(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
杭あるいは柱としての管状部材と、該管状部材の一端部に対向配置されて該管状部材との間で応力伝達を行うための構造物支持部材との間に設置される支承構造であって、
前記管状部材は、鉛直方向に沿うように配置され、
前記管状部材の一端部は、該管状部材の中心軸線上の一点を曲率中心とした仮想球面と同一面をなす平面視円環状の第一の球面滑り面として形成され、
前記構造物支持部材には、前記管状部材に形成されている前記第一の球面滑り面に当接する平面視円環状の第二の球面滑り面が形成され、
前記第一および第二の球面滑り面同士による平面視円環状の当接面を介して、前記管状部材および前記構造物支持部材の間の応力伝達が行われることを特徴とする支承構造。
【請求項２】
請求項１記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、一方は、凸状に形成され、同他方は凹状に形成されるとともに、前記一方に比較してその曲率半径が同一またはそれ以上となるように形成されていることを特徴とする支承構造。
【請求項３】
請求項１または２記載の支承構造であって、
前記管状部材は、杭あるいは柱として機能する管状部材本体と、該管状部材本体と同一の断面形状の環状とされて該管状部材本体の一端部に固定される環状部材により形成され、該環状部材に前記第一の球面滑り面が形成されていることを特徴とする支承構造。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、いずれか一方または双方は、平面視した場合に互いに分離した複数の滑り面によって形成されていることを特徴とする支承構造。
【請求項５】
請求項４記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面は、それぞれ、前記管状部材の中心軸線上の同一の一点を曲率中心とした互いに曲率半径の異なる仮想球面と同一面をなす複数の前記滑り面を組み合わせることにより形成されていることを特徴とする支承構造。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の支承構造であって、
前記管状部材は、基礎杭として形成され、前記構造物支持部材は、前記基礎杭によって支持される上部構造の下面に固定されていることを特徴とする支承構造。
【請求項７】
基礎杭と、該基礎杭によって支持された上部構造とを有する構造物であって、
前記基礎杭は、管状に形成されるとともに、その上端部が該基礎杭の中心軸線上の一点を曲率中心とした仮想球面と同一面をなす平面視円環状の第一の球面滑り面として形成され、
前記上部構造の下面には、前記基礎杭に形成されている前記第一の球面滑り面に当接する平面視円環状の第二の球面滑り面が形成され、
前記第一および第二の球面滑り面同士による平面視円環状の当接面を介して、前記基礎杭および上部構造間の応力伝達が行われることを特徴とする構造物。
【請求項８】
請求項７記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、一方は、凸状に形成され、同他方は凹状に形成されるとともに、前記一方に比較してその曲率半径が同一またはそれ以上となるように形成されていることを特徴とする構造物。
【請求項９】
請求項７または８記載の構造物であって、
前記基礎杭は、管状の基礎杭本体と、該基礎杭本体と同一の断面形状の環状とされて該基礎杭本体の上端部に固定される環状部材により形成され、該環状部材に前記第一の球面滑り面が形成されていることを特徴とする構造物。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれかに記載の構造物であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、いずれか一方または双方は、平面視した場合に互いに分離した複数の滑り面によって形成されていることを特徴とする構造物。
【請求項１１】
請求項１０記載の構造物であって、
前記第一および第二の球面滑り面は、それぞれ、前記管状部材の中心軸線上の同一の一点を曲率中心とした互いに曲率半径の異なる仮想球面と同一面をなす複数の前記滑り面を組み合わせることにより形成されていることを特徴とする構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、杭あるいは柱としての管状部材と、該管状部材の一端部に対向配置された構造物支持部材との間に設置される支承構造およびこのような支承構造を有する構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、構造物において異なる部材を接合する場合に、両者間の相対変形や相対回転を許容するために、ピン支承やローラー支承が採用されている。中でもピン支承は接合部において曲げ応力を伝達しないで軸力やせん断力を伝達できるために、多くの構造物で採用されている。
【０００３】
図７に、ピン支承の構造例を示す。この図に示すピン支承１においては、基礎杭２の杭頭２ａに設置された端板３上に、球座４が固定される一方、上部構造５の下面に、球座４と嵌合可能な凹面６が形成され、球座４および凹面６が凹凸嵌合することにより、これら球座４および凹面６を介して応力伝達が行われるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなピン支承１では、基礎杭２などの接合される部材断面と比較して、球座４の頂部４ａなどのわずかな接触面積で応力伝達するために、この部分に大きな支圧応力が生じることとなる。また、一般的に、このようなピン支承１は、基礎杭２の断面の中央位置に配置されるために、図中に示すように基礎杭２がＰＨＣ杭などの管状部材である際に、球座４と凹面６との接触部において、軸力を外→内に集め、再び球座４によって基礎杭２の端縁に分散するという非効率な力学メカニズムとなっていた。
【０００５】
さらに、上部構造５のうちピン支承１と接する部分においても、断面中央部のわずかな領域のみにかなりの支圧応力度が発生することになり、鋼材に比較して許容支圧応力度の小さいコンクリート部材を使用すると支圧耐力が不足する場合もあった。そこで、軸力を支承部で中央１ヶ所に集めて再び部材の外周まで振りまくといった従来の非効率的なメカニズムを超越した、より効果的な支承のメカニズムが求められていた。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ＰＨＣ杭などの管状部材と、それにより支持される構造物支持部材との接合部において、より効果的かつ合理的に応力を伝達できるような支承構造、および、このような支承構造が用いられた構造物を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては以下の手段を採用した。
請求項１記載の支承構造は、杭あるいは柱としての管状部材と、該管状部材の一端部に対向配置されて該管状部材との間で応力伝達を行うための構造物支持部材との間に設置される支承構造であって、
前記管状部材は、鉛直方向に沿うように配置され、
前記管状部材の一端部は、該管状部材の中心軸線上の一点を曲率中心とした仮想球面と同一面をなす平面視円環状の第一の球面滑り面として形成され、
前記構造物支持部材には、前記管状部材に形成されている前記第一の球面滑り面に当接する平面視円環状の第二の球面滑り面が形成され、
前記第一および第二の球面滑り面同士による平面視円環状の当接面を介して、前記管状部材および前記構造物支持部材の間の応力伝達が行われることを特徴としている。
【０００８】
このような構成により、この支承構造においては、円環状の第一の球面滑り面を介して応力伝達が行われることとなり、管状部材に応力をダイレクトに伝達することができる。
【０００９】
請求項２記載の支承構造は、請求項１記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、一方は、凸状に形成され、同他方は凹状に形成されるとともに、前記一方に比較してその曲率半径が同一またはそれ以上となるように形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３記載の支承構造は、請求項１または２記載の支承構造であって、
前記管状部材は、杭あるいは柱として機能する管状部材本体と、該管状部材本体と同一の断面形状の環状とされて該管状部材本体の一端部に固定される環状部材により形成され、該環状部材に前記第一の球面滑り面が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
このような構成により、管状部材本体と環状部材とを異なる材料により形成することができる。
【００１２】
請求項４記載の支承構造は、請求項１から３のいずれかに記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、いずれか一方または双方は、平面視した場合に互いに分離した複数の滑り面によって形成されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項５記載の支承構造は、請求項４記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面は、それぞれ、前記管状部材の中心軸線上の同一の一点を曲率中心とした互いに曲率半径の異なる仮想球面と同一面をなす複数の前記滑り面を組み合わせることにより形成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項６記載の支承構造は、請求項１から５のいずれかに記載の支承構造であって、
前記管状部材は、基礎杭として形成され、前記構造物支持部材は、前記基礎杭によって支持される上部構造の下面に固定されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項７記載の構造物は、基礎杭と、該基礎杭によって支持された上部構造とを有する構造物であって、
前記基礎杭は、管状に形成されるとともに、その上端部が該基礎杭の中心軸線上の一点を曲率中心とした仮想球面と同一面をなす平面視円環状の第一の球面滑り面として形成され、
前記上部構造の下面には、前記基礎杭に形成されている前記第一の球面滑り面に当接する平面視円環状の第二の球面滑り面が形成され、
前記第一および第二の球面滑り面同士による平面視円環状の当接面を介して、前記基礎杭および上部構造間の応力伝達が行われることを特徴としている。
【００１６】
このような構成により、この構造物においては、円環状の第一の球面滑り面を介して、上部構造から基礎杭に対する応力伝達が行われることとなり、したがって、ＰＨＣ杭や鋼管杭などの管状の基礎杭に対して軸力をダイレクトに伝達することができる。
【００１７】
請求項８記載の構造物は、請求項７記載の支承構造であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、一方は、凸状に形成され、同他方は凹状に形成されるとともに、前記一方に比較してその曲率半径が同一またはそれ以上となるように形成されていることを特徴としている。
【００１８】
請求項９記載の構造物は、請求項７または８記載の構造物であって、
前記基礎杭は、管状の基礎杭本体と、該基礎杭本体と同一の断面形状の環状とされて該基礎杭本体の上端部に固定される環状部材により形成され、該環状部材に前記第一の球面滑り面が形成されていることを特徴としている。
【００１９】
このような構成により、管状部材本体と環状部材とを異なる材料により形成することができる。
【００２０】
請求項１０記載の構造物は、請求項７から９のいずれかに記載の構造物であって、
前記第一および第二の球面滑り面のうち、いずれか一方または双方は、平面視した場合に互いに分離した複数の滑り面によって形成されていることを特徴としている。
【００２１】
請求項１１記載の構造物は、請求項１０記載の構造物であって、
前記第一および第二の球面滑り面は、それぞれ、前記管状部材の中心軸線上の同一の一点を曲率中心とした互いに曲率半径の異なる仮想球面と同一面をなす複数の前記滑り面を組み合わせることにより形成されていることを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図４は、本発明の一実施の形態を模式的に示す図であり、図中、符号１１は、建物（構造物）を示す。この建物１１は、地盤Ｇ内に鉛直方向に沿って打設されたＰＨＣ杭（基礎杭）１２と、ＰＨＣ杭１２によって支持された上部構造１３とからなるものであり、これらＰＨＣ杭１２および上部構造１３の間には、応力の伝達を行うための支承構造１４が備えられた構成となっている。
【００２３】
図１は、この支承構造１４を拡大して示したものである。図中に示すように、支承構造１４は、ＰＨＣ杭１２の上端縁を構成する環状部材１５と、上部構造１３の下面に設けられるとともに環状部材１５に対向配置された構造物支持部材１６とを互いに当接させることにより形成されている。
【００２４】
環状部材１５は、ＰＨＣ杭１２における杭本体１７の上端縁１７ａに設置された端板１８の上面に対して固定されるものであり、図２に示すように、平面視円環状に形成されている。さらに、図１に示すように、環状部材１５は、その上面１５ａが、ＰＨＣ杭１２の中心軸線Ｖａ上の一点を曲率中心Ｏ１とした第一の仮想球面Ｓｖ１と同一面をなす第一の球面滑り面１９として形成されている。
【００２５】
一方、構造物支持部材１６は、図１に示すように、その下面１６ａが、凹状に形成された凹面２０として形成されている。凹面２０は、その中心部に形成された平面部２１と、平面部２１の外周に形成されるとともに、構造物支持部材１６の中心軸線Ｖａ上の一点を曲率中心Ｏ２とした第二の仮想球面Ｓｖ２と同一面をなすような第二の球面滑り面２２とを有する構成となっている。
【００２６】
そして、図３に示すように、環状部材１５の上方に構造物支持部材１６を被せるように配置することによって、凸状に形成された第一の球面滑り面１９と、凹状に形成された第二の球面滑り面２２を互いに当接させることにより、それら第一の球面滑り面１９と第二の球面滑り面２２とによる円環状の当接面を介して上部構造１３からＰＨＣ杭１２へ軸力が伝達できるようになっている。
【００２７】
このような建物１１を構築するには、ＰＨＣ杭１２を工場製作する際に、端板１８上に環状部材１５を溶接により取り付けておく、そしてこのようなＰＨＣ杭１２を現場に搬入し、地盤Ｇ内に打設するとともに、このＰＨＣ杭１２の上端縁を構成する環状部材１５の上方に、構造物支持部材１６を載置する。さらに、この上に、構造物支持部材１６と一体化させて上部構造１３の基礎コンクリートを打設して、構造物支持部材１６を上部構造１３に固定する。さらに、上部構造１３の内、基礎コンクリートより上方の部分を構築することにより、図４に示したような建物１１の構造を得る。
なお、ＰＨＣ杭１２と環状部材１５との接合方法としては、上記の溶接以外にも、端板１８にタップネジ山を設けたり、端板１８上にスタッドボルトを打つことにより、環状部材１５と端板１８とをボルト接合する方法がある。
【００２８】
上述の支承構造１４および建物１１によれば、軸力が第一および第二の球面滑り面１９，２２の間に形成されることとなる円環状の当接面を介して伝達されるために、従来のピン支承が球面の中心で点接触状態で軸力を伝達していたのに比べて、軸力伝達範囲が広くなり、支圧応力の分散も容易となる。特にＲＣ系部材に支承構造１４が取り合う場合には、支承構造１４に取り合う部位での支圧応力度が小さくなることから、この部分を高強度部材としなくてもよくなり、施工コストの削減を図ることができる。
【００２９】
また、第一の球面滑り面１９が、管状部材であるＰＨＣ杭１２の上端縁に形成されるために、軸力を負担するＰＨＣ杭１２の杭本体１７に直接的に、かつ、円滑に軸力を伝達することができ、応力伝達がスムーズとなり合理的な接合部を形成することができる。つまり、従来のように、支承中央部にいったん軸力を集めて再度周辺に応力分散する場合には、応力伝達経路が長くなり、ベースプレート等に過大な応力を生じさせることになり、コストアップを招く非効率的な断面となっていたが、本実施の形態によれば、そのようなことがない。
【００３０】
さらに、従来のピン支承と比較した場合、第一の球面滑り面１９に、球座中央部の接触部分が無いため、支承高さを全体として低減することができ、設置性がよいとともに、設計の自由度を向上させることができる。
【００３１】
また、支承構造１４が、従来のピン支承と比較して接触曲面の形状をわずかに変えただけの単純な構成であるために、鋳造などで容易に成形することができ、ローコストに、かつ、特別な材料や特殊な技能を要さずに、一般的な鋼材（鋳鋼や鋳鉄等）と通常の加工で製造することができる。
【００３２】
また、第一および第二の球面滑り面１９，２２における曲率半径を小さくすることで、これらの水平面に対する傾斜角を大きくとることができ、環状部材１５と構造物支持部材１６との間に伝達されるせん断力の処理を容易化することができる（この水平面からの傾斜角が小さい場合には、当接面において滑ってしまうこともあり、ピン機構としてのせん断力伝達機能を果たせなくなってしまう。）。特に、従来の中央接触型のピン支承では、せん断力を良好に伝達できるように曲率半径を小さくすると、支承の高さが大きくなってしまう問題点があったが、本実施の形態によれば、球座中央に接触面がないため、このようにしても、支承の高さを低減することができ、支承構造１４の設置性や建物１１の設計の自由度を確保することができる。
【００３３】
また、このような支承構造１４が、ＰＨＣ杭１２の杭頭に設けられるために、従来と異なり、杭主筋のアンカーが不要であり、支承構造１４を直接に基礎と一体化すればよいので、杭と建物の基礎を接合するためのフーチングが必要とならず、コストダウンと工期短縮が図れる。
【００３４】
さらに、支承構造１４およびそれを用いた建物１１を施工するにあたって、現場での特殊な道具や技能を要求されず、熟練技能者でなくても作業できるために、施工コストの削減を図ることができる。
【００３５】
また、上記実施の形態においては、杭本体１７の上端縁に環状部材１５を固定することにより、第一の球面滑り面１９を形成するようにしたために、杭本体１７の材質に関わらず、第一の球面滑り面１９に適切な材料を選択することができ、汎用性が高い。
【００３６】
なお、上記実施の形態において、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で他の構成を採用するようにしてもよい。
例えば、本発明における管状部材としては、ＰＨＣ杭１２に限らず鋼管杭等の他の管状の杭を採用することもできる。また、本発明の支承構造は上記実施の形態のように基礎杭の上端に設けられて上部構造からの軸力を基礎杭に伝達する場合のみならず、管状部材としての管状の柱（box柱など）の下端に設けられてその柱の軸力を下部構造としての基礎に伝達するためのものであってもよい。この場合、柱の下端部に環状部材１５が設けられ、下部構造の上面に構造物支持部材１６が設けられることとなる（つまり、図１に示した実施の形態の支承構造の天地を反転させ、図１におけるＰＨＣ杭１２を柱としてその下端部に環状部材１５を下向きに設け、図１における上部構造１３を基礎としてその上面に構造物支持部材１６を上向きに設ける構成とすれば良い）。
【００３７】
また、上記実施の形態においては、第一の球面滑り面１９が凸面として、第二の球面滑り面２２が凹面として形成されていたが、これに限らず、第一の球面滑り面１９を凹面として、第二の球面滑り面２２を凸面として形成するようにしてもよい。
【００３８】
さらに、上記実施の形態において、第一の球面滑り面１９および第二の球面滑り面２２の曲率半径は同一であってもよいが、凸状に形成された第一の球面滑り面１９に比較して、凹状に形成された第二の球面滑り面２２の曲率半径がわずかに大きい方が環状部材１５および構造物支持部材１６間が良好に滑動することができる。
【００３９】
また、上記実施の形態において、環状部材１５および構造物支持部材１６の材料は特に限定されるものでないが、安価に所定形状を形成できるダクタイル鋳鉄や鋳鋼が好適であると考えられる。また、第一および第二の球面滑り面１９，２２において、摩擦抵抗を低減するためにフッ素樹脂を使用することもできるが、実用的には、鋳鉄の鋳放し（鋳型から取り出したまま使用）でも十分な性能が得られる。この場合は、支承構造１４は、完全なピン支承とはならず、やや摩擦抵抗による曲げモーメントを負担することとなるが、支承を固定とした場合と比較すると、発生する応力は桁違いに小さく、工学的にはピン支承に近いものとなる。また、詳細な検討の際には、支承構造１４の回転剛性を評価することで、接合部の挙動を正確に把握することが可能である。
【００４０】
また、上記実施の形態において、環状部材１５および構造物支持部材１６をボルトにより締結することで、支承構造１４に引張力が作用した際に浮き上がりを抑制することができる。この場合、環状部材１５の内側の孔部２４（図１参照）をボルトを配置するために利用することができる。
【００４１】
また、浮き上がり防止のために、一端がＰＨＣ杭１２に固定され、他端が上部構造１３に固定されるとともに、中央部が環状部材１５および構造物支持部材１６を貫通するようなアンカー部材を用いるようにしてもよい。この場合には、アンカー部材自体がシヤーキーとして機能してしまわないように、上部構造１３およびＰＨＣ杭１２内における支承構造１４の近傍位置においてアンボンド処理を行い、アンカー部材の曲げ剛性が小さくなるようにする。このように浮き上がり防止を行った場合、アンカー部材と環状部材１５あるいは構造物支持部材１６とを接合しなくてもよいために、施工精度への対応も容易となる。
【００４２】
また、上記実施の形態において、構造物支持部材１６を第二の球面滑り面２２のみを残した環状の形状とするようにしてもよい。このようにすることにより、構造物支持部材１６を構成する鋼材量を低減することができ、コストダウンを図ることができる。
【００４３】
さらに、上記実施の形態において、第一および第二の球面滑り面１９，２２のいずれか一方または双方は、必ずしも連続した球面である必要はなく、図５（ａ），（ｂ）に示すように平面視した場合に互いに分離した複数の滑り面２５，２５，…（２６，２６，…）により形成されていてもよい。
【００４４】
また、この場合、それぞれの滑り面２５，２５，…の曲率中心Ｏ１からの距離（すなわち曲率半径）は、必ずしも一致している必要はなく、互いに異なっていてもよい。ただし、この場合には、それぞれの滑り面２５に対して当接することとなる滑り面２６は、当接対象の滑り面２５と、その曲率半径が一致していることが必要である。また、各滑り面２５（２６）の曲率中心は、ＰＨＣ杭１２（構造物支持部材１６）の中心軸線Ｖａ１上の同一の一点Ｏ１（Ｏ２）であることが必要である。
【００４５】
また、図６に示す建物１１’のように、すべての支承構造１４’において、応力を伝達すべき当接面が、互いに一致する曲率中心Ｏ３を有する仮想球面Ｓｖ１’，Ｓｖ２’，…と同一面をなすような構成を採用することも可能である。
このような構成とすることで、建物１１’を曲率中心Ｏ３まわりにロッキング変位させることが可能になる。
【００４６】
また、この他にも本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で他の構成を採用するようにしてもよく、また、上記したような変形例を適宜選択的に組み合わせて採用するようにしてもよいのは言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軸力が第一および第二の球面滑り面同士の間に形成されることとなる平面視円環状の当接面を介して伝達されるために、従来に比較して、軸力伝達範囲を広くすることができ、支圧応力の分散も容易となる。また、軸力を負担する管状部材（基礎杭）に、直接的に、かつ、円滑に軸力を伝達することができるので、応力伝達がスムーズとなり合理的な接合部を形成することができる。これにより、従来と異なり、支承中央部にいったん軸力を集めて再度周辺に応力分散するようなことがなく、効率的な断面を形成してコストアップを防ぐことができる。
【００４８】
また、この場合、第一および第二の球面滑り面の一方を凹状に、他方を凸状に形成するとともに、凹状の滑り面の曲率半径を凸状のものの曲率半径以上とすることにより、優れた滑動性能を得ることが可能となる。
【００４９】
また、管状部材を、杭や柱として機能する管状部材本体とその一端部（杭の場合には上端部、柱の場合には下端部）に固定される環状部材とにより形成し、その環状部材に第一の球面滑り面を形成することによって、第一の球面滑り面の材料に適切なものを選択することができ、汎用性を向上できる。
【００５０】
また、第一および第二の球面滑り面の一方または双方を複数の滑り面により形成した場合、あるいは、第一および第二の球面滑り面のそれぞれを、互いに曲率半径の異なる仮想球面と同一面をなすように形成しても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】   本発明の一実施の形態を模式的に示す支承構造の分解立断面図である。
【図２】   図１におけるＩ−Ｉ線矢視断面図である。
【図３】   図１に示した支承構造における環状部材および構造物支持部材の分解斜視図である。
【図４】   図１から図３に示した支承構造が適用された建物の立断面図である。
【図５】   本発明の他の実施の形態を模式的に示す図であって、（ａ）は、第一および第二の球面滑り面の平面図、（ｂ）は、同、立面図である。
【図６】   本発明の他の実施の形態を模式的に示す建物の立断面図である。
【図７】   本発明の従来の技術を模式的に示すピン支承の立断面図である。
【符号の説明】
１１  建物（構造物）
１２  ＰＨＣ杭（基礎杭、管状部材）
１３  上部構造
１４  支承構造
１５  環状部材
１６  構造物支持部材
１７  杭本体
１９  第一の球面滑り面
２２  第二の球面滑り面
Ｓｖ１  第一の仮想球面（仮想球面）
Ｏ１  曲率中心
Ｖａ  中心軸線
【図１】
0004446217.tif 000002
【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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