(57)【要約】【課題】高架橋や架構等の土木建築構造物を支持する１柱１杭構造において、経済的、且つ鋼管杭の設置誤差を吸収可能とした鋼管柱と鋼管杭の結合構造。【解決手段】上部構造を支持する鋼管柱と同径の鋼管杭を１柱１杭で結合する構造であって、下端を鋼管杭と同じ断面形状の下部円筒とし上端を鋼管杭と鋼管柱間の軸ずれを吸収可能な上部厚肉円筒とした変断面円筒形の結合部材を用い、鋼管杭の上端に前記結合部材の下端を溶接結合し、前記結合部材の上端に鋼管柱の下端を溶接結合したことを特徴とする鋼管柱と鋼管杭の結合構造。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部構造を支持する鋼管柱と同径の鋼管杭を１柱１杭で結合する構造であって、下端を鋼管杭と同じ断面形状の下部円筒とし上端を鋼管杭と鋼管柱間の軸ずれを吸収可能な上部厚肉円筒とした変断面円筒形の結合部材を用い、鋼管杭の上端に前記結合部材の下端を溶接結合し、前記結合部材の上端に鋼管柱の下端を溶接結合したことを特徴とする鋼管柱と鋼管杭の結合構造。
【請求項２】
結合部材の上部厚肉円筒上端と鋼管柱の下端溶接部を余盛ビードで円弧状に形成し、前記上部厚肉円筒と下部円筒を断面がテーパ状または円弧状に連続するように形成して応力集中の発生を緩和したことを特徴とする請求項１記載の鋼管柱と鋼管杭の結合構造。
【請求項３】
鋼管杭に結合される鋼管柱がラーメン形式の高架橋を支持する柱であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の鋼管柱と鋼管杭の結合構造。
【請求項４】
鋼管柱および鋼管杭の両方またはいずれか一方に中詰コンクリートを施した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鋼管柱と鋼管杭の結合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はラーメン形式の高架橋や架構等の土木建築構造物および鋼管杭で支持する人工地盤において、１本の鋼管杭の基礎から上部構造物を支持する柱を立上げ一体的に構築する１柱１杭構造の結合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の杭基礎と柱からなる構造物は複数の杭をフーチングで結合した上に柱を立設するものが一般的であったが、最近は１本の杭に１本の柱を直接立上げた１柱１杭基礎構造が各方面で採用されている。
この１柱１杭構造に関しては多くの先行技術が開示されており、鋼管杭と柱の結合構造については例えば特開平３−５１４２８号公報がある。この先行技術は図６（ａ），（ｂ）に示すように、構造物１６を支持する柱鉄骨１７の下端部を大径の鋼管杭１８内に差し込んでコンクリートやモルタルでグラウト結合１９したものであって、鋼管杭１８の内周には突起２０（シアキー）が固着してあり結合強度を高めている。この他にも多数の１柱１杭構造の先行開示例があるが、そのほとんどが前記と同様に鋼管杭と柱をグラウト結合するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−５１４２８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術のグラウト結合するものは、鋼管杭を大径にして柱の挿入に余裕を持たせておくことによって鋼管杭の施工誤差を吸収して結合可能な利点があったが、
▲１▼  柱を杭内に差し込む必要があるため鋼管杭のサイズを大きくしなければならないため不経済となる。
▲２▼  また、コンクリートやモルタルをグラウト材として使用しているため強度発現までに期間を要し、急速施工ができない課題があった。
これらの課題を解決するにはグラウト材を用いないで鋼管杭と鋼管柱を直接結合することが考えられる。しかし、この場合は鋼管杭の設置精度が問題となる。すなわち、高架橋等の上部構造物等を支持する鋼管柱はその配置が定まっているため、鋼管杭の配置に誤差があると鋼管柱と鋼管杭の結合部にずれが生じてうまく結合できない課題がある。
本発明は、１柱１杭構造において、従来技術におけるグラウト結合の課題を解消し、しかも鋼管杭の設置誤差による鋼管柱位置とのずれがあっても容易に鋼管杭と鋼管柱を結合可能とする結合構造を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る鋼管柱と鋼管杭の結合構造の要旨は以下のとおりである。
上部構造を支持する鋼管柱と同径の鋼管杭を１柱１杭で結合する構造であって、下端を鋼管杭と同じ断面形状の下部円筒とし上端を鋼管杭と鋼管柱間の軸ずれを吸収可能な上部厚肉円筒とした変断面円筒形の結合部材を用い、鋼管杭の上端に前記結合部材の下端を溶接結合し、前記結合部材の上端に鋼管柱の下端を溶接結合したことを特徴とする鋼管柱と鋼管杭の結合構造である。
上記結合構造において、結合部に発生する集中応力を緩和するため、結合部材の上部厚肉円筒上端と鋼管柱の下端溶接部を余盛ビードで円弧状に形成し、前記上部厚肉円筒と下部円筒を断面がテーパ状または円弧状に連続するように形成した方がよい。
また、本発明はラーメン形式の高架橋を支持する鋼管柱と鋼管杭に適用することができる。
さらに、結合する鋼管柱および鋼管杭の剛性を高めるため、鋼管柱と鋼管杭の両方またはいずれか一方に中詰コンクリートを充填してもよい。
【０００６】
【発明の実施形態】
図１は本発明の結合構造を適用したラーメン形式の高架橋の側面図、図２はその正面図である。
鋼製の主桁２と横桁３と鋼管柱４およびＲＣスラブ５で構成されたパイルベント式のラーメン高架橋１の、主桁及２及び横桁３を支持する各鋼管柱４は、それぞれ直下に打設された鋼管杭６と地表近くで結合部材７によって結合され１柱１杭構造とされている。
【０００７】
ラーメン高架橋１の長手方向は各鋼管柱４の上部に溶接固定された張出し部材８と箱型断面の主桁２が添接板９でボルト接続され多径間の連続ラーメン構造とされ、幅員方向は同様に１径間のラーメン構造とされ上部にＲＣスラブ５が載せられている。
このラーメン高架橋１は各部材が工場製作され、鋼管柱４に張出し部材８を溶接固定した状態で現地に搬入して長手方向に主桁２を添接板９で接続し、また幅員方向に横桁２を添接板９で接続して構築する。
【０００８】
上記ラーメン高架橋１は、鋼管柱４を１本ずつ鋼管杭６に結合して立設した後、主桁２および横桁３をクレーンで吊上げ添接板９で接合するか、または地上で１径間のラーメン構造に組立てたものを吊上げて鋼管杭６と鋼管柱４を結合し、ラーメン構造の間に主桁２を差し込み接続して構築する。
しかし、鋼管杭６は地層の変化などによって設置誤差が生じやすく、工場製作されたラーメン部材との組立に不具合がおきる場合が多い。前記鋼管柱４を１本ずつ鋼管杭６に結合した後ラーメン構造に組立てる手段では、鋼管杭６の設置誤差によって添接板９のボルト孔が合わず組立困難となる。一方、地上でラーメン構造に組立てたものを鋼管杭６に結合する場合は、鋼管柱４と鋼管杭６の結合部に設置誤差によるずれが生じるため、そのままではうまく結合できない。
【０００９】
本発明は、この鋼管杭６の設置誤差によるずれを鋼管杭６と鋼管柱４の結合部材７で吸収して結合可能とするものである。
【００１０】
図３は本発明の実施形態に係る鋼管柱４と鋼管杭６の結合構造の断面図、図４は図３のＡ−Ａ矢視で、鋼管柱４と結合部７上面のずれ状態を示す平面図であって、１柱１杭構造の上部構造を支持する鋼管柱４が鋼管杭６の設置誤差によって生じた軸ずれ（偏芯）状態Δｘ、Δｙで結合部材７を介して鋼管杭６に溶接結合されている。
前記結合部材７は、下端を鋼管杭６と同じ断面形状の下部円筒１０とし上端を鋼管杭６と鋼管柱４間の軸ずれ（偏芯量）を吸収可能な上部厚肉円筒１１とした変断面円筒形であって、上部厚肉円筒１１の下側に断面中央位置から鋼管杭用の鋼管杭６と同径・同厚の下部円筒１０が突き出ている。
【００１１】
前記上部厚肉円筒１１の板厚Ｂは鋼管杭６と鋼管柱４間に生じる軸ずれ量を吸収可能な厚さにする必要がある。すなわち、鋼管杭６と同芯に固定された上部厚肉円筒１１上面に偏芯状態の鋼管柱４の下端を固定するため、上部厚肉円筒１１の板幅（板厚）Ｂを鋼管柱の板厚ｔを考慮して予想される偏芯量Δｘ、Δｙ以上にする必要がある。
また、結合部材の下部円筒１０の内側には鋼管杭６上に結合部材７を容易に位置決めし、構築作業中の上部構造物の倒れを防止するためのスタビングガイド１２が溶接されている。このスタビングガイド１２は内周に裏当てリング１３を設けた鋼管杭６に挿通可能なサイズの十字鋼板を使用し下端をテーパ状に形成している。
【００１２】
鋼管杭６と結合部材７の下部円筒１０は、鋼管杭６の内側にリング状に設けた裏当て金１３を用いた横向き溶接によって鋼管杭６の上端に同芯状態で突き合せ溶接結合されている。
鋼管杭６は通常の中堀埋め込み鋼管杭を用いてもよいが、無排土・低騒音・低振動施工ができ、大きな支持力を発揮する等の利点を有する、先端に回転翼を設けた回転圧入鋼管杭を用いるのが望ましい。
【００１３】
本発明の結合部材７を用いた鋼管柱４と鋼管杭６の結合手段は、予め設置された鋼管杭６の上端に結合部材７の下部円筒１０を溶接固定した後、鋼管杭６の設置位置を測量して誤差量（Δｘ、Δｙ）を考慮して上部厚肉円筒１１の上面に鋼管柱４単独またはラーメン構造に組立てた鋼管柱４を位置決めし、溶接固定する。または、事前に鋼管杭６の設置位置を測量して誤差量（Δｘ、Δｙ）を考慮して上部厚肉円筒１１上面に鋼管柱４単独またはラーメン構造に組立てた鋼管柱４を位置決めして溶接固定したものを鋼管杭６に溶接固定してもよい。
【００１４】
図５（ａ），（ｂ）は他の実施形態の結合部材７における円筒断面形状を示したものである。結合部材７上部厚肉円筒１１と下部円筒１０は板厚が異なる変断面形状となるが、断面が急変する部位には集中応力が生じやすい。このため、図５（ａ）に示すように上部厚肉円筒１１と下部円筒１０の内外をテーパ部１４にて連続するように形成するか、または図５（ｂ）に示すように円弧状ｒに連続する円弧状部１５にして集中応力の発生を緩和した方が望ましい。この場合、上部厚肉円筒１１の上面と鋼管柱４下端の固定部も溶接ビードを余盛りして円弧状に切削する。
【００１５】
上記集中応力を緩和するためのテーパ部１４の形状、円弧状部１５の曲率は公知技術を利用して決定することができる。
また、下部円筒１０の下端は鋼管杭６に突き合せ溶接する際の溶着金属の溶け込みを良好にするため片開先を形成している。
前記結合部材７は上部厚肉円筒１１を切削してテーパ状または円弧状で連続する変断面形状にしたものを一体的に製作するか、または上部厚肉円筒１１（または下部をテーパ状に形成したもの）に鋼管杭６と同じ径・厚さの円筒を溶接して製作する。
【００１６】
【実施例】
前記図１、図２に示すパイルベント式のラ−メン高架橋１の１柱１杭構造における本発明の具体的な実施例について説明する。
ラーメン高架橋１は長手方向に桁高１２００ｍｍ、幅８１０ｍｍの鋼製箱桁からなる主桁２が径間１０ｍピッチで外径１０００ｍｍ、板厚２２ｍｍ、高さ５．５ｍの鋼管柱４で支持され、各鋼管柱４は外径１０００ｍｍ、板厚２２ｍｍの鋼管杭６に地表面上１．５ｍの位置で結合された多径間の連続ラーメン構造である。幅員方向は主桁２と同様な構造の横桁３で結ばれた５．４ｍ径間のラーメン構造とされている。そして、主桁２、横桁３上には幅１１．３ｍのＲＣコンクリート製床版５が載置されている。
上記パイルベント式のラーメン高架橋１における鋼管柱４と鋼管杭６を結合する結合部材７は、図３の結合部断面に示すように上部厚肉円筒１１と下部円筒１０を一体的に形成したもので、上部厚肉円筒１１は外径１１０８ｍｍ、板厚Ｂ＝１３０ｍｍ、長さＬ１＝２７０ｍｍとし、下部円筒１０は鋼管杭６と同径・同厚の外径１０００ｍｍ、板厚Ａ＝２２ｍｍ、長さＬ２＝２３０ｍｍが上部厚肉円筒１１の断面中央の下側に固定されている。
上部厚肉円筒１１の板厚Ｂは鋼管杭６と鋼管柱３間に生じる軸ずれ量を想定して、このずれ量を吸収可能とするように決めたものである。すなわち、上記のように上部厚肉円筒１１の板厚Ｂ＝１３０ｍｍにすれば、板厚２２ｍｍの鋼管杭６の設置誤差（偏芯量）Δｘ、Δｙが最大±５４ｍｍあっても鋼管柱４を結合可能となる。
【００１７】
また、鋼管杭６と鋼管柱間４に大きい軸ずれ量がある場合には偏芯曲げ応力が付加されるため、上部厚肉円筒１１の長さＬ１を十分な長さにする必要がある。因みに上記結合部材７で最大ずれ状態（上部厚肉円筒１１の端部に鋼管柱４が位置する状態）で軸力を作用させた場合をＦＥＭ解析した結果ではＬ１＝５０ｍｍとＬ１＝２７０ｍｍでは前者の方が約１．４倍の応力となる。実際面では上部厚肉円筒１１の長さＬ１は上部厚肉円筒の板厚Ｂ以上、望ましくは２Ｂ以上とする。
【００１８】
以上、本発明をパイルベント式のラ−メン高架橋１について説明したが、上部工を鋼管杭６で支持する人工地盤等、各種の土木建築における１柱１杭の鋼管柱と鋼管杭６の結合構造として適用することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、１柱１杭構造において、従来技術のグラウト結合における欠点を解消し下記の効果を奏する。
▲１▼  鋼管杭のサイズを大径にしないで上部構造を支持する鋼管柱と同じにできるため経済的である。
▲２▼  コンクリート等のグラウト材を用いないで結合するため硬化養生の期間が不要となり急速施工できる。
▲３▼  鋼管柱と鋼管杭を結合する結合部材の上端を上部厚肉円筒としているため、鋼管杭の設置誤差があっても鋼管柱と鋼管杭の軸ずれ（偏芯）を吸収して容易に結合できる。
▲４▼  結合部材の上部厚肉円筒と下部円筒をテーパ状または円弧状で連続する変断面形状にすると、断面変化部位の応力集中を緩和できる。
▲５▼  鋼管柱および鋼管杭は、両方共または結合箇所を含めていずれか一方に中詰コンクリートを充填すると必要に応じて軸方向剛性と曲げ剛性を高めることができ、合理的設計ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結合構造を適用したラーメン形式の高架橋の側面図。
【図２】本発明の結合構造を適用したラーメン形式の高架橋の正面図。
【図３】本発明の実施形態に係る鋼管柱と鋼管杭の結合構造の断面図。
【図４】本発明の鋼管柱と結合部上面のずれ状態を示す平面図。
【図５】（ａ），（ｂ）は他の実施形態の結合部材における円筒断面形状を示す図。
【図６】（ａ）（ｂ）は従来技術を示す図。
【符号の説明】
１：ラーメン高架橋
２：主桁
３：横桁
４：鋼管柱
５：ＲＣスラブ
６：鋼管杭
７：結合部材
８：張り出し部材
９：添設板
１０：結合部材の下部円筒
１１：結合部材の上部厚肉円筒
１２：スタビングガイド
１３：裏当てリング
１４：テーパ部
１５：円弧状部
１６：構造物
１７：柱鉄骨
１８：鋼管杭
１９：グラウト結合
２０：突起
【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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