20213

日本建築学会大会学術講演梗概集（北陸） 2019 年 9 月

既製コンクリート杭の機械式継手における引張耐力の検証（その 1 FEM 解析）

既製コンクリート杭ペアリング ジョイント正会員 ○石川正会員
松江一真＊1,＊2
繁尚＊1

正会員 小椋正会員 宮原仁志＊2
清 ＊1

機械式継手
引張耐力
トリプル プレート ジョイント
解析 STEP3 にて杭下端に設けた剛梁の中心に下向きの荷重

1. はじめに
1)

既製コンクリート杭の継手には溶接継手と機械式継手 があり、杭施工時の時間短縮効果のある後者が多く採用されている。
機械式継手には、ペアリング ジョイント（以下 PJ と表記）とトリ（杭体の短期許容引張荷重の 1/24）を与えた。
解析は線形解析、解析ソフトは COSMOSM Ver.2007、接点数は約 5 万点である。

プル プレート ジョイント（以下 TPJ と表記）があり、図 1 にそれぞれの概要を示す。両者とも、杭の端板外周部を金具（PJ：内リング、TPJ：接続プレート）で係止する構造である。
地震時に杭に引抜力が作用すると、継手にも引張力が働く。
今回、機械式継手の引張耐力を実験的に検証したので、ここに報告する。その 1 では、実験に先立って行った三次元 FEM解析について示す。
2. 解析概要
杭径 600mm の PHC 杭 C 種（PC 鋼材は線径 10.0mm 24本）同士を PJ または TPJ で継いだ状態を想定した。解析モデ
ルの接点数を抑える為に、軸方向は下杭の杭頭部のみを、周方向は PC 鋼材 1 本分である 15°（=360°/24）範囲をモデル

図 2 解析モデル（PJ）

図 3 拘束条件化した。例として PJ の解析モデルを図 2 に示す。端板の板厚
表 1 解析条件などの仕様は、その 2 の表 1 に示す試験予定の金具に合わせた。
解析条件、材料定数、拘束条件、荷重条件を、表 1, 2、図 3,4 に示す。内リングまたは接続プレートの上端を対称拘束とし、PJ

端板
コンクリートPC鋼材
内リング
接続プレート
補強バンド
丸棒
端板～コンクリート間
補強バンド～コンクリート間
PC鋼材～端板接触部
端板～内リング接触部
端板～接続プレート接触部
外リング
接続ボルト

TPJ
ソリッド要素ソリッド要素ソリッド要素（一部ビーム要素）
ソリッド要素――ソリッド要素シェル要素
ソリッド要素―ギャップ要素（圧縮では抵抗、引張では離間）ばね要素（杭半径方向は剛ばね、ばね要素（杭半径方向は剛ばね、杭軸方向はせん断ばね3.5N/mm3） 杭軸方向はせん断ばね35N/mm3）
ばね要素（杭軸方向は剛ばね、PC鋼棒半径方向はフリー）
ギャップ要素（摩擦係数0.0）――
ギャップ要素（摩擦係数0.35）
モデル化せず――モデル化せず

表 2 材料定数鋼材
ヤング係数2205000N/mm

PJ

コンクリート
ポアソン比0.3

ヤング係数
240000N/mm

ポアソン比0.2TPJ

図 4 荷重条件（PJ）図 1 機械式継手（PJ・TPJ）の概要
Verification of tensile strength on the mechanical joints of precast
concrete piles (Part1 The results of FEM analyses)― 425 ―ISHIKAWA Kazuma, OGURA Hitoshi,
MATSUE Shigehisa, MIYAHARA Kiyoshi

PJ（コンター図）

PJ

TPJ

2.02.0中間部（端板上面）
PC鋼材部（端板上面）
タップ穴部（端板上面）
中間部（コンクリート上面）
PC鋼材部（コンクリート上面）
タップ穴部（コンクリート上面）

軸方向変 位軸方向変位量 (mm)

1.8
1.7
1.6

中間部（端板上面）
PC鋼材部（端板上面）
タップ穴部（端板上面）

1.91.8軸方向変位量 (mm)

1.9

1.5
1.4

1.71.6
1.5
1.4
1.3

1.3STEP3

STEP31.2

1.2220230240 250 260 270
杭中心からの距離 (mm)

280

290

300

200

310300引張200

1000-100-200
中間部
PC鋼材部
タップ穴部

-300-400
圧縮-500

STEP3210220230

240 250 260 270
杭中心からの距離 (mm)

端板下面の半径方向応力

半径方向応力 (N/mm2)

500
引張
400

280

290

300

1000-100210

220

230

240 250 260 270
杭中心からの距離 (mm)

280

290

300

280

290

310

300

310

0-200
中間部
PC鋼材部
タップ穴部-300

STEP3200

210

220230240 250 260 270
杭中心からの距離 (mm)

300

280

290

300

310

中間部
PC鋼材部
タップ穴部

244.1200
1000-100-200
圧縮-300

STEP3200

240 250 260 270
杭中心からの距離 (mm)500
引張400200-200
圧縮-300230-100310

中間部
PC鋼材部
タップ穴部

359.4

300

220-328.5-420.7
200210100-400
圧縮-500半径方向応力 (N/mm2)

端板上面の半径方向応力

300
引張200

半径方向応力 (N/mm2)210

半径方向応力 (N/mm2)

200

STEP3200

210220230

240 250 260 270
杭中心からの距離 (mm)280290300310

図 5 FEM 解析結果（PJ・TPJ）
端板上面の半径方向応力

解析結果を図 5, 6 に示す。端板には、PC 鋼材を係止する部分と緊張時にボルトを螺合するタップ穴部分からなる瓢箪穴（その 3 の図 4 参照）と呼ばれる穴が開いている。
図 5 は、コンター図に示す半径方向の 3 本の線（タップ穴部、PC 鋼材部、瓢箪穴と隣の瓢箪穴の中間に位置する中間部）に0260mm-100260mm（重み付き平均）-200

半径方向応力 (N/mm2)

3. 解析結果-300-420.7-400-485.7-500-600-700-800-900

STEP3-1000
圧縮 0

沿って、軸方向変位と端板上面および下面の半径方向応力を端板下面の半径方向応力あり、210mm は端板の内側、300mm は端板の外側、260mmは PC 鋼材の配置半径である。どちらの継手も、PC 鋼材より外側の端板が上方向に面外変形している。また、中間部の半径方向応力は、260mm 付近にピークを持つ応力分布となっており、端板下面の引張応力よりも端板上面の圧縮応力の方が大1000
引張900

STEP3800

半径方向応力 (N/mm2)

グラフ化したものである。グラフの横軸は杭中心からの距離で10203040506070
260mm位置でのモデル境界からの距離(mm)700600500400444.1359.4

300200260mm

100260mm（重み付き平均）00

きな応力となっている。
図 6 は、コンター図の 260mm の線に沿って、半径方向応力10203040506070260mm位置でのモデル境界からの距離(mm)

図 6 FEM 解析結果（PJ）をグラフ化したものである。なお、図 6 は PJ の結果であるが、TPJ も同様の結果であった。端板上面の応力を見ると、モデル4. おわりに境界部（グラフの横軸の 0mm および 68mm）は圧縮 420.7

三次元 FEM 解析により、端板の変形および応力を予測した。

N/mm2 であるが、瓢箪穴の際では応力集中により圧縮 600 おなお、他の杭径（杭径 300mm C 種、杭径 600mm A 種・C 種、よび 800 N/mm2 以上となっている。そこで、各節点の応力から杭径 1200mm C 種）についても軸対称 FEM 解析を行い、図 5要素の幅を考慮した重み付き平均を求めると、圧縮 485.7と同様の結果を得た。

N/mm2 であった。モデル境界部の応力に対する平均応力の比参考文献
1）船田一彦他：既製コンクリート杭の機械式継手, 基礎工, Vol.45, No.11,
pp.38-41, 2017.11

は 1.155（=485.7/420.7）である。
＊1＊2継手研究会＊1

無溶接継手杭（PJ）工業会

Triple Plate Joint Association― 426 ―

＊2

Pair-ring Joint Association