JPH0472929B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、各種構築物の基礎として用いる高曲
げ靭性のプレストレストコンクリート杭に関す
る。 （従来の技術） 一般に高強度のコンクリート杭としてプレスト
レストコンクリート杭（以下PC杭と記す）があ
り、円筒形の杭本体内にPC鋼材からなる縦筋を
埋め込み、これによつて長手方向にプレストレス
を導入している。近年において、地震時にせん断
耐力の不足による杭体のせん断破壊が報じられ、
杭体のせん断破壊強度の増大が強く要望された。
せん断破壊耐力を増大する一つの有力な方法は、
プレストレスを導入するために杭本体内に入れる
PC鋼材の本数を多くして、より大きなプレスト
レスを付与することによつて、ある程度可能とな
るが、地震時に杭体に作用する曲げモーメントの
影響よりもせん断力の影響が卓越するような場合
には、これだけでは杭体のせん断破壊を完全に防
止することが困難である。このような場合に対し
て、本発明者においても、長年にわたつて鉄筋コ
ンクリート短柱のようなせん断力の卓越する一般
のコンクリート系部材について、高降伏点強度
（80Kg／ｍm²）のせん断補強筋を使用したときの
せん断補強効果について研究を重ね、これを高圧
縮強度（800Kg／cm²）のコンクリートと組み合わ
せて使用し、せん断耐力を向上させた高強度PC
杭を開発した（特開昭55−133908号公報）。 一方、耐震性の向上に関し、高強度のせん断補
強筋の使用が、捩りモーメントに対する部材の耐
力を向上することに着目し、これを杭本体内に配
し、捩りモーメントに対して耐力を向上させんと
したものが開発されている（特公昭58−25806号
公報）。 これらの開発により、従来から望まれていた地
震時に卓越したせん断力を受けるPC杭の地震時
せん断及び捩り耐力は大幅に改善され、今日では
大地震時における抗体のせん断及び捩り破壊が防
止されるに至つている。 一方、せん断力よりも曲げモーメントを卓越さ
せる一般のPC杭の耐震性の向上に関し、地震時
の杭体の曲げ破壊の防止については未解決であ
り、近年、世界各国での大地震被害の教訓から、
曲げ破壊耐力の増大と高曲げ靭性の付与とが強く
要求されるに至つている。曲げ破壊耐力の増大に
ついては、すでに述べたように導入するプレスト
レスの大きさを増大することによつて容易に解決
できるが、このようにして曲げ破壊耐力を増大さ
せることは、逆に地震入力エネルギーの吸収に著
しく寄与する塑性変形能力を低下することにな
り、耐震性が必ずしも向上しないことが判明する
に至つた。 そこで、本発明者は、コンクリートの横拘束に
よるコンクリートそのものの圧縮変形能力の増大
に着目し、長年にわたつて横拘束コンクリートの
圧縮変形特性及びこれを一般のコンクリート系部
材に利用したときの効果について研究を重ね、高
降伏点強度（80Kg／ｍm²）の横拘束筋を使用し、
これを高圧縮強度（800Kg／cm²）のコンクリート
と組み合せて使用し、曲げ靭性を高めて耐震性を
著しく向上させた高強度PC杭を開発した。 なお、発明者の研究によれば、横拘束効果を高
めるには降伏点強度が60Kgｆ／ｍm²以上が望まし
く、80〜100Kgｆ／ｍm²のものが最も効果的であ
つた。 （発明が解決しようとする課題） しかし、従来の高靭性PC杭においては、高強
度即ち、高降伏点強度のPC鋼材を使用し、高い
有効プレストレスを付与し、かつ大きな横拘束効
果を得ることのみに着目して高靭性を得ようとし
ていたところであるが、本発明者の最近の研究の
結果、縦筋の降伏点強度を高くすればする程、塑
性変形能力が小さくなり、大型地震発生時に強大
な曲げモーメントが働いた場合に、充分な耐力が
得られないという問題が生じてきた。また横拘束
効果に関しても同様である。 そこで、本発明者は、このような問題にかんが
み、PC杭に大きな塑性変形能力をもたせ、大き
な曲げモーメントが生じた際にも、これに順応し
て曲げることにより壊れない高曲げ靭性PC杭の
提供を目的としてなされたものである。 （課題を達成するための手段） 上記の目的を達成するための本発明の特徴は、
遠心力成形された中空円筒コンクリート体内に、
プレテンシヨン工法もしくはポストテンシヨン工
法にプレストレスを導入する破断伸び率が５％以
上のPC鋼材からなる縦筋群と、該縦筋群の外側
から前記中空円筒コンクリート体の外周面の間に
円環状もしくはスパイラル状に降伏点応力度が
6000Kgｆ／cm²以上のPC鋼材からなるコンクリー
ト横拘束筋を配してなるプレストレストコンクリ
ート杭体において、前記縦筋群として一様伸び率
が３％以上のPC鋼材を使用したことにある。 （作用） まずPC鋼材の一様伸びについて具体的に説明
する。 第１図は、PC鋼棒、PCストランド等、プレス
トレストコンクリート構造部材に使用されるPC
鋼材の応力ひずみ曲線を一般的に示したものであ
る。図中Ａ点の引張応力は0.2％永久伸び応力と
よばれ、この点を過ぎると応力ひずみ曲線が横軸
と平行に近くなることから降伏点と通称されてい
る。Ｂ点は応力ひずみ曲線の最大応力に達する点
で、この点に対する応力を引張強度と呼んでい
る。Ｂ点を過ぎると応力ひずみ曲線は下降をはじ
め、Ｃ点で引張破断に至る。Ｃ点の伸びひずみを
破断伸びと呼び、破断時にはPC鋼材は同図右上
に示したように一ケ所がくびれて破断する。この
ようなくびれは絞りと呼ばれ、伸びひずみがＢ点
（最大応力点）を過ぎるとおこる。Ｂ点以前では
このような絞り現象はおこらず、PC鋼材はその
引張応力の大きさに応じて鋼材全長にわたり一様
に伸びる。即ち、Ｂ点はPC鋼材がその全長にわ
たつた一様にのびる限界点であつて、この点を過
ぎると伸びが一ケ所に集中して絞りが生じること
から、Ｂ点に対応する伸びひずみのことを一様伸
びと言う。 次にPC部材曲げ靭性改善に高一様伸びPC鋼材
を必要とする数値計算による理由を説明する。 コンクリートを横拘束してその圧縮変形能力を
増大し、これによつてPC部材の曲げ靭性を改善
するのに、大きい一様伸びを持つPC鋼材の使用
が必要であることを説明するために、第２図に示
す幅ｂ、全高さＤ、PC鋼材偏心距離0.4Dの長方
形PC断面部材につき、第３図に示す降伏点強度
13000Kgｆ／cm²、引張強度14500Kgｆ／cm²、破断伸
び７％で、一様伸びが２％及び５％の２種類の
PC鋼材を用いた場合の、曲げ破壊に至るまでの
曲げモーメント一曲率関係を計算する。コンクリ
ートは圧縮強度800Kgｆ／cm²、応力ひずみ曲線は
第４図に示すように模式化し、しかも、圧縮破壊
時のひずみは無限大、即ち、コンクリートの圧縮
破壊はおこらず、どこまでも強度800Kgｆ／cm²の
応力を保つたまま圧縮変形し続けると仮定する。
従つて、この部材の破壊は必ずPC鋼材の破壊に
よつておこることになる。有効プレストレスはコ
ンクリート断面平均応力で100Kgｆ／cm²、PC鋼材
比はｐ＝1.13％とする。曲げモーメント−曲率関
係計算結果は第５図に示したとおりである。 第５図において、Ａ点はPC鋼材降伏点、Ｂ点
は一様伸び２％PC鋼材使用PC杭のPC鋼材伸び
ひずみが一様伸びに到達した点、B′点は同５％
PC鋼材使用PC杭のPC鋼材伸びひずみが一様伸
びに到達した点、Ｃ点はPC鋼材伸びひずみが破
断伸びに到達した点である。また、A′点は断面
圧縮縁コンクリートひずみが無拘束コンクリート
の圧縮破壊ひずみ0.3％に到達する点であつて、
無拘束コンクリート使用部材ではこの点でコンク
リートが圧縮破壊して曲げ破壊に至る。従つて
A′点以後は横拘束によるコンクリートの圧縮変
形能力改善による塑性域の増大、即ち、曲げ靭性
改善効果を示す部分である。ＢまたはB′点を過
ぎると曲げモーメント−曲率関係は下降を示す
が、このような下降部分はPC鋼材の応力ひずみ
曲線の一様伸び以後の絞りの発生する部分にあた
るので、PC鋼材は一ケ所で急速にくびれ、破断
をおこす。しかも、部材としての耐荷能力が急速
に減少する部分であるので、実際には実験によつ
てこの部分を測定することは困難で、部材にとつ
てはＢまたはB′点がPC鋼材の破断による実質上
の曲げ破壊点となる。即ち、第５図の曲げモーメ
ント−曲率関係計算結果においてＢおよびB′点
が実際に使用し得る限界であつて、A′点からＢ
またはB′点までがPC鋼材を破断させることなく
コンクリートの横拘束によつて部材の曲げ靭性改
善が可能な範囲となる。従つて、一様伸び２％の
PC鋼材では、５％のものと比較して曲げ靭性改
善可能範囲が著しく小さく、いくらコンクリート
の横拘束を増大しても一様伸び５％のPC鋼材使
用時のように大きく曲げ靭性改善は望めないこと
が一目瞭然である。 なお上記の２種類の異なつた一様伸びを有する
PC鋼材を用いたPC部材の、Ｂ点の曲率のA′点の
曲率に対する比を示すと第１表とおりである。

【表】 （実験例） 次に、本発明の効果を立証するための実験例に
ついて述べる。 比較実験例 １ 破断伸びは規格値５％以上を満足し、かつ一様
伸びが従来慣用品では1.5〜２％程度であるのに
対して３％以上の値を示すPC鋼材を試作し、横
拘束筋と組み合せることによつて前記実験よりも
更に曲げ靭性を改善した超高曲げ靭性杭を試作
し、実験を行つた。実験に用いたPC杭は前記実
験と全く同じ物で、使用PC鋼材の一様伸び歪み
が前記実験では２％であつたのに対して、この実
験では４％のものを用いている。実験結果の一例
を第２表に示す。

【表】 第２表の実験結果から横拘束筋と高一様伸び
PC鋼材の併用によつてさらに曲げ靭性の改善が
進み、通常のPC杭と比較して、曲げ破壊時の中
央たわみは2.9倍、曲率では3.55倍に達し、著し
く曲げ靭性が改善されることが実証されている。
これをエネルギー吸収量で表すと、通常のPC杭
のそれの約５〜６倍に相当し、大地震時の基礎杭
としての十分なエネルギー吸収量を備えていると
いえる。 比較実施例 ２ 上述のPC部材曲げ靭性改善における高一様伸
びPC鋼材の必要性を実証するため、直径D400mm
Ｃ種PC杭（コンクリート圧縮強度800Kgｆ／cm²、
コンクリート断面有効プレストレス100Kgｆ／cm²）
の曲げ試験による実証を行つた。使用PC杭は第
６図に示すとおりであり、PC鋼棒の破断により
杭を曲げ破壊に至らしめるために、杭中央の試験
区間には十分な横拘束を行つた。なお、標準杭と
して横拘束を行わない通常のPC杭（無拘束PC
杭）についても曲げ試験を行つた。 使用PC鋼棒は一般に慣用されている直径D9.2
mmＤ種異形PC鋼棒と直径D9.2mm高一様伸び鋼棒
の２種で、いずれもJIS規格（降伏点強度13000Kg
ｆ／cm²、引張強度14500Kgｆ／cm²、破断伸び５％
以上）を満足するものである。但し、一様伸びは
前者は２％、後者は4.93％である。それぞれの応
力ひずみ曲線を第７図に示す。なお、破断伸びは
前者9.08％、後者7.03％である。 第８図は無拘束PC杭、一様伸び２％の従来か
ら慣用のPC鋼棒を用いた横拘束PC杭、及び一様
伸び4.93％のPC鋼棒を用いた横拘束杭の曲げモ
ーメント−曲率関係実測結果である。図中の●印
は各杭の曲げ破壊点である。無拘束杭は圧縮側コ
ンクリートの曲げ圧縮破壊により曲げ破壊に至
り、PC鋼棒の破断はおこつていない。また、曲
げ破壊時曲率は3.15×10^-4である。これに対し横
拘束杭はコンクリートの曲げ圧縮破壊がおこる前
にPC鋼棒が破断し、曲げ破壊に至つている。こ
れより明らかなように、一様伸びの小さい従来慣
用のPC鋼棒使用横拘束PC杭の曲げ破壊時曲率
5.25×10^-4であるのに対し、高一様伸びPC鋼棒を
使用した横拘束PC杭では15.45×10^-4に達してい
る。しかも、破断伸びは一様伸びの小さい従来慣
用のPC鋼棒が9.08％であるのに対し、高一様伸
びPC鋼棒のそれは7.03％であつて、破断伸びが
大きいことだけではいくらコンクリートを横拘束
しても、杭の曲げ靭性は改善できないことがわか
る。 なお、本実験で得られた無拘束PC杭の曲げ破
断時曲率に対する横拘束PC杭の曲げ破壊時曲率
の比を求めると、 従来慣用PC鋼棒使用横拘束PC杭（一様伸び２
％）：1.667 高一様伸び鋼棒使用横拘束PC杭（一様伸び
4.93％）：4.905 であり、高一様伸びPC鋼棒の使用が曲げ靭性改
善に必要であることがわかる。 さらに、このことは、第９図に示した杭破壊時
の破壊断面におけるPC鋼棒伸びひずみ実測結果
においても裏付けされる。である。即ち、同図に
おいて、無拘束PC杭では、杭曲げ破壊時のPC鋼
棒伸びひずみは1.25％に達しているが、一様伸び
以下のひずみであるので破断には至つておらず、
コンクリートの曲げ圧縮破壊で杭が破壊してい
る。一方、一様伸びの小さい従来慣用のPC鋼棒
を使用した横拘束PC杭では、杭破壊時のPC鋼棒
伸びひずみが1.85％に達したときPC鋼棒の破断
がおこり、曲げ破壊に至つている。 即ち、杭破壊時のPC鋼棒伸びひずみは一様伸
び２％に近い値である。更に、高一様伸びPC鋼
棒を使用した横拘束PC杭では、杭破壊時のPC鋼
棒の伸びひずみは4.6％で、これも使用PC鋼棒の
一様伸び4.93％に近い値に到達してPC鋼棒が破
断し、曲げ破壊に至つている。即ち、PC部材の
中に埋設されたPC鋼棒の破断限界ひずみは、破
断伸びではなくて一様伸びであることを、この実
験結果は裏付けるものである。 以上述べたように、理論的にも実験的にもPC
部材の曲げ靭性改善には、単にコンクリートの横
拘束だけでは困難であつて、一様伸びの大きい
PC鋼材を用いてはじめて曲げ靭性改善が可能と
なるものであり、使用PC鋼材の破断伸びの大き
いことは必須条件ではない。従つて破断伸びを要
求している従来の技術では、如何にコンクリート
を横拘束しても、部材の曲げ靭性は使用PC鋼棒
の一様伸び以上には改善されない。 （実施例） 第１０図は本発明を実施したPC杭の断面形状
を示しており、同図ａは、プレテンシヨン方式、
又はポストテンシヨン方式による方式により成形
した中空円筒コンクリート体１の縦方向に適宜の
間隔をおいて複数のPC鋼材２を設け、該鋼材２
に接して円環状又はスパイラル状の横拘束筋３を
設けたものである。 同図ｂは、PC鋼材２の外方にPC鋼材２に接触
せず横拘束筋３を設けたものである。 同図ｃは、中空円筒コンクリート体の外周に喰
込ませ、又は喰込ませずに横拘束筋３を設けたも
のである。 （発明の効果） 本発明によれば、横拘束による杭体の曲げに対
する耐久力が増大し、曲げ変形能力（曲率）を通
常の杭より少なくとも３倍以上に改善し、大地震
にも耐え得るコンクリート製の杭を経済的に得ら
れる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はPC鋼材の応力歪み曲線を示すグラフ、
第２図は一様伸びのPC部材曲げ靭性改善に及ぼ
す影響計算結果説明用のPC部材断面図、第３図
は同PC鋼材の応力歪み曲線を示すグラフ、第４
図は同コンクリートの応力歪み曲率関係を示すグ
ラフ、第５図は同曲げモーメント曲率関係を示す
グラフ、第６図は実験に用いたPC杭供試体と曲
げ載荷条件を示す説明図、第７図は実験に用いた
PC鋼棒の応力歪み曲線を示すグラフ、第８図は
曲げモーメント−曲率関係実験結果を示すグラ
フ、第９図は曲げモーメント−PC鋼材引張歪み
関係実測結果を示すグラフ、第１０図ａ〜ｃは本
発明を実施したPC杭の別々の例を示す断面図で
ある。 １……中空円筒コンクリート体、２……縦方向
のPC鋼材、３……円環状又はスパイラル状の横
拘束筋。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 遠心力成形された中空円筒コンクリート体内
   に、プレテンシヨン工法もしくはポストテンシヨ
   ン工法にてプレストレスを導入する破断伸び率が
   ５％以上のPC鋼材からなる縦筋群と、該縦筋群
   の外側から前記中空円筒コンクリート体の外周面
   の間に円環状もしくはスパイラル状に降伏点応力
   度が6000Kgｆ／cm²以上のPC鋼材からなるコンク
   リート横拘束筋を配してなるプレストレストコン
   クリート杭体において、前記縦筋群として一様伸
   び率が３％以上のPC鋼材を使用したことを特徴
   としてなる高曲げ靭性プレストレストコンクリー
   ト杭。