JPWO2015045872A1 - 合成構造 - Google Patents

Abstract

本発明の合成構造は、鋼管と；一端部が前記鋼管に挿入された接合対象部材と；前記鋼管の内周面と前記接合対象部材の前記一端部との間に充填されたコンクリートと；を備える。前記鋼管は、前記鋼管の前記内周面から前記鋼管の半径方向内側へ向かって突出し且つ前記鋼管の管軸方向に沿って螺旋状に延設された突起を有する。前記突起は、鋼管における補剛領域と素管領域との境界を跨ぐように前記管軸方向に沿って前記螺旋状に延設されている。前記素管領域における前記突起の前記管軸方向の延設長は、前記鋼管の局部座屈半波長以上である。

Description

本発明は、鋼管と接合対象部材との接合に適用可能な合成構造に関する。
本願は、２０１３年０９月２５日に、日本に出願された特願２０１３−１９７６８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来より、鋼管杭とコンクリートとの付着強度を向上させるために、鋼管杭の先端部の内周面及び外周面の少なくとも一方に、鋼管杭とコンクリートとの滑り止めとして突起を設ける技術が一般的に知られている。

下記特許文献１には、鋼管杭の内周面において鋼管杭の周方向に沿って円環状の突起を、鋼管杭とコンクリートとの滑り止めとして設けることにより、鋼管杭とコンクリートとの一体性を確保して付着強度を向上させる技術が開示されている。

下記特許文献２及び３には、鋼管杭の内周面又は外周面に螺旋状の突起を、鋼管杭とコンクリートとの滑り止めとして設けることにより、鋼管杭とコンクリートとの一体性を確保して付着強度を向上させる技術が開示されている。

下記非特許文献１には、螺旋状の突起が内周面又は外周面に設けられた鋼管杭の製造方法として、突起が設けられた鋼帯を螺旋状に巻くことにより、螺旋状の突起を有する鋼管杭を製造する方法が開示されている。非特許文献１では、螺旋状の突起方向角度が大きくなることに起因して、鋼管杭とコンクリートとの付着強度が低下するので、鋼管杭とコンクリートとの所定の付着強度を確保するために、螺旋状の突起方向角度は４０°以下に制限されている。

下記非特許文献２には、螺旋状の突起が内周面に設けられた鋼管とコンクリートとの付着強度を調査するために実施された実験の結果が開示されている。この実験結果においては、螺旋状の突起方向角度が４５°の場合であっても、鋼管とコンクリートとの必要な付着強度を確保できることが示されている。

日本国特開２００７−５１５００号公報 日本国特開２００７−３２０４４号公報 日本国特開平８−２８４１５９号公報

ＪＩＳ Ａ ５５２５ 「鋼管ぐい」 「リブ付鋼管による重ね継手の付着性状」、土木学会年次学術講演会講演概要集第５部、Ｖｏｌ．５０、８８０頁〜８８１頁、１９９５年

しかし、特許文献１、２及び３に開示された鋼管杭では、補剛領域（鋼管杭の内周面においてコンクリートと接触する領域）の断面剛性及び部材耐力が、素管領域（鋼管杭の内周面においてコンクリートと接触しない領域）と大きく異なる。特に、鋼管杭の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管杭の断面剛性及び部材耐力が大幅に減少する。

このため、特許文献１、２及び３に開示された鋼管杭では、鋼管杭に曲げ力、軸力及びせん断力等の荷重が作用した場合に、鋼管杭の補剛領域と素管領域との境界において、上記の荷重に起因する応力集中が発生して、素管領域に局部座屈が発生する可能性がある。

また、上記のように、鋼管杭の素管領域に局部座屈が発生すると、建築構造物等の上部柱と鋼管杭との接合箇所等において、建築構造物等の支持が不十分になる可能性がある。

このような鋼管杭の素管領域における局部座屈を防ぐ方法の一つとして、鋼管杭の板厚を厚くする方法が考えられる。しかしながら、鋼管杭の板厚を厚くする方法を採用すると、鋼管杭の重量が大きくなると共に、材料コストが増加するので、この方法は合理的ではない。また、鋼管杭の素管領域における局部座屈を防ぐ他の方法として、スティフナ等の補剛材を素管領域に設置することも考えられるが、加工の手間が増える。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、鋼管の板厚を厚くすることなく、また、スティフナ等の補剛材を用いることなく、鋼管の補剛領域と素管領域との境界における局部座屈抵抗の向上を実現可能な合成構造を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下のような手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係る合成構造は、鋼管と；一端部が前記鋼管に挿入された接合対象部材と；前記鋼管の内周面と前記接合対象部材の前記一端部との間に充填されたコンクリートと；を備える。前記鋼管は、前記鋼管の前記内周面から前記鋼管の半径方向内側へ向かって突出し且つ前記鋼管の管軸方向に沿って螺旋状に延設された突起を有する。前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触する領域を補剛領域と定義し且つ前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触しない領域を素管領域と定義したとき、前記突起は、前記補剛領域と前記素管領域との境界を跨ぐように前記管軸方向に沿って前記螺旋状に延設されている。前記素管領域における前記突起の前記管軸方向の延設長は、前記鋼管の局部座屈半波長以上である。前記鋼管の前記局部座屈半波長をλ（ｍｍ）、前記鋼管の外径をＤ（ｍｍ）、且つ前記鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）と定義したとき、前記局部座屈半波長λは下記式（１）で表され、前記鋼管の前記外径Ｄと前記板厚ｔとの比率Ｄ／ｔは５０以上１００以下である。

（２）上記（１）に記載の合成構造において、前記突起を前記鋼管の前記半径方向の内側から視たとき、前記鋼管の周方向と前記突起との間の角度が、３０°以上９０°未満であってもよい。

（３）上記（１）または（２）に記載の合成構造において、前記鋼管を前記管軸方向に平行な断面で視たとき、前記突起の凸断面が、前記管軸方向に沿って前記局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいてもよい。

上記（１）に記載の合成構造によれば、鋼管の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管の補剛領域と素管領域とで断面剛性及び部材耐力の差異が小さくなり、補剛領域から素管領域までの鋼管の断面剛性及び部材耐力を漸減させて、鋼管の断面剛性及び部材耐力の急激な減少を防止することが可能となる。

上記（１）に記載の合成構造によれば、鋼管の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管の断面剛性及び部材耐力の急激な減少を防止して、曲げ力、軸力、せん断力等の荷重に起因する鋼管に対する応力集中の発生を回避することができ、素管領域における局部座屈の発生を防止することが可能となる。

上記（１）に記載の合成構造によれば、鋼管の補剛領域と素管領域との境界において、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、鋼管と接合対象部材との接合箇所等における建築構造物等の支持を十分なものとすることが可能となる。

上記（２）に記載の合成構造によれば、突起が存在しない鋼管の薄い部位が鋼管の管周方向断面で連続しない。その結果、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、素管領域における局部座屈の発生を防止することが可能となる。

また、上記（２）に記載の合成構造によれば、鋼管に、管壁が蛇腹状に潰れるような局部座屈が発生することを確実に防止することが可能となる。また、鋼管の内周面にコンクリートを確実に付着させて、鋼管とコンクリートとの付着強度を十分に確保することが可能となる。

上記（２）に記載の合成構造によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を向上させるために補剛領域に設けられた突起を、鋼管の管軸方向に沿ってさらに延ばして設けることができ、局部座屈抵抗を向上させた鋼管を効率的に製造することが可能となる。

特に、従来では、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保することのみを目的として突起が鋼管に設けられた場合に、突起を鋼管の周方向に対して１０°〜２０°程度傾斜させていた。しかしながら、上記（２）に記載の合成構造によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保するために突起を設ける鋼管の製造工程を直接的に利用して、鋼管の周方向に対して３０°以上の角度で突起を傾斜させて、鋼管の局部座屈抵抗を向上させた突起を効率的に設けることが可能となる。

上記（３）に記載の合成構造によれば、鋼管の管軸方向に沿って互いに隣り合う突起の間で、鋼管に作用する荷重に起因して素管領域に局部座屈が発生することを防止することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る合成構造１を示す縦断面図である。 図１において点線で囲まれた領域Ｃの拡大図である。 図１において補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界を含む領域の拡大図である。 鋼管杭１０にせん断力Ｑを作用させた場合と、鋼管杭１０に軸力Ｎを作用させた場合とのそれぞれを模式的に示す図である。 表１における「Ｌ／√（Ｄ・ｔ）」が横軸として設定され、表１における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が縦軸として設定されたグラフを示す。 表２における突起傾斜角θが横軸として設定され、表２における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が縦軸として設定されたグラフを示す。 表３における突起傾斜角θが横軸として設定され、表３における「Ｎ_ｍａｘ／Ｎ０）が縦軸として設定されたグラフを示す。 表４における「Ｓ／√（Ｄ・ｔ）」が横軸として設定され、表４における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が縦軸として設定されたグラフを示す。 本実施形態の変形例を示す図である。 本実施形態の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る合成構造１を示す縦断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る合成構造１は、地盤に打ち込まれた鋼管杭１０（鋼管）と、一端部が鋼管杭１０に挿入されたＨ形鋼２０（接合対象部材）と、鋼管杭１０の内周面１１とＨ形鋼２０の一端部（鋼管杭１０に挿入された部分）との間に充填されたコンクリート３０とを備えている。なお、図１は、鋼管杭１０の管軸方向（図１中のＹ方向）と平行な断面で鋼管杭１０を視た図である。

Ｈ形鋼２０は、例えば建築構造物（上部構造物）の柱部材である。基礎構造物として地盤に打ち込まれた鋼管杭１０にＨ形鋼２０の一端部が挿入された状態で、鋼管杭１０の内周面１１とＨ形鋼２０の一端部との間にコンクリート３０が充填されることにより、鋼管杭１０とＨ形鋼２０とが互いに接合される。図１に示すように、鋼管杭１０とＨ形鋼２０との接合強度を強くするために、Ｈ形鋼２０の先端に、ベースプレート２１が接合されていることが好ましい。ただし、このベースプレート２１は必須ではない。

鋼管杭１０は、例えば、１０００ｍｍの外径Ｄと、６．６ｍｍの板厚ｔと、０．２８〜０．３０のポアソン比νを有する鋼管である。鋼管杭１０の外径Ｄ、板厚ｔ、及びポアソン比νは、上記の数値に限定されない。しかしながら、鋼管杭１０の板厚ｔが大きすぎると、鋼管杭１０の局部座屈抵抗が大きくなるというメリットがある反面、鋼管杭１０の重量及び材料コストが増大するというデメリットもある。そのため、本実施形態では、板厚ｔに起因するメリットとデメリットとのバランスを考慮して、外径Ｄと板厚ｔとの比率Ｄ／ｔが５０以上１００以下に設定されている。
鋼管杭１０として建築用鋼材を用いた場合、外径Ｄと板厚ｔとの比率Ｄ／ｔが５０未満となると、局部座屈による耐力低下が鋼管杭１０に生じる。従って、比率Ｄ／ｔの下限値を５０に設定することが望ましい。一方、比率Ｄ／ｔの上限値については特に制限はないが、土木建築用に製造されて市場に流通している鋼管の比率Ｄ／ｔの上限値は概ね１００であるので、本実施形態においても、鋼管杭１０の比率Ｄ／ｔの上限値を１００に設定している。
このような鋼管杭１０は、鋼管杭１０の内周面１１から鋼管杭１０の半径方向（図１中のＸ方向）内側へ向かって突出し、且つ鋼管杭１０の管軸方向Ｙに沿って螺旋状に延設された突起１２を有している。

図２は、図１において点線で囲まれた領域Ｃの拡大図である。図２に示すように、鋼管杭１０の管軸方向Ｙにおける突起１２の凸断面の長さを突起幅ｗと定義する。また、鋼管杭１０の半径方向Ｘにおける突起１２の凸断面の長さを突起高さｈと定義する。また、管軸方向Ｙに沿って互いに隣り合う突起１２の凸断面の中心間の距離を突起間隔Ｓと定義する。さらに、突起１２を鋼管杭１０の半径方向Ｘの内側から視たとき、鋼管杭１０の周方向（図２中のＷ方向）と突起１２との間の角度を突起傾斜角θと定義する。

突起１２の突起幅ｗは、例えば１０ｍｍである。突起１２の突起高さｈは、例えば４ｍｍである。ただし、突起１２の突起幅ｗ及び突起高さｈは、上記の数値に限定されない。突起傾斜角θは、３０°以上９０°未満であることが好ましい。また、突起傾斜角θは、３０°以上６０°未満が最も好ましい。突起傾斜角θを上記の範囲に設定することが好ましい理由については後述する。突起間隔Ｓの好ましい範囲については後述する。なお、本実施形態では、矩形状の凸断面を有する突起１２が鋼管杭１０に形成された場合を例示したが、突起１２の凸断面の形状は、矩形以外の形状であってもよい。

突起１２は、鋼帯等の圧延によって鋼管杭１０の内周面１１設けられてもよく、棒鋼を溶接等で取り付けたり、溶接ビードを置く方法等によって設けられてもよい。また、複数の螺旋状の突起１２の一部を互いに交差させることにより、鋼管杭１０の周方向Ｗに対して互いに異なる方向に傾斜した複数の突起１２が組み合わされてもよい。また、螺旋状の突起１２と、鋼管杭１０の周方向Ｗに平行な突起１２とが組み合わされてもよい。

以下では、図１に示すように、鋼管杭１０の内周面１１において突起１２が設けられている領域を突起領域Ａ１と定義し、鋼管杭１０の内周面１１において突起１２が設けられていない領域を平坦領域Ａ２と定義する。また、図１に示すように、鋼管杭１０の内周面１１においてコンクリート３０と接触する領域を補剛領域Ｂ１と定義し、鋼管杭１０の内周面１１においてコンクリート３０と接触しない領域を素管領域Ｂ２と定義する。

図１に示すように、突起１２は、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界を跨ぐように、管軸方向Ｙに沿って螺旋状に延設されている。言い換えれば、突起領域Ａ１において、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界が少なくとも１つ存在する。詳細は後述するが、突起領域Ａ１において、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界が２つ存在する場合もある。

図１に示すように、突起１２が、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界から素管領域Ｂ２側へ管軸方向Ｙに沿って延設されている長さを延設長Ｌと定義する。言い換えれば、素管領域Ｂ２における突起１２の管軸方向Ｙの延設長Ｌは、突起領域Ａ１の管軸方向Ｙの長さから、補剛領域Ｂ１の管軸方向Ｙの長さを減算することで得られる長さである。

図３は、図１において補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界を含む領域の拡大図である。図３に示すように、素管領域Ｂ２における突起１２の管軸方向Ｙの延設長Ｌは、鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上である。ここで、鋼管杭１０の局部座屈半波長λとは、曲げ力Ｍ、軸力Ｎ及びせん断力Ｑ等の荷重が鋼管杭１０に作用することに起因して、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界に近い素管領域Ｂ２の管壁に発生する座屈部位１３の長さである（図３参照）。

上記のように、鋼管杭１０の外径をＤ（ｍｍ）、鋼管杭１０の板厚をｔ（ｍｍ）、及び鋼管杭１０の局部座屈半波長をλ（ｍｍ）と定義したとき、局部座屈半波長λは下記式（１）で表される。なお、鋼管杭１０のポアソン比をνと定義したとき、下記式（１）における定数Ｋは、下記式（２）で表される。

また、図３に示すように、鋼管杭１０を管軸方向Ｙに平行な断面で視たとき、突起１２の凸断面が、管軸方向Ｙに沿って局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいることが望ましい。言い換えれば、突起１２の突起間隔Ｓが、局部座屈半波長λ以下であることが望ましい。すなわち、突起１２の延設長Ｌ、突起間隔Ｓ、及び局部座屈半波長λの関係が下記条件式（３）を満たすことが望ましい。
Ｓ ≦ λ ≦ Ｌ …（３）

上記のような構成を有する合成構造１によれば、鋼管杭１０の板厚を厚くすることなく、また、スティフナ等の補剛材を用いることなく、鋼管杭１０の補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界における局部座屈抵抗の向上を実現することが可能となる。すなわち、上記のような構成を有する合成構造１によれば、鋼管杭１０の板厚ｔに起因するメリットとデメリットとのバランスが最適となる条件（外径Ｄと板厚ｔとの比率Ｄ／ｔが５０以上１００以下という条件）を満足しながら、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界における局部座屈抵抗を向上させることができる。

以下では、図４に示すように、鋼管杭１０にせん断力Ｑを作用させた場合と、鋼管杭１０に軸力Ｎを作用させた場合とのそれぞれについて、鋼管杭１０の局部座屈抵抗をシェル要素を用いた有限要素法（ＦＥＭ）解析によって解析した結果を説明する。

上記のＦＥＭ解析において、鋼管杭１０の外径Ｄを１０００ｍｍ、鋼管杭１０の板厚ｔを６．６ｍｍ、鋼管杭１０のポアソン比νを０．３０、突起１２の突起高さｈを４ｍｍ、突起１２の突起幅ｗを１０ｍｍ、突起１２の突起傾斜角θを３０°、突起１２の突起間隔Ｓを１００ｍｍに設定した。このような条件において、鋼管杭１０の局部座屈半波長λは、１９９ｍｍとなる。
上記の条件の下で、突起１２の延設長Ｌを０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲で変化させた場合における、突起１２の延設長Ｌとせん断力Ｑに対する局部座屈抵抗（せん断力Ｑに対する最大耐力）との関係を解析した結果を下記表１に示す。なお、下記表１において、突起１２の延設長Ｌが１９９ｍｍ以上のとき、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上という条件が満たされる。

表１において、Ｑ_ｍａｘ（ｋＮ）は、鋼管杭１０の上端部に作用するせん断力Ｑを徐々に増大させて鋼管杭１０を強制的に変形させた場合に、最終的に鋼管杭１０に局部座屈が発生して最大耐力に至った時点でのせん断力Ｑを示している。すなわち、このＱ_ｍａｘは、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の局部座屈抵抗（せん断力Ｑに対する最大耐力）を示している。
延設長Ｌが０ｍｍのとき、すなわち素管領域Ｂ２に突起１２が存在しないときの最大耐力Ｑ_ｍａｘ（＝７９４ｋＮ）を、基準耐力Ｑ０と定義する。従って、表１において、突起１２の延設長Ｌが０ｍｍのとき、最大耐力Ｑ_ｍａｘと基準耐力Ｑ０との比（＝Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０）は、“１”となる。表１における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」は、突起１２の延設長Ｌの変化に対する最大耐力Ｑ_ｍａｘの上昇率を示す無次元数である。

図５は、表１における「Ｌ／√（Ｄ・ｔ）」が横軸として設定され、表１における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が縦軸として設定されたグラフを示す。図５に示すように、「Ｌ／√（Ｄｔ）」が２．４４以上となるとき、「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が１．０４９以上となる。すなわち、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ（＝１９９ｍｍ）以上という条件を満たすとき、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の最大耐力Ｑ_ｍａｘの上昇率が４．９％以上となる。このように、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上という条件を満たすとき、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の局部座屈抵抗が著しく上昇することが確認された。

次に、上記のＦＥＭ解析において、鋼管杭１０の外径Ｄを１０００ｍｍ、鋼管杭１０の板厚ｔを６．６ｍｍ、鋼管杭１０のポアソン比νを０．３０、突起１２の突起高さｈを４ｍｍ、突起１２の突起幅ｗを１０ｍｍ、突起１２の延設長Ｌを５００ｍｍ、突起１２の突起間隔Ｓを１００ｍｍに設定した。すなわち、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ（＝１９９ｍｍ）以上という条件が満たされている。
このような条件の下で、突起１２の突起傾斜角θを１０°〜９０°の範囲で変化させた場合における、突起傾斜角θと、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の最大耐力Ｑ_ｍａｘと、「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」との関係を解析した結果を下記表２に示す。

図６は、表２における突起傾斜角θが横軸として設定され、表２における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が縦軸として設定されたグラフを示す。図６に示すように、突起傾斜角θが３０°以上となるとき、「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が１．０５３〜１．０８５となる。すなわち、突起傾斜角θが３０°以上という条件を満たすとき、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の最大耐力Ｑ_ｍａｘの上昇率が５．３％〜８．５となる。このように、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上という条件を満たし、且つ突起傾斜角θが３０°以上という条件を満たすとき、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の局部座屈抵抗がより著しく上昇することが確認された。

次に、上記のＦＥＭ解析において、鋼管杭１０の外径Ｄを１０００ｍｍ、鋼管杭１０の板厚ｔを６．６ｍｍ、鋼管杭１０のポアソン比νを０．３０、突起１２の突起高さｈを４ｍｍ、突起１２の突起幅ｗを１０ｍｍ、突起１２の延設長Ｌを３０００ｍｍ、突起１２の突起間隔Ｓを１００ｍｍに設定した。すなわち、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ（＝１９９ｍｍ）以上という条件が満たされている。なお、突起１２の延設長Ｌを３０００ｍｍに設定することは、鋼管杭１０の全長に亘って突起１２が形成されていることを意味する。
このような条件の下で、突起１２の突起傾斜角θを５°〜９０°の範囲で変化させた場合における、突起傾斜角θと、軸力Ｎに対する局部座屈抵抗（軸力Ｎに対する最大耐力）との関係を解析した結果を下記表３に示す。

表３において、Ｎ_ｍａｘ（ｋＮ）は、鋼管杭１０に作用する軸力Ｎを徐々に増大させて鋼管杭１０を強制的に変形させた場合に、最終的に鋼管杭１０に局部座屈が発生して最大耐力に至った時点での軸力Ｎを示している。すなわち、このＮ_ｍａｘは、軸力Ｎに対する鋼管杭１０の局部座屈抵抗（軸力Ｎに対する最大耐力）を示している。
突起傾斜角θが「無し」のとき（鋼管杭１０に突起１２が存在しないとき）の最大耐力Ｎ_ｍａｘ（＝７５８０ｋＮ）を、基準耐力Ｎ０と定義する。従って、表３において、突起傾斜角θが「無し」のとき、最大耐力Ｎ_ｍａｘと基準耐力Ｎ０との比（＝Ｎ_ｍａｘ／Ｎ０）は、“１”となる。「Ｎ_ｍａｘ／Ｎ０」は、突起１２の突起傾斜角θの変化に対する最大耐力Ｎ_ｍａｘの上昇率を示す無次元数である。

図７は、表３における突起傾斜角θが横軸として設定され、表３における「Ｎ_ｍａｘ／Ｎ０）が縦軸として設定されたグラフを示す。図７に示すように、突起傾斜角θが３０°以上となるとき、「Ｎ_ｍａｘ／Ｎ０」が１．０４９〜１．１００となる。すなわち、突起傾斜角θが３０°以上という条件を満たすとき、軸力Ｎに対する鋼管杭１０の最大耐力Ｎｍａｘの上昇率が４．９％〜１０．０％となる。このように、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上という条件を満たし、且つ突起傾斜角θが３０°以上という条件を満たすとき、軸力Ｎに対する鋼管杭１０の局部座屈抵抗が著しく上昇することが確認された。

上記のように、表２及び表３（図６及び図７）に示した解析結果からは、鋼管杭１０の局部座屈抵抗をより向上させるための条件として、突起１２の突起傾斜角θが３０°以上９０°以下という条件が導き出される。しかしながら、突起傾斜角θが９０°の場合、鋼管杭１０とコンクリート３０との付着強度が十分に得られないので、本実施形態では、鋼管杭１０の局部座屈抵抗をより向上するための条件として、突起１２の突起傾斜角θが３０°以上９０°未満という条件を採用している。

また、表２及び表３（図６及び図７）に示した解析結果から、最も好ましい条件として、突起１２の突起傾斜角θが３０°以上６０°以下という条件が導き出される。ここで、突起傾斜角θの下限値である３０°は、図６及び図７に示すように、せん断力Ｑに対する最大耐力Ｑ_ｍａｘ及び軸力Ｎに対する最大耐力Ｎ_ｍａｘの上昇率が顕著に高くなる値である。また、突起傾斜角θの上限値である６０°は、これ以上、突起傾斜角θを大きくしても、せん断力Ｑに対する最大耐力Ｑ_ｍａｘ及び軸力Ｎに対する最大耐力Ｎ_ｍａｘの上昇率が大きく変化しない値である。

次に、上記のＦＥＭ解析において、鋼管杭１０の外径Ｄを１０００ｍｍ、鋼管杭１０の板厚ｔを６．６ｍｍ、鋼管杭１０のポアソン比νを０．３０、突起１２の突起高さｈを４ｍｍ、突起１２の突起幅ｗを１０ｍｍ、突起１２の突起傾斜角θを４５°、突起１２の延設長Ｌを５００ｍｍに設定した。すなわち、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ（＝１９９ｍｍ）以上という条件が満たされている。
上記の条件の下で、突起１２の突起間隔Ｓを０ｍｍ〜３００ｍｍの範囲で変化させた場合における、突起１２の突起間隔Ｓとせん断力Ｑに対する局部座屈抵抗（せん断力Ｑに対する最大耐力）との関係を解析した結果を下記表４に示す。なお、下記表４において、突起１２の突起間隔Ｓが１９９ｍｍ以下のとき、突起１２の突起間隔Ｓが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以下という条件が満たされる。

表４において、Ｑ_ｍａｘ（ｋＮ）は、表１及び表２と同様に、鋼管杭１０の上端部に作用するせん断力Ｑを徐々に増大させて鋼管杭１０を強制的に変形させた場合に、最終的に鋼管杭１０に局部座屈が発生して最大耐力に至った時点でのせん断力Ｑを示している。すなわち、このＱ_ｍａｘは、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の局部座屈抵抗（せん断力Ｑに対する最大耐力）を示している。
突起間隔Ｓが「無し」のとき（鋼管杭１０に突起１２が存在しないとき）の最大耐力Ｑ_ｍａｘ（＝７９４ｋＮ）を、基準耐力Ｑ０と定義する。従って、表４において、突起間隔Ｓが「無し」のとき、最大耐力Ｑ_ｍａｘと基準耐力Ｑ０との比（＝Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０）は、“１”となる。表４における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」は、突起１２の突起間隔Ｓの変化に対する最大耐力Ｑ_ｍａｘの上昇率を示す無次元数である。

図８は、表４における「Ｓ／√（Ｄ・ｔ）」が横軸として設定され、表４における「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が縦軸として設定されたグラフを示す。図８に示すように、「Ｓ／√（Ｄｔ）」が２．４４以下となるとき、「Ｑ_ｍａｘ／Ｑ０」が１．０２２以上となる。すなわち、突起１２の突起間隔Ｓが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ（＝１９９ｍｍ）以下という条件を満たすとき、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の最大耐力Ｑ_ｍａｘの上昇率が２．２％以上となる。このように、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上という条件を満たし、且つ突起１２の突起間隔Ｓが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以下という条件（すなわち、上記（３）式で規定される条件）を満たすとき、せん断力Ｑに対する鋼管杭１０の局部座屈抵抗が著しく上昇することが確認された。

以上のように、突起１２の延設長Ｌが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上という条件（第１条件）、突起傾斜角θが３０°以上９０°未満という条件（第２条件）、及び突起１２の突起間隔Ｓが鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以下という条件（第３条件）を満たす本実施形態に係る合成構造１によれば、鋼管杭１０の板厚ｔに起因するメリットとデメリットとのバランスが最適となる条件（外径Ｄと板厚ｔとの比率Ｄ／ｔが５０以上１００以下という条件）を満足しながら、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界における局部座屈抵抗の向上を実現することが可能となる。

なお、上記の解析結果から理解されるように、少なくとも、上記の第１条件を満たす合成構造であれば、上記の効果を得ることができる。しかしながら、鋼管杭１０の局部座屈抵抗をより向上させるためには、第１条件に加えて、第２条件及び第３条件の少なくとも一方を満たす合成構造を採用することが好ましい。

ところで、上記実施形態では、補剛領域Ｂ１の全部に突起１２が形成されている場合（つまり、コンクリート３０と接触する内周面１１の全部に突起１２が形成されている場合）を例示したが、少なくとも第１条件を満たしてさえいれば、補剛領域Ｂ１の全部に突起１２が形成されている必要はない。例えば、図９に示すように、補剛領域Ｂ１に、突起１２が形成されていない領域（平坦領域Ａ２）と、突起１２が形成されている領域（突起領域Ａ１）とが含まれていてもよい。ただし、鋼管杭１０とコンクリート３０との付着強度を強くするためには、補剛領域Ｂ１の全部に突起１２が形成されていることが好ましい。

また、上記実施形態では、突起領域Ａ１において、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界が１つ存在する場合を例示したが、例えば、図１０に示すように、突起領域Ａ１において、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界が２つ存在するような合成構造を採用してもよい。図１０に示す合成構造においても、少なくとも第１条件を満たす必要がある。つまり、図１０において、補剛領域Ｂ１の上端から管軸方向Ｙの上方へ向かって延設された突起１２の延設長Ｌと、補剛領域Ｂ１の下端から管軸方向Ｙの下方へ向かって延設された突起１２の延設長Ｌとの両方が、鋼管杭１０の局部座屈半波長λ以上の長さに設定される必要がある。

また、上記実施形態では、鋼管杭１０に接合される接合対象部材としてＨ形鋼２０を例示したが、鋼管杭１０に挿入可能な形状を有する物であれば、どのような接合対象部材であってもよい。
また、上記実施形態では、鋼管杭１０の内周面１１に突起１２が設けられている場合を例示したが、この突起１２に加えて、鋼管杭１０の外周面から鋼管杭１０の半径方向外側へ向かって突出し且つ鋼管杭１０の管軸方向Ｙに沿って螺旋状に延設された突起が設けられていてもよい。

以上のように、上記実施形態によれば、少なくとも第１条件を満たすことにより、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界において、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２とで断面剛性及び部材耐力の差異が小さくなる。

これにより、補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界において、補剛領域Ｂ１から素管領域Ｂ２までの断面剛性及び部材耐力を漸減させて、鋼管（鋼管杭１０）の断面剛性及び部材耐力の急激な減少を防止することが可能となる。また、上記実施形態によれば、鋼管の補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界において、曲げ力Ｍ、軸力Ｎ、せん断力Ｑ等の荷重に起因する鋼管に対する応力集中の発生を回避して、素管領域Ｂ２における局部座屈の発生を防止することが可能となる。

また、上記実施形態によれば、鋼管の補剛領域Ｂ１と素管領域Ｂ２との境界において、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、鋼管と接合対象部材との接合箇所等において、建築構造物等の支持を十分なものとすることが可能となる。

また、上記実施形態では、鋼管の突起（１２）を鋼管の半径方向Ｘの内側から視たとき、鋼管の周方向Ｗと突起との間の角度が、３０°以上９０°未満に設定されている。

これにより、上記実施形態では、突起が存在しない鋼管の薄い部位が鋼管の管周方向の断面で連続しない。その結果、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、素管領域Ｂ２における局部座屈の発生を防止することが可能となる。

また、上記実施形態によれば、突起が、鋼管の管軸方向Ｙに沿って螺旋状に設けられているので、鋼管とコンクリート（３０）との付着強度を向上させることができる。また、鋼管とコンクリートとの付着強度を向上させるために補剛領域Ｂ１に設けられた突起を、鋼管の管軸方向Ｙに沿ってさらに延ばして設けることができ、局部座屈抵抗を向上させた鋼管を効率的に製造することが可能となる。さらに、上記実施形態によれば、例えば、突起が設けられた鋼帯を螺旋状に造管した場合において、鋼管の製造効率を著しく向上させることが可能となる。

従来では、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保することのみを目的とした場合に、突起が設けられた鋼帯を螺旋状に造管すること等によって、鋼管の周方向Ｗに対して１０°〜２０°程度傾斜した突起を鋼管に設けていた。

これに対して、上記実施形態によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保するために突起を設ける鋼管の製造工程を直接的に利用して、鋼管の局部座屈抵抗を向上させるために、鋼管の周方向Ｗに対して３０°以上の角度で突起を傾斜させて、突起を鋼管に効率的に設けることが可能となる。

特に、上記実施形態によれば、突起傾斜角θを３０°以上９０°未満（最も好ましくは、３０°≦θ≦６０°）に設定することにより、鋼管に、管壁が蛇腹状に潰れるような局部座屈が発生することを確実に防止することが可能となる。また、鋼管の内周面（１１）にコンクリートを確実に付着させて、鋼管とコンクリートとの付着強度を十分に確保することが可能となる。

また、上記実施形態では、鋼管を管軸方向Ｙに平行な断面で視たとき、突起の凸断面が、管軸方向Ｙに沿って鋼管の局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいる。つまり、突起の突起間隔Ｓが鋼管の局部座屈半波長λ以下に設定されている。

これにより、鋼管の管軸方向Ｙに沿って互いに隣り合う突起の間で、鋼管に作用する荷重に起因して素管領域Ｂ２に局部座屈が発生することを防止することが可能となる。

また、突起の突起間隔Ｓが鋼管の局部座屈半波長λ以下に設定されることにより、鋼管の局部座屈抵抗がより強化され、その結果、鋼管の部材耐力を著しく向上させることが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、上記実施形態によって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。

例えば、柱材または鞘管として用いられた鋼管に突起が設けられ、梁材が接合される鞘管に柱材（接合対象部材）が挿通されて、鞘管と柱材との間にコンクリートが充填された柱と梁との接合構造に対しても本発明を適用することができる。

１：合成構造
１２：突起
１０：鋼管杭（鋼管）
２０：Ｈ形鋼（接合対象部材）
１１：鋼管杭（鋼管）の内周面
３０：コンクリート
１３：座屈部位
Ｌ：延設長
Ａ１：突起領域
Ａ２：平坦領域
Ｂ１：補剛領域
Ｂ２：素管領域
Ｗ：周方向
Ｘ：半径方向
Ｙ：管軸方向

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下のような手段を採用する。
（１）本発明の一態様に係る合成構造は、鋼管と；一端部が前記鋼管に挿入された接合対象部材と；前記鋼管の内周面と前記接合対象部材の前記一端部との間に充填されたコンクリートと；を備える。前記鋼管は、前記鋼管の前記内周面から前記鋼管の半径方向内側へ向かって突出し且つ前記鋼管の管軸方向に沿って螺旋状に延設された突起を有する。前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触する領域を補剛領域と定義し且つ前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触しない領域を素管領域と定義したとき、前記突起は、前記補剛領域と前記素管領域との境界を跨ぐように前記管軸方向に沿って前記螺旋状に延設されている。前記素管領域における前記突起の前記管軸方向の延設長は、前記鋼管の局部座屈半波長以上である。前記突起を前記鋼管の前記半径方向の内側から視たとき、前記鋼管の周方向と前記突起との間の角度が、３０°以上９０°未満である。前記鋼管の前記局部座屈半波長をλ（ｍｍ）、前記鋼管の外径をＤ（ｍｍ）、且つ前記鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）と定義したとき、前記局部座屈半波長λは下記式（１）で表され、前記鋼管の前記外径Ｄと前記板厚ｔとの比率Ｄ／ｔは５０以上１００以下である。

（２）上記（１）に記載の合成構造において、前記鋼管を前記管軸方向に平行な断面で視たとき、前記突起の凸断面が、前記管軸方向に沿って前記局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいてもよい。

上記（１）に記載の合成構造によれば、突起が存在しない鋼管の薄い部位が鋼管の管周方向断面で連続しない。その結果、鋼管の局部座屈抵抗を向上させることができるため、素管領域における局部座屈の発生を防止することが可能となる。

また、上記（１）に記載の合成構造によれば、鋼管に、管壁が蛇腹状に潰れるような局部座屈が発生することを確実に防止することが可能となる。また、鋼管の内周面にコンクリートを確実に付着させて、鋼管とコンクリートとの付着強度を十分に確保することが可能となる。

上記（１）に記載の合成構造によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を向上させるために補剛領域に設けられた突起を、鋼管の管軸方向に沿ってさらに延ばして設けることができ、局部座屈抵抗を向上させた鋼管を効率的に製造することが可能となる。

特に、従来では、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保することのみを目的として突起が鋼管に設けられた場合に、突起を鋼管の周方向に対して１０°〜２０°程度傾斜させていた。しかしながら、上記（１）に記載の合成構造によれば、鋼管とコンクリートとの付着強度を確保するために突起を設ける鋼管の製造工程を直接的に利用して、鋼管の周方向に対して３０°以上の角度で突起を傾斜させて、鋼管の局部座屈抵抗を向上させた突起を効率的に設けることが可能となる。

上記（２）に記載の合成構造によれば、鋼管の管軸方向に沿って互いに隣り合う突起の間で、鋼管に作用する荷重に起因して素管領域に局部座屈が発生することを防止することが可能となる。

Claims (3)

1. 
   鋼管と；
   一端部が前記鋼管に挿入された接合対象部材と；
   前記鋼管の内周面と前記接合対象部材の前記一端部との間に充填されたコンクリートと；
   を備え、
   前記鋼管は、前記鋼管の前記内周面から前記鋼管の半径方向内側へ向かって突出し且つ前記鋼管の管軸方向に沿って螺旋状に延設された突起を有し、
   前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触する領域を補剛領域と定義し且つ前記鋼管の前記内周面において前記コンクリートと接触しない領域を素管領域と定義したとき、前記突起は、前記補剛領域と前記素管領域との境界を跨ぐように前記管軸方向に沿って前記螺旋状に延設されており、
   前記素管領域における前記突起の前記管軸方向の延設長は、前記鋼管の局部座屈半波長以上であり、
   前記鋼管の前記局部座屈半波長をλ（ｍｍ）、前記鋼管の外径をＤ（ｍｍ）、且つ前記鋼管の板厚をｔ（ｍｍ）と定義したとき、前記局部座屈半波長λは下記式（１）で表され、前記鋼管の前記外径Ｄと前記板厚ｔとの比率Ｄ／ｔは５０以上１００以下であることを特徴とする合成構造。
   

   
2. 前記突起を前記鋼管の前記半径方向の内側から視たとき、前記鋼管の周方向と前記突起との間の角度が、３０°以上９０°未満であることを特徴とする請求項１に記載の合成構造。
3. 前記鋼管を前記管軸方向に平行な断面で視たとき、前記突起の凸断面が、前記管軸方向に沿って前記局部座屈半波長λ以下の間隔で並んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の合成構造。

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