JP7024948B2 - コンクリート杭及びその設計方法 - Google Patents

Description

本開示は中空のコンクリート杭及びその設計方法に関する。

既製杭の一種である外殻鋼管付きコンクリート杭（ＳＣ杭）は、一般的に、外殻鋼管と、外殻鋼管によって覆われた中空で円筒形状のコンクリートとによって構成されている（例えば特許文献１参照）。
非特許文献１及び２は、ＳＣ杭に軸力が作用している場合のＳＣ杭の曲げ変形性能を報告している。非特許文献２の図１によれば、ＳＣ杭に軸力が作用している場合（Ｎｏ．２～Ｎｏ．７）、軸力が作用していない場合（Ｎｏ．１）に比べ、部材角の増大に伴って杭頭曲げモーメントが急激に小さくなっており、ＳＣ杭の変形性能（靭性）が低下する。これに対し、ＳＣ杭の中空部にセメントミルクやコンクリートを充填材として充填した場合（Ｎｏ．８、Ｎｏ．９）、充填していない場合（Ｎｏ．２～Ｎｏ．７）に比べ、ＳＣ杭の靱性が向上する。具体的には、セメントミルクやコンクリートが充填されたＳＣ杭（Ｎｏ．８、Ｎｏ．９）は、塑性率（降伏時の曲率（部材角）に対する曲率（部材角）の比率）５倍まで最大曲げ耐力の約８割を保持する。

一方、特許文献２は、ＳＣ杭の中空部に、中空の内殻鋼管を配置したＳＣ杭を開示している。当該ＳＣ杭によれば、外殻鋼管の座屈によりコンクリートの外殻鋼管からの剥離、圧壊が発生したとしても、コンクリート片の中空部への移動が防止され、ＳＣ杭の急激な耐力低下が抑制される。

またこの一方で、非特許文献３によれば、鋼管杭においては、局部座屈応力は鋼管の肉厚と半径の比ｔ／ｒに比例するが、比ｔ／ｒが０．０４以上であれば局部座屈は発生しないとされている（非特許文献３の１３７頁）。

特許第５２６５４４７号公報 特開２０１６－２２３２０７号公報

長澤和彦、木谷好伸、後庵満丸、「既製コンクリート杭の曲げ変形性能に関する研究（その１ ＳＣ杭の曲げせん断実験概要）」、日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）２０１６年８月 石川一真、浅井陽一、「既製コンクリート杭の曲げ変形性能に関する研究（その２ ＳＣ杭の曲げせん断実験結果）」、日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）２０１６年８月 「建築耐震設計における保有耐力と変形性能」、日本建築学会、１９９０年

既製杭としてのＳＣ杭を埋込み工法で施工する場合、ＳＣ杭に生じる浮力を低減するために、ＳＣ杭には中空部が必要となる。そのため、非特許文献１及び２が開示するような中空部に充填材が充填された中実のＳＣ杭を埋め込み工法に用いることは難しい。
この点、特許文献２が開示するＳＣ杭によれば、内殻鋼管を設けたことによって中空部を確保することができ、ＳＣ杭を埋め込み工法に容易に適用可能である。

一方、本発明者らが種々検討したところ、特許文献２が開示するＳＣ杭においても、軸力が作用する場合、内殻鋼管が座屈し、コンクリート片の移動を十分に抑制できない場合があることが判明した。
また、ＳＣ杭のみならず、外殻鋼管を備えていないＰＲＣ杭（プレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭）やＰＨＣ杭（プレストレスト高強度コンクリート杭）等のコンクリート杭においても、中実にせずに、靭性を向上させる手段の開発が望まれる。
上述の事情に鑑みて、本発明の目的は、軸力が作用している場合であっても、内殻鋼管の座屈が抑制され、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭を提供することにある。
また、本発明の目的は、軸力が作用している場合であっても、内殻鋼管の座屈が抑制され、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭の設計方法を提供することにある。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るコンクリート杭は、
中空で円筒形状の内殻鋼管と、
前記内殻鋼管の周りに配置され、コンクリートを少なくとも一部に含む円筒形状の杭体と、
中空で円筒形状の外殻鋼管と、を備え、
前記内殻鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内殻鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たし、
前記杭体は、前記外殻鋼管と前記内殻鋼管との間に配置され、前記外殻鋼管の内側に付着しており、
前記外殻鋼管の厚さをｔｓｏとしたときに、次式：
ｔｓｉ≧ｔｓｏ
で示される関係を満たしている。

従来のＳＣ杭では、外殻鋼管の内側のコンクリートが圧縮力を負担するものとして、外殻鋼管の座屈は考慮されてこなかった。このため、外殻鋼管の厚さについては、コンクリートを拘束可能でありさえすればよく、特に問題とはされてこなかった。
この点、特許文献２のＳＣ杭においても、従来と同様、内殻鋼管の座屈については特に考慮されておらず、コンクリート片の移動さえ防止できればよいと考えられていたと思われる。
しかしながら、本発明者らが種々検討を重ねた結果、内殻鋼管が座屈した場合、コンクリート片の移動を十分に抑制できなくなり、当初期待した通りの靱性を得られない場合があることがわかった。
この点、上記構成（１）によれば、内殻鋼管の厚さを外径の０．０２倍以上とすることで、内殻鋼管の局部座屈を抑制することができる。これにより、杭体に含まれるコンクリート片が剥離、圧壊したとしても、コンクリート杭の中空部内へのコンクリート片の移動を抑制することができる。この結果として、上記構成（１）によれば、靭性が従来よりも改善される中空のコンクリート杭を提供することができる。

外殻鋼管を備えている場合、外殻鋼管も厚くすることができれば、外殻鋼管の座屈を抑制することも可能であり、靱性の向上には有効であると考えられる。しかしながら、外殻鋼管の外径は大きいため、局部座屈の抑制に必要な厚さが内殻鋼管に比べ大きく、外殻鋼管を厚くした場合、外殻鋼管の価格が大幅に上昇し、ひいては外殻鋼管付きコンクリート杭の価格が大幅に上昇してしまう。
この点、上記構成（１）によれば、内殻鋼管の厚さを外殻鋼管の厚さ以上とすることで、外殻鋼管付コンクリート杭の靭性を低コストにて向上させることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記杭体は、
前記外殻鋼管の内周面に付着し、コンクリートによって構成された円筒形状のコンクリート部と、
前記内殻鋼管の外周面及び前記コンクリート部の内周面に付着している円筒形状の充填部と、を含む。

上記構成（２）によれば、コンクリート部の内周面に付着している円筒形状の充填部を設けたことにより、内殻鋼管の外径を小さくすることができる。これにより、内殻鋼管の厚さが比較的薄くても、厚さを外径の０．０２倍以上にすることができ、内殻鋼管の局部座屈を抑制することができる。

（３）本発明の少なくとも一実施形態に係るコンクリート杭は、
中空で円筒形状の内殻鋼管と、
前記内殻鋼管の周りに配置され、コンクリートを少なくとも一部に含む円筒形状の杭体と、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を備え、
前記内殻鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内殻鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たし、
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状のコンクリート部と、
前記内殻鋼管の外周面及び前記コンクリート部の内周面に付着している円筒形状の充填部と、を含み、
前記第１補強材は前記コンクリート部の内部に配置され、
前記コンクリート部における前記第１補強材の体積比と降伏点の積は２．４５Ｎ／ｍｍ ^２ より大きい値である。

上記構成（３）によれば、杭体の周方向に延びる第１補強材によって、杭体の外側が補強される。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＨＣ杭等のコンクリート杭が提供される。
そして、上記構成（３）によれば、杭体のコンクリート部における第１補強材の体積比と降伏点の積が２．４５Ｎ／ｍｍ ^２ より大きい値であるので、杭体の外側を確実に補強することができる。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＲＣ杭やＰＨＣ杭等のコンクリート杭が提供される。

（４）幾つかの実施形態では、上記構成（３）において、
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延びる第２補強材を更に備える。

上記構成（４）によれば、杭体の軸線方向に延びる第２補強材によって、曲げ耐力を高めることができ、より高い靱性を有するＰＲＣ杭等のコンクリート杭が提供される。

（５）本発明の少なくとも一実施形態に係るコンクリート杭の設計方法は、
上記構成（１）乃至（４）の何れか１つに記載のコンクリート杭の設計方法であって、
前記コンクリート杭に作用する軸力と終局曲げモーメントとの関係を表すＮＭ曲線を用意する工程を備え、
前記ＮＭ曲線を用意する工程において、
前記コンクリート杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記内殻鋼管の圧縮領域が負担する軸力をＰｓｉとし、
前記内殻鋼管の代わりに前記杭体の内側に所定強度の中詰部が充填されていると仮定した場合に、前記コンクリート杭に前記所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記中詰部の圧縮領域が負担する軸力をＰｃｉとしたときに、
前記軸力Ｐｃｉに対する前記軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて、前記ＮＭ曲線によって規定される前記コンクリート杭の使用可能範囲のうち軸力に関する上限値を設定する。

本発明者らが種々検討したところ、内殻鋼管を有する同一の仕様の外殻鋼管付きコンクリート杭であっても、外殻鋼管付きコンクリート杭に作用する軸力によっては、靱性の低下が抑制されることがわかった。そこで本発明者らは、ＮＭ曲線によって規定される外殻鋼管付きコンクリート杭の使用可能範囲において、軸力に関する上限を設定することに想到した。そして更に、本発明者らが検討を重ねたところ、終局曲げが発生している状態において、内殻鋼管の圧縮領域が負担している軸力Ｐｓｉと、杭体の内側に充填されていると仮定された中詰部の圧縮領域が負担している軸力Ｐｃｉとの比に基づいて、ＮＭ曲線によって規定される外殻鋼管付きコンクリート杭の使用可能範囲における軸力に関する上限値を設定すればよいことを見出し、本発明に想到した。
かくして上記構成（５）によれば、ＮＭ曲線によって規定されるコンクリート杭の使用可能範囲の軸力に関する上限値が、軸力Ｐｃｉに対する軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて設定されているので、コンクリート杭が高い靱性を示す範囲でコンクリート杭を使用可能である。
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係るコンクリート杭の設計方法は、
中空で円筒形状の内殻鋼管と、前記内殻鋼管の周りに配置され、コンクリートを少なくとも一部に含む円筒形状の杭体と、を備え、前記内殻鋼管の外径をＤｓｉとし、前記内殻鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たすコンクリート杭の設計方法であって、
前記コンクリート杭に作用する軸力と終局曲げモーメントとの関係を表すＮＭ曲線を用意する工程を備え、
前記ＮＭ曲線を用意する工程において、
前記コンクリート杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記内殻鋼管の圧縮領域が負担する軸力をＰｓｉとし、
前記内殻鋼管の代わりに前記杭体の内側に所定強度の中詰部が充填されていると仮定した場合に、前記コンクリート杭に前記所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記中詰部の圧縮領域が負担する軸力をＰｃｉとしたときに、
前記軸力Ｐｃｉに対する前記軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて、前記ＮＭ曲線によって規定される前記コンクリート杭の使用可能範囲のうち軸力に関する上限値を設定する。
（７）幾つかの実施形態では、上記構成（６）において、
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を更に備える。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、軸力が作用していても、内殻鋼管の座屈が抑制され、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭が提供される。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、軸力が作用していても、内殻鋼管の座屈が抑制され、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭の設計方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の構成を概略的示す縦断面図である。 図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。 地震時にＳＣ杭の横断面に作用する応力分布を説明するための図である。 （ａ）は、外殻鋼管の歪みと応力度との関係の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、杭体を構成するコンクリート部の歪みと応力度との関係の一例を示すグラフである。 ＳＣ杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに内殻鋼管の圧縮領域が負担している軸力をＰｓｉとしたときに、負担軸力Ｐｓｉを求める方法を説明するための図である。 内殻鋼管の代わりに杭体の内側に中詰部が充填されている仮定状態を示す図２に相当する断面図である。 外殻鋼管付きコンクリート杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに中詰部の圧縮領域が負担している軸力をＰｃｉとしたときに、負担軸力Ｐｃｉを求めるための方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の設計方法を説明するためのＮＭ曲線図である。 実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭の仕様を示す表である。 実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭の仕様を示す表である。 実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭の仕様から求められるＮＭ曲線、及び、正負交番載荷試験の際に加えられる軸力を示すグラフである。 正負交番載荷試験装置により実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭に加えられる水平力及び軸力を説明するための図である。 実施例１のＳＣ杭における、正負交番載荷試験装置により得られた部材角と杭頭発生曲げモーメントＭｏとの関係を示すグラフである。 比較例１のＳＣ杭における、正負交番載荷試験装置により得られた部材角と杭頭発生曲げモーメントＭｏとの関係を示すグラフである。 比較例２のＳＣ杭における、正負交番載荷試験装置により得られた部材角と杭頭発生曲げモーメントＭｏとの関係を示すグラフである。 比較例３のＳＣ杭における、正負交番載荷試験装置により得られた部材角と杭頭発生曲げモーメントＭｏとの関係を示すグラフである。 比較例４のＳＣ杭における、正負交番載荷試験装置により得られた部材角と杭頭発生曲げモーメントＭｏとの関係を示すグラフである。 比較例５のＳＣ杭における、正負交番載荷試験装置により得られた部材角と杭頭発生曲げモーメントＭｏとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の製造方法の概略的な手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の他の一実施形態に係るプレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭（ＰＲＣ杭）の概略的な縦断面図である。 図２０のＸＸＩ－ＸＸＩ線に沿う概略的な断面図である。 図２０に示したＰＲＣ杭に用いられる異形鉄筋、ＰＣ鋼材及びコンクリートにおける歪みと応力度との関係を概略的に示すグラフである。 ＰＲＣ杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに内殻鋼管の圧縮領域が負担している軸力をＰｓｉとしたときに、負担軸力Ｐｓｉを求める方法を説明するための図である。 ＰＲＣ杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに中詰部の圧縮領域が負担している軸力をＰｃｉとしたときに、負担軸力Ｐｃｉを求めるための方法を説明するための図である。 ＰＲＣ杭の製造方法の手順を概略的に示すフローチャートである。 本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である節杭の概略的な縦断面である。 本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である拡径杭（ＳＴ杭）の概略的な縦断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。

図１は、本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭（以下、ＳＣ杭とも称する）１の構成を概略的示す縦断面図である。図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
図１及び図２に示したように、ＳＣ杭１は、外殻鋼管３と、内殻鋼管４と、杭体５とを備える。
外殻鋼管３は、中空で円筒形状を有しており、例えば、ＳＫＫ材によって構成されている。外殻鋼管３は、例えば、３００ｍｍ以上１５００ｍｍ以下の外径Ｄｓｏを有し、外殻鋼管３の外径Ｄｓｏは、ＳＣ杭１の外径Ｄｐに相当する。また、外殻鋼管３は、例えば、４．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の厚さ（板厚）ｔｓｏを有する。外殻鋼管３は、例えば、３２５Ｎ／ｍｍ^２の降伏強度σｓｏｙを有し、２０５０００Ｎ／ｍｍ^２の弾性係数Ｅｓｏを有する。

内殻鋼管４は、中空で円筒形状を有しており、例えば、ＳＴＫ材によって構成されている。内殻鋼管４は、外殻鋼管３の内径よりも小さい外径Ｄｓｉを有し、外殻鋼管３の内側に同心上に配置されている。内殻鋼管４は、例えば、１００ｍｍ以上１２００ｍｍ以下の外径Ｄｓｉを有する。内殻鋼管４は、例えば、３２５Ｎ／ｍｍ^２の降伏強度σｓｉｙを有し、２０５０００Ｎ／ｍｍ^２の弾性係数Ｅｓｉを有する。

杭体５は、外殻鋼管３と内殻鋼管４との間に配置され、円筒形状を有する。杭体５は、外殻鋼管３の内周面及び内殻鋼管４の外周面に付着しており、コンクリートを少なくとも一部に含む。杭体５は、例えば硬化性の材料を硬化させて形成される。

例えば、外殻鋼管３の両端には円環形状の端板７が溶接によって取り付けられ、内殻鋼管４及び杭体５は、外殻鋼管３の軸線方向にて２つの端板７間に渡って延びている。本実施形態では、２つの端板７のうち一方の端板７ｂの内径は他方の端板７ａの内径よりも大きく、内殻鋼管４の一端が、端板７ａの内周部に溶接等で接続されている。端板７ｂの内周部と内殻鋼管４の他端との間には、後述するように充填部９ｂの材料を充填するための開口がある。
なお、充填部９ｂの材料を充填するための開口を端板７や内殻鋼管４に設ける等により、充填部９ｂの材料を充填可能であれば、端板７ａ，７ｂの内径は同一であってもよく、内殻鋼管４の両端が端板７に溶接されていてもよい。
また、外殻鋼管３及び内殻鋼管４の両方に端板７が溶接されていてもよいが、一方のみに溶接され、他方には溶接されていなくてもよい。例えば、外殻鋼管３にのみ端板７が溶接され、内殻鋼管４には端板７が溶接されていなくてもよい。なお、端板７が取り付けられている場合、ＳＣ杭１の長さＬは、端板７の外面間の長さである。ＳＣ杭１は、例えば、２ｍ以上の長さＬを有する。

そして、本実施形態では、内殻鋼管４の厚さ（板厚）をｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ ・・・（１）
で示される関係が満たされている。つまり内殻鋼管４の厚さｔｓｉは外径Ｄｓｉの０．０２倍以上である。

上記構成によれば、内殻鋼管４の厚さｔｓｉを外径Ｄｓｉの０．０２倍以上とすることで、内殻鋼管４の局部座屈を抑制することができる。これにより、杭体５に含まれるコンクリート片が剥離、圧壊したとしても、ＳＣ杭１の中空部内へのコンクリート片の移動を抑制することができる。この結果として、上記構成によれば、靭性が従来よりも改善される中空のＳＣ杭１を提供することができる。

幾つかの実施形態では、外殻鋼管３の厚さｔｓｏ及び内殻鋼管４の厚さｔｓｉは、次式：
ｔｓｉ≧ｔｓｏ ・・・（２）
で示される関係を満たしている。つまり、内殻鋼管４の厚さｔｓｉは外殻鋼管３の厚さｔｓｏ以上である。
外殻鋼管３も厚くすることができれば、外殻鋼管３の座屈を抑制することも可能であり、靱性の向上には有効であると考えられる。しかしながら、外殻鋼管３の外径Ｄｓｏは大きいため、局部座屈の抑制に必要な厚さが内殻鋼管４に比べ大きく、外殻鋼管３を厚くした場合、外殻鋼管３の価格が大幅に上昇し、ひいては外殻鋼管付きコンクリート杭の価格が大幅に上昇してしまう。
この点、上記構成によれば、内殻鋼管４の厚さｔｓｉを外殻鋼管３の厚さｔｓｏ以上とすることで、ＳＣ杭１の靭性を低コストにて向上させることができる。

幾つかの実施形態では、内殻鋼管４の厚さｔｓｉは、次式：
ｔｓｉ≧Ｄｓｉ・σｓｉｙ／（０．０５７・Ｅｓｉ） ・・・（３）
で示される関係を満たす。
なお、式中、σｓｉｙは内殻鋼管４の降伏強度であり、Ｅｓｉは内殻鋼管４の弾性係数である。

ここで、日本建築学会が発行する鋼構造設計指針の６３頁には、円形鋼管の座屈実験によれば、最大耐力時の歪み度εｍａｘと径厚比Ｄ／ｔの関係を与える式として、次式：
εｍａｘ＝０．４４ｔ／Ｄ ・・・（４）
が示されている。
この式に、Ｈ形断面の場合と同様の考えで、εｍａｘ≧８・εｓｉｙ（ただし、εｓｉｙは内殻鋼管４の降伏歪み）を代入すれば、強度的にも変形能力的にも安全である径厚比を与える上式（３）が得られる。
かくして、内殻鋼管４の厚さｔｓｉが式（３）によって示される関係を満足することで、より靱性の高いＳＣ杭１を得ることができる。具体的には、塑性率μｕ＝εｍａｘ／εｓｉｙとすると、式（３）を満たしていれば、塑性率μｕが８．０以上であるＳＣ杭１が得られる。

なお、ＳＣ杭１において、内殻鋼管４の厚さｔｓｉが外径Ｄｓｉの０．０２倍以上であれば、ＳＣ杭１に曲げモーメントが発生しているときに内殻鋼管４の圧縮側の歪みをεｓｉとしたときに、塑性率μ＝εｍａｘ／εｓｉとすれば、塑性率μは３以上となる（μ≧３）。

幾つかの実施形態では、杭体５は、外殻鋼管３の内周面に付着している円筒形状のコンクリート部９ａと、内殻鋼管４の外周面及びコンクリート部９ａの内周面に付着している円筒形状の充填部９ｂと、を含む。

コンクリート部９ａを構成するコンクリートは、遠心圧縮成形により形成され、例えば、８０Ｎ／ｍｍ^２、８５Ｎ／ｍｍ^２、１０５Ｎ／ｍｍ^２、１２３Ｎ／ｍｍ^２又は１４０Ｎ／ｍｍ^２の設計基準強度Ｆｃを有する。設計基準強度Ｆｃが大きくなるにつれてコンクリートの弾性係数Ｅｃも大きくなり、当該弾性係数Ｅｃは、例えば４００００Ｎ／ｍｍ^２～４３０００Ｎ／ｍｍ^２の範囲となる。

充填部９ｂは、例えば、コンクリート、又は、モルタル等のグラウトによって構成されている。充填部９ｂの強度は、１０Ｎ／ｍｍ^２以上であるのが望ましい。充填部９ｂを構成するモルタルは、例えば、３０Ｎ／ｍｍ^２の設計基準強度Ｆｃと、１００００Ｎ／ｍｍ^２～２００００Ｎ／ｍｍ^２の弾性係数とを有する。

上記構成によれば、コンクリート部９ａの内周面に付着している円筒形状の充填部９ｂを設けたことにより、内殻鋼管４の外径Ｄｓｉを小さくすることができる。これにより、内殻鋼管４の厚さｔｓｉが比較的薄くても、厚さｔｓｉを外径Ｄｓｉの０．０２倍以上にすることができ、内殻鋼管４の局部座屈を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、コンクリート部９ａの厚さｔｃは、４０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、充填部９ｂの厚さｔｇは、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。

以下、本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の設計方法について説明する（以下、単に設計方法とも称する）。
設計方法は、上述したＳＣ杭１の設計方法であり、内殻鋼管４の厚さｔｓｉが外径Ｄｓｉの０．０２倍以上になるようにＳＣ杭１を設計する。

図３～図８は、幾つかの実施形態に係る設計方法を説明するための図である。設計方法は、ＳＣ杭１に作用する軸力Ｎと終局曲げモーメントＭとの関係を表す、図８に示したようなＮＭ曲線を用意する工程を備えている。ＮＭ曲線は、例えば平面保持仮定の下、公知の方法によって求めることができる。図８中のＮｍａｘ１は、ＳＣ杭１の最大の軸力を表している。

ここで、図３は、地震時にＳＣ杭１の横断面に作用する応力分布を説明するための図である。図３の左上に示したように、ＳＣ杭１には、上部構造から作用する軸力が作用しており、地震時には図３の左下に示したように水平力がさらに作用する。これら軸力及び水平力が作用すると、地震時には、図３の右側に示すような応力がＳＣ杭１の横断面に作用する。図３から、特に圧縮側で応力が大きくなることがわかる。
このような応力分布に起因して、従来のＳＣ杭に軸力が作用している場合、ＳＣ杭の地震時の破壊モードは、非特許文献２の写真２に示されているように、外殻鋼管が圧縮力により座屈し、外殻鋼管の内周面付近のコンクリートが圧壊し、そして、コンクリートの最内周面が圧壊して崩落するという順序をたどる。このようにコンクリートの最内周面が崩落し、コンクリート片が移動することで、コンクリートの体積が減少し、曲げ変形が繰り返されると靱性が低下してしまう。

図４（ａ）は、外殻鋼管３の歪みと応力度との関係の一例を示しており、図４（ｂ）は、杭体５を構成するコンクリート部９ａの歪みと応力度との関係の一例を示している。図４の例では、外殻鋼管３は降伏歪みεｓｏｙで降伏し、コンクリート部９ａは降伏歪みεｃｙで降伏する。外殻鋼管３の降伏歪みεｓｏｙは、コンクリート部９ａの降伏歪みεｃｙよりも小さい。このため、平面保持仮定の下では、外殻鋼管３がコンクリート部９ａよりも先に降伏することがわかる。

そして、図示しないけれども、外殻鋼管３やコンクリート部９ａにおける歪みと応力度との関係は、内殻鋼管４及び充填部９ｂにおいても略同様に成立する。ただし、内殻鋼管４の降伏歪みεｓｉｙ及び弾性係数Ｅｓｉは、材質によって、外殻鋼管３と同じであっても異なっていてもよく、充填部９ｂにおける降伏歪みεｇｙ及び弾性係数Ｅｇは、材質によって、コンクリート部９ａと同じであっても異なっていてもよい。

図５～図７は、ＮＭ曲線を用意する工程において、ＮＭ曲線によって規定されるＳＣ杭１の使用可能範囲のうち軸力Ｎに関する上限値Ｎｍａｘ２（図８参照）を設定する方法を説明するための図である。
より詳しくは、図５は、ＳＣ杭１に所定の曲率φの終局曲げが発生しているときに内殻鋼管４の圧縮領域が負担している軸力をＰｓｉとしたときに、負担軸力Ｐｓｉを求める方法を説明するための図である。

まず図５に示したように、平面保持仮定の下、ＳＣ杭１の直径方向にて、外殻鋼管３の圧縮側の内面の歪みが終局歪みに到達する歪みの分布（終局曲げ）を設定する。終局歪みは、例えば０．００５である。歪みの分布は、圧縮側の外殻鋼管３の内面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φに応じて変化する。ある歪みの分布において、ＳＣ杭１に作用する軸力Ｎ及び負担軸力Ｐｓｉは、以下のようにして求めることができる。

まず、水平力が作用する方向をｙ軸にとり、ＳＣ杭１の横断面をｙ軸に沿って微小長さｄｙ毎に区画する。そして、各区画に含まれる外殻鋼管３の面積ｄＳｓｏ、コンクリート部９ａの面積ｄＳｃ、充填部９ｂの面積ｄＳｇ、及び、内殻鋼管４の面積ｄＳｓｉを計算により求める。
そして、各面積ｄＳｓｏ、ｄＳｃ、ｄＳｇ、ｄＳｓｉに作用する軸力ｄＮｓｏ、ｄＮｃ、ｄＮｇ、ｄＮｓｉを、以下の式（５）～（８）に示すように、面積ｄＳｓ、ｄＳｃ、ｄＳｍ、ｄＳｓｏに、各区画での歪みε及び弾性係数Ｅｓｏ、Ｅｃ、Ｅｇ、Ｅｓｉを乗じて求める。なお、各区画での歪みεは、平面保持仮定の下、ｙ軸における位置に依存する関数である。

ｄＮｓｏ＝ｄＳｓｏ×Ｅｓｏ×ε ・・・（５）
ｄＮｃ＝ｄＳｃ×Ｅｃ×ε ・・・（６）
ｄＮｇ＝ｄＳｇ×Ｅｇ×ε ・・・（７）
ｄＮｓｉ＝ｄＳｓｉ×Ｅｓｉ×ε ・・・（８）

そして、以下の式（９）に示すように、すべての区画の軸力ｄＮｓｏ、ｄＮｃ、ｄＮｍ、ｄＮｓｉを足し合わせることにより、ＳＣ杭１に作用する軸力Ｎを求めることができる。
Ｎ＝Σ（ｄＮｓｏ＋ｄＮｃ＋ｄＮｇ＋ｄＮｓｉ） ・・・（９）

ただし、式（５）、（８）において歪みεの上限は降伏歪みεｓｏｙ、εｓｉｙとする。また、式（６）、（７）において、コンクリートやグラウトの引張力は零として考慮せず、歪みεの上限は降伏歪みεｃｙ、εｇｙとする。なお、内殻鋼管４については、外殻鋼管３と同様に引張力を考慮してもよいが、引張力を零として考慮しなくてもよい。引張力を考慮するか否かは、内殻鋼管４に引張力が作用するようにＳＣ杭１が設計されているか否かによる。
かくして、圧縮側の外殻鋼管３の内面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φに応じて軸力Ｎを求めることができる。

また、負担軸力Ｐｓｉは、次式（１０）により求めることができる。
Ｐｓｉ＝ΣｄＮｓｉ ・・・（１０）
ただし式（１０）において、ｄＮｓｉは、内殻鋼管４の圧縮領域の区画（図５中にハッチングで示した圧縮歪みが対応している区画）に対応するものについてのみ積算する。

図６及び図７は、内殻鋼管４の代わりに杭体５の内側に所定強度の中詰部１１、例えば設計基準強度が２４Ｎ／ｍｍ^２のコンクリートが充填されていると仮定した場合に、外殻鋼管付きコンクリート杭に所定の曲率φの終局曲げが発生しているときに中詰部１１の圧縮領域が負担している軸力をＰｃｉとしたときに、負担軸力Ｐｃｉを求めるための方法を説明するための図である。

負担軸力Ｐｃｉは、図６に示すように、杭体５の内側全体に中詰部１１としてのコンクリートが充填されていると仮定した上で、以下の式（１１）、（１２）により、負担軸力Ｐｓｉと同様に求めることができる。なお、負担軸力Ｐｃｉを求めるときの曲率φは、負担軸力Ｐｓｉを求めるときの曲率φと同じ大きさである。
ｄＮｃｉ＝ｄＳｃｉ×Ｅｃｉ×ε ・・・（１１）
Ｐｃｉ＝＝ΣｄＮｃｉ ・・・（１２）
なお、式（１１）中、ｄＳｃｉは、各区間における中詰部１１の断面積であり、Ｅｃｉは、中詰部１１の弾性係数である。式（１２）においても、ｄＮｃｉは、中詰部１１の圧縮領域の区画（図７中にハッチングで示した圧縮歪みが対応している区画）に対応するものについてのみ積算する。

そして、図８に示したように、ＮＭ曲線を求める工程では、負担軸力Ｐｃｉに対する負担軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて、ＮＭ曲線によって規定されるＳＣ杭１の使用可能範囲のうち軸力Ｎに関する上限値（Ｎｍａｘ２）を設定する。本実施形態では、中詰部１１が、設計基準強度が２４Ｎ／ｍｍ^２のコンクリートによって構成されていると仮定され、比Ｐｓｉ／Ｐｃｉ（以下、圧縮耐力比ＰＮとも称する）が１．１５以上になるように、軸力比Ｎｍａｘ２／Ｎｍａｘ１を設定する。

なお、ＳＣ杭１における軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めるには、まず以下の式（１３）～（１６）に示すように、各面積ｄＳｓｏ、ｄＳｃ、ｄＳｇ、ｄＳｓｉに作用する曲げモーメントｄＭｃａ、ｄＭｃｂ、ｄＭｐ、ｄＭｒを、軸力ｄＮｓｏ、ｄＮｃ、ｄＮｇ、ｄＮｓｉに図心からの距離ｙを乗じて求める。
ｄＭｓｏ＝ｄＮｓｏ×ｙ ・・・（１３）
ｄＭｃ＝ｄＮｃ×ｙ ・・・（１４）
ｄＭｇ＝ｄＮｇ×ｙ ・・・（１５）
ｄＭｓｉ＝ｄＮｓｉ×ｙ ・・・（１６）

そして、以下の式（１７）に示すように、すべての区画の曲げモーメントｄＭｓｏ、ｄＭｃ、ｄＭｇ、ｄＭｓｉを足し合わせることにより、各軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めることができる。
Ｍ＝Σ（ｄＭｓｏ＋ｄＭｃ＋ｄＭｇ＋ｄＭｓｉ） ・・・（１７）

上記構成によれば、ＮＭ曲線によって規定されるＳＣ杭１の使用可能範囲の軸力に関する上限値Ｎｍａｘ２が、軸力Ｐｃｉに対する軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて設定されているので、ＳＣ杭１が高い靱性を示す範囲でＳＣ杭１を使用可能である。

また上記構成によれば、中詰部１１が、設計基準強度が２４Ｎ／ｍｍ^２のコンクリートによって構成されていると仮定された上で、ＮＭ曲線によって規定されるＳＣ杭１の使用可能範囲の軸力Ｎに関する上限値Ｎｍａｘ２が、負担軸力Ｐｓｉが負担軸力Ｐｃｉの１．１５倍以上になるよう設定されているので、ＳＣ杭１が高い靱性を示す範囲でＳＣ杭１を使用可能である。

なお、負担軸力Ｐｓｉが負担軸力Ｐｃｉの１．１５倍以上になるよう設定するためには、内殻鋼管４の仕様を含め、ＳＣ杭１の仕様を適宜選択すればよい。内殻鋼管４の仕様としては、外径Ｄｓｉ、厚さｔｓｉ及び材質（降伏歪み、弾性係数）等をあげることができる。一方、軸力Ｎの上限値Ｎｍａｘ２や軸力比Ｎｍａｘ２／Ｎｍａｘ１は、ＳＣ杭１の仕様によって変化する。ＳＣ杭１の仕様としては、内殻鋼管４の仕様の他に、外殻鋼管３や杭体５の仕様をあげることができる。

また、圧縮耐力比ＰＮは、杭体５の内側に仮想的に充填される中詰部１１の強度によっても変化する。例えば、設計基準強度Ｆｃが２７Ｎ／ｍｍ^２のコンクリートによって構成された中詰部１１が充填されている場合、圧縮耐力比ＰＮが１．００以上になるように軸力の上限値Ｎｍａｘ２を設定してもよい。

幾つかの実施形態では、ＳＣ杭１を使用可能な軸力比Ｎｍａｘ２／Ｎｍａｘ１が０．３０以上になるように、ＳＣ杭１が設計又は使用される。好ましくは、ＳＣ杭１を使用可能な軸力比Ｎｍａｘ２／Ｎｍａｘ１が０．３５以上になるように、ＳＣ杭１が設計又は使用される。
図８に示したように、ＳＣ杭１は、発生曲げモーメントＭｏがＮＭ曲線によって規定される範囲内に収まるように設計・使用されるが、ＳＣ杭１を使用可能な軸力比Ｎｍａｘ２／Ｎｍａｘ１が０．３０以上、好ましくは０．３５以上であることで、より大きな軸力Ｎが作用している状態でも、ＳＣ杭１を使用することができる。

また、上述した実施形態では、外殻鋼管３や内殻鋼管４の座屈による影響を考慮していなかったが、外殻鋼管３の降伏強度σｓｏｙや内殻鋼管４の降伏強度σｓｉｙに代えて、以下の式（１８）～（２０）に示される、終局限界圧縮耐力Ｎｕ及び終局限界引張耐力Ｎｕｌを用いてもよい。
上述したように、ＳＣ杭の破壊モードは外殻鋼管の座屈から始まるため、終局限界圧縮耐力Ｎｕ及び終局限界引張耐力Ｎｕｌを用いれば、ＳＣ杭１の変形性能をより正確に求めることができる。

なお、式（１８）～（２０）中の記号は以下のものを表す。
Ｆ：鋼材の基準強度（＝σｓｏｙ又はσｓｉｙ）（Ｎ／ｍｍ^２）
ｔ：鋼管の厚さ（腐食しろを考慮）（ｍｍ）
ｒ：鋼管の半径（ｍｍ）
Ａ：鋼管の断面積（腐食しろを考慮）（ｍｍ^２）

［実施例１及び比較例１～５の正負交番載荷試験］
図９及び図１０は、実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭の仕様を示す表である。
図１１は、実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭の仕様から求められるＮＭ曲線、及び、正負交番載荷試験の際に加えられる軸力を示している。
図１２は、正負交番載荷試験装置により実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭に加えられる水平力及び軸力を説明するための図である。ＳＣ杭には、下端部（杭頭部）がスタブ１３に埋設されて固定された状態で、水平力及び軸力が加えられる。

図１３～図１８は、実施例１及び比較例１～５のＳＣ杭における、正負交番載荷試験装置により得られた部材角と杭頭発生曲げモーメントＭｏとの関係を示すグラフである。
図１３に示すように、内殻鋼管４の厚さｔｓｉが外径Ｄｓｉの０．０２倍以上である実施例１のＳＣ杭は、優れた靱性を示す。
これに対し、図１４～図１８に示すように、内殻鋼管４の厚さｔｓｉが外径Ｄｓｉの０．０２倍未満である比較例１～５のＳＣ杭は、実施例１よりも低い靱性を示す。すなわち、部材角が大きくなると、曲げ耐力（杭頭発生曲げモーメントＭｏ）が大きく減少する。

一方、実施例１のＳＣは、負担軸力の比Ｐｓｉ／Ｐｃｉ（圧縮耐力比ＰＮ）が１．１５以上であり、優れた靱性を示している。
これに対し、ＳＣ杭の仕様自体は相互に同じである比較例１～４を比較すると、図１４～図１７に示すように、加えられる軸力が小さくなるほどＰＮが１．１５に近づき、高い靱性を示すことがわかる。

本発明は上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、杭体５が２つの円筒形状の部分によって構成されていたが、杭体５が１つの円筒部によって構成されていてもよい。杭体５が１つの円筒部によって構成されている場合、杭体５はコンクリートによって構成されている。あるいは、杭体が、３つ以上の円筒部によって構成されていてもよい。
また、杭体５がコンクリート部９ａ及び充填部９ｂによって構成されている場合、コンクリート部９ａの強度は、充填部９ｂの強度と同じであっても、大きくても、あるいは小さくてもよい。

また、上述した実施形態では、杭体５の内周面全域が内殻鋼管４によって覆われていたが、ＳＣ杭１の軸線方向にて、相対的に大きな曲げモーメントが発生する領域にのみ内殻鋼管４を設けてもよい。つまり、ＳＣ杭１の軸線方向にて、杭体５の内周面を内殻鋼管４によって部分的に覆ってもよい。ただし、内殻鋼管４は、ＳＣ杭１の軸線方向にて、杭体５の１／４以上の長さの領域を覆っているのが好ましい。

また更に、杭体５を構成するコンクリートは、無筋コンクリートであるが、鉄筋コンクリートであってもよい。
また、外殻鋼管３としては、ＳＫＫ材のみならず、ＳＴＫ材、ＳＭ材、ＳＳ材、国土交通大臣認定の材料を用いてもよい。同様に、内殻鋼管４としては、ＳＴＫ材のみならず、ＳＫＫ材、ＳＭ材、ＳＳ材、国土交通大臣認定の材料を用いてもよい。

なお、上述したＳＣ杭１は、例えば以下の製造方法により製造可能である。
図１９は、ＳＣ杭１の製造方法の一例の概略的な手順を示すフローチャートである。
図１９に示したように、ＳＣ杭１の杭製造方法は、外殻鋼管準備工程Ｓ１０と、打設工程Ｓ１１と、遠心成形工程Ｓ１２と、内殻鋼管挿入工程Ｓ１３と、充填工程と１４とを備えている。

外殻鋼管準備工程Ｓ１０では端板７が両端に溶接された外殻鋼管３を用意する。
打設工程Ｓ１１では、外殻鋼管３内に生コンクリートを充填する。この充填は外殻鋼管３内に挿入可能な径のスクリューフィーダー等によって行う。スクリューフィーダーは、ある程度生コンクリートが充填されてきた段階で、徐々に引き抜きながら生コンクリートを充填する。

遠心成形工程Ｓ１２では、生コンクリートが充填された外殻鋼管３を遠心成形装置の型枠内に入れ、型枠の回転により生コンクリートの遠心成形を行う。
この後、生コンクリートがある程度強度を発現した段階で、外殻鋼管３を遠心成形装置の型枠から外し、蒸気養生を行うことにより円筒形状の杭体５のコンクリート部９ａが形成される。

内殻鋼管挿入工程Ｓ１３では、コンクリート部９ａの中空部に内殻鋼管４を挿入する。例えば、ＳＣ杭１の両端に位置する２つの環状の端板７，７のうち一方の端板７ｂの内径は他方の端板７ａの内径よりも大きく、内径が大きい端板７ｂを通じて、内殻鋼管４を挿入する。内殻鋼管４を挿入後、内径が小さい端板７ａの内周部と内殻鋼管４の端部とを溶接する。これにより、内殻鋼管４とコンクリート部９ａとの間に円筒状の空間を存して、内殻鋼管４が固定される。なお、内殻鋼管４とコンクリート部９ａとの間の円筒状の空間は、内径が大きい端板７ｂの開口を通じて外部と連通している。

充填工程Ｓ１４では、内殻鋼管４とコンクリート部９ａとの間の円筒状の空間に、内径が大きい端板７ｂの開口を通じて充填材を充填する。充填材は、例えば、コンクリートやモルタル等の硬化性を有するセメント系充填材であり、硬化することにより充填部９ｂを構成する。

更に本発明は、ＳＣ杭に限定されることはなく、以下に述べるように、外殻鋼管を有さない既製のコンクリート杭及びその設計方法にも適用可能である。なお、以下の説明において、上述した実施形態と同一又は類似の構成については、同一の符号を付して説明を省略又は簡略化する。

図２０は、本発明の他の一実施形態に係るＰＲＣ杭（プレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭）２０の概略的な縦断面である。図２１は、図２０のＸＸＩ－ＸＸＩ線に沿う概略的な断面図である、なお、図２０は、図１４のＸＸ－ＸＸ線に沿う概略的な断面図である。

図２０及び図２１に示したように、ＰＲＣ杭２０は、外殻鋼管を有さない点においてＳＣ杭１と異なっている。このため、ＰＲＣ杭２０の外径Ｄｐは、杭体５の外径Ｄｃと等しい。一方、ＰＲＣ杭２０は、緊張材としての複数のＰＣ鋼材（ＰＣ鋼棒）２２と、第１補強材としてのせん断補強筋２４と、第２補強材としての複数の異形鉄筋２６とを備えている。

複数のＰＣ鋼材２２は、それぞれ棒状であり、杭体５の内部を杭体５の軸線方向に延び、両端に配置された端板７,７間に架け渡されている。複数のＰＣ鋼材２２は、杭体５の軸線方向でみて、同心上に配置されている。複数のＰＣ鋼材２２の両端は、端板７，７に係合され、複数のＰＣ鋼材２２は、端板７,７とともに、杭体５に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる。ＰＣ鋼材２２は、例えば、６本以上３０本以下配置され、杭体５の周方向にて等間隔で配置される。ＰＣ鋼材２２は、例えば１０ｍｍ以上１３ｍｍ以下の直径を有する。

第１補強材としてのせん断補強筋２４は、棒状であり、杭体５の内部を杭体５の周方向に延び、杭体５の径方向にてＰＣ鋼材２２よりも外側に配置されている。本実施形態では、せん断補強筋２４は、杭体５の内部を螺旋状に延びており、杭体５の軸線方向にも延びている。せん断補強筋２４は、例えば、５．０ｍｍ以上１６ｍｍ以下の直径を有し、４９０Ｎ／ｍｍ^２以上の強度を有し、４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下のピッチの螺旋状に延びている。なお、せん断補強筋２４は、螺旋状ではなく、杭体５の周方向に延びるリング状のものを杭体５の軸線方向に間隔を置いて複数設けることとしてもよい。また、せん断補強筋２４は、丸鋼や異形鉄筋によって構成されていてもよい。

第２補強材としての複数の異形鉄筋２６は、それぞれ棒状であり、杭体５の内部を杭体５の軸線方向に延び、両端に配置された端板７,７間を延びている。複数の異形鉄筋２６は、杭体５の軸線方向でみて、同心上に配置され、杭体５の周方向にてＰＣ鋼材２２の中間に配置されている。例えば、異形鉄筋２６が配置される円の直径は、ＰＣ鋼材２２が配置される円の直径と等しいか、わずかに小さい。

ＰＲＣ杭２０においても、内殻鋼管４の外径をＤｓｉとし、内殻鋼管４の厚さをｔｓｉとしたとき、再掲する次式（１）：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ ・・・（１）
で示される関係が満たされている。つまり内殻鋼管４の厚さｔｓｉは外径Ｄｓｉの０．０２倍以上である。

このようにＰＲＣ杭２０においても、内殻鋼管４の厚さｔｓｉを外径Ｄｓｉの０．０２倍以上とすることで、内殻鋼管４の局部座屈を抑制することができる。これにより、杭体５に含まれるコンクリート片が剥離、圧壊したとしても、ＰＲＣ杭２０の中空部内へのコンクリート片の移動を抑制することができる。この結果として、上記構成によれば、靭性が従来よりも改善される中空のＰＲＣ杭２０を提供することができる。

また上記構成によれば、杭体５の周方向に延びる第１補強材によって、杭体５の外側が補強される。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＲＣ杭２０が提供される。

更に上記構成によれば、杭体５の軸線方向に延びる第２補強材によって、曲げ耐力を高めることができ、より高い靱性を有するＰＲＣ杭２０が提供される。

なお、ＰＲＣ杭２０は、杭体５の両端部の外周面を保護するための筒状材１８を更に備えていてもよい。各筒状材１８は、例えば端板７に溶接により固定され、杭体５の外周面の一端部を覆う。つまり、ＰＲＣ杭２０の杭体５は、外殻鋼管のような金属材によって覆われていない外周面を、軸線方向にて両端部を除く中間部に部分的にでも有していればよく、ＰＲＣ杭２０の一部が外殻鋼管によって覆われていてもよい。

幾つかの実施形態では、第１補強材としてのせん断補強筋２４は杭体５のコンクリート部９ａの内部に配置され、コンクリート部９ａにおける第１補強材の体積比と降伏点（降伏強度）の積は２．４５Ｎ／ｍｍ^２より大きい値である。
上記構成によれば、杭体５のコンクリート部９ａにおける第１補強材としてのせん断補強筋２４の体積比と降伏点の積が２．４５Ｎ／ｍｍ^２より大きい値であるので、杭体５の外側を確実に補強することができる。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＲＣ杭２０が提供される。

図２２（ａ）～（ｃ）は、図２０に示したＰＲＣ杭２０に用いられる異形鉄筋２６、ＰＣ鋼材２２及びコンクリートにおける歪みと応力度との関係をそれぞれ概略的に示すグラフである。

図２３及び図２４は、ＰＲＣ杭２０のＮＭ曲線を用意する工程において、ＮＭ曲線によって規定されるＰＲＣ杭２０の使用可能範囲のうち軸力Ｎに関する上限値Ｎｍａｘ２（図８参照）を設定する方法を説明するための図である。
より詳しくは、図２３は、ＰＲＣ杭２０における図５に相当する図であり、ＰＲＣ杭２０に所定の曲率φの終局曲げが発生しているときに内殻鋼管４の圧縮領域が負担している軸力をＰｓｉとしたときに、負担軸力Ｐｓｉを求める方法を説明するための図である。

まず図２３に示したように、平面保持仮定の下、ＰＲＣ杭２０の直径方向にて、杭体５の圧縮側の外面の歪みが終局歪みに到達する歪みを設定する。終局歪みは、例えば０．００３５である。適当な仕様を見つけるために、歪みの分布は、圧縮側の杭体５の外面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φを変化させることで示される。ある歪みの分布において、ＰＲＣ杭２０の横断面に作用する軸力Ｎは、以下のようにして求めることができる。

まず、水平力が作用する方向をｙ軸にとり、ＰＲＣ杭２０の横断面をｙ軸に沿って微小長さｄｙ毎に区画する。そして、各区画に含まれる杭体５のコンクリート部９ａの面積ｄＳｃ、充填部９ｂの面積ｄＳｇ、内殻鋼管４の面積ｄＳｓｉ、ＰＣ鋼材２２の面積ｄＳｐ、及び、異形鉄筋２６の面積ｄＳｒを計算により求める。
そして、各面積ｄＳｃ、ｄＳｇ、ｄＳｓｉ、ｄＳｐ、ｄＳｒに作用する軸力ｄＮｃ、ｄＮｇ、ｄＮｓｉ、ｄＮｐ、ｄＮｒを、以下の式（２１）～（２５）に示すように、面積ｄＳｃ、ｄＳｇ、ｄＳｓｉ、ｄＳｐ、ｄＳｒに、各区画での歪みε及び弾性係数Ｅｃ、Ｅｇ、Ｅｓｉ、Ｅｐｔ、Ｅｒｔを乗じて求める。
なお、図２３では、軸力や曲げモーメントの算出にあたり、計算を簡単にするために、異形鉄筋２６を等価な断面積を有する薄肉鋼管２６’にて代替し、ＰＣ鋼材２２を等価な断面積を有する薄肉鋼管２２’にて代替し、コンクリート部９ａの面積ｄＳｃをｄＳｃｏとｄＳｃｉに分けているが、必ずしもこれらの代替は必要ではない。

ｄＮｃ＝ｄＳｃ×Ｅｃ×ε ・・・（２１）
ｄＮｇ＝ｄＳｇ×Ｅｇ×ε ・・・（２２）
ｄＮｓｉ＝ｄＳｓｉ×Ｅｓｉ×ε ・・・（２３）
ｄＮｐ＝ｄＳｐ×Ｅｐｔ×ε ・・・（２４）
ｄＮｒ＝ｄＳｒ×Ｅｒｔ×ε ・・・（２５）

そして、以下の式（２６）に示すように、すべての区画の軸力ｄＮｃ、ｄＮｇ、ｄＳｓｉ、ｄＮｐ、ｄＮｒを足し合わせることにより、ＰＲＣ杭２０に作用する軸力Ｎを求めることができる。なお、軸力Ｎの算出にあたり、せん断補強筋２４に作用する軸力を考慮する必要は無い。

Ｎ＝Σ（ｄＮｃ＋ｄＮｇ＋ｄＮｓｉ＋ｄＮｐ＋ｄＮｒ） ・・・（２６）
ただし、式（２３）において歪みεの上限は降伏歪みεｓｉｙとする。なお、内殻鋼管４については、引張力を考慮してもよいが、引張力を零として考慮しなくてもよい。引張力を考慮するか否かは、内殻鋼管４に引張力が作用するようにＰＲＣ杭２０が設計されているか否かによる。また、式（２１）、（２２）において、コンクリートやグラウトの引張力は零として考慮せず、εの上限は降伏歪みεｃｙ、εｇｙとする。そして、式（２５）においてεの上限は降伏歪みεｒｔとする。
なお、ＰＣ鋼材２２には、例えば、ＰＲＣ杭２０の初期の状態で約０．００５の引張歪みεｐｉが導入されている。ＰＲＣ杭２０の引張側の歪みの上限は、ＰＣ鋼材２２の引張歪みεｐによって規定され、引張歪みεｐが０．０５となるときの歪みが、ＰＲＣ杭２０の引張側の歪みの上限に設定される。
かくして、圧縮側の杭体５の外面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φに応じて軸力Ｎを求めることができる。

また、負担軸力Ｐｓｉは、次式（２７）により求めることができる。
Ｐｓｉ＝ΣｄＮｓｉ ・・・（２７）
ただし式（２７）において、ｄＮｓｉは、内殻鋼管４の圧縮領域の区画（図２３中にハッチングで示した圧縮歪みが対応している区画）に対応するものについてのみ積算する。

図２４は、内殻鋼管４の代わりに杭体５の内側に所定強度の中詰部１１、例えば設計基準強度が２４Ｎ／ｍｍ^２のコンクリートが充填されていると仮定した場合に、ＰＲＣ杭に所定の曲率φの終局曲げが発生しているときに中詰部１１の圧縮領域が負担している軸力をＰｃｉとしたときに、負担軸力Ｐｃｉを求めるための方法を説明するための図である。

負担軸力Ｐｃｉは、図２４に示すように、杭体５の内側全体に中詰部１１としてのコンクリートが充填されていると仮定した上で、以下の式（２８）、（２９）により、負担軸力Ｐｓｉと同様に求めることができる。なお、負担軸力Ｐｃｉを求めるときの曲率φは、負担軸力Ｐｓｉを求めるときの曲率φと同じ大きさである。
ｄＮｃｉ＝ｄＳｃｉ×Ｅｃｉ×ε ・・・（２８）
Ｐｃｉ＝＝ΣｄＮｃｉ ・・・（２９）
なお、式（２８）中、ｄＳｃｉは、各区間における中詰部１１の断面積であり、Ｅｃｉは、中詰部１１の弾性係数である。式（２９）においても、ｄＮｃｉは、中詰部１１の圧縮領域の区画（図２４中にハッチングで示した圧縮歪みが対応している区画）に対応するものについてのみ積算する。

そして、図８に示した場合と同様に、ＰＲＣ杭２０のＮＭ曲線を求める工程では、負担軸力Ｐｃｉに対する負担軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて、ＮＭ曲線によって規定されるＰＲＣ杭２０の使用可能範囲のうち軸力Ｎに関する上限値（Ｎｍａｘ２）を設定する。本実施形態では、中詰部１１が、設計基準強度が２４Ｎ／ｍｍ^２のコンクリートによって構成されていると仮定され、比Ｐｓｉ／Ｐｃｉが１．１５以上になるように、軸力比Ｎｍａｘ２／Ｎｍａｘ１を設定する。

なお、ＰＲＣ杭２０における軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めるには、まず以下の式（３０）～（３４）に示すように、各面積ｄＳｃ、ｄＳｇ、ｄＳｓｉ、ｄＳｐ、ｄＳｒに作用する曲げモーメントｄＭｃ、ｄＭｇ、ｄＭｓｉ、ｄＭｐ、ｄＭｒを、軸力ｄＮｃ、ｄＮｇ、ｄＮｓｉ、ｄＮｐ、ｄＮｒに図心からの距離ｙを乗じて求める。
ｄＭｃ＝ｄＮｃ×ｙ ・・・（３０）
ｄＭｇ＝ｄＮｇ×ｙ ・・・（３１）
ｄＭｓｉ＝ｄＮｓｉ×ｙ ・・・（３２）
ｄＭｐ＝ｄＮｐ×ｙ ・・・（３３）
ｄＭｒ＝ｄＮｒ×ｙ ・・・（３４）

そして、以下の式（３５）に示すように、すべての区画の曲げモーメントｄＭｃａ、ｄＭｃｂ、ｄＭｐ、ｄＭｒを足し合わせることにより、各軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めることができる。
Ｍ＝Σ（ｄＭｃ＋ｄＭｇ＋ｄＭｓｉ＋ｄＭｐ＋ｄＭｒ） ・・・（３５）

かくして、圧縮側の杭体５の外面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φに応じて軸力Ｎ及び終局曲げモーメントＭを求めることができる。
なお、上記説明では、軸力Ｎ及び終局曲げモーメントＭの算定、つまりＮＭ曲線の算定にあたり、充填部９ｂ及び内殻鋼管４に作用する軸力ｄＮｇ、ｄＮｓｉ及び曲げモーメントｄＭｇ、ｄＭｓｉを考慮したが、これら軸力ｄＮｇ、ｄＮｓｉ及び曲げモーメントｄＭｇ、ｄＭｓｉを無視してＮＭ曲線を算定してもよい。換言すれば、外殻鋼管３及びコンクリート部９ａに作用する軸力ｄＳｏ、ｄＮｃ及び曲げモーメントｄＭｓｏ、ｄＭｃのみを考慮してＮＭ曲線を算定してもよい。

図２５は、ＰＲＣ杭２０の製造方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
ＰＲＣ杭２０の製造方法は、図１９に示したＳＣ杭１の製造方法と比べたときに、外殻鋼管準備工程Ｓ１０に代えて、鉄筋かご準備工程Ｓ１５を備えている。鉄筋かご準備工程Ｓ１５では、ＰＣ鋼材２２、せん断補強筋２４及び異形鉄筋２６からなる鉄筋かごを用意する。
また、ＰＲＣ杭２０の製造方法は、杭体５にプレストレスを導入するために、緊張工程Ｓ１６及びプレストレス導入工程Ｓ１７を更に備えている。

緊張工程Ｓ１６は、打設工程Ｓ１１の後に行われる。緊張工程Ｓ１６では、ジャッキによってＰＣ鋼材２２を軸線方向に引っ張り、そのまま引っ張られた状態に保持する。具体的には、端板７にアダプタを取り付け、アダプタをジャッキで引っ張る。アダプタは、端板７の外面にボルトで固定される円盤形状の緊張板と、緊張板と一体に設けられ、型枠の端面を貫通して延びる緊張ロッドと、緊張ロッドに螺合可能な緊張ナットとからなる。ジャッキによって緊張ロッドを引っ張りながら、緊張ナットを型枠の端面に当接するまでねじ込むことで、ＰＣ鋼材２２を引っ張られた状態に保持することができる。

ＰＣ鋼材２２は、遠心成形工程Ｓ１２の間、引っ張られた状態に保持される。
遠心成形工程Ｓ１２の終了後に、所定の養生プログラムに沿って蒸気養生を行う。
蒸気養生を所定時間行った後、プレストレス導入工程Ｓ１７において、ＰＣ鋼材２２の引っ張り状態が解除される。つまり、緊張ナットが緩められる。これにより、引っ張られていたＰＣ鋼材２２が収縮しようとし、端板７，７及びＰＣ鋼材２２によって、杭体５にプレストレスが導入される。つまり、ＰＲＣ杭２０が実際に使用される前から、杭体５には予め圧縮力が作用させられる。

図２６は、本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である節杭３０の概略的な縦断面図である。節杭３０は、杭体５の外周面から突出する１つ以上の節部３２を有する点においてＰＲＣ杭２０と異なっている。節部３２は、コンクリートによってコンクリート部９ａと一体に形成されている。なお、節杭３０において、軸力Ｎや終局曲げモーメントＭを算出するときに用いられる横断面の位置は、杭体５の軸線方向にて、節部３２が設けられていない位置とする。

図２７は、本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である拡径杭（ＳＴ杭）４０の概略的な縦断面図である。ＳＴ杭４０は、杭体５の一端部（拡径部４２）の外径が、杭体５の中間部よりも大きくなっている点において、ＰＲＣ杭２０と異なっている。拡径部４２は、節部３２と同様に、コンクリートによってコンクリート部９ａと一体に形成されている。なお、ＳＴ杭４０において、軸力Ｎや終局曲げモーメントＭを算出するときに用いられる横断面の位置は、杭体５の軸線方向にて、拡径部４２が設けられていない位置とする。

なお、図２７のＳＴ杭４０は、一端部のみが拡径されているが、本発明は、杭体５の両端部が拡径された拡径杭や、杭体５の軸線方向中間部が拡径された中間拡径杭にも適用可能である。また、図２７のＳＴ杭４０は、節部３２を有していないが、ＳＴ杭４０は、節部３２を有していてもよい。

最後に、本発明は上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態において、ＰＲＣ杭２０は第２補強材として複数の異形鉄筋２６を備えていたが、異形鉄筋２６を備えていなくてもよい。つまり、本発明は、ＰＲＣ杭２０のみならず、既製のコンクリート杭の一種であるプレストレスト高強度コンクリート杭（ＰＨＣ杭）にも適用可能である。
また、ＰＲＣ杭２０において、各異形鉄筋２６は、杭体５の全長に渡って延びているが、各異形鉄筋２６の長さは、杭体５の全長よりも短くてもよい。

１ 外殻鋼管付きコンクリート杭（ＳＣ杭）
３ 外殻鋼管
４ 内殻鋼管
５ 杭体
７、７ａ、７ｂ 端板
９ａ コンクリート部
９ｂ 充填部
１１ 中詰部
１３ スタブ
２０ プレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭（ＰＲＣ杭）
２２ ＰＣ鋼材（緊張材）
２４ せん断補強筋（第１補強材）
２６ 異形鉄筋（第２補強材）
２８ 筒状材
３０ 節杭
３２ 節部
４０ 拡径杭（ＳＴ杭）
４２ 拡径部

Claims (7)

1. 中空で円筒形状の内殻鋼管と、
   前記内殻鋼管の周りに配置され、コンクリートを少なくとも一部に含む円筒形状の杭体と、
   中空で円筒形状の外殻鋼管と、を備え、
   前記内殻鋼管の外径をＤｓｉとし、
   前記内殻鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
   ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
   で示される関係を満たし、
   前記杭体は、前記外殻鋼管と前記内殻鋼管との間に配置され、前記外殻鋼管の内側に付着しており、
   前記外殻鋼管の厚さをｔｓｏとしたときに、次式：
   ｔｓｉ≧ｔｓｏ
   で示される関係を満たしている
   ことを特徴とするコンクリート杭。
2. 前記杭体は、
   前記外殻鋼管の内周面に付着し、コンクリートによって構成された円筒形状のコンクリート部と、
   前記内殻鋼管の外周面及び前記コンクリート部の内周面に付着している円筒形状の充填部と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンクリート杭。
3. 中空で円筒形状の内殻鋼管と、
   前記内殻鋼管の周りに配置され、コンクリートを少なくとも一部に含む円筒形状の杭体と、
   前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
   前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を備え、
   前記内殻鋼管の外径をＤｓｉとし、
   前記内殻鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
   ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
   で示される関係を満たし、
   前記杭体は、
   コンクリートによって構成された円筒形状のコンクリート部と、
   前記内殻鋼管の外周面及び前記コンクリート部の内周面に付着している円筒形状の充填部と、を含み、
   前記第１補強材は前記コンクリート部の内部に配置され、
   前記コンクリート部における前記第１補強材の体積比と降伏点の積は２．４５Ｎ／ｍｍ ^２ より大きい値である
   ことを特徴とするコンクリート杭。
4. 前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延びる第２補強材を更に備える、
   ことを特徴とする請求項３に記載のコンクリート杭。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のコンクリート杭の設計方法であって、
   前記コンクリート杭に作用する軸力と終局曲げモーメントとの関係を表すＮＭ曲線を用意する工程を備え、
   前記ＮＭ曲線を用意する工程において、
   前記コンクリート杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記内殻鋼管の圧縮領域が負担する軸力をＰｓｉとし、
   前記内殻鋼管の代わりに前記杭体の内側に所定強度の中詰部が充填されていると仮定した場合に、前記コンクリート杭に前記所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記中詰部の圧縮領域が負担する軸力をＰｃｉとしたときに、
   前記軸力Ｐｃｉに対する前記軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて、前記ＮＭ曲線によって規定される前記コンクリート杭の使用可能範囲のうち軸力に関する上限値を設定する
   ことを特徴とするコンクリート杭の設計方法。
6. 中空で円筒形状の内殻鋼管と、前記内殻鋼管の周りに配置され、コンクリートを少なくとも一部に含む円筒形状の杭体と、を備え、前記内殻鋼管の外径をＤｓｉとし、前記内殻鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
   ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
   で示される関係を満たすコンクリート杭の設計方法であって、
   前記コンクリート杭に作用する軸力と終局曲げモーメントとの関係を表すＮＭ曲線を用意する工程を備え、
   前記ＮＭ曲線を用意する工程において、
   前記コンクリート杭に所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記内殻鋼管の圧縮領域が負担する軸力をＰｓｉとし、
   前記内殻鋼管の代わりに前記杭体の内側に所定強度の中詰部が充填されていると仮定した場合に、前記コンクリート杭に前記所定の曲率の終局曲げが発生しているときに前記中詰部の圧縮領域が負担する軸力をＰｃｉとしたときに、
   前記軸力Ｐｃｉに対する前記軸力Ｐｓｉの比Ｐｓｉ／Ｐｃｉに基づいて、前記ＮＭ曲線によって規定される前記コンクリート杭の使用可能範囲のうち軸力に関する上限値を設定する
   ことを特徴とするコンクリート杭の設計方法。
7. 前記コンクリート杭は、
   前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
   前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を更に備える、
   ことを特徴とする請求項６に記載のコンクリート杭の設計方法。

Images