(57)【要約】【課題】土木、建築構造物の、二重管構造の鋼管杭とフーチングの接合構造で経済性に優れるものを提供する。【解決手段】支持層に打設される鋼管杭本体と当該鋼管杭本体の上端部に外挿される外鋼管杭とからなる二重管構造の鋼管杭で、鋼管杭本体の頭部とフーチングは半剛結構造で、外鋼管杭の頭部とフーチングは剛結構造として、前記半剛結構造の杭頭度を調整して、前記鋼管杭本体と前記外鋼管杭の設計作用荷重に対する最大応力を略等しくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管杭とフーチングの結合構造であって、前記鋼管杭は支持層に打設される鋼管杭本体と当該鋼管杭本体の上端部に外挿される外鋼管杭とからなる二重管構造で、前記鋼管杭本体と前記外鋼管杭は設計作用荷重に対する最大応力が略等しいことを特徴とする鋼管杭とフーチングの結合構造。
【請求項２】
鋼管杭本体の杭頭部とフーチングは半剛結構造で、外鋼管杭の杭頭部とフーチングは剛結構造とする請求項1記載の鋼管杭とフーチングの結合構造。
【請求項３】
支持層に打設される鋼管杭本体と当該鋼管杭本体の上端部に外挿される外鋼管杭とからなる二重管構造の鋼管杭とフーチングの結合構造の構造設計方法であって、前記鋼管杭本体の杭頭部とフーチングは半剛結構造とし、外鋼管杭の杭頭部とフーチングは剛結構造とし、前記鋼管杭本体と前記外鋼管杭は設計作用荷重に対する最大応力が略等しくなるように前記鋼管杭本体の杭頭部とフーチングを結合する半剛結構造の杭頭度を調節することを特徴とする鋼管杭とフーチングの結合構造の構造設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木、建築構造物の鋼管杭とフーチングの接合構造に関し、二重管構造の鋼管杭を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
鋼管杭の杭頭接合構造では、杭頭部の回転を許容しない剛結構造が一般的であるが、地震時には水平慣性力により、杭頭部で大きな曲げモーメントが発生する。
【０００３】
杭頭部の曲げ剛性を高める方法として、杭体の剛性を大きくすることが最も容易であるが、鋼管杭の場合、鋼管の製造能力による板厚や管径の限界や、杭を打設する施工能力により制約が生じる。
【０００４】
すなわち、杭頭部で発生する曲げモーメントに耐えられるように板厚を大きくする方法は、鋼管の製造方法によっては、杭径に対する板厚比が大きくなると加工が困難となり、製造コストが大幅に上昇する問題点があった。
【０００５】
そこで、鋼管寸法を増大させずに曲げ剛性を高める方法として鋼管内にコンクリートを充填して両者を一体化させるＣＦＴ構造、更には鋼管杭本体に外鋼管杭を外挿し、溶接で固定したり、鋼管杭本体と外鋼管杭の隙間にモルタルや接着剤を充填して一体化させる方法が提案されている。
【０００６】
特許文献１は、上方を二重管構造とした、耐震性に優れる場所打ち鉄筋コンクリート杭に関し、場所打ち鉄筋コンクリート杭の杭頭部を二重管とし、当該二重管において内部の鋼管杭本体は鉛直抵抗用部材、外部の外鋼管杭は水平抵抗用部材で、外鋼管杭が頭部以外で鋼管杭本体または場所打ち鉄筋コンクリート杭に接触し、曲げモーメントを発生することを防止するため、外鋼管杭を鋼管杭本体より管長を短くしたものが記載されている。
【０００７】
一方、杭頭部での曲げモーメントの発生自体を抑制することも検討され、杭頭部とフーチングとの結合を杭頭部の回転を許容する半剛結構造やピン結合構造とすることが提案されている。
【０００８】
特許文献２は、杭頭構造に関し、基礎杭の頭部は凸状の球面部材で、上部構造物側は凹状の球面部材で、両球面間は適度な摩擦係数を有し、地震の程度に応じて基礎杭と上部構造物との間の結合状況を変化させることが記載されている。
【０００９】
特許文献３は、フーチングと鋼管杭を半剛結する接合構造に関し、フーチングと鋼管杭を両者の間に設けた接続部鋼管を介して接合することが記載されている。
【特許文献１】特公平１−１９４８７号公報
【特許文献２】特開２００１−７３３８７号公報
【特許文献３】特開２００１−１５９１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、鋼管杭本体に外鋼管杭を外挿し、溶接で固定したり、鋼管杭本体と外鋼管杭の隙間にモルタルや接着剤を充填して一体化させる方法は、加工コストが大きく、特に現地施工の場合一体化を保証できる強度を確保するのが困難で、また、鋼管内にコンクリートを充填する方法は、充填深さが大きくなる場合、現地施工性が低下する。
【００１１】
特許文献２や特許文献３で示されるピン結合構造や半剛結構造は、曲げモーメントの発生を抑制するが、トレードオフで水平方向変位量が増大する。水平慣性力が大きくなれば変位量も増加し近接構造物に悪影響を与えたり、杭体に上部構造物の鉛直荷重を想定通りに伝達することが難しくなる。
【００１２】
また、特許文献１記載の上方を二重管構造とした場所打ち鉄筋コンクリート杭の場合、拡頭、拡底場所打ち鉄筋コンクリートに対して経済設計が可能なことは記載されているが、二重管構造としての経済設計の指針が開示されているわけではない。
【００１３】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決する二重管構造の鋼管杭とフーチングの接合構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明者らは、鋼管杭本体の上端部に外鋼管杭を外挿する二重管構造について検討し、地震などで建築物に一定の水平力が作用した場合、鋼管杭本体の杭頭の回転固定度を低下させて、鋼管杭本体の鉛直負担荷重は変化させずに水平荷重の負担割合を低下させ、鋼管杭本体と外鋼管杭に発生する応力の最大値を等しくすると、二重管構造全体、すなわち、鋼管杭本体または外鋼管杭で得られる最大発生応力は小さくすることが可能なことを見出した。
【００１５】
本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．鋼管杭とフーチングの結合構造であって、前記鋼管杭は支持層に打設される鋼管杭本体と当該鋼管杭本体の上端部に外挿される外鋼管杭とからなる二重管構造で、前記鋼管杭本体と前記外鋼管杭は設計作用荷重が負荷された際に発生する応力の最大値が略等しいことを特徴とする鋼管杭とフーチングの結合構造。
２．鋼管杭本体の杭頭部とフーチングは半剛結構造で、外鋼管杭の杭頭部とフーチングは剛結構造とする1記載の鋼管杭とフーチングの結合構造。
３．支持層に打設される鋼管杭本体と当該鋼管杭本体の上端部に外挿される外鋼管杭とからなる二重管構造の鋼管杭とフーチングの結合構造の構造設計方法であって、前記鋼管杭本体の杭頭部とフーチングは半剛結構造とし、外鋼管杭の杭頭部とフーチングは剛結構造とし、前記鋼管杭本体と前記外鋼管杭は設計作用荷重に対する最大応力が略等しくなるように前記鋼管杭本体の杭頭部とフーチングを結合する半剛結構造の杭頭度を調節することを特徴とする鋼管杭とフーチングの結合構造の構造設計方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、二重管構造の杭として設計作用荷重に対して必要な鋼材量を減らし、経済的な構造とすることが可能で、産業上極めて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は支持層に打設される鋼管杭本体と当該鋼管杭本体の上端部に外挿される外鋼管杭とからなる二重管構造の鋼管杭における、鋼管杭とフーチングの結合構造であって、フーチングに設計作用荷重が負荷された場合に鋼管杭本体の曲げモーメントにより発生する応力の最大値と、外鋼管杭の曲げモーメントにより発生する応力の最大値が略等しいことを特徴とする。
【００１８】
そのため、本発明では、鋼管杭本体の杭頭部とフーチングは半剛結構造で、外鋼管杭の杭頭部とフーチングは剛結構造として、フーチングに設計作用荷重が負荷された場合に鋼管杭本体の曲げモーメントにより発生する応力の最大値と、外鋼管杭の曲げモーメントにより発生する応力の最大値が略等しくなるように鋼管杭本体の杭頭部とフーチングの半剛結構造における杭頭度を調節する。
【００１９】
上記のように構成した二重管構造からなる鋼管杭の作用効果について実施例を用いて具体的に説明する。
【００２０】
実施例に用いた鋼管杭は、鋼管杭本体が外径１２００ｍｍ、板厚２５ｍｍ、杭長４０ｍ、外鋼管杭が外径１４００ｍｍ、板厚２５ｍｍ、杭長１０ｍの二重管構造で、鋼管杭本体はＮ値１の地盤中に打設した。鋼管杭本体と外鋼管杭との隙間は中空とした。
【００２１】
上記寸法の鋼管杭を用い、鋼管杭本体と外鋼管杭で短期許容応力が得られる水平力に及ぼす鋼管杭本体の杭頭固定度の影響を求めた。鋼管杭本体の杭頭固定度を変化させることは、鋼管杭本体と外鋼管杭で、水平力の負担を変化させることを意味する。
【００２２】
実施例では、鋼管杭本体の杭頭固定度が、１．０の剛結、０．５の半剛結、０．０のピン結合の３種類の鋼管杭を準備し、鉛直荷重として１４０００ｋＮを鋼管杭本体に負荷させ、鋼管杭本体および／または外鋼管杭が短期許容応力に達する水平力を求めた。
【００２３】
図１に鋼管杭本体が半剛結構造の二重管構造の鋼管杭の一例を、図２に図１の鋼管杭の杭頭接合構造の拡大図を示す。また、図３に、本実施例に用いた半剛結構造の詳細を示す。
【００２４】
これらの図において１は鋼管杭本体、２は外鋼管杭、３はフーチング、４は接合鋼管、５は充填コンクリートを示し、フーチング３と鋼管杭本体１は接合鋼管４を介して接合される。実施例に用いた鋼管は、図においてｌ：１０ｍ、ｄ１：１１５０ｍｍ、ｄ２：１３５０ｍｍである。半剛結構造では、接合鋼管の径や板厚を変更することにより杭頭固定度の調整が可能で、本実施例では杭頭固定度が０．５となるように調整した。
【００２５】
表１に実験結果を示す。杭頭固定度を０．５とした半剛結の場合に水平力が最大で、等しい値の最大応力が鋼管杭本体と外鋼管杭で発生している。その理由として杭頭固定度が１の剛結の場合は鋼管杭本体に鉛直荷重と水平荷重が作用して発生する、鋼管杭における応力の最大値は鋼管杭本体に発生するが、杭頭固定度が１から低下するにつれ、外鋼管杭の水平力負担が増加して水平力による曲げモーメントで発生する外鋼管杭での応力は増大する。
【００２６】
そして、杭頭固定度を０．５とした場合は、鋼管杭本体の、鉛直荷重と水平荷重の加算された負荷による曲げモーメントにより発生する応力の最大値と、外鋼管杭に負荷される水平荷重による曲げモーメントにより発生する応力の最大値が略等しくなり、鋼管杭本体または外鋼管杭のいずれかの応力が他方より大きくなる場合よりも、最大応力の値としては小さくすることが可能、すなわち、二重管構造全体での最大発生応力を小さくするためと考えられる。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
上述した実施例では鋼管杭本体の杭頭度が０．５の半剛結構造とすることで、鋼管杭本体と外鋼管杭での最大応力を等しくすることが可能であったが、本発明は、鋼管杭本体とフーチンの接合部を半剛結構造として、鋼管杭本体と外鋼管杭での最大応力が等しくなるように、打設する地盤のＮ値に応じて半剛結構造の杭頭度を選定すればよく、０．５に限定するものではない。
【００２９】
本発明によれば、設計作用荷重に対して鋼管杭本体と外鋼管杭で発生する最大応力をほぼ同じにすることで鋼管杭としての耐力を最大限発揮でき、より合理的、経済的な構造とすることが可能である。
【００３０】
尚、鋼管杭本体と外鋼管杭の隙間が僅少であったり、モルタルや接着剤などが充填され一体化されている場合、鋼管杭本体の杭頭部とフーチングの接合を半剛結構造とするメリットが生じないため、隙間は空洞とするか、鋼管杭の変形を強く抑制しない程度の剛性を持つ物質（例えば発泡ウレタンなど）で充填されているのが望ましい。
【００３１】
さらに、隙間は想定される変形量の範囲内で、鋼管杭本体と外鋼管杭が接触しないだけの距離が確保されていることが望ましい。外鋼管杭の径が鋼管杭本体の径に対して非常に大きい場合は杭の施工が困難になるため、隙間量は５ｃｍ〜３０ｃｍの範囲とするのが好ましい。
【００３２】
また、外鋼管杭は長いほど多くの荷重を負担できるが、経済性の観点からは短い方が良く、第一曲げモーメント零点程度まで根入れすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る二重管構造の鋼管杭の構成を説明する図。
【図２】図１に示す二重管構造の鋼管杭の杭頭部の構成を説明する図。
【図３】半剛接結合の杭頭部を説明する図。
【符号の説明】
【００３４】
１  鋼管杭本体
２  外鋼管杭
３  フーチング
４  接合鋼管
５  充填コンクリート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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