(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
杭の頭部の上面に変形拘束突起を突設するとともに所定の弾性体からなる弾性支承をその周面が前記変形拘束突起の内面に当接されるように該変形拘束突起の内側に設置し、上部構造物の基礎に取り付けられた基礎側支持板を前記変形拘束突起との間の相対回転が許容されるように前記弾性支承の上に載せ、前記基礎側支持板の周面の下縁近傍を面取り又は湾曲形成したことを特徴とする杭頭構造。
【請求項２】
杭の頭部の上面に変形拘束突起を突設するとともに所定の弾性体からなる弾性支承をその周面が前記変形拘束突起の内面に当接されるように該変形拘束突起の内側に設置し、上部構造物の基礎に取り付けられた基礎側支持板を前記変形拘束突起との間の相対回転が許容されるように前記弾性支承の上に載せ、前記基礎側支持板の周面が前記変形拘束突起の内面に当接されるように構成したことを特徴とする杭頭構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、杭基礎で採用される杭頭構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
杭基礎には支持杭形式と摩擦杭形式とがあり、前者は、良質な支持層が地下深くにある場合に該支持層まで打ち込んだ杭の上に上部構造物を構築することによって、構造物重量を支持層で安定支持する形式であり、後者は、良質な支持層がない場合に周辺地盤との摩擦力によって上部構造物を支持する形式の基礎形式である。
【０００３】
これらの杭は、当然ながら上部構造物の重量を確実に支持できなければならないが、地震時においては、上部構造物からの水平力によって杭頭に大きなせん断力や曲げモーメントが作用するため、設計施工時には地震時安全性に対する十分な配慮が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、杭と基礎スラブとを接合する方法として、場所打ちコンクリート杭の杭頭を基礎スラブに１０ｃｍ程度埋め込んで予め出しておいた杭の主筋を基礎スラブに定着させたり、既製杭の杭頭を基礎スラブに杭径長さ程度埋め込んだりする方法があったが、これらの接合方法では、固定度αが１．０、すなわちほぼ剛接となり、巨大地震時においては、杭頭に過大なせん断力や曲げモーメントが作用し、杭の破壊ひいては上部構造物の倒壊といった不測の事態を招くおそれがあった。
【０００５】
また、ＰＣ杭やＰＨＣ杭の杭頭を１０ｃｍ程度基礎スラブに埋め込んで杭切断のときに残しておいたＰＣ鋼線や鋼棒を基礎スラブに定着させたり、鋼管杭や外殻鋼管付き既製コンクリート杭の杭頭に溶接された接合鉄筋を基礎スラブに定着させたり、杭中空部に杭径の２倍程度の長さで鉄筋コンクリートを充填する中詰め補強を行ったりする方法があったが、これらの接合方法でも、曲げモーメントが杭頭に発生することが実験で確かめられており、巨大地震の下では、やはり曲げモーメントによる杭頭破壊の懸念を免れない。
【０００６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、主として地震時曲げモーメントによる杭頭での破壊を防止可能な杭頭構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る杭頭構造は請求項１に記載したように、杭の頭部の上面に変形拘束突起を突設するとともに所定の弾性体からなる弾性支承をその周面が前記変形拘束突起の内面に当接されるように該変形拘束突起の内側に設置し、上部構造物の基礎に取り付けられた基礎側支持板を前記変形拘束突起との間の相対回転が許容されるように前記弾性支承の上に載せ、前記基礎側支持板の周面の下縁近傍を面取り又は湾曲形成したものである。
【０００８】
また、本発明に係る杭頭構造は請求項２に記載したように、杭の頭部の上面に変形拘束突起を突設するとともに所定の弾性体からなる弾性支承をその周面が前記変形拘束突起の内面に当接されるように該変形拘束突起の内側に設置し、上部構造物の基礎に取り付けられた基礎側支持板を前記変形拘束突起との間の相対回転が許容されるように前記弾性支承の上に載せ、前記基礎側支持板の周面が前記変形拘束突起の内面に当接されるように構成したものである。
【００１１】
本発明に係る杭頭構造においては、弾性体からなる弾性支承をその周面が変形拘束突起の内面に当接されるように該変形拘束突起の内側に設置するとともに、かかる弾性支承の上に基礎側支持板を載せてある。
【００１２】
そのため、上部構造物の鉛直荷重が基礎側支持板を介して弾性支承に作用する場合、変形拘束突起がなければ放射方向に自由に膨らむであろう弾性支承も、その周面が変形拘束突起の内面に当接されていることにより、該変形拘束突起によって放射方向への膨らみが拘束される。
【００１３】
すなわち、弾性支承は、変形拘束突起による側方拘束作用によって鉛直剛性が大きくなり、かくして大きな鉛直荷重であっても余裕をもってこれを支持することが可能となる。
【００１４】
一方、基礎側支持板との相対回転方向に関しては、弾性支承は、一方の側で体積が増大する変形が生じるとともにそれと反対の側で体積が減少する変形が生じ、その結果として基礎側支持板との相対回転変形を吸収する。
【００１５】
したがって、上部構造物からの水平力に対する杭頭の回転拘束が大幅に低減され、上部構造物の基礎と杭頭との接合状況は、ピン接合若しくは実質的にピン接合と見なし得る状況となり、地震時や風による水平力が上部構造物から作用したとき、杭頭には全く若しくはわずかな曲げモーメントしか発生せず、かくして曲げモーメントによる杭頭破損が未然に防止される。なお、上部構造物から作用する地震や風による水平力は、基礎及び弾性支承を介して杭頭に伝達される。
【００１６】
適用可能な杭としては、場所打ちＲＣ杭をはじめ、ＰＣ杭、鋼管杭といった既製杭などすべての杭に適用することが可能である。なお、例えばＲＣ杭の場合においては、変形拘束突起を設ける便宜上、杭本体の上面に均しモルタルを施工したり、さらにその上に杭側プレートを据え付けることも考えられるが、かかる均しモルタルや杭側プレートは杭と一体化されたものであって、本発明で杭の頭部というときには、かかる均しモルタルやその上に据え付けられた杭側プレートを指すものとする。
【００１７】
弾性体の形状や材料は任意であって、例えばその形状を円形や多角形、材料を例えば免震ゴムで採用されているような天然ゴムや、高減衰ゴムから選択することができる。
【００１８】
弾性体からなる弾性支承の全体寸法や高さをどのように設定するかは、その圧縮強度等を考慮しながら、常時において基礎からの軸力を安全に杭頭に伝達できるかどうか、また、地震時において所望の回転量が確保できるかどうかを目安に適宜判断すればよい。
【００１９】
弾性体は、必ずしも単体で構成する必要はなく、場合によっては弾性シートを複数枚積層して構成するようにしてもかまわない。
【００２０】
変形拘束突起は、弾性体からなる弾性支承の周面を内面に当接することができる限り、その形状は任意であって、例えば弾性体を円形とした場合には、それに合わせて変形拘束突起を環状（リング状）の鋼製リングで構成することができる。
【００２１】
基礎側支持板と変形拘束突起は、互いの相対回転が許容されるのであれば、どのように構成してもかまわないが、例えば基礎側支持板を円形とするとともにその外径を環状に形成した変形拘束突起の内径よりも所定間隙だけ若干小さく製作し、かかる間隙を、基礎側支持板と変形拘束突起との相対回転がスムーズに行われるような大きさに適宜設定すればよい。
【００２２】
ここで、前記基礎側支持板の周面の下縁近傍を面取り又は湾曲形成した場合においては、基礎側支持板と変形拘束突起との噛み合いや干渉を未然に防止することが可能となり、変形拘束突起との間隙をそれほどとらずとも、基礎側支持板と変形拘束突起との相対回転をスムーズに行わせることが可能となる。
【００２３】
基礎、弾性支承及び杭頭との相互接続については、それらの境界面で生ずる静的摩擦力で上部構造物からの水平力を支持できる限り、それらを相互接着するかどうかは任意であるが、かかる弾性支承の上面及び下面のうち、少なくとも一方を基礎側支持板又は杭の頭部と非接着としたならば、地震時水平力によって上部構造物がロッキングし該上部構造物の基礎が杭の頭部から浮き上がる現象が生じたとしても、弾性支承を構成する弾性体には引張応力が発生しないこととなり、該弾性体の劣化を未然に防止することが可能となる。
【００２４】
なお、かかる浮き上がりが原因で上部構造物からの地震時水平力が弾性支承を介して杭に伝達されないという問題が生じるのであれば、前記基礎側支持板の周面が前記変形拘束突起の内面に当接されるように構成すればよい。
【００２５】
かかる構成によれば、浮き上がりによって弾性支承が水平力を伝達できなくなったとしても、上部構造物からの地震時水平力を、基礎側支持板の周面と変形拘束突起の内面との当接箇所を介して杭に伝達させることができる。
【００２６】
一方、上部構造物がロッキングして基礎が浮き上がるおそれがない、すなわち弾性支承に引張応力が発生するおそれはないけれども、地震水平力が弾性支承の上下面での静的摩擦力を上回るおそれがある場合には、接着、溶着等によって相互を固定し、弾性体の位置ずれを防止するようにしてもよい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る杭頭構造の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２８】
図１は、本実施形態に係る杭頭構造を示した側面図及びＡ―Ａ線に沿った水平断面図である。これらの図でわかるように、本実施形態に係る杭頭構造は、円形の弾性体からなる弾性支承４を杭１の頭部、すなわち杭頭２の上に取り付けられた杭側プレート７の上に設置するとともに該弾性支承の上に上部構造物（図示せず）の基礎３に取り付けられた円形の基礎側支持板５を載せることで概ね構成してある。
【００２９】
杭頭２の上面には、杭側プレート７に溶接等で固定する形で環状の変形拘束突起６を突設してあり、上述した円形の弾性体からなる弾性支承４は、図２の詳細図でよくわかるように、その周面１１が変形拘束突起６の内面に当接されるように変形拘束突起６の内側に設置してある。
【００３０】
弾性支承４は、例えば免震ゴムで採用されているような天然ゴム、高減衰ゴム等のゴム系材料で形成してある。弾性支承４の全体径や高さをどのように設定するかは、その圧縮強度等を考慮しながら、常時において基礎３からの軸力を安全に杭頭２に伝達できるかどうか、また、地震時において所望の回転量が確保できるかどうかを目安に適宜判断すればよい。
【００３１】
なお、弾性支承４の上面については基礎側支持板５と非接着としてあり、かかる構成においては、地震時水平力によって上部構造物がロッキングし該上部構造物の基礎３が杭頭２から浮き上がったとしても、弾性支承４を構成する円形の弾性体に引張応力が発生することはない。
【００３２】
杭側プレート７は、図２でよくわかるように杭頭２の天端から上方に延びるネジ鉄筋１２を挿通した上でナット１３を螺合するとともに、基礎側支持板５は、その背面に突設されたスタッド１４を基礎３のコンクリート内に定着させることによって杭頭２、基礎３にそれぞれ固定してある。なお、杭頭２の天端については、同図に示したように必要に応じて均しモルタル８を塗布しておくのがよい。
【００３３】
環状の変形拘束突起６は、例えば矩形断面を有する鋼製リングで構成することが可能である。
【００３４】
ここで、基礎側支持板５の周面の下縁近傍には、変形拘束突起６との噛み合いや干渉を未然に防止して変形拘束突起６との間の相対回転が許容されるよう、アール面１５を設けて湾曲形成してある。
【００３５】
なお、アール面１５による湾曲形成だけでは基礎側支持板５と変形拘束突起６とのスムーズな相対回転が期待できない場合には、基礎側支持板５の外径を変形拘束突起６の内径よりも、半径あたりδHだけ若干小さく製作し、かかる間隙δHを、基礎側支持板５と変形拘束突起６との相対回転がスムーズに行われるように適宜設定すればよい。
【００３６】
また、基礎３に対する杭頭２のスムーズな相対回転を確保すべく、変形拘束突起６の上面と基礎３との間隔δVの大きさについても留意する。
【００３７】
変形拘束突起６は、図２でよくわかるように基礎側支持板５の周面がその内面に当接されるよう、その高さＨを設定してある。かかる構成においては、上部構造物の基礎３が杭頭２から浮き上がって弾性支承４が水平力を伝達できなくなったとしても、基礎側支持板５の周面と変形拘束突起６の内面との当接箇所を介して上部構造物からの地震時水平力が杭１に伝達される。この場合、変形拘束突起６は、弾性支承４の側方変形を拘束する機能のみならず、水平力伝達機構としても機能する。なお、変形拘束突起６の高さＨは、常時はもちろん、地震時に杭頭２が回転変形した場合であっても基礎側支持板５が変形拘束突起６から外れないように設定する。
【００３８】
なお、上述した杭側プレート７、変形拘束突起６及び弾性支承４は、杭頭２に設置される免震装置として予め工場製作しておくことができることは言うまでもない。
【００３９】
本実施形態に係る杭頭構造においては、円形の弾性体からなる弾性支承４をその周面１１が環状の変形拘束突起６の内面に当接されるように該変形拘束突起の内側に設置するとともに、かかる弾性支承４の上に基礎側支持板５を載せてある。
【００４０】
そのため、図３(a)に示すように上部構造物の鉛直荷重が基礎側支持板５を介して弾性支承４に作用する場合、変形拘束突起６がなければ同図(b)に示すように放射方向に自由に膨らむであろう弾性支承４も、その周面が変形拘束突起６の内面に当接されていることにより、弾性支承４は同図(c)に示すように、変形拘束突起６によって放射方向への膨らみが拘束され、結果として、鉛直荷重による変位は、δ1からδ2に減少する。
【００４１】
すなわち、弾性支承４は、変形拘束突起６による側方拘束作用によって鉛直剛性が大きくなり、かくして大きな鉛直荷重であっても余裕をもってこれを支持することが可能となる。
【００４２】
一方、このような全体の体積変化については基礎側支持板５によって拘束されるものの、基礎側支持板５との相対回転方向に関しては、弾性支承４は、全体の体積を変化させることなく、図４に示すように一方の側（同図では右側）で体積が増大する変形が生じ、それと反対の側（同図では左側）では体積が減少する変形が生じる。
【００４３】
つまり、弾性支承４は、常時の鉛直荷重については変形拘束突起６の作用によって高剛性が確保される一方、相対回転方向については上述した体積の割合変化によって大きく回転変形し得る状態、言い換えれば回転剛性が低下した状態となり、基礎３を介して上部構造物から水平力を受けたときには、杭頭２は、基礎３から回転拘束を受けることなく図４に示すように回転変形する。
【００４４】
なお、基礎３を介して上部構造物から作用する地震や風による水平力は、基礎３と弾性支承４の上面、弾性支承４の下面と杭頭２との静的摩擦力若しくは接着力を介して杭頭に伝達される。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態に係る杭頭構造によれば、上部構造物からの水平力に対する杭頭２の回転拘束が大幅に低減され、上部構造物の基礎３と杭頭２との接合状況は、ピン接合若しくは実質的にピン接合と見なし得る状況となり、地震時や風による水平力が上部構造物から作用したとき、杭頭２には全く又はわずかな曲げモーメントしか発生せず、かくして曲げモーメントによる杭頭破損が未然に防止される。
【００４６】
また、本実施形態に係る杭頭構造によれば、上部構造物の基礎３と杭頭２との接合状況がピン接合若しくは実質的にピン接合と見なし得る状況となることによって、地盤―杭―上部構造物連成系の固有振動数が低下する。そのため、表層地盤の卓越振動数や入力地震波の振動特性にもよるが、一般的には、上部構造物への地震入力レベルが低下し、該上部構造物の耐震性を向上させることが可能となる。
【００４７】
また、本実施形態に係る杭頭構造によれば、杭頭２で発生する曲げモーメントを零若しくは非常に小さな値に抑えることができるので、従来であれば杭頭で発生する曲げモーメントで杭の断面が決定されていたようなケースであっても、本実施形態によれば、杭頭２での曲げモーメントが設計上のクリティカルとなることがなくなるため、杭１の断面低減ひいては杭１の構築コストを引き下げることが可能となる。なお、杭頭２での曲げモーメントの低減に伴って上部構造物の基礎梁の断面をも低減することができることは言うまでもない。
【００４８】
また、本実施形態に係る杭頭構造によれば、基礎側支持板５の周面の下縁近傍を湾曲形成したので、基礎側支持板５と変形拘束突起６との噛み合いや干渉を未然に防止することが可能となり、弾性支承４と変形拘束突起６との間隙δHをそれほどとらずとも、基礎側支持板５と変形拘束突起６との相対回転をスムーズに行わせることが可能となる。
【００４９】
また、本実施形態に係る杭頭構造によれば、弾性支承４の上面を基礎側支持板５と非接着としたので、地震時水平力によって上部構造物がロッキングし該上部構造物の基礎３が杭頭２から浮き上がる現象が生じたとしても、弾性支承４を構成する円形の弾性体には引張応力が発生しないこととなり、該円形の弾性体の劣化を未然に防止することが可能となる。
【００５０】
また、本実施形態に係る杭頭構造によれば、基礎側支持板５の周面が変形拘束突起６の内面に当接されるように構成したので、浮き上がりによって弾性支承４が水平力を伝達できなくなったとしても、上部構造物からの地震時水平力を、基礎側支持板５の周面と変形拘束突起６の内面との当接箇所を介して杭１に伝達させることが可能となる。
【００５１】
本実施形態では、浮き上がりが原因で上部構造物からの地震時水平力が弾性支承４を介して杭１に伝達されないという事態を回避すべく、基礎側支持板５の周面が変形拘束突起６の内面に当接されるように構成したが、このような浮き上がりが生ずる懸念がないのであれば、基礎側支持板５の周面が変形拘束突起６の内面に当接されるように構成する必要はない。かかる場合には、変形拘束突起６の高さＨを若干抑えることが可能となる。
【００５２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の杭頭構造によれば、弾性支承は、常時の鉛直荷重については変形拘束突起の作用によって高剛性が確保される一方、相対回転方向については体積の割合変化によって大きく変形し得る状態、言い換えれば回転剛性が低下した状態となり、基礎を介して上部構造物から水平力を受けたときには、杭頭は、基礎から回転拘束を受けることなく回転変形する。
【００５３】
そのため、上部構造物からの水平力に対する杭頭の回転拘束が大幅に低減され、上部構造物の基礎と杭頭との接合状況は、ピン接合若しくは実質的にピン接合と見なし得る状況となり、地震時や風による水平力が上部構造物から作用したとき、杭頭には全く又はわずかな曲げモーメントしか発生せず、かくして曲げモーメントによる杭頭破損を未然に防止することが可能となる。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る杭頭構造の図であり、(a)は側面図、(b)はＡ―Ａ線に沿った水平断面図。
【図２】同じく詳細断面図。
【図３】本実施形態に係る杭頭構造の作用を示した図。
【図４】同じく本実施形態に係る杭頭構造の作用を示した図。
【符号の説明】
１                          杭
２                          杭頭
３                          基礎
４                          弾性支承
５                          基礎側支持板
６                          変形拘束突起
【図１】
0003755730.tif 000002
【図２】
0003755730.tif 000003
【図３】
0003755730.tif 000004
【図４】
0003755730.tif 000005