(57)【要約】【課題】軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭、その設計方法、その使用方法及びそれを備える杭基礎を提供する。【解決手段】二重鋼管付きコンクリート杭は、中空で円筒形状の外鋼管と、外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、外鋼管と内鋼管との間に外鋼管に接して配置され、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、を備え、限界軸力が設定されている。内鋼管の外径をＤｓｉとし、内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉで示される関係を満たしている。限界軸力は、外鋼管の降伏耐力、内鋼管の降伏耐力、及び、コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定されている。【選択図】  図２７
2019105156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備え、
限界軸力が設定されている、二重鋼管付きコンクリート杭であって、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たし、
前記限界軸力は、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定されている
ことを特徴とする二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項２】
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記内鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ＋Ｐｃ）≦０．４２
で満たされる関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項３】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ＋Ｐｃ）≦０．３２
で満たされる関係を満たしている
ことを特徴とする請求項２に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項４】
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ≦２．６５
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項５】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ≦１．９２
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項４に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項６】
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記内鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）≦１．１５
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項７】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）≦１．０２
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項６に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項８】
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）≦０．５３
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項９】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）≦０．３８
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項８に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１０】
前記内鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｉ≦２．４５
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項２乃至９の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１１】
前記限界軸力の設定に関し、前記外鋼管の降伏耐力を考慮する場合には、前記外鋼管の降伏耐力として前記外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力が考慮され、
前記限界軸力の設定に関し、前記内鋼管の降伏耐力を考慮する場合には、前記内鋼管の降伏耐力として前記内鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力が考慮されている
ことを特徴とする請求項１に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１２】
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記内鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’とし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’＋Ｐｃ）≦０．４３
で満たされる関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１１に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１３】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’＋Ｐｃ）≦０．３４
で満たされる関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１２に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１４】
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ’≦３．１０
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１５】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ’≦２．２４
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１４に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１６】
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記内鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’とし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’）≦１．２３
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１１乃至１５の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１７】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’）≦１．１４
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１６に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１８】
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｃ）≦０．５４
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１１乃至１７の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１９】
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｃ）≦０．４０
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１８に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項２０】
前記内鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’としたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｉ’≦２．６３
で示される関係を満たしている
ことを特徴とする請求項１２乃至１９の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項２１】
塑性率が６以上であり限界変形角が２０／１０００ｒａｄ以上であることを特徴とする請求項１乃至２０の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項２２】
塑性率が６以上であり限界変形角が４０／１０００ｒａｄ以上であることを特徴とする請求項２１に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項２３】
前記コンクリート部と前記内鋼管の間に円筒形状のグラウトからなる充填部を有することを特徴とする請求項１乃至２２の何れか１項に記載の二重鋼管付きコンクリート杭。
【請求項２４】
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備える二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法において、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たすようにし、
前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて、前記二重鋼管付きコンクリート杭の限界軸力を設定する
ことを特徴とする二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法。
【請求項２５】
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備える二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法において、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たすようにし、
前記二重鋼管付きコンクリート杭の限界軸力が所定の値となるように、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上を選択する
ことを特徴とする二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法。
【請求項２６】
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備え、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たす、二重鋼管付きコンクリート杭の使用方法であって、
前記二重鋼管付きコンクリート杭に対し地震時に作用する軸力が、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定される限界軸力以下になるようにする
ことを特徴とする二重鋼管付きコンクリート杭の使用方法。
【請求項２７】
二重鋼管付きコンクリート杭を備える杭基礎において、
前記二重鋼管付きコンクリート杭は、
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備え、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たし、
前記二重鋼管付きコンクリート杭に対し地震時に作用する軸力が、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定される限界軸力以下である
ことを特徴とする杭基礎。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は中空の二重鋼管付きコンクリート杭、その設計方法、その使用方法及びそれを備える杭基礎に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、外鋼管と、外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。
【０００３】
一方、特許文献２は、ＳＣ杭の中空部に、円筒状補強部材として中空の内鋼管を配置したＳＣ杭を開示している。当該ＳＣ杭によれば、外鋼管の座屈によりコンクリートの外鋼管からの剥離、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。
【０００４】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５２６５４４７号公報
【特許文献２】特開２０１６−２２３２０７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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
【非特許文献３】「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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
一方、本発明者らが種々検討したところ、特許文献２が開示する内鋼管を備えたＳＣ杭（二重鋼管付きコンクリート杭）においても、軸力が作用する場合、内鋼管が座屈し、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。
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、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付き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、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法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、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭の使用方法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、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭を備える杭基礎を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭は、
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備え、
限界軸力が設定されている、二重鋼管付きコンクリート杭であって、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たし、
前記限界軸力は、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定されている。
【００１０】
従来のＳＣ杭では、外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、外鋼管の座屈は考慮されてこなかった。このため、外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、内鋼管の厚さを外径の０．０２倍以上とすることで、内鋼管の局部座屈を抑制することができる。これにより、コンクリート部でコンクリート片が剥離、圧壊したとしても、二重鋼管付き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二重鋼管付きコンクリート杭を提供することができる。
また、本発明者らが種々検討を更に重ねた結果、二重鋼管付きコンクリート杭には限界軸力があり、限界軸力を超える軸力の作用下では、靱性が低下することが判明した。そして、限界軸力を超える軸力の作用下では、内鋼管の座屈のみが靱性低下を引き起こしているのではなく、外鋼管の塑性変形、内鋼管の塑性変形及びコンクリート部の損傷のうち１つ又は２つ以上が要因となって靱性低下を引き起こしていることが判明してきた。
そこで、上記構成（１）では、靱性低下と関連のある、外鋼管の降伏耐力、内鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて限界軸力を設定している。このようにして設定された限界軸力以下で使用すれば、二重鋼管付きコンクリート杭は良好な靱性を発揮する。
【００１１】
（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記内鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ＋Ｐｃ）≦０．４２
で満たされる関係を満たしている。
【００１２】
上記構成（２）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏ、内鋼管の降伏耐力Ｐｓｉ、及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．４２以下に制限されており、外鋼管、内鋼管及びコンクリート部の３つの構成要素が全体として二重鋼管付きコンクリート杭に作用する軸力を負担可能である。このため、当該構成（２）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００１３】
（３）幾つかの実施形態では、上記構成（２）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ＋Ｐｃ）≦０．３２
で満たされる関係を満たしている。
【００１４】
上記構成（３）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏ、内鋼管の降伏耐力Ｐｓｉ、及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．３２以下に制限されており、外鋼管、内鋼管及びコンクリート部の３つの構成要素が全体として二重鋼管付きコンクリート杭に作用する軸力を負担可能である。このため、当該構成（３）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００１５】
（４）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（３）の何れか１つにおいて、
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ≦２．６５
で示される関係を満たしている。
【００１６】
上記構成（４）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏに対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が２．６２以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管の損傷が抑制され、当該構成（４）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００１７】
（５）幾つかの実施形態では、上記構成（４）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ≦１．９２
で示される関係を満たしている。
【００１８】
上記構成（５）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏに対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が１．９２以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管の損傷が抑制され、当該構成（５）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００１９】
（６）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（５）の何れか１つにおいて、
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記内鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）≦１．１５
で示される関係を満たしている。
【００２０】
上記構成（６）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏ及び内鋼管の降伏耐力Ｐｓｉの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が１．１５以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及び内鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及び内鋼管の損傷が抑制され、当該構成（６）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００２１】
（７）幾つかの実施形態では、上記構成（６）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）≦１．０２
で示される関係を満たしている。
【００２２】
上記構成（７）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏ及び内鋼管の降伏耐力Ｐｓｉの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が１．０２以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及び内鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及び内鋼管の損傷が抑制され、当該構成（７）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００２３】
（８）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（７）の何れか１つにおいて、
前記外鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）≦０．５３
で示される関係を満たしている。
【００２４】
上記構成（８）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏ及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．５３以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及びコンクリート部の損傷が抑制され、当該構成（８）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００２５】
（９）幾つかの実施形態では、上記構成（８）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）≦０．３８
で示される関係を満たしている。
【００２６】
上記構成（９）によれば、外鋼管の降伏耐力Ｐｓｏ及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．３８以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及びコンクリート部の損傷が抑制され、当該構成（９）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００２７】
（１０）幾つかの実施形態では、上記構成（２）乃至（９）の何れか１つにおいて、
前記内鋼管の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｉ≦２．４５
で示される関係を満たしている。
【００２８】
上記構成（１０）によれば、内鋼管の降伏耐力Ｐｓｉに対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が２．４５以下に制限されており、内鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、内鋼管の損傷が抑制され、当該構成（１０）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００２９】
（１１）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記限界軸力の設定に関し、前記外鋼管の降伏耐力を考慮する場合には、前記外鋼管の降伏耐力として前記外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力が考慮され、
前記限界軸力の設定に関し、前記内鋼管の降伏耐力を考慮する場合には、前記内鋼管の降伏耐力として前記内鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力が考慮されている。
【００３０】
上記構成（１１）によれば、外鋼管の座屈を考慮した降伏耐力及び内鋼管の座屈を考慮した降伏耐力に基づいて限界軸力が設定される。このため、座屈により外鋼管や内鋼管の降伏耐力が低下するとしても、設定された限界軸力以下で使用すれば、二重鋼管付きコンクリート杭は良好な靱性を発揮する。
【００３１】
（１２）幾つかの実施形態では、上記構成（１１）において、
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記内鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’とし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’＋Ｐｃ）≦０．４３
で満たされる関係を満たしている。
【００３２】
上記構成（１２）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’、内鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’、及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．４３以下に制限されており、外鋼管、内鋼管及びコンクリート部の３つの構成要素が全体として二重鋼管付きコンクリート杭に作用する軸力を負担可能である。このため、当該構成（１２）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００３３】
（１３）幾つかの実施形態では、上記構成（１２）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’＋Ｐｃ）≦０．３４
で満たされる関係を満たしている。
【００３４】
上記構成（１３）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’、内鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’、及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．３４以下に制限されており、外鋼管、内鋼管及びコンクリート部の３つの構成要素が全体として二重鋼管付きコンクリート杭に作用する軸力を負担可能である。このため、当該構成（１３）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００３５】
（１４）幾つかの実施形態では、上記構成（１１）乃至（１３）の何れか１つにおいて、
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ’≦３．１０
で示される関係を満たしている。
【００３６】
上記構成（１４）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が３．１０以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管の損傷が抑制され、当該構成（１４）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００３７】
（１５）幾つかの実施形態では、上記構成（１４）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ’≦２．２４
で示される関係を満たしている。
【００３８】
上記構成（１５）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が２．２４以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管の損傷が抑制され、当該構成（１５）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００３９】
（１６）幾つかの実施形態では、上記構成（１１）乃至（１５）の何れか１つにおいて、
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記内鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’とし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’）≦１．２３
で示される関係を満たしている。
【００４０】
上記構成（１６）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’及び内鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’の和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が１．２３以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及び内鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及び内鋼管の損傷が抑制され、当該構成（１６）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００４１】
（１７）幾つかの実施形態では、上記構成（１６）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’）≦１．１４
で示される関係を満たしている。
【００４２】
上記構成（１７）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’及び内鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’の和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が１．１４以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及び内鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及び内鋼管の損傷が抑制され、当該構成（１７）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００４３】
（１８）幾つかの実施形態では、上記構成（１１）乃至（１７）の何れか１つにおいて、
前記外鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、
前記コンクリート部の降伏耐力をＰｃとし、
前記限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｃ）≦０．５４
で示される関係を満たしている。
【００４４】
上記構成（１８）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．５４以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及びコンクリート部の損傷が抑制され、当該構成（１８）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００４５】
（１９）幾つかの実施形態では、上記構成（１８）において、
次式：  Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｃ）≦０．４０
で示される関係を満たしている。
【００４６】
上記構成（１９）によれば、外鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’及びコンクリート部の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．４０以下に制限されており、外鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管及びコンクリート部の損傷が抑制され、当該構成（１９）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００４７】
（２０）幾つかの実施形態では、上記構成（１２）乃至（１９）の何れか１つにおいて、
前記内鋼管の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’としたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｉ’≦２．６３
で示される関係を満たしている。
【００４８】
上記構成（２０）によれば、内鋼管の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が２．６３以下に制限されており、内鋼管の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、内鋼管の損傷が抑制され、当該構成（２０）の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力以下で良好な靱性を発揮する。
【００４９】
（２１）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（２０）の何れか１つにおいて、
塑性率が６以上であり限界変形角が２０／１０００ｒａｄ以上である。
【００５０】
上記構成（２１）によれば、塑性率が６以上であって限界変形角が２０／１０００ｒａｄ以上である、良好な靱性を有する二重鋼管付きコンクリート杭が提供される。
【００５１】
（２２）幾つかの実施形態では、上記構成（２１）において、
塑性率が６以上であり限界変形角が４０／１０００ｒａｄ以上である。
【００５２】
上記構成（２２）によれば、塑性率が６以上であって限界変形角が４０／１０００ｒａｄ以上である、良好な靱性を有する二重鋼管付きコンクリート杭が提供される。
【００５３】
（２３）幾つかの実施形態では、上記構成（１）乃至（２２）の何れか１つにおいて、
前記コンクリート部と前記内鋼管の間に円筒形状のグラウトからなる充填部を有する。
【００５４】
上記構成（２３）によれば、コンクリート部と内鋼管の間に硬化性材料であるグラウトからなる充填部が設けられており、良好な靱性を有しながら容易に製造可能な二重鋼管付きコンクリート杭が提供される。
【００５５】
（２４）本発明の少なくとも一実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法は、
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備える二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法において、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たすようにし、
前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて、前記二重鋼管付きコンクリート杭の限界軸力を設定する。
【００５６】
従来のＳＣ杭では、外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、外鋼管の座屈は考慮されてこなかった。このため、外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（２４）によれば、内鋼管の厚さを外径の０．０２倍以上とすることで、内鋼管の局部座屈を抑制することができる。これにより、コンクリート部でコンクリート片が剥離、圧壊したとしても、二重鋼管付き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（２４）によれば、靭性が従来よりも改善される中空の二重鋼管付きコンクリート杭を提供することができる。
また、本発明者らが種々検討を更に重ねた結果、二重鋼管付きコンクリート杭には限界軸力があり、限界軸力を超える軸力の作用下では、靱性が低下することが判明した。そして、限界軸力を超える軸力の作用下では、内鋼管の座屈のみが靱性低下を引き起こしているのではなく、外鋼管の塑性変形、内鋼管の塑性変形及びコンクリート部の損傷のうち１つ又は２つ以上が要因となって靱性低下を引き起こしていることが判明してきた。
そこで、上記構成（２４）では、靱性低下と関連のある、外鋼管の降伏耐力、内鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて限界軸力を設定している。このようにして設定された限界軸力以下で使用すれば、二重鋼管付きコンクリート杭は良好な靱性を発揮する。
【００５７】
（２５）本発明の少なくとも一実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法は、
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備える二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法において、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たすようにし、
前記二重鋼管付きコンクリート杭の限界軸力が所定の値となるように、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上を選択する。
【００５８】
上記構成（２５）によれば、限界軸力が所定の値となるように、靱性低下と関連のある、外鋼管の降伏耐力、内鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上を選択（設定）している。このようにして得られた限界軸力以下で使用すれば、二重鋼管付きコンクリート杭は良好な靱性を発揮する。
【００５９】
（２６）本発明の少なくとも一実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の使用方法は、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備え、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たす、二重鋼管付きコンクリート杭の使用方法であって、
前記二重鋼管付きコンクリート杭に対し地震時に作用する軸力が、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定される限界軸力以下になるようにする。
【００６０】
上記構成（２６）によれば、靱性低下と関連のある、外鋼管の降伏耐力、内鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定される限界軸力以下で使用することにより、二重鋼管付きコンクリート杭は良好な靱性を発揮する。
【００６１】
（２７）本発明の少なくとも一実施形態に係る杭基礎は、
二重鋼管付きコンクリート杭を備える杭基礎において、
前記二重鋼管付きコンクリート杭は、
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、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、を備え、
前記内鋼管の外径をＤｓｉとし、
前記内鋼管の厚さをｔｓｉとしたとき、次式：
ｔｓｉ≧０．０２×Ｄｓｉ
で示される関係を満たし、
前記二重鋼管付きコンクリート杭に対し地震時に作用する軸力が、前記外鋼管の降伏耐力、前記内鋼管の降伏耐力、及び、前記コンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定される限界軸力以下である。
【００６２】
上記構成（２７）によれば、靱性低下と関連のある、外鋼管の降伏耐力、内鋼管の降伏耐力及びコンクリート部の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定される限界軸力以下で使用することにより、二重鋼管付きコンクリート杭は良好な靱性を発揮する。この結果として、二重鋼管付きコンクリート杭を備える杭基礎は、良好な耐震性を有する。
【発明の効果】
【００６３】
本発明によれば、軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭が提供される。
また、本発明によれば、軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法が提供される。
また、本発明によれば、軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭の使用方法が提供される。
また、本発明によれば、軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される二重鋼管付きコンクリート杭を備える杭基礎が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る二重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２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
【図３】地震時に二重鋼管付きコンクリート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。
【図４】（ａ）は、外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、内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、（ｃ）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。
【図５】本発明の実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の仕様の例を示す表である。
【図６】本発明の実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の仕様の例を示す表である。
【図７】本発明の実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の仕様の例を示す表である。
【図８】本発明の実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の仕様の例を示す表である。
【図９】本発明の実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の仕様の例を示す表である。
【図１０】本発明の実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の仕様の例を示す表である。
【図１１】正負交番載荷試験に供される実施例１〜５及び比較例１〜２の二重鋼管付きコンクリート杭の仕様及び載荷される作用軸力を示す表である。
【図１２】正負交番載荷試験装置により実施例１〜５及び比較例１〜２の二重鋼管付きコンクリート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。
【図１３】実施例１のＷＳＣ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（変形角）と杭頭発生曲げモーメント（曲げモーメント）との関係を示すグラフ（Ｍ−θ図）である。
【図１４】図１３の横軸を変位量に基づいて曲率に変換したグラフ（Ｍ−φ図）である。
【図１５】図１３に相当する比較例１のＭ−θ図である。
【図１６】図１４に相当する比較例１のＭ−φ図である。
【図１７】図１３に相当する比較例２のＭ−θ図である。
【図１８】図１４に相当する比較例２のＭ−φ図である。
【図１９】図１３に相当する実施例２のＭ−θ図である。
【図２０】図１４に相当する実施例２のＭ−φ図である。
【図２１】図１３に相当する実施例３のＭ−θ図である。
【図２２】図１４に相当する実施例３のＭ−φ図である。
【図２３】図１３に相当する実施例４のＭ−θ図である。
【図２４】図１４に相当する実施例４のＭ−φ図である。
【図２５】図１３に相当する実施例５のＭ−θ図である。
【図２６】図１４に相当する実施例５のＭ−φ図である。
【図２７】実施例１〜９及び比較例１〜２の試験結果について、Ｎａ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ＋Ｐｓｉ）と低下率（最大曲げモーメントに対する曲げモーメントの比）の関係を変形角別にまとめたグラフであり、（ａ）は変形角が２０／１０００ｒａｄ、（ｂ）は変形角が３０／１０００ｒａｄ、（ｃ）は変形角が４０／１０００ｒａｄのときのグラフである。
【図２８】Ｎａ／Ｐｓｏと低下率の関係を図２７と同様に変形角別にまとめたグラフである。
【図２９】Ｎａ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）と低下率の関係を図２７と同様に変形角別にまとめたグラフである。
【図３０】Ｎａ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）と低下率の関係を図２７と同様に変形角別にまとめたグラフである。
【図３１】Ｎａ／Ｐｓｉと低下率の関係を図２７と同様に変形角別にまとめたグラフである。
【図３２】実施例１〜５及び比較例１〜２における、正負交番載荷試験結果から求められたθｙに対する変形角の比を示している。
【図３３】実施例１〜５及び比較例１〜２における、正負交番載荷試験結果から求められたφｙに対する各変形角での曲率の比を示している。
【図３４】正負交番載荷試験によって求められた実施例６〜９の終局曲げモーメントの実験値Ｍｅｕと理論値Ｍｃｕの比Ｍｅｕ／Ｍｃｕを示している。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
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。
【００６６】
図１は、本発明の一実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭（以下、ＷＳＣ杭とも称する。なお、「ＷＳＣ」は本出願人の登録商標であるが、本明細書では登録商標の表示を省略する。登録商標の表示を省略するのはあくまで明細書の記載を簡潔にするためであって、商標権の放棄や第三者による登録商標の自由使用の許諾を意図するものではない。）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、ＷＳＣ杭１は、外鋼管３と、内鋼管４と、杭体５とを備える。
外鋼管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。外鋼管３は、例えば、３００ｍｍ以上１５００ｍｍ以下の外径Ｄｓｏを有し、外鋼管３の外径Ｄｓｏは、ＷＳＣ杭１の外径Ｄｐに相当する。また、外鋼管３は、例えば、４．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の厚さ（板厚）ｔｓｏを有する。外鋼管３は、例えば、３２５Ｎ／ｍｍ２の降伏強度Ｆｓｏｙを有し、２０５０００Ｎ／ｍｍ２の弾性係数Ｅｓｏを有する。
【００６７】
内鋼管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。内鋼管４は、外鋼管３の内径よりも小さい外径Ｄｓｉを有し、外鋼管３の内側に同心上に配置されている。内鋼管４は、例えば、１００ｍｍ以上１２００ｍｍ以下の外径Ｄｓｉを有する。内鋼管４は、例えば、３２５Ｎ／ｍｍ２の降伏強度Ｆｓｉｙを有し、２０５０００Ｎ／ｍｍ２の弾性係数Ｅｓｉを有する。
【００６８】
杭体５は、外鋼管３と内鋼管４との間に配置され、円筒形状を有する。杭体５は、外鋼管３の内周面及び内鋼管４の外周面に付着している。杭体５は、例えば硬化性の材料を硬化させて形成されており、円筒形状のコンクリート部６を少なくとも一部に含んでいる。コンクリート部６は、コンクリートによって構成されており、外鋼管３に付着した状態で外鋼管３と内鋼管４との間に配置されている。
【００６９】
コンクリート部６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／ｍｍ２、８５Ｎ／ｍｍ２、１０５Ｎ／ｍｍ２、１２３Ｎ／ｍｍ２又は１４０Ｎ／ｍｍ２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／ｍｍ２〜４３０００Ｎ／ｍｍ２の範囲となる。
【００７０】
ここで、図３は、地震時にＷＳＣ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、ＷＳＣ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ＷＳＣ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、外鋼管が圧縮力により座屈し、外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。
【００７１】
図４（ａ）は、外鋼管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、内鋼管４の歪みと応力度との関係の一例を示しており、図４（ｃ）は、杭体５を構成するコンクリート部６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、外鋼管３は降伏歪みεｓｏｙで降伏し、内鋼管４は降伏歪みεｓｉｙで降伏し、コンクリート部６は降伏歪みεｃｙで降伏する。外鋼管３の降伏歪みεｓｏｙ及び内鋼管４の降伏歪みεｓｉｙは、コンクリート部６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、外鋼管３がコンクリート部６よりも先に降伏することがわかる。
【００７２】
例えば、外鋼管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、内鋼管４及び杭体５は、外鋼管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の内周部と内鋼管４の他端との間には、後述するように充填部９の材料を充填するための開口がある。
【００７３】
なお、充填部９の材料を充填するための開口を端板７や内鋼管４に設ける等により、充填部９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、内鋼管４の両端が端板７に溶接されていてもよい。
また、外鋼管３及び内鋼管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、外鋼管３にのみ端板７が溶接され、内鋼管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、ＷＳＣ杭１の長さＬは、端板７の外面間の長さである。ＷＳＣ杭１は、例えば、２ｍ以上の長さＬを有する。
【００７４】
そして、本実施形態では、内鋼管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。つまり内鋼管４の厚さｔｓｉは外径Ｄｓｉの０．０２倍以上（２％以上）である。
【００７５】
上記実施形態によれば、内鋼管４の厚さｔｓｉを外径Ｄｓｉの０．０２倍以上とすることで、内鋼管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部６でコンクリート片が剥離、圧壊したとしても、ＷＳＣ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、上記実施形態によれば、靭性が従来よりも改善される中空のＷＳＣ杭１を提供することができる。
【００７６】
また、本実施形態では、ＷＳＣ杭１に限界軸力Ｎｌｉｍｉｔが設定されている。限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、ＷＳＣ杭１を用いて基礎杭を設計・構築する際に、地震時に上部構造からＷＳＣ杭１に作用する軸力の上限値である。限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、外鋼管３の降伏耐力、内鋼管４の降伏耐力、及び、コンクリート部６の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて設定されている。
【００７７】
なお、外鋼管３の降伏耐力（圧縮耐力）は、外鋼管３の座屈を考慮しない場合、外鋼管３の横断面積と外鋼管３の降伏強度（圧縮強度）Ｆｓｏｙの積であるが、座屈を考慮にいれたものであってもよい。なお、外鋼管３の降伏強度Ｆｓｏｙは、公称値であっても実測値であってもよい。
内鋼管４の降伏耐力（圧縮耐力）は、内鋼管４の座屈を考慮しない場合、内鋼管４の横断面積と内鋼管４の降伏強度（圧縮強度）Ｆｓｉｙの積であるが、座屈を考慮にいれたものであってもよい。なお、内鋼管４の降伏強度Ｆｓｉｙは、公称値であっても実測値であってもよい。
コンクリート部６の降伏耐力（圧縮耐力）は、コンクリート部６の横断面積とコンクリート部６の降伏強度（圧縮強度）Ｆｃの積である。なお、コンクリート部６の降伏強度（圧縮強度）Ｆｃは、公称値であっても実測値であってもよい。
【００７８】
本発明者らが種々検討を更に重ねた結果、二重鋼管付きコンクリート杭には限界軸力Ｎｌｉｍｉｔがあり、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔを超える軸力の作用下では、靱性が低下することが判明した。そして、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔを超える軸力の作用下では、内鋼管４の座屈のみが靱性低下を引き起こしているのではなく、外鋼管３の塑性変形、内鋼管４の塑性変形及びコンクリート部６の損傷のうち１つ又は２つ以上が要因となって靱性低下を引き起こしていることが判明してきた。
そこで、本実施形態では、靱性低下と関連のある、外鋼管３の降伏耐力、内鋼管４の降伏耐力及びコンクリート部６の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて限界軸力Ｎｌｉｍｉｔを設定している。このようにして設定された限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で使用すれば、二重鋼管付きコンクリート杭１は良好な靱性を発揮する。
【００７９】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、内鋼管４の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとし、コンクリート部６の降伏耐力をＰｃとし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ＋Ｐｃ）≦０．４２        ・・・（２）
で満たされる関係を満たしている。
【００８０】
上記実施形態によれば、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏ、内鋼管４の降伏耐力Ｐｓｉ、及びコンクリート部６の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．４２以下に制限されており、外鋼管３、内鋼管４及びコンクリート部６の３つの構成要素が全体として二重鋼管付きコンクリート杭１に作用する軸力を負担可能である。このため、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（２）において、Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ＋Ｐｃ）は、好ましくは０．３２以下であり、より好ましくは０．３１以下である。
【００８１】
ここで、図５は、上記実施形態のＷＳＣ杭１の仕様の例を示す表である。図５に示したＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（２）で示される関係を満たしている。
なお、図５中の軸力比１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔに対する、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏとコンクリート部６の降伏耐力Ｐｃの和の比であり、ＷＳＣ杭１のうち従来のＳＣ杭に相当する部分に着目したときの軸力比である。
また、図５中の軸力比２は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔに対する、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏ、コンクリート部６の降伏耐力Ｐｃ及び内鋼管４の降伏耐力Ｐｓｉの和の比であり、ＷＳＣ杭１のうち従来のＳＣ杭に相当する部分と内鋼管４に着目したときの軸力比である。
【００８２】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ≦２．６５        ・・・（３）
で示される関係を満たしている。
【００８３】
上記実施形態によれば、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏに対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が２．６５以下に制限されており、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏに対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管３の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（３）において、Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏは、好ましくは１．９２以下であり、より好ましくは１．８３以下である。
【００８４】
ここで、図６は、上記実施形態のＷＳＣ杭１の仕様の例を示す表である。図６に示したＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（３）で示される関係を満たしている。ただし、このときの式（３）の右辺は好ましい値（１．９２）である。
また、図６に示したＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（３）で示される関係と同時に、上記式（２）で示される関係も満たしている。ただし、このときの式（２）の右辺は好ましい値（０．３２）である。このように、ＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（２）及び上記式（３）のうちいずれか一方を満たしていても、両方を満たしていてもよい。
【００８５】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、内鋼管４の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）≦１．１５        ・・・（４）
で示される関係を満たしている。
【００８６】
上記実施形態によれば、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏ及び内鋼管４の降伏耐力Ｐｓｉの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が１．１５以下に制限されており、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏ及び内鋼管４の降伏耐力Ｐｓｉに対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管３及び内鋼管４の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（４）において、Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）は、好ましくは１．０２以下であり、より好ましくは０．９７以下である。
【００８７】
ここで、図７は、上記実施形態のＷＳＣ杭１の仕様の例を示す表である。図７に示したＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（４）で示される関係を満たしている。
また、図７に示したＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（４）で示される関係と同時に、上記式（２）で示される関係も満たしている。このように、ＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（２）及び上記式（４）のうちいずれか一方を満たしていても、両方を満たしていてもよい。
【００８８】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｏとし、コンクリート部６の降伏耐力をＰｃとし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）≦０．５３        ・・・（５）
で示される関係を満たしている。
【００８９】
上記実施形態によれば、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏ及びコンクリート部６の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．５３以下に制限されており、外鋼管３の降伏耐力Ｐｓｏ及びコンクリート部６の降伏耐力Ｐｃに対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管３及びコンクリート部６の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（５）において、Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）は、好ましくは０．３８以下であり、より好ましくは０．３７以下である。
【００９０】
ここで、図８は、上記実施形態のＷＳＣ杭１の仕様の例を示す表である。図８に示したＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（５）で示される関係を満たしている。ただし、このときの式（５）の右辺は好ましい値（０．３８）である。
また、図８に示したＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（５）で示される関係と同時に、上記式（２）で示される関係も満たしている。ただし、このときの式（２）の右辺は好ましい値（０．３２）である。このように、ＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（２）及び上記式（５）のうちいずれか一方を満たしていても、両方を満たしていてもよい。
また、図９及び図１０は、上記実施形態のＷＳＣ杭１の仕様の例を示す表である。ただし、図１０は、式（２）〜（５）の右辺が好ましい値のときのものである。図９及び図１０に示したように、ＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（２）〜（５）で示される関係のうち何れか１つ以上を満たしていればよく、何れか２つ以上を満たしていてもよい。
【００９１】
幾つかの実施形態では、内鋼管４の座屈を考慮しない場合の降伏耐力をＰｓｉとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｉ≦２．４５      ・・・（６）
で示される関係を満たしている。
【００９２】
上記実施形態によれば、内鋼管４の降伏耐力Ｐｓｉに対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が２．４５以下に制限されており、内鋼管４の降伏耐力Ｐｓｉに対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、内鋼管４の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
【００９３】
幾つかの実施形態では、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの設定に関し、外鋼管３の降伏耐力を考慮する場合には、外鋼管３の降伏耐力として外鋼管３の座屈を考慮に入れた降伏耐力が考慮され、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの設定に関し、内鋼管４の降伏耐力を考慮する場合には、内鋼管４の降伏耐力として内鋼管４の座屈を考慮に入れた降伏耐力が考慮されている。
【００９４】
上記実施形態によれば、外鋼管３の座屈を考慮した降伏耐力及び内鋼管４の座屈を考慮した降伏耐力に基づいて限界軸力Ｎｌｉｍｉｔが設定される。このため、座屈により外鋼管３や内鋼管４の降伏耐力が低下するとしても、設定された限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で使用すれば、二重鋼管付きコンクリート杭１は良好な靱性を発揮する。
【００９５】
なお、外鋼管３や内鋼管４の座屈を考慮に入れた降伏耐力とは、例えば、以下の式（７）〜（９）に示される、終局限界圧縮耐力Ｎｕや終局限界引張耐力Ｎｕｌである。
【００９６】
【数１】
2019105156.tif 000003
【００９７】
なお、式（７）〜（９）中の記号は以下のものを表す。
Ｆ：鋼材の基準強度（＝Ｆｓｏｙ又はＦｓｉｙ）（Ｎ／ｍｍ２）
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）（ｍｍ２）
【００９８】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、内鋼管４の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’とし、コンクリート部６の降伏耐力をＰｃとし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’＋Ｐｃ）≦０．４３      ・・・（１０）
で満たされる関係を満たしている。
【００９９】
上記実施形態によれば、外鋼管３の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’、内鋼管４の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’、及びコンクリート部６の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．４３以下に制限されており、外鋼管３、内鋼管４及びコンクリート部６の３つの構成要素が全体として二重鋼管付きコンクリート杭１に作用する軸力を負担可能である。このため、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（１０）において、Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’＋Ｐｃ）は、好ましくは０．３４以下であり、より好ましくは０．３２以下である。
【０１００】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ’≦３．１０      ・・・（１１）
で示される関係を満たしている。
【０１０１】
上記実施形態によれば、外鋼管３の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が３．１０以下に制限されており、外鋼管３の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管３の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（１１）において、Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｏ’は、好ましくは２．２４以下であり、より好ましくは２．１４以下である。
【０１０２】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、内鋼管４の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’とし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’）≦１．２３      ・・・（１２）
で示される関係を満たしている。
【０１０３】
上記実施形態によれば、外鋼管３の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’及び内鋼管４の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’の和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が１．２３以下に制限されており、外鋼管３の降伏耐力及び内鋼管４の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管３及び内鋼管４の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（１２）において、Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｓｉ’）は、好ましくは１．１４以下であり、より好ましくは１．０９以下である。
【０１０４】
幾つかの実施形態では、外鋼管３の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｏ’とし、コンクリート部６の降伏耐力をＰｃとし、限界軸力をＮｌｉｍｉｔとしたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｃ）≦０．５４      ・・・（１３）
で示される関係を満たしている。
【０１０５】
上記実施形態によれば、外鋼管３の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｏ’及びコンクリート部６の降伏耐力Ｐｃの和に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が０．５４以下に制限されており、外鋼管３の降伏耐力及びコンクリート部６の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、外鋼管３及びコンクリート部６の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお上記式（１３）において、Ｎｌｉｍｉｔ／（Ｐｓｏ’＋Ｐｃ）は、好ましくは０．４０以下であり、より好ましくは０．３８以下である。
【０１０６】
なお、座屈を考慮しない場合と同様、座屈を考慮にいれば場合も、ＷＳＣ杭１の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔは、上記式（１０）〜（１３）で示される関係のうち何れか１つ以上を満たしていればよく、何れか２つ以上を満たしていてもよい。
【０１０７】
幾つかの実施形態では、
内鋼管４の座屈を考慮にいれた降伏耐力をＰｓｉ’としたとき、次式：
Ｎｌｉｍｉｔ／Ｐｓｉ’≦２．６３      ・・・（１４）
で示される関係を満たしている。
【０１０８】
上記実施形態によれば、内鋼管４の座屈を考慮に入れた降伏耐力Ｐｓｉ’に対する限界軸力Ｎｌｉｍｉｔの比が２．６３以下に制限されており、内鋼管４の降伏耐力に対し軸力が過大になることが抑制されている。このため、内鋼管４の損傷が抑制され、当該実施形態の二重鋼管付きコンクリート杭１は、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で良好な靱性を発揮する。
なお、図５〜図１０中の外鋼管３の圧縮強度Ｆｓｏｙ、内鋼管４の圧縮強度Ｆｓｉｙ及びコンクリート部６の圧縮強度Ｆｃは、いずれも公称値である。
【０１０９】
幾つかの実施形態では、二重鋼管付きコンクリート杭１の塑性率が６以上であり限界変形角が２０／１０００ｒａｄ以上（２％以上）である。
上記実施形態によれば、塑性率が６以上であって限界変形角が２０／１０００ｒａｄ以上である、良好な靱性を有する二重鋼管付きコンクリート杭１が提供される。
好ましくは、二重鋼管付きコンクリート杭１の塑性率が６以上であり限界変形角が４０／１０００ｒａｄ以上（４％以上）である。
本明細書において、塑性率は、外鋼管３が降伏したときの部材角（変形角）に対する、曲げモーメントが最大曲げモーメントの８０％まで低下したときの部材角（変形角）の比である。
限界変形角は、曲げモーメントが最大曲げモーメントの８０％まで低下したときの部材角（変形角）である。
ただし、塑性率の定義としては、コンクリートの歪みが所定の歪み（例えば２６２５μ〜５０００μ）であるときの曲げモーメントにおける曲率（部材角）に対する、曲げモーメントが最大曲げモーメントの８０％まで低下したときの部材角（変形角）の比を用いることもできる。
更に、塑性率の定義として、面積等値の方法で決定された曲率（部材角）に対する、曲げモーメントが最大曲げモーメントの８０％まで低下したときの部材角（変形角）の比を用いることもできる。
【０１１０】
幾つかの実施形態では、杭体５は、コンクリート部６と内鋼管４の間に円筒形状の充填部９を有する。充填部９は、セメントやモルタル等のグラウトによって構成され、コンクリート部６及び内鋼管４に付着している。充填部９の強度は、１０Ｎ／ｍｍ２以上であるのが望ましい。充填部９を構成するモルタルは、例えば、１００００Ｎ／ｍｍ２〜２００００Ｎ／ｍｍ２の弾性係数を有する。
【０１１１】
上記実施形態によれば、コンクリート部６と内鋼管４の間に硬化性材料であるグラウトからなる充填部９が設けられており、良好な靱性を有しながら容易に製造可能な二重鋼管付きコンクリート杭１が提供される。
また上記実施形態によれば、コンクリート部６の内周面に付着している円筒形状の充填部９を設けたことにより、内鋼管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、内鋼管４の局部座屈を抑制することができる。
【０１１２】
幾つかの実施形態では、コンクリート部６の厚さｔｃは、４０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、充填部９の厚さｔｇは、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。
【０１１３】
以下、本発明の一実施形態に係る二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法（以下、単に設計方法ともいう）について説明する。
設計方法は、中空で円筒形状の外鋼管３と、外鋼管３の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管４と、外鋼管３と内鋼管４との間に外鋼管３に接して配置され、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６と、を備える二重鋼管付きコンクリート杭１の設計方法である。
本実施形態の設計方法では、内鋼管４の外径をＤｓｉとし、内鋼管４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ようにする。
そして、本実施形態の設計方法では、外鋼管３の降伏耐力、内鋼管４の降伏耐力、及び、コンクリート部６の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて、二重鋼管付きコンクリート杭の限界軸力を設定する。
【０１１４】
従来のＳＣ杭では、外鋼管３の内側のコンクリートが圧縮力を負担するものとして、外鋼管３の座屈は考慮されてこなかった。このため、外鋼管３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、内鋼管４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、内鋼管４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、上記実施形態によれば、内鋼管４の厚さを外径の０．０２倍以上とすることで、内鋼管４の局部座屈を抑制することができる。これにより、コンクリート部６でコンクリート片が剥離、圧壊したとしても、二重鋼管付きコンクリート杭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、上記実施形態によれば、靭性が従来よりも改善される中空の二重鋼管付きコンクリート杭１を提供することができる。
【０１１５】
また、本発明者らが種々検討を更に重ねた結果、二重鋼管付きコンクリート杭には限界軸力Ｎｌｉｍｉｔがあり、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔを超える軸力の作用下では、靱性が低下することが判明した。そして、限界軸力Ｎｌｉｍｉｔを超える軸力の作用下では、内鋼管４の座屈のみが靱性低下を引き起こしているのではなく、外鋼管３の塑性変形、内鋼管４の塑性変形及びコンクリート部６の損傷のうち１つ又は２つ以上が要因となって靱性低下を引き起こしていることが判明してきた。
そこで、上記実施形態では、靱性低下と関連のある、外鋼管３の降伏耐力、内鋼管４の降伏耐力及びコンクリート部６の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて限界軸力Ｎｌｉｍｉｔを設定している。このようにして設定された限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で使用すれば、二重鋼管付きコンクリート杭１は良好な靱性を発揮する。
なお、靱性低下と関連のある、外鋼管３の降伏耐力、内鋼管４の降伏耐力及びコンクリート部６の降伏耐力のうち１つ以上に基づいて限界軸力Ｎｌｉｍｉｔを設定するということは、言い換えれば、所望の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔが得られるように、外鋼管３の降伏耐力、内鋼管４の降伏耐力及びコンクリート部６の降伏耐力のうち１つ以上を選択するということであり、外鋼管３、内鋼管４及びコンクリート部６の仕様を決定することでもある。
【０１１６】
以下、上述したＷＳＣ杭１の製造方法の一例について説明する。
上述したＷＳＣ杭１の製造にあたっては、まず、原材料である外鋼管３、内鋼管４、コンクリート、グラウト、端板７を用意する。この際、所望の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔが得られるように、原材料が選択される。つまり、上述した二重鋼管付きコンクリート杭の設計方法は、製造方法の一部でもある。
そして、端板７を溶接した外鋼管３内にコンクリートを充填してから遠心成形し、それを養生してコンクリート部６を形成する。
この後、コンクリート部６の内部に内鋼管４を配置してから内鋼管４を端板７に溶接する。それから、内鋼管４とコンクリート部６との隙間にグラウトを充填して固化させ、充填部９を形成する。これによりＷＳＣ杭１が製造される。
【０１１７】
［実施例１〜９及び比較例１〜２の正負交番載荷試験］
図１１は、正負交番載荷試験に供される実施例１〜９及び比較例１〜２のＷＳＣ杭の仕様、及び、当該試験においてＷＳＣ杭に載荷される軸力（作用軸力Ｎａ）を示す表である。なお、コンクリート部と内鋼管の間にはグラウトが充填されている。
図１２は、正負交番載荷試験装置により実施例１〜９及び比較例１〜２のＷＳＣ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。ＷＳＣ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。
より詳しくは、スタブ１３は鋼製スタブであり、内径４３２ｍｍの鋼管を含んでいる。ＷＳＣ杭の下端側は、鋼製スタブの鋼管に挿入され、隙間に高強度のグラウト材(圧縮強度１００Ｎ／ｍｍ２、不図示）を充填した。ＷＳＣ杭は、鋼製スタブの天端から反力床１５に設置したＰＣ鋼棒（不図示）にプレストレス力を導入することによって固定した。また、各ＷＳＣ杭の外径を４００ｍｍとし、せん断スパンは地震力を受けるＷＳＣ杭の曲げモーメント分布において、地中部曲げモーメントがゼロとなる深さまでを模擬することを意図して１２００ｍｍ（せん断スパン比３）とした。
【０１１８】
正負交番載荷試験の加力サイクルは、水平加力ジャッキ位置の平均水平変位をせん断スパン１２００ｍｍで除した値（変形角θ）により制御し、θ＝±２．５／１０００ｒａｄ、θ＝±５．０／１０００ｒａｄ、θ＝±７．５／１０００ｒａｄ、θ＝±１０．０／１０００ｒａｄ、θ＝±１５．０／１０００ｒａｄ、±２０．０／１０００ｒａｄをこの順序で各２サイクル実施した後、±３０．０／１０００ｒａｄ、±４０．０／１０００ｒａｄ、±５０．０／１０００ｒａｄを更にこの順序で１サイクル実施した。そして更に、実施例６〜９については、θ＝±５０．０／１０００ｒａｄの加力を実施した。
なお、上述した変形角θは、平均水平変位をせん断スパンで除した値であり、ＷＳＣ杭はスタブ１３の天端で固定されているという条件下でのものであり、スタブ１３からのＷＳＣ杭の抜け出しは考慮していない。  
【０１１９】
図１３〜図３３は、正負交番載荷試験の結果を示すグラフ又は表である。
具体的には、図１３は、実施例１のＷＳＣ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（変形角）と杭頭発生曲げモーメント（曲げモーメント）との関係を示すグラフ（Ｍ−θ図）である。図１４は、図１３の横軸を変位量に基づいて曲率に変換したグラフ（Ｍ−φ図）である。
同様に、図１５及び図１６は、それぞれ比較例１のＭ−θ図及びＭ−φ図である。図１７及び図１８は、それぞれ比較例２のＭ−θ図及びＭ−φ図である。図１９及び図２０は、それぞれ実施例２のＭ−θ図及びＭ−φ図である。図２１及び図２２は、それぞれ実施例３のＭ−θ図及びＭ−φ図である。図２３及び図２４は、それぞれ実施例４のＭ−θ図及びＭ−φ図である。図２５及び図２６は、それぞれ実施例５のＭ−θ図及びＭ−φ図である。
【０１２０】
図２７は、実施例１〜９及び比較例１〜２の試験結果について、Ｎａ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ＋Ｐｓｉ）と低下率（最大曲げモーメントに対する曲げモーメントの比）の関係を変形角別にまとめたグラフである。同様に、図２８は、Ｎａ／Ｐｓｏと低下率の関係を変形角別にまとめたグラフである。図２９は、Ｎａ／（Ｐｓｏ＋Ｐｓｉ）と低下率の関係を変形角別にまとめたグラフである。図３０は、Ｎａ／（Ｐｓｏ＋Ｐｃ）と低下率の関係を変形角別にまとめたグラフである。図３１は、Ｎａ／Ｐｓｉと低下率の関係を変形角別にまとめたグラフである。
【０１２１】
図３２は、実施例１〜５及び比較例１〜２における、正負交番載荷試験結果から求められたθｙに対する変形角（部材角）θの比を示している。なお、θｙは、試験データより外鋼管が降伏歪みに達した際の変形角である。
図３３は、実施例１〜５及び比較例１〜２における、正負交番載荷試験結果から求められたφｙに対する各変形角θでの曲率の比を示している。なお、φｙは、試験データより外鋼管の圧縮歪みが降伏に達したときの曲率である。
【０１２２】
図１３〜図３３からわかるように、実施例１〜９のＷＳＣ杭は、比較例１〜２のＷＳＣ杭よりも優れた靱性を示している。
具体的には、図２７（ａ）、図２８（ａ）、図２９（ａ）及び図３０（ａ）に示したように、作用軸力Ｎａを限界軸力Ｎｌｉｍｉｔに当てはめたときに上記式（２）〜（５）又は（１０）〜（１３）で示される関係を満たしていれば、変形角θが２０／１０００ｒａｄであっても、曲げモーメントの低下率を８０％以上に維持できていることがわかる。つまり、実施例１〜９のように上記式（２）〜（５）又は（１０）〜（１３）で示される関係を満たしていれば、塑性率を６以上とし、限界変形角を２０／１０００ｒａｄ以上とすることができ、良好な靱性を有するＷＳＣ杭を得られることがわかる。
なお、実施例でも一部のデータで低下率が８０％を下回っているが、これは、繰り返し荷重や交番荷重を加えたためである。
【０１２３】
そして更に、図２７（ｂ）、図２８（ｂ）、図２９（ｂ）及び図３０（ｂ）に示したように、作用軸力Ｎａを限界軸力Ｎｌｉｍｉｔに当てはめたときに上記式（２）〜（５）又は（１０）〜（１３）で示される関係であって、各式の右辺が好ましい値であるものを満たしていれば、変形角が２５／１０００ｒａｄであっても、低下率を８０％以上に維持できていることがわかる。つまり、実施例１、２、及び５〜９のように、上記式（２）〜（５）又は（１０）〜（１３）で示される関係であって、各式の右辺が好ましい値であるものを満たしていれば、塑性率を６以上とし、限界変形角を２５／１０００ｒａｄ以上とすることができ、より良好な靱性を有するＷＳＣ杭を得られることがわかる。
【０１２４】
そして更に、図２７（ｃ）、図２８（ｃ）、図２９（ｃ）及び図３０（ｃ）に示したように、作用軸力Ｎａを限界軸力Ｎｌｉｍｉｔに当てはめたときに上記式（２）〜（５）又は（１０）〜（１３）で示される関係であって、各式の右辺が好ましい値であるものを満たしていれば、変形角が４０／１０００ｒａｄであっても、低下率を８０％以上に維持できていることがわかる。つまり、実施例１、２及び５のように、上記式（２）〜（５）又は（１０）〜（１３）で示される関係であって、各式の右辺が好ましい値であるものを満たしていれば、塑性率を６以上とし、限界変形角を４０／１０００ｒａｄ以上とすることができ、極めて良好な靱性を有するＷＳＣ杭を得られることがわかる。
【０１２５】
ここで図３４は、正負交番載荷試験によって求められた実施例６〜９の終局曲げモーメントの実験値Ｍｅｕと理論値Ｍｃｕの比Ｍｅｕ／Ｍｃｕを示している。
図３４に示したように、実施例９では、終局曲げモーメントの実験値Ｍｅｕと理論値Ｍｃｕの比Ｍｅｕ／Ｍｃｕが１を下回っており、コンクリート部６のコンクリートの終局歪みが当初仮定した５０００μ未満となっている可能性がある。これは、実施例９では、実施例６〜８に比べてコンクリート部６の壁厚ｔｃが相対的に薄く、コンクリート部６の外周側の圧壊が内周面まで到達しやすく、内鋼管４の板厚ｔｓｉが薄いと、コンクリート部６の欠落を十分に抑制できないためと考えられる。つまり、実施例９では、実施例６〜８に比べ、コンクリート部６に対する内鋼管４の拘束力が相対的に低下していると考えられる。
このため、コンクリート部６の外径Ｄｃに対する厚さｔｃの比ｔｃ／Ｄｃが０．１２５未満の場合、内鋼管４の外径Ｄｓｉに対する厚さｔｓｉの比ｔｓｉ／Ｄｓｉは２．５％以上であることが好ましいことがわかる。
なお、図３４中の外鋼管３の圧縮強度Ｆｓｏｙ、内鋼管４の圧縮強度Ｆｓｉｙ、コンクリート部６の圧縮強度Ｆｃ及び弾性係数Ｅｃ、並びに、グラウトの圧縮強度Ｆｇ及び弾性係数Ｅｇは、いずれも実測値である。一方、図３４中の外鋼管３の弾性係数Ｅｓｏ及び内鋼管３の弾性係数Ｅｓｉは公称値である。
【０１２６】
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、本発明によれば、ＷＳＣ杭１を所定の限界軸力Ｎｌｉｍｉｔ以下で使用するＷＳＣ杭１の使用方法やＷＳＣ杭１を備える杭基礎も提供される。
また例えば、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。
【０１２７】
また、上述した実施形態では、杭体５の内周面全域が内鋼管４によって覆われていたが、ＷＳＣ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鋼管４を設けてもよい。つまり、ＷＳＣ杭１の軸線方向にて、内鋼管４は杭体５を全長にわたって覆っている必要はなく、杭体５の内周面の必要な部分のみ内鋼管４によって部分的に覆ってもよい。この場合、少なくとも、座屈が発生し易い箇所（杭体５を構成するコンクリートの圧壊によって生じたコンクリート片が杭体５の中心方向に向かって移動し易い箇所）を含む部分を内鋼管４が覆っていればよい。ただし、内鋼管４は、ＷＳＣ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。杭体５の内周面を内鋼管４によって部分的に覆う場合、全長にわたって覆う場合よりもコストを低減できる。
【０１２８】
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。
【符号の説明】
【０１２９】
１        二重鋼管付きコンクリート杭（ＷＳＣ杭）
３        外鋼管
４        内鋼管
５        杭体
６      コンクリート部
７        端板
９      充填部
１３      スタブ
１５      反力床
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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