JP6719293B2 - 杭基礎の耐震補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、地上の構造物を支える既存の杭基礎に適用される耐震補強構造に関する。

従来、地上の構築物の一つである建築物を支える既存の杭基礎についての耐震補強構造が提案されている（後記特許文献１参照）。この耐震補強構造は、杭基礎を構成するフーチングの周囲にこれを取り巻くように配置され地盤中を下方へ伸びる複数の鋼板を含む。複数の鋼板は、それぞれの頭部において、フーチングに埋め込まれたアンカーボルト及びこれに螺合されるナットからなる複数の接合部材を介してフーチングに固定され、これによりフーチングとの一体化が図られている。この耐震補強構造によれば、地震の発生に伴って地盤中の杭の頭部に水平外力が作用するとき、前記水平外力の作用方向に相対する鋼板が変形し、前記鋼板の変形により、杭が負担すべき前記水平外力が軽減される。

ところで、変形時の前記鋼板は、前記鋼板をフーチングに固定する接合部材に対してフーチングから引き離す力を及ぼす。前記従来の耐震補強構造にあっては、接合部材に対する引き離し力が前記鋼板をフーチングに固定する力を上回ると、前記鋼板がフーチングから分離し、耐震補強の機能を喪失するおそれがある。

特開２０１４−１５２４８１号公報

したがって、本発明の目的は、既存の杭基礎の耐震補強のために設置される鋼板と前記杭基礎を構成するフーチングとの一体性が比較的高い耐震補強構造を提供することにある。

本発明は、地上の構造物を支持するフーチング及び杭を有する既存の杭基礎の耐震補強構造に係り、地盤中に設置され上下方向へ伸びる、前記フーチングの周面に相対する頭部を有する少なくとも１つの鋼板と、前記フーチングの周囲に前記フーチングを取り巻くように形成された、前記フーチングがその周面において接合しまた前記鋼板がその頭部において埋まる場所打ちコンクリート製の鉄筋コンクリート構造体とを含む。

本発明に係る杭基礎の耐震補強構造にあっては、既存の杭基礎を構成するフーチングと地盤中に設置され前記フーチングの周面に部分的に対向する鋼板とが、これらの周囲を取り巻く場所打ちの鉄筋コンクリート構造体を介して一体にされている。本発明によれば、前記杭基礎の杭の頭部に地震による水平外力が作用するとき、地盤の抵抗を受ける前記鋼板が、これと一体をなす前記フーチングを反力支持体として変形する。このとき、前記鋼板が前記水平外力の一部を負担し、前記杭が負担すべき前記水平外力を軽減する。

前記鉄筋コンクリート構造体と前記フーチングとの相互接合及び前記鉄筋コンクリート構造体中への前記鋼板の頭部の埋設は、前記フーチングと前記鋼板との間により堅固な一体化をもたらす。また、前記フーチング及び前記鋼板の頭部の周囲を取り巻く前記鉄筋コンクリート構造体は、地震時における前記鋼板の変形時、前記鋼板の頭部をこれが前記フーチングから放射方向外方へ移動しないように前記鋼板の周囲から抑制する。

本発明にあっては、複数の鋼板を前記フーチングの周方向に互いに間隔をおいて配置することができる。前記鉄筋コンクリート構造体を介しての前記フーチングと前記鋼板との一体性が堅固に保持されることから、前記フーチングの周方向に隣接する鋼板同士の相互連結を必要としない。

前記杭基礎が前記フーチングに接続された基礎梁を有する場合、前記鋼板の上端の高さ位置は任意に定めることができる。

前記鉄筋コンクリート構造体中の鉄筋は、好ましくは、前記フーチング及び前記鋼板の頭部の周囲を取り巻く少なくとも１つの環状の鉄筋からなる。これによれば、前記鉄筋の働きにより、地震時における前記鋼板の頭部の前記フーチングからの放射方向外方への移動がより強固に抑制される。

前記耐震補強構造は、さらに、前記フーチングに埋め込まれたアンカーボルトと該アンカーボルトに螺合されたナットとを含み、前記鋼板がその頭部において前記アンカーボルト及び前記ナットを介して前記フーチングに連結され、また、前記アンカーボルト及び前記ナットが前記鉄筋コンクリート構造体に埋設されている。これによれば、前記フーチングと前記鋼板との一体性をより高めることができる。

本発明の一実施形態に係る杭基礎の耐震補強構造の概略的な部分断面図である。 図１に示す杭基礎の耐震補強構造の概略的な平面図である。 図２の線３−３に沿って得た部分拡大断面図である。

図１を参照すると、地盤Ｅ中に設置された既存の杭基礎１０に適用された本発明の一実施形態に係る耐震補強構造が全体に符号１２で示されている。

図示の杭基礎１０は、地上の構造物の１つである建築物１４を支持する複数のフーチング１６と、各フーチング１６下の杭１８と、複数のフーチング１６を互いに連結する複数の基礎梁２０（図２参照）とを有する。フーチング１６、杭１８及び基礎梁２０はそれぞれ鉄筋コンクリートからなる。杭１８については、これが既製杭及び場所打ち杭のいずれであるか、並びに、支持杭及び摩擦杭のいずれであるかを問わない。また、耐震補強構造１２は、例えば土木構造物である橋梁の橋脚（図示せず）を支える、基礎梁を有しない杭基礎についても適用可能である。

図示の例において、各フーチング１６は正方形の断面形状を有し（図２参照）、また、各基礎梁２０は矩形の断面形状を有する（図３参照）。各基礎梁２０は各フーチング１６の横断面形状である前記正方形の一辺の中点において各フーチング１６に接続されこれに連なっている。

図３に詳細に示すように、耐震補強構造１２は、地盤Ｅ中に設置され地盤Ｅ中を上下方向へ伸びる少なくとも１つ（図示の例においては８つ）の鋼板２２と、各フーチング１６の周囲に該フーチングを取り巻くように形成された場所打ちコンクリート製の鉄筋コンクリート構造体２４とを備える。

８つの鋼板２２はフーチング１６を取り巻く方向である周方向に互いに間隔をおいて配置されている。これらの鋼板２２は、それぞれ、フーチング１６の４つの側面からなる周面１６ａに相対する頭部２２ａを有する。図示の例においては、８つの鋼板２２が２つずつこれらの頭部２２ａにおいてフーチング１６の各側面に相対している。フーチング１６の４つの側面のうち基礎梁２０が連なる側面においては、２つの鋼板２２の頭部２２ａが基礎梁２０の両側に位置する。鋼板２２の長さ寸法は、例えば２〜３ｍとすることができ、地盤Ｅの軟らかさに応じて変更することができる。

鉄筋コンクリート構造体２４は全体に環状を呈する。図示の例において、鉄筋コンクリート構造体２４はその平面で見てフーチング１６の周面１６ａに沿って伸びる矩形の内周面２４ａ及び該内周面の周囲を取り巻く外周面２４ｂ（図２、３参照）を有する。鉄筋コンクリート構造体２４はその内周面２４ａにおいてフーチング１６に接合している。換言すると、フーチング１６がその周面１６ａにおいて鉄筋コンクリート構造体２４に接合している。また、各鋼板２２はその頭部２２ａにおいて鉄筋コンクリート構造体２４中に埋もれている。これにより、フーチング１６と全鋼板２２とが鉄筋コンクリート構造体２４を介して一体にされている。

鉄筋コンクリート構造体２４は、フーチング１６及び鋼板２２の頭部２２ａをこれらの周囲から取り巻く少なくとも１つ（図示の例では３つ）の環状の鉄筋２６（図３）を有する。各鉄筋２６は全体に矩形状を呈し、３つの鉄筋２６は上下方向に互いに間隔をおいて配置されている。

フーチング１６と一体にされた鋼板２２は、建築物１４が地震力Ｆ１（図１参照）を受け、これにより複数の杭１８の頭部１８ａの各々に水平外力Ｆ２（図１参照）が作用するとき、水平外力Ｆ２の作用方向に相対する鋼板２２が、地盤Ｅの抵抗を受けて、フーチング１６の下方に位置する部分、すなわち頭部２２ａを除いた部分において変形する。鋼板２２は前記変形により水平外力Ｆ２の一部である水平外力Ｆ３（図示せず）を負担し、各杭１８が負担すべき水平外力Ｆ２を軽減する。

鋼板２２と一体をなすフーチング１６は反力支持体として鋼板２２の変形を保証する。フーチング１６及び鋼板２２の頭部２２ａを取り巻く鉄筋コンクリート構造体２４は、変形時の鋼板２２の頭部２２ａがフーチング１６の周面１６ａから放射方向外方へ移動しないようにその周囲から拘束する。鉄筋コンクリート構造体２４の環状の鉄筋２６は、この拘束効果をより高める働きをなす。

鋼板２２の配置数量、配置位置等は、建築物１４の形状、大きさ、重量等を考慮して定めることができる。例えば、フーチング１６の断面形状である前記正方形の一辺のみに沿って２つの鋼板２２を設置し、あるいは、前記正方形の互いに相対する２辺のそれぞれに沿って又は互いに隣接する２辺のそれぞれに沿って２つの鋼板２２を設置することができる。

フーチング１６の周方向に隣接する２つの鋼板２２は、鉄筋コンクリート構造体２４を介してフーチング１６に対して強固に固定されている。このため、前記従来における耐震補強構造と異なり、隣接する２つの鋼板２２を相互に連結する必要がなくまた隣接する２つの鋼板２２を鋼板２２相互間に間隔をおいて配置することができる。このことから、各鋼板２２の設置位置は基礎梁２０の下方に制限されない。また、各鋼板２２の上端の高さ位置は任意に定めることができる。各鋼板２２の上端の高さ位置を定めるのに基礎梁２０の影響を受けることはない。図示の例において、各鋼板２２はその上端が各基礎梁２０の上面２０ａ及び下面２０ｂ間（図３参照）に位置するように設置されている。これによれば、各鋼板２２の頭部２２ａとフーチング１６との対向面積をより大きいものとし、各鋼板２２とフーチング１６との一体性をより堅固にすることができる。なお、図上、各鋼板２２の頭部２２ａとフーチング１６との対向面積が最大となる鋼板２２の上端の高さ位置は、各基礎梁２０の上面２０ａの上方に位置するフーチング１６の上面の高さ位置である。

また、フーチング１６の周方向に隣接する鋼板２２同士を連結する前記従来の場合にあっては、相互連結された複数の鋼板の一体化の程度（後記算出式におけるＥＩ）について、設計上、これを評価することが比較的困難であった。これに対し、鋼板２２同士を非連結とする本発明にあっては、各鋼板２２が互いに他の鋼板２２から独立しているため、このような設計上の困難を排除することが可能である。

例えば、各鋼板２２の長さ寸法、許容応力度等については、杭についての変位、曲げモーメント等を求めるための杭の特性値βを算出する式（算出式）β＝（ｋ_ｈＢ／４ＥＩ）^１／４を用いて、比較的容易に算定することが可能である。また、例えば、杭の頭部１８ａにおける曲げモーメントは、地震時において鋼板２２が負担する水平外力Ｆ３及び杭の特性値βを用いて（Ｆ３）／２βとして比較的容易に求めることができ、杭の頭部１８ａにおける水平変位は（Ｆ３）／（ｋ_ｈＢ）として比較的容易に求めることができる。前記算出式においてｋ_ｈは水平地盤反力係数（ｋＮ／ｍ^３）であり、Ｂは杭径（ｍ）であり、ＥＩは杭の曲げ剛性（ｋＮｍ^２）である。前記算出式は、指標βＬ≧２．２５を満たす条件下で適用可能である。ここにおいて、Ｌは杭の長さ（ｍ）を示す。各鋼板２２についての前記算定は、前記算出式における杭径Ｂ、杭の曲げ剛性ＥＩ及び杭の長さＬをそれぞれ鋼板２２の幅寸法、鋼板２２の曲げ剛性及び鋼板２２の長さ寸法に置き換えて行う。

耐震補強構造１２は、さらに、フーチング１６に埋め込まれたアンカーボルトと該アンカーボルトに螺合されたナットとからなる連結具２８を含むものとすることができる。各鋼板２２はその頭部２２ａにおいて連結具２８を介してフーチング１６に連結されている。連結具２８は鉄筋コンクリート構造体２４に埋設されている。これによれば、フーチング１６に対する鋼板２２の一体性がより一層堅固にされる。

なお、鋼板２２同士を非連結とすることにより、鋼板２２をこれが鉛直に伸びるように設置する図示の例に代えて、鋼板２２が傾斜して伸びるように、より詳細には鋼板２２が地中を下方に向けて伸びる間に次第にフーチング１６から離れるように配置することができる。

耐震補強構造１２は、次のようにして構築することができる。

まず、地盤Ｅ中に少なくとも１つの鋼板２２をこれが上下方向へ伸びかつその頭部２２ａがフーチング１６の周面１６ａに相対するように設置する。地盤Ｅ中への鋼板２２の設置は、鋼板２２を地盤Ｅに圧入することにより行うことができる。

次に、フーチング１６の周囲に該フーチングの周面１６ａ及び鋼板２２の頭部２２ａが露出する空間３０（図３）を形成する。図示の例において、空間３０は矩形状の周面に規定されている。

その後、鉄筋コンクリート構造体２４を形成するために、空間３０内にフーチング１６及び鋼板２２の頭部２２ａの周囲を取り巻く少なくとも１つ（図示の例では３つ）の鉄筋２６を配置する。次に、空間３０にコンクリート３２（図３）を打設する。このとき、必要に応じて、空間３０の周面に沿って型枠を設置する。その後、固化後のコンクリート３２上に残る空間３０の一部を、掘削により生じた土砂の一部で埋め戻す。これにより、耐震補強構造１２の形成が完了する。

１０ 杭基礎
１２ 耐震補強構造
１４ 構築物
１６ フーチング
１８ 杭
２０ 基礎梁
２２ 鋼板
２４ 鉄筋コンクリート構造体
２６ 鉄筋
２８ 連結具
３０ 空間
３２ コンクリート

Claims (3)

1. 地上の構造物を支持するフーチング及び杭を有する既存の杭基礎の耐震補強構造であって、
   地盤中に設置され上下方向へ伸びる少なくとも１つの鋼板であって前記フーチングの周面に相対する頭部を有する少なくとも１つの鋼板と、
   前記フーチングの周囲に前記フーチングを取り巻くように形成された、前記フーチングがその周面において接合しまた前記鋼板がその頭部において埋まる場所打ちコンクリート製の鉄筋コンクリート構造体と、
   前記フーチングに埋め込まれたアンカーボルトと該アンカーボルトに螺合されたナットとを含み、
   前記鋼板はその頭部において前記アンカーボルト及び前記ナットを介して前記フーチングに連結され、また、前記アンカーボルト及び前記ナットは前記鉄筋コンクリート構造体に埋設されている、杭基礎の耐震補強構造。
2. 前記少なくとも１つの鋼板は、前記フーチングの周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の鋼板を含む、請求項１に記載の杭基礎の耐震補強構造。
3. 前記鉄筋コンクリート構造体は、前記フーチング及び前記鋼板の頭部の周囲を取り巻く少なくとも１つの環状の鉄筋を有する、請求項１〜２のいずれか１項に記載の杭基礎の耐震補強構造。

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