(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充填コンクリート鋼管杭の上部に鉄骨柱の脚部を埋め込んで接合する方法において、
前記充填コンクリート鋼管杭の上部の充填コンクリートを除去し、その空間部に鉄骨柱の脚部を挿入し、その鉄骨柱の脚部の周囲に埋め込み材を充填後、前記充填コンクリート鋼管杭の上部外周をプレストレス導入リングにより締め付けることにより杭頭部にプレストレスを付与することを特徴とする柱と杭の接合方法。
【請求項２】
前記充填コンクリート鋼管杭の上部外周を少なくとも上下２箇所で締め付けることを特徴とする請求項１記載の柱と杭の接合方法。
【請求項３】
締め付け箇所の一つは前記鉄骨柱の脚部の上部に対応する位置とし、他の一つは前記鉄骨柱の脚部の下部に対応する位置とすることを特徴とする請求項２記載の柱と杭の接合方法。
【請求項４】
前記鉄骨柱のコーナーを結ぶ対角線上の面に前記プレストレスを作用させるように前記プレストレス導入リングの締め付け面の位置を合わせて締め付けることを特徴とする請求項２または請求項３記載の柱と杭の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管等の鉄骨柱と充填コンクリート鋼管杭を使用する柱と杭の接合方法及びその接合構造に係り、特に一柱一杭工法において、耐震性を向上させることができる杭頭部の補強技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一柱一杭工法においては、一般に充填コンクリート鋼管杭の上部のコンクリートを除去した後、鋼管柱を挿入し、該鋼管柱の脚部の周囲に改めてコンクリートを充填することによって鋼管柱を鋼管杭と接合する方法がとられている。この従来工法の問題点は柱と杭の接合部の耐震性が弱いことである。地震時、柱１には図８に示すように水平力Ｑ、曲げモーメントＭ、軸力Ｎが作用するため、鋼管杭２の面外変形、断面変形が発生し、またコンクリート４のひび割れ８や柱１の抜け出しが生じる。
【０００３】
このような問題を解決するための一つの手段として、例えば特開平３−５１４２８号公報では、図９に示すようにリング状のごとき補強材７で杭頭部を補強することとしている。
しかし、この杭頭部補強の効果を調べた実験の結果では図１０に示すようにほとんど効果がなかった。同図は充填コンクリート鋼管杭と鋼管柱の接合部における変形特性を示すもので、（ａ）は補強リング無しの場合、（ｂ）は補強リング有りの場合であり、両者の回転角θに格別の差異は認められなかった。なお、柱脚部の回転角θは、同図（ｃ）に示すように、θ＝θ３−θ１（但し、θ３：杭頂部における柱の回転角、θ１：柱の下端の回転角）により算出したものである。
【０００４】
このように、杭頭部にリング状の補強材を巻き付けただけでは、杭鋼管の板厚を増加させたことと同等であり、埋め込み柱から受けるこじるような力（対称な断面に作用する非対称な力）に対しては、杭鋼管板厚が面外曲げで抵抗しようとするが、元々径に対して板厚が十分大きいため、杭頭部の補強による曲げ抵抗力の向上はほとんど期待できない。このことが実験による差が認められなかった理由である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、地震荷重に対して、鋼管杭のコンクリートのひび割れや埋め込み柱の抜け出しがなく、また埋め込み柱から受ける非対称な荷重に対しても鋼管杭の断面変形の少ない、耐震性に優れた柱と杭の接合方法及びその接合構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る柱と杭の接合方法は、充填コンクリート鋼管杭の上部に鉄骨柱の脚部を埋め込んで接合する方法において、前記充填コンクリート鋼管杭の上部の充填コンクリートを除去し、その空間部に鉄骨柱の脚部を挿入し、その鉄骨柱の脚部の周囲に埋め込み材を充填後、充填コンクリート鋼管杭の上部外周をプレストレス導入リングにより締め付けることにより杭頭部にプレストレスを付与することを特徴とするものである。
ここで、埋め込み材には鋼管杭内部の充填コンクリートに比べて強度の高いコンクリートまたはモルタルが使用される。また、鋼管杭には通常、内面突起付きまたは内面リブ付きの鋼管を使用するが、通常の鋼管を使用することもできる。鉄骨柱には角形鋼管、丸形鋼管、Ｈ形鋼等が使用される。
【０００７】
また、本発明において、杭頭部にプレストレスを付与するには、プレストレス導入リングを用いて充填コンクリート鋼管杭の上部外周を締め付ける。締め付け箇所は杭頭部の少なくとも上部１箇所で、さらに、鉄骨柱の脚部の下部に対応する位置にも設けることがより効果的である。さらに、鉄骨柱のコーナーを結ぶ対角線上の面にプレストレスを作用させるように締め付けるものである。
【０００８】
また、本発明に係る柱と杭の接合構造は、充填コンクリート鋼管杭の上部に鉄骨柱の脚部を埋め込み材により埋め込んで接合する構造において、杭頭部にプレストレスを付与するように充填コンクリート鋼管杭の上部外周を締め付けるプレストレス導入リングを具備することを特徴とするものである。
プレストレス導入リングは杭頭部の少なくとも上部１箇所で、さらに、鉄骨柱の脚部の下部に対応する位置にも設けるのがよい。また、複数のプレストレス導入リングの各締め付け面の位置が鉄骨柱のコーナーを結ぶ対角線上となるように相互に９０゜ずらした位置となっていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明では、杭頭部における埋め込み材および鋼管杭にプレストレスを付与することにより、鉄骨柱と鋼管杭の接合部の耐震強度の向上を図ることができる。すなわち、プレストレス導入リングに導入されたプレストレス張力は、杭頭部において、鋼管杭を介して埋め込み材のコンクリートに入り、該コンクリートは常時圧縮応力状態になる。このため、埋め込み柱から荷重を受けて、コンクリートに亀裂が入ろうとしても、圧縮プレストレスにより亀裂の発生を防ぐことができる。同様に、非対称な荷重により杭頭断面が断面変形（真円状態から楕円や非対称形に変形）をしようとしても、導入プレストレスは真円を保とうとする力として働くため、断面変形も防止することができる。また、圧縮プレストレスにより大きな付着力で埋め込み柱の脚部を拘束するため、埋め込み柱の抜け出しを防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の柱と杭の接合構造を示す断面図で、図２は横断面図、図３はプレストレス導入リングの締め付け部の詳細図である。
これらの図において、１は鋼管等からなる鉄骨柱、２は鋼管杭、３は鋼管杭２の内部の充填コンクリート、４はコンクリートまたはモルタルからなる埋め込み材、５はプレストレス導入リング、６は縦穴である。
【００１１】
柱と杭の接合の施工は、図１に示すように、まず、充填コンクリート鋼管杭２の上部の充填コンクリート３を除去し、その空間部に鉄骨柱１の脚部１１を挿入する。次に、鉄骨柱１の周囲に埋め込み材として強度の高いコンクリート４をグラウトし、充填したコンクリート４がほぼ硬化した後、プレストレス導入リング５を締め込むことにより杭頭部２１の上部に圧縮プレストレスを導入する。
【００１２】
プレストレス導入リング５は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、１ないし２つに分割されたものからなり、分割部の少なくとも１箇所に張力導入のための締め付け部５０を有する。
プレストレス導入リング５の締め付け部５０は、図３に示すように、例えばリング本体５１の分割端部に溶接されたフランジ５２およびスチフナ５３と、相対向する左右のフランジ５２同士を締め付けるためのネジ付きロッド５４およびナット５５などで構成される。５６はネジ頭または押さえナットである。
この締め付け部５０を、ナット５５の締め込みまたはネジ付きロッド５４をジャッキなどで両側から引っ張っておき、ナット５５、５６を締め込んだ後ロッド５４の張力を解放するなどの方法により締め付けることにより、リング５に張力を導入する。
【００１３】
次に、本発明の作用効果を図６、図７により説明する。図６の（ａ）、（ｂ）は従来法の場合で、（ａ）は補強リング無しの場合、（ｂ）は補強リング有りの場合であり、（ｃ）は本発明法の場合である。
従来法では、杭頭部の補強リング７の有無にかかわらず、地震荷重Ｐのために埋め込み柱１のコーナー部でコンクリート４に亀裂８が発生しやすく、また杭頭断面の断面変形が発生しやすかったのに対し、本発明では、図６（ｃ）に示すように、リング５に導入された張力Ｔにより、リング５が杭頭部２１の外周を巻き締めることになるため、このプレストレス張力Ｔが、鋼管杭２を介して埋め込み材のコンクリート４に入り、コンクリート４は常時圧縮応力状態となり、このため、前述したように埋め込み柱１から荷重を受けて、コンクリート４に亀裂が入ろうとしても、圧縮プレストレスにより亀裂の発生を防ぐことができる。同様に、非対称な荷重により杭頭断面が断面変形（真円状態から楕円や非対称形に変形）をしようとしても、導入プレストレスは真円を保とうとする力として働くため、断面変形も防止することができる。また、図７に示すように、圧縮プレストレスにより、鋼管杭２とコンクリート４は高い圧力で密着させられているため、埋め込み柱１が地震時に引き抜きになるような場合でも、大きな付着力（摩擦力）が期待でき、引き抜き（抜け出し）抵抗が高いため、埋め込み柱１の抜け出しを防止することができるのである。
この効果により、通常は鋼管杭２に内面に突起の付いた鋼管（または内面リブ付き鋼管）を使用するが、通常の鋼管も適用できるメリットがある。
【００１４】
プレストレス導入リング５は、締め付け力のアップと効果的な締め付けのために、図４に示すように杭頭部２１に複数設置することも可能である。同図（ａ）に示すように、鉄骨柱１の脚部１１の上部に対応するように杭頭部２１の上部の上下２箇所にプレストレス導入リング５を集中的に設置しても良いし、または同図（ｂ）に示すように、鉄骨柱１の脚部１１の上部および下部に対応するようにプレストレス導入リング５を杭頭部２１の上部と下部に設置しても良い。このように柱下部にも締め付けを行うことにより全体の剛性と強度を上げることができる。
また、図５に示すように、上下のプレストレス導入リング５の各締め付け部５０の位置を９０゜ずらすことにより、締め付け面５７、５８が鉄骨柱１のコーナーを結ぶ対角線上に位置するように設置することができ、これによってコンクリート４のひび割れが出やすい部位をより効果的に締め付けることができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、充填コンクリート鋼管杭の上部に鉄骨柱の脚部を埋め込んで接合する場合において、鉄骨柱の脚部の周囲に埋め込み材を充填後、充填コンクリート鋼管杭の上部外周を締め付けることにより杭頭部にプレストレスを付与するようにしたので、該プレストレスのために耐震強度の強い接合が得られる。具体的には、鋼管杭のコンクリートのひび割れや鉄骨柱の抜け出しがなく、埋め込み柱から受ける非対称な荷重に対しても鋼管杭断面の断面形状の変化がない、耐震性に優れた柱と杭の接合が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の柱と杭の接合構造の断面図である。
【図２】図１の横断面図である。
【図３】プレストレス導入リングの締め付け部の詳細図である。
【図４】複数のプレストレス導入リングによる締め付け箇所を示す図である。
【図５】図４の横断面図である。
【図６】本発明の作用効果を示す説明図である。
【図７】本発明の作用効果を示す説明図である。
【図８】従来法における地震時の柱にかかる荷重および杭頭断面の変形状況、コンクリートの亀裂発生の状況を示す説明図である。
【図９】従来の杭頭部の補強構造を示す断面図である。
【図１０】従来の杭頭部補強の効果の実験結果を示す変形特性図である。
【符号の説明】
１  鉄骨柱
２  鋼管杭
３  充填コンクリート
４  埋め込み材
５  プレストレス導入リング
６  縦穴
１１  鉄骨柱の脚部
２１  杭頭部
５０  プレストレス導入リングの締め付け部
５１  リング本体
５２  フランジ
５３  スチフナ
５４  ネジ付きロッド
５５  ナット
５６  ネジ頭または押さえナット
５７、５８  締め付け面
【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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