20178

日本建築学会大会学術講演梗概集（関東） 2006年 9 月

場所打ち杭用杭頭半固定工法の開発
その４ 杭頭接合部 FEM 解析
場所打ち杭PC リング

杭頭半固定
杭頭絞り正会員
同
同

３次元非線形解析○大塚克己＊１
新井寿昭＊３小林 仁＊５

１．はじめに水平力

本報では、絞り部を設けた杭頭接合部の曲げモーメント-回転角関係および各部の応力状態を把握するため､ その２1)で述

西村憲義＊２
村田義行＊４
吉川清峰＊６

同
同
同

軸力

450

べた杭頭接合部試験体のうち、引張軸力を受けるNo.3 試験体
杭体1,000と圧縮軸力を受けるNo.4 試験体の２体について、有限要素法による非線形解析を行った結果について述べる。

PC リングパイルキャップ

解析には、鹿島で開発した塑性論に基づく３次元非線形解
析システムCompst２)を用い、加力点に一定軸力を作用させなが700ら水平力を加える静的増分載荷を行なった｡
２．解析モデル
図１に示すように試験体は 1/2 対称でモデル化を行なった。
コンクリートはソリッド要素、鋼板はシェル要素、鉄筋はバネ要素でモデル化した。コンクリートと鉄筋の付着は充分あると仮定し、鉄筋の抜け出しは無いものとした。図２に示す

950（単位：mm）

ように杭頭絞り部ではパイルキャップとモルタル部の節点を950

分離し、緩衝材の設置されている部分はフリー、それ以外の図１部分には圧縮力のみ伝達可能な接触バネ要素を設けた。鋼板

解析モデル全体図
杭主筋

リング内面とモルタル部の間には圧縮軸力と摩擦力を伝達可接触バネ能な接触バネ要素(摩擦係数=0.6)を設けた。

杭コンクリートの降伏判定には Drucker-Prager の降伏条件を用い、一軸換算の応力-ひずみ関係は材料試験結果に基づき、図３のような折線にモデル化して使用した。鉄筋および鋼板の応力-ひずみ関係はバイリニア型にモデル化し、降伏後の剛性は弾性剛性の 1/100 とした。

モルタル

３．解析結果No.3 試験体(引張軸力 481kN)の曲げモーメント-回転角関係を図４に、No.4 試験体(圧縮軸力 1074kN)の曲げモーメント-接触バネ
PC リング

鋼板リング

回転角関係を図５に示す。引張軸力時の解析結果は初期の剛パイルキャップ

緩衝材（発泡ポリエチレン）性低下がやや大きいが、概ね実験に近い結果が得られている。

図２

引張定着筋

杭頭絞り部解析モデル

圧縮軸力時には解析結果と実験結果は非常に良く一致している。引張定着筋の降伏発生も、両試験体とも解析結果と実験

Fｃ3040

状態表示色結果はほぼ一致している。

方がコンクリートの塑性化の範囲が広いことが分かる。変形の形状は両試験体ともほぼ同一で、絞り部に曲げ変形が集中σ(N/mm2)

リートの塑性化状況を示す。圧縮軸力を受ける No.4 試験体の近似折れ線
実験値

30

図６, ７に両試験体のθ＝0.01 (rad) 時の変形およびコンク2010している。また、引張り側でモルタル部が PC リングから抜け出しているが、これは実験において引張り側で杭の抜出しが見られたことと良く対応している。図８に No.3 試験体のθ＝0-0.002

0Development of semi-rigid Connections for Cast-in-place Pile Head
Part4 Nonlinear Analysis of the Connections.

―355―

0.004

0.006

0.008

0.01

ε0.01 時の鉄筋応力図を示す。引張定着筋が有効であることが分かる。杭頭絞り部において、絞り部モルタル、PC リングおよ0.002-10

図３

コンクリートの応力-ひずみ関係
OTSUKA Katsumi, NISHIMURA Noriyoshi
ARAI Toshiaki, MURATA Yoshiyuki
KOBAYASHI Hitoshi, YOSHIKAWA Kiyomine

び鋼板リングが負担するせん断力の値と、水平外力に対する曲げモーメント-回転角関係についてほぼ実験結果と一致す比率を表１,２に示す。引張軸力を受ける時にはモルタル部おる結果が得られた。曲げモーメント-回転角関係は軸力の影

よび鋼板リングには逆向きのせん断力が生じ、PC リングには響が大きいが、本解析手法により概ね評価できることが分か

最大で杭に作用するせん断力の２倍を超えるせん断力が作用った。また、杭頭接合部における絞り部モルタルと PC リンしている。これは杭頭部が全面引張に近い状態になるためにグの負担するせん断力の割合は軸力の影響を受け、モルタル杭頭部の曲げ抵抗が殆ど無くなり、杭頭部モルタルが PC リンには逆向きのせん断力が生じる場合もあることが分かった。

グに寄りかかる形になっているためであると考えられる。圧縮軸力を受ける場合は杭頭部モルタルもせん断力を負担するた【参考文献】
1) 横松他：場所打ち杭用杭頭半固定工法の開発 その２ 杭頭接合部の曲げせん断実験：日本建築学会大会 2006 年 9 月（投稿中）

め、PC リングの負担はそれ程大きな値とはなっていない。

2) 大塚克己：３次元 FEM モデルを用いた CFT 柱と鉄骨梁接合部の４．まとめ

弾塑性解析：日本建築学会大会学術講演梗概集 1999 年 9 月

塑性論に基づいた３次元非線形解析により、杭頭接合部のM(kN・m)

No.3 (引張軸力＝-481kN) M-θ関係

Ｍ（kN・m)140350120300NO.4 (圧縮軸力＝+1074kN) M-θ関係

Step24 引張定着筋初降伏時
引張定着筋降伏引張定着筋降伏(実験)1002508020060P150

Step8 引張定着筋初降伏時

40

θ =d/h

100
実験値
解析値

20d実験値
解析値

h500000.005

0.010.015

0.020.025

0.030.035

0.04

θ(rad)

00.0050.010.015

0.02
θ(rad)

0.025

0.030.035

0.04

図４ No.3 試験体(引張軸力) 曲げモーメント-回転角関係

図５ No.4 試験体(圧縮軸力) 曲げモーメント-回転角関係
2負勾配

負勾配(N/mm )500第３勾配

第３勾配

450

第２勾配

第２勾配

400（θ=0.01）

弾性P

350（θ=0.01）

弾性P

300
250
200
150
100500-50-100-150

図６ No.3 試験体コンクリート塑性化状態

図７ No.4 試験体コンクリート塑性化状態

表１ No.3（引張軸力時）杭頭部せん断力負担比率
STEP

水平外力
絞り部モルタル(kN)(kN) (%)

表２ No.4（圧縮軸力時）杭頭部せん断力負担比率

負担せん断力PC リング(kN) (%)

図８ No.3 試験体鉄筋応力図

STEP

鋼板リング(kN) (%)

水平外力
絞り部モルタル(kN)(kN) (%)

負担せん断力PC リング(kN) (%)

鋼板リング(kN) (%)

29.8-8.6-8817.4

1770.8829.8-7.8-80

16.2

165

0.88863.6-86.6-126

147.6

215-2.2-3

1088.3

2.8

374.0

84

11.8

1315

103.0

-18.8

-18139.0

135-34.0-33

24

225.5

45.4

20158.0

70

-4.4

-2

*1 鹿島建設 技術研究所*2 三井住友建設 建築本部建築技術部*3 西松建設 技術研究所*4 高周波熱錬*5 松井建設*6 飛島建設 構造設計部*1 Kajima Technical Research Institute, Kajima Corp.
*2 Sumitomo Mitsui Construction*3 Technical Research Institute, Nishimatsu Construction*4 Neturen Co., Ltd.
*5 MATSUI Construction*6 Structural Engineering Dept., Tobishima Corporation―356―