(57)【要約】【課題】  地盤中に埋設、もしくは構築される杭の軸方向中間部の位置に積極的にヒンジを形成させ、杭の応力を低減し、また効果的にエネルギー吸収性能を発揮させる。更に杭に免震、もしくは制振的な効果を持たせる。  【解決手段】  杭１の軸方向中間部に、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置２を形成する。または杭１の頭部１ａと軸方向中間部にヒンジ形成予定位置２を形成する。  杭１を構成するコンクリートの断面中に補助主筋３を杭１の軸方向に配筋し、補助主筋３をヒンジ形成予定位置２で杭１の軸方向に分離させる。または杭１を構成する鋼管５をヒンジ形成予定位置２で杭１の軸方向に分離させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
杭の軸方向中間部に、曲げモーメントによる引張力に対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置が形成されていることを特徴とする杭のヒンジ誘発構造。
【請求項２】
杭の頭部と軸方向中間部に、曲げモーメントによる引張力に対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置が形成されていることを特徴とする杭のヒンジ誘発構造。
【請求項３】
杭を構成するコンクリートの断面中に補助主筋が杭の軸方向に配筋され、前記ヒンジ形成予定位置は、前記補助主筋が前記ヒンジ形成予定位置で杭の軸方向に分離して形成されていることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２記載の杭のヒンジ誘発構造。
【請求項４】
前記ヒンジ形成予定位置は、杭を構成する鋼管が前記ヒンジ形成予定位置で杭の軸方向に分離して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の杭のヒンジ誘発構造。
【請求項５】
杭を構成するコンクリートの断面中に主筋が杭の軸方向に配筋され、前記主筋は前記ヒンジ形成予定位置付近の一部区間においてコンクリートとの付着が切れていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の杭のヒンジ誘発構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地盤中に埋設、もしくは構築される杭の軸方向中間部の位置に積極的にヒンジを形成させる杭のヒンジ誘発構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建物等の上部構造を支持する支持杭は上部構造からの曲げモーメントを地盤に確実に伝達するために上部構造の基礎（フーチング）に剛に接合されることが多いが、地震時には杭頭部に作用する曲げモーメントが過大になるため、曲げモーメントに抵抗させるために基礎と杭頭部の断面を増すことが必要になる。
しかしながら、断面を増す程、基礎と杭頭部に発生する応力も増大し、接合部の設計自体が不可能、あるいは不合理になることから、地震時の基礎と杭頭部を健全に保つために基礎と杭頭部との接合部をヒンジ（ピン）接合にし、杭頭部の回転を許容する状態に接合することも行われる（特許文献１〜３参照）。
【０００３】
この他、杭の軸方向に分離した複数の杭要素を互いに連結して杭を構成することにより、杭自身を地震時の水平力によって杭要素単位で自由に変形し得る構造にし、地震時における地盤からの水平力が上部構造に伝達されないようにする方法がある（特許文献４参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１１７３２６号公報（請求項１、図１、図２）
【特許文献２】特開２００４−４４３１２号公報（請求項１、図１）
【特許文献３】特開２００４−２５７１８７号公報（請求項１、図１）
【特許文献４】特開平９−５９９９７号公報（請求項１、図１、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３の方法では基礎に固定した場合の曲げモーメントが最も大きくなる杭頭部分にヒンジ（ピン）が形成されることで、杭に連結する基礎梁の応力を小さくすることが可能であるが、ヒンジ（ピン）の形成位置が杭頭部分のみであるから、杭頭部分より下の区間における曲げモーメントがむしろ大きくなる場合もある。
【０００６】
特許文献４のように杭要素両端に抵抗モーメントのないヒンジ（ピン）を用いれば、杭に生ずる曲げモーメント分布を変える効果がある。その反面、図８−（ａ）に示すように杭要素の両端には抵抗モーメントが生じないため、（ｂ）に示すようにヒンジ（ピン）を設けない場合よりむしろ、杭のヒンジ（ピン）以外の区間に大きな曲げモーメントを作用させる可能性がある。（ａ）に示す、杭要素の下端（杭中間部）に働くせん断力Ｑmによりピンより下の区間にも大きな曲げモーメントが生ずる可能性があることが分かる。
【０００７】
また特許文献４では曲げモーメントに対する抵抗力をほとんど有しないヒンジ（ピン）を杭の上下２箇所に設けることにより免震の効果を図っているが、この構造が実際に免震構造として成立するには二つのヒンジ（ピン）間の地盤の水平反力を小さくし、且つ免震ゴムを使った免震構造から明らかなように水平反力を取るための装置及び減衰のためのダンパーが併用される必要がある。
【０００８】
本発明は杭の曲げモーメントを低減し、またエネルギー吸収を図ること、更に免震、もしくは制振的な効果を持たせることも可能な杭のヒンジ誘発構造を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明では杭の軸方向中間部に、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置を形成し、またヒンジ形成予定位置以外ではヒンジが形成されないように杭の断面を設計することにより、杭の曲げモーメントの低減とエネルギー吸収を図る。
【００１０】
杭の軸方向中間部の、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置にヒンジが形成されることで、そのヒンジ形成予定位置で、弾塑性変形時の履歴吸収エネルギーによるエネルギー吸収能力が発揮される。ヒンジ形成予定位置は杭の軸方向に1箇所、もしくは中間部を含む複数箇所に形成される。
【００１１】
また図１に示すように頭部１ａが基礎（フーチング）６に固定された杭１の中間部にヒンジが形成されない場合の曲げモーメント分布は破線で示すように頭部１ａと中間部に極大値が表れる形になるのに対し、杭１の頭部１ａを除く中間部にヒンジが形成されたときの曲げモーメント分布は実線で示すように杭中間部のヒンジにより、特にヒンジより下の区間の曲げモーメントが小さくなる。この結果、杭の断面を縮小することが可能になり、杭の製作、もしくは構築に要するコストの低減が図られる。
【００１２】
請求項２に記載の発明では杭の頭部と軸方向中間部に、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置を形成することにより、杭の曲げモーメントを低減し、また、地震時のエネルギー吸収能力を発揮させる。更に杭頭部の抵抗モーメント、杭中間部のヒンジ形成予定位置及び抵抗モーメントを適切に設定することにより、免震、もしくは制振的な効果を発揮させる。軸方向中間部のヒンジ形成予定位置は杭の軸方向に1箇所、もしくは複数箇所に形成される。
【００１３】
この場合、杭の中間部に加え、杭の頭部にも曲げモーメントに対する抵抗力が急変（急激に低下）するヒンジ形成予定位置が形成されることで、図２に示すようにヒンジが中間部にのみ形成される場合より履歴吸収エネルギーによる地震時のエネルギー吸収性能が向上する。
また杭１の頭部１ａにもヒンジが形成されることで、杭全長に亘って杭に生じる曲げモーメントを調整することができるため、杭を合理的に設計（杭断面を縮小化）することが可能になる。
【００１４】
地震による慣性力が基礎６上の建物等の上部構造７に作用したとき、杭１の頭部１ａと中間部にヒンジが形成されることで、杭１は図２に示すように頭部１ａと中間部間、すなわちヒンジ間の地盤をほぼ一様に塑性変形させることができるため、杭１によるエネルギー吸収に加え、杭中間部にヒンジを形成しない場合より大きな地盤の塑性変形によるエネルギー吸収効果を期待することができる。この結果、基礎６上の上部構造７に入力される地震力（慣性力）が低減され、杭１に作用する応力も低減されることになる。
また杭自体の変形能力が上がるため、地盤の大変形時にも杭が破損に至ることなく、その変形に追従することが可能になる。
【００１５】
請求項１では前記特許文献４とは異なり、図９−（ａ）に示すようにヒンジ形成予定位置に地盤反力に対する抵抗モーメントＭmが働き、杭頭部にも抵抗モーメントＭhが働く。このことから、Ｍhに応じてＭm及び中間部におけるヒンジ形成予定位置の位置（杭中間部においてヒンジ形成予定位置をどこに配置するか）を適切に設定すれば、杭中間部のヒンジ形成予定位置に働くせん断力Ｑmを小さくすることができ、結果として図９−（ｂ）に示すようにヒンジ形成予定位置より下の区間の曲げモーメントを小さくすることが可能となる。すなわち杭頭部と杭中間部のヒンジに一定の抵抗モーメントＭh、Ｍmを持たせることができることで、この杭頭部における抵抗モーメントＭhに応じて杭中間部のヒンジ形成予定位置の位置及び抵抗モーメントＭmを適切に計画することにより杭全長に亘って杭に生じる曲げモーメントを調整することができるため、杭を合理的に設計（杭断面を縮小化）することが可能になる。
これに対し、特許文献４では杭要素の両端に抵抗モーメントが生じないことから、ヒンジ（ピン）を設けない場合より杭に大きな曲げモーメントを生じさせる可能性がある等、杭を合理的に設計することには限界がある。
【００１６】
請求項２でも前記特許文献４とは異なり、杭の中間部に加え、頭部にもヒンジを形成することで、頭部の抵抗モーメントＭh、杭中間部のヒンジ形成予定位置の位置及び抵抗モーメントＭmを調整することが可能であるため、請求項１と同様にＭh、Ｍmを適切に設定すれば、杭中間部のヒンジ形成予定位置に働くせん断力Ｑmを小さくし、ヒンジ形成予定位置より下の区間の曲げモーメントを小さくすることが可能となる。すなわち杭頭部に抵抗モーメントＭh、杭中間部のヒンジに一定の抵抗モーメントＭmを持たせることができることで、これらの抵抗モーメントＭh、Ｍm及び中間部のヒンジ形成予定位置の位置を適切に計画することにより杭全長に亘って杭に生じる曲げモーメントを調整することができるため、杭を合理的に設計（杭断面を縮小化）することが可能になる。
【００１７】
また前記の通り、特許文献４において杭を実質的に免震構造化するにはピン間の地盤反力を小さくした上で、水平反力装置とダンパーを付加することが必要であるが、請求項１、または請求項２では少なくとも上下いずれかのヒンジに一定の抵抗モーメントを持たせることができることで、地盤に応じて、その抵抗モーメントの大きさとヒンジ形成位置の位置を適切に設定すれば、免震及び制振効果を持たせるのに必要な復元力とエネルギー吸収能力を杭自体に発揮させることが可能であるため、水平反力装置とダンパーを併用する必要がない。換言すれば、請求項１、または請求項２によれば、杭頭部と杭中間部、あるいは杭中間部を含む２箇所以上にヒンジを設け、杭頭部における抵抗モーメント、杭中間部のヒンジ形成予定位置の位置及び抵抗モーメントを適切に計画することにより、杭に免震的な作用、あるいは制振的な作用を発揮させることが可能になる。
【００１８】
請求項３に記載の発明では杭を構成するコンクリートの断面中に補助主筋を杭の軸方向に配筋し、この補助主筋をヒンジ形成予定位置で杭の軸方向に分離させることにより、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置を形成する。
補助主筋を杭の軸方向に分離させることは請求項１、もしくは請求項２において杭がコンクリート杭、または鋼管コンクリート杭である場合に、ヒンジ形成予定位置を形成するための具体的な手段である。
【００１９】
図３に示すように杭１のコンクリート中に配筋される補助主筋３が破線で示すヒンジ形成予定位置２で杭の軸方向に分離することで、分離した補助主筋３の端部位置で、杭１の軸に直交する断面上、補助主筋３の位置に作用する引張力に対する抵抗力が急変（急激に低下）するため、曲げモーメントに伴うヒンジはヒンジ形成予定位置２である補助主筋３の端部位置に形成される。ヒンジは杭１の全長の内、引張力に対する抵抗力が急変する位置（断面）に集中的に現れるため、ヒンジが形成されることによって杭１を構成するコンクリートの損傷がヒンジ周辺に分散することはなく、ヒンジを挟んだ両側のコンクリートへの損傷はほとんど発生しない。
【００２０】
請求項４に記載の発明では杭を構成する鋼管をヒンジ形成予定位置で杭の軸方向に分離させることにより、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置を形成する。
鋼管を軸方向に分離させることは請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において杭が鋼管、または鋼管コンクリート杭である場合に、ヒンジ形成予定位置を形成するための具体的な手段である。
【００２１】
この場合も、図４に示すように鋼管５が破線で示すヒンジ形成予定位置２で互いに分離することで、その分離位置で鋼管５に作用する引張力に対する抵抗力が急変（急激に低下）するため、曲げモーメントに伴うヒンジはヒンジ形成予定位置２である鋼管５の端部位置に形成される。ヒンジは引張力に対する抵抗力が急変する位置（断面）に集中的に現れるため、杭が鋼管コンクリート杭である場合にはコンクリートの損傷がヒンジ周辺に分散することがなく、ヒンジを挟んだ両側のコンクリートへの損傷はほとんど発生しない。
【００２２】
請求項５に記載の発明では請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、杭を構成するコンクリートの断面中に主筋を杭の軸方向に配筋し、その主筋をヒンジ形成予定位置付近の一部区間においてコンクリートとの付着を切ることにより、ヒンジ形成時のヒンジ形成予定位置付近におけるコンクリートの損傷を軽減する。
【００２３】
この場合、主筋の、コンクリートとの付着が切れた（付着なしの）区間は、付着のある（付着ありの）区間がコンクリートの変形に追従しようとするときにコンクリートからの拘束を受けることなく伸縮できるため、前記のようにヒンジを挟んだ両側のコンクリートに加え、付着なしの区間回りのコンクリートの損傷も軽減される。
引張側の主筋４は図５−（ａ）に示すように曲げモーメントによる軸方向引張力を負担し、付着のある区間においては杭１の変形に追従するが、破線で示すヒンジ形成予定位置２付近の、付着なしの区間においてはコンクリートから分離することで、伸び変形をし、最終的に降伏に至る。
【００２４】
主筋４は図５−（ｂ）に示すようにヒンジ形成予定位置２から頭部１ａ側へかけて、付着なしの区間から付着ありの区間に移行した部分において、引張側にあっては前記引張力に抵抗し、圧縮側にあっては圧縮力に抵抗する。この引張抵抗力及び圧縮抵抗力は杭１の成方向に対になることで曲げモーメントに抵抗する偶力である曲げ戻しモーメントを形成する。
この曲げ戻しモーメントによって主筋４の付着のない区間における付着のない主筋４を除く部分の曲げモーメントは図５−（ｃ）のように曲げモーメントが低減される。この曲げ戻しモーメントによる曲げモーメントの低減効果からも、前記した主筋４の付着のない部分を除く部分のコンクリートのひび割れや圧壊等の損傷が抑制されることが分かる。
【００２５】
図６は杭１の成方向中心の片側に付き、複数本の主筋４を配筋し、主筋４の付着を切る区間の長さを主筋４毎に相違させた場合を示し、図７は図６の場合の、主筋４の付着のない区間における付着のない主筋４を除く部分の曲げモーメント分布を示す。ここに示すように複数本の主筋４の付着なしの区間の長さを相違させた場合には、主筋４の付着のない区間における付着のない主筋４を除く部分の曲げモーメントが段階的に低減され、曲げモーメントの最大値も低減されることが分かる。
【発明の効果】
【００２６】
上記の通り、本発明では杭の軸方向中間部に曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置を形成することで、ヒンジ形成予定位置のヒンジが曲げモーメントに抵抗しながら塑性化するため、履歴吸収エネルギーによるエネルギー吸収能力を効果的に発揮させることができる。
また杭中間部の曲げモーメントの最大値がヒンジを形成しない場合より低減されるため、杭の断面を縮小することができ、杭の製作、もしくは構築に要するコストを低減することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、杭の頭部と中間部のヒンジ形成予定位置にヒンジを形成するため、杭の頭部においてもエネルギー吸収能力を発揮させることができる。
加えてヒンジが形成される頭部と中間部間の地盤をほぼ一様に塑性変形させることができるため、地盤の塑性変形によるエネルギー吸収効果を期待することができ、上部構造に入力する地震力と杭に作用する応力を低減することができる。
【００２８】
更に請求項２に記載の発明によれば、杭の中間部に加え、頭部にもヒンジを形成することで、それぞれに生ずる抵抗モーメントの大きさを調整することができるため、これらの抵抗モーメントの大きさ及び位置を適切に設定することで、杭の曲げモーメントを請求項１の場合より小さくすることが可能になり、杭を合理的に設計（杭断面を縮小化）することが可能である。
【００２９】
また請求項２に記載の発明によれば、杭頭部の抵抗モーメント、杭中間部のヒンジ形成予定位置及び抵抗モーメントを適切に設定することで、杭に免震的な作用、あるいは制振的な作用を発揮させることが可能になる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、コンクリートの断面中に配筋される主筋をヒンジ形成予定位置付近の一部区間においてコンクリートとの付着を切ることで、付着のある部分とない部分の境界で主筋が引張及び圧縮抵抗力を発揮するため、主筋の付着のない区間における付着のない主筋を除く部分の曲げモーメントを低減し、その区間におけるコンクリートの損傷を軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００３２】
図１は杭１の軸方向中間部に、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置２が形成された請求項１記載の杭のヒンジ誘発構造の概要を示す。
図２は杭１の頭部１aと杭１の軸方向中間部に、曲げモーメントに対する抵抗力が相対的に低下したヒンジ形成予定位置２が形成された請求項２記載の杭のヒンジ誘発構造の概要を示す。図１では杭１の頭部１ａが基礎（フーチング）６に固定（剛に接合）されているが、図２ではヒンジが形成されている。
【００３３】
杭１には鋼管杭、もしくは鋼杭その他の金属製の杭、コンクリート杭、鉄筋コンクリート杭、鋼管コンクリート杭、あるいは固化材（固結材）と掘削地盤を攪拌混合したソイルセメント、またはソイルセメントと鋼管を組み合わせた合成杭等が使用され、鉄筋コンクリート杭には鉄骨の芯材が入る場合があり、コンクリート杭は中空の場合と中実の場合がある。杭１の地盤中への埋設方法、もしくは地盤中での構築方法は問われない。またヒンジ形成予定位置２、またはそれを挟んだ区間の構造は問われず、鉄筋コンクリート造、鉄骨その他の金属製の場合がある。
【００３４】
図３はヒンジ形成予定位置２が杭１の軸方向中間部に、または杭１の軸方向中間部と頭部１aに形成された場合に、杭１を構成するコンクリートの断面中に補助主筋３を杭１の軸方向に配筋し、この補助主筋３をヒンジ形成予定位置２で杭１の軸方向に分離させることによりヒンジ形成予定位置２が形成された請求項３に記載の杭のヒンジ誘発構造の具体例を示す。
【００３５】
図３はまた、杭１を構成するコンクリートの断面中に主筋４が杭１の軸方向に配筋され、主筋４が、ヒンジ形成予定位置２付近の一部区間においてコンクリートとの付着が切れている請求項５に記載の杭のヒンジ誘発構造の具体例でもある。
前記補助主筋３は主筋４に沿う形で配筋される。主筋４のコンクリートとの付着が切れる区間はヒンジ形成予定位置２の少なくとも片側に形成される他、図６に示すようにヒンジ形成予定位置２を跨いで形成される。同一線上の補助主筋３、３はヒンジ形成予定位置２で互いに分離する。
【００３６】
図４はヒンジ形成予定位置２が杭１の軸方向中間部に、または杭１の軸方向中間部と頭部１aに形成された場合に、杭１を構成する鋼管５がヒンジ形成予定位置２で杭１の軸方向に分離することによりヒンジ形成予定位置２が形成された請求項４に記載の杭のヒンジ誘発構造の具体例を示す。
【００３７】
図４はまた、杭１を構成するコンクリートの断面中に主筋４が杭１の軸方向に配筋され、主筋４が、ヒンジ形成予定位置２付近の一部区間においてコンクリートとの付着が切れている請求項５に記載の杭のヒンジ誘発構造の具体例でもある。
前記補助主筋３は主筋４に沿う形で配筋される。主筋４のコンクリートとの付着が切れる区間はヒンジ形成予定位置２の少なくとも片側に形成される他、図６に示すようにヒンジ形成予定位置２を跨いで形成される。
【００３８】
図６は杭１の成方向の片側に付き、複数本の主筋４を配筋し、その各主筋４の付着を切る区間の長さを相違させた場合を示す。ここでは前記のようにヒンジ形成予定位置２を跨ぐ形で主筋４のコンクリートとの付着が切れる区間を形成しているが、ヒンジ形成予定位置２の片側にのみ形成することもある。また杭１の成方向中心の片側に付き、複数本の主筋４と1本の補助主筋３を配筋しているが、補助主筋３を複数本配筋することもある。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】軸方向中間部にヒンジ形成予定位置が形成された杭と、杭に生ずる曲げモーメントの様子を示した立面図である。
【図２】頭部と軸方向中間部のヒンジ形成予定位置にヒンジが形成された杭の、地震時の変形の様子を示した立面図である。
【図３】杭を構成するコンクリートの断面中に補助主筋を配筋し、補助主筋をヒンジ形成予定位置で互いに分離させると共に、ヒンジ形成予定位置付近の一部区間において主筋のコンクリートとの付着を切った場合を示した縦断面図である。
【図４】杭を構成する鋼管をヒンジ形成予定位置付近で互いに分離させると共に、ヒンジ形成予定位置付近の一部区間において主筋のコンクリートとの付着を切った場合を示した縦断面図である。
【図５】（ａ）は主筋が配筋された杭を示した縦断面図、（ｂ）は地震時の杭のヒンジ形成予定位置付近における反力を示した縦断面図、（ｃ）は杭の付着のない主筋を除く部分に生ずる曲げモーメントを示した分布図である。
【図６】杭の成方向中心の片側に付き、複数本の主筋を配筋した場合を示した縦断面図である。
【図７】図６の場合の曲げモーメントを示した分布図である。
【図８】（ａ）は杭頭部と杭中間部に抵抗モーメントが生じない場合の杭に作用する水平力と地盤反力の様子を示した図、（ｂ）は（ａ）のときの曲げモーメントの様子を示した分布図である。
【図９】（ａ）は杭頭部と杭中間部に抵抗モーメントが生ずる場合の杭に作用する水平力と地盤反力の様子を示した図、（ｂ）は（ａ）のときの曲げモーメントの様子を示した分布図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    杭
１a   頭部
２    ヒンジ形成予定位置
３    補助主筋
４    主筋
５    鋼管
６    基礎
７    上部構造
【図１】
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【図２】
2006183329.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006183329.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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