力を集中させることを目的とする。
具体的に、この手段は、前記合成杭１０周辺の地盤５を地盤改良９して当該合成杭１０のみかけの剛性を大きくして基礎１２と接合することにより、構造物から受ける地震時等の水平力をさらに集中させることができる。

以上説明したように、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位（図中の●参照）に配置した合成杭１０に対し、前記バリエーション１〜３で記載した手段（合成杭１０の杭頭部１０ａを剛性が大きくなるように基礎１２と接合する手段）を、基礎１２の配筋や地盤性状等に応じて適宜（いずれか１つ、又は複数（最大３つ）の手段を）選択して実施することにより、前記他の杭１１の負担を軽減させた杭設計を行うことができるのである。

したがって、上述した鋼管被覆高強度コンクリート杭（合成杭）１０を用いた杭の設計方法、および同設計方法に基づく構造物の支持構造によれば、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭１０は水平耐力および変形性能に非常に優れているので、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位に設置し、さらに、当該杭１０（杭頭部１０ａ）に構造物から受ける地震時等の水平力を集中させる手段（前記バリエーション１〜３参照）を導入することができ、仮に震度６強〜７クラスの極稀に発生する大地震（極稀地震）が発生した場合であっても脆性破壊することなく塑性変形し、構造物から受ける地震時等の水平力を負担し続けることができる。より詳しく言えば、周知のとおり、当該杭１０の設置部位に応じて前記水平力の大きさは異なるが、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭１０はいずれの部位に設置されていたとしても、塑性変形の程度に差こそあれ、構造物から受ける地震時等の水平力に対し、水平耐力を維持して負担し続けることができる。
よって、その分、他の杭（ＰＨＣ杭等の既製コンクリート杭）１１の荷重負担を軽減した杭設計が可能となる。
例えば、構造物を支持する杭をすべてＰＨＣ杭で実施した場合と比し、相対的に他の杭１１が負担する水平力等の荷重を低減化できるので、他の杭の損傷を未然に防止できる（又は最小限に止めることができる）。杭頭接合部（基礎）の配筋を簡素化することもできる。他の杭を基礎へ半剛接合する等の技術導入も容易に可能となる。
例えば、構造物を支持する杭をすべてＰＨＣ杭で実施した場合と比し、相対的に他の杭１１が負担する水平力等の荷重を低減化できるので、他の杭１１の損傷を未然に防止できる（又は最小限に止めることができる）。杭頭接合部（基礎）の配筋を簡素化することもできる。他の杭１１を基礎１２へ半剛接合する等の技術導入も容易に可能となる。
まとめると、構造物を支持する杭全体の支持性能の健全性を合理的かつ効果的に保持することができる、杭の設計方法および構造物の支持構造を実現することができる。
また、本出願人が行った実験、解析によれば、本発明に係る鋼管被覆高強度コンクリート杭１０は、大きな水平力により杭体に大きな曲げモーメントが発生しても、鋼管２の強度で抵抗できること、また、鋼管２が降伏して変形が大きくなる非線形状態になったときにも、鋼管２の損傷はあるが、その内部のＰＨＣ杭１は損傷しないか、極めて軽微であることが分かった。変形性能が優れていると云われているＳＣ杭（外殻鋼管付きコンクリート杭）よりも変形性能が優れていることが分かった。
このように、鋼管被覆高強度コンクリート杭１０は、その内部のＰＨＣ杭１が専ら建物荷重（軸応力）を負担する特性を備えた構成であるが故に、構造物を地震時あるいは地震後にも安全に支持することができる。また、事後的にＰＨＣ杭１を補修する等の修復作業を行うことなく再利用できるので、せん断力負担杭や免震装置を用いる必要のない点も勘案すると、非常に経済的な杭の設計方法をおよび構造物の支持構造を実現することができる。

以上、実施例を図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の限りではなく、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。

１ ＰＨＣ杭
１ａ 端板
２ 鋼管
２ａ 平板部材
３ 充填材
５ 地盤
６ 定着鉄筋
７ 平鋼板
８ フーチング（杭頭埋込部）
９ 地盤改良体
１０ 鋼管被覆高強度コンクリート杭（合成杭）
１１ 他の杭（ＰＨＣ杭）
１２ 基礎
Ｄ 仮想鉄筋コンクリート断面
Ｓ 支持層

Claims (5)

1. 構造物を支持する複数の杭のうち、他の杭よりも水平耐力と変形性能が大きい鋼管被覆高強度コンクリート杭を、構造物から受ける地震時等の水平力が集中しやすい部位である構造物の四隅部、又は外周部、又はコア部に配置すること、
   前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を剛性が大きくなるように基礎と接合して当該杭にさらに構造物から受ける地震時等の水平力を集中させる構成とし、前記他の杭には構造物から受ける地震時等の水平力を集中させる構成としないことにより、前記他の杭の負担を軽減させた杭設計を行うこと、
   前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を剛性が大きくなるように基礎と接合する手段は、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の外殻を形成する鋼管の外周に平鋼板を介して定着鉄筋を接合することにより仮想鉄筋コンクリート断面を大きくすること、又は前記基礎の下部にフーチング等の杭頭埋込部を設け当該杭頭埋込部に前記鋼管被覆高強度コンクリート杭の杭頭部を杭径以上の深さ埋め込むこと、又は前記鋼管被覆高強度コンクリート杭周辺の地盤を地盤改良し当該杭のみかけの剛性を大きくして基礎と接合すること、
   をそれぞれ特徴とする、杭の設計方法。
2. 前記鋼管被覆高強度コンクリート杭は、ＰＨＣ杭と、ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とからなり、前記鋼管は、その上端部が構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合される構成で、その下端部が前記ＰＨＣ杭と縁切りしており、前記充填材は、前記鋼管に曲げ変形が生じても当該鋼管の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭よりも強度及び剛性が小さい材料とすることを特徴とする、請求項１に記載した杭の設計方法。
3. 前記鋼管被覆高強度コンクリート杭は、既製の鋼管被覆高強度コンクリート杭とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載した杭の設計方法。
4. 前記他の杭は、ＰＨＣ杭であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載した杭の設計方法。
5. 前記請求項１〜４のいずれか一に記載した杭の設計方法に基づいて、前記鋼管被覆高強度コンクリート杭と前記他の杭とで基礎を介して構造物を支持していることを特徴とする、構造物の支持構造。

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