鋼管巻き鋼管巻き PHC 杭（SPHC 杭）に関する研究―その 11

杭体非線形性を考慮した二次設計法に関する検討
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PHC 杭
鋼管合成杭
二次設計
非線形解析
変形性能
１．はじめにSPHC 杭は、PHC 杭に鋼管を被せた高耐力で高靱性な既○梅野 岳*1
加倉井正昭*2
浅井 陽一*3

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松田 竜*5
平川 泰行*4
毛井 崇博*6

保有耐力時の設計軸力を初期軸力として与えている。

製杭である。著者の一員が開発に参画し、構造性能の検４．解析結果（１）荷重―変形関係：

証実験 1)を重ねて来たが、本論では、それらの成果を受

図 2 は、モデル①における地盤・杭体非線形解析におけけて、SPHC 杭による二次設計への実務資料の整備としてる杭基礎全体の荷重-変形関係である。また、図中の赤〇実施した試設計からの得られた知見を報告する。

印は、杭体線形解析における二次設計時変位を示す。杭２．杭基礎モデルの概要
図 1、図 5 に杭基礎モデルの概要を示す。モデル設定に体の非線形性を考慮することで、変位が約 25％増大しては文献 2）を参考とした。以下ではモデルの特徴を示す。て約 20％変位が増大した。水平変位の設計限界を設けないる。モデル②の図は省略するが、杭体線形解析に対し・杭基礎モデル①：層厚約 38ｍの軟弱シルト層地盤に、 かったが、実務上考慮が必要なことは言うまでもない。
杭長 44ｍで、上杭を SPHC 杭（800φ~1000φ）、その下部（２）設計曲げモーメントの検証：～中・下杭は PHC 杭（C、A 種）の杭体構成である。

図 2 の荷重-変位曲線の終端はいずれかの SPHC 杭が最初・杭基礎モデル②：表層 7ｍが二次設計時に液状化し、下に終局曲げ強度（Mu）に到達した時点としている。また、位は 20ｍ層厚の軟弱シルト層となる地盤である。長期最曲線上には〇印で、いずれかの SPHC 杭が降伏曲げ強度大軸力がモデル①の 1.2 倍あり、液状化により表層の水平（My）に達する荷重も明記した。従って、二次設計荷重地盤反力係数が、モデル①の 0.2~0.5 に低下する条件に対時には杭体は My を超えるが、Mu には未到達で、二次設して、SPHC 杭の最大杭径を 900φとモデル①より絞った。 計の設計条件は満足されている。モデル②の結果は省略
杭体の圧縮応力度で断面が決定されるため、SPHC 杭内部したが同様である。なお、杭体の Mu 到達時に終局せん断には FC123 の PHC 杭を使用している。

強度には達していない。

３． 二次設計の概要
二次設計時設計水平力は、上部構造の必要保有耐力時（３）二次設計時曲率の確認：に杭基礎に作用する水平力とし、水平地盤反力と杭体の①での SPHC 杭 M-φ関係の一例である。最小軸力位置で非線形性を考慮した二次設計を行った。

塑性化進入量の大きい杭の例であるが、二次設計荷重時

図 3 は、設計軸力毎に 3 折れ線にモデル化した、モデル

この試設計では、現在一般に利用可能な解析ソフトをの最大曲率（φd）は約 2.8φy で、4φy（■印）以内が確できるだけ多数試してみることも目的としたため、解析認された。一方、図 6 は、モデル②における SPHC 杭 M-に採用した分離型の杭・地盤モデルも、ソフトに応じてφ曲線の一例である。こちらでは断面曲げ解析で求めた杭頭連結の並列杭モデルと単杭モデルを使い分けている。 M-φ曲線をそのまま追跡するソフトを用いている。設計
水平地盤反力の非線形性は、本会基礎指針の方法で評軸力の異なる同径 SPHC 杭の曲線を併記するが、どの杭価した。簡便法として杭体線形解析も行い、杭体の M-φもおおむね二次設計時の設計曲率が（φｙ）の 2 倍以内関係の非線形性を考慮する解析との比較も行った。

で留まっていることを確認した。

ここでの二次設計の設計目標は、杭体を終局曲げ強度（４）杭体非線形解析の影響：（ Mu ） 以 内 に 留 め る こ と と し た 。 ま た 、 既 報 の 通 り

図 4 はモデル①の SPHC 杭とその下部の PHC 杭の Nu-Mu
SPHC 杭は、降伏曲率の 4 倍（4φy）まで耐力低下がなく、 耐力曲線上に、杭径毎の正負加力時最大・最小軸力時 Md
その時点の損傷も軽微なため、補修を要せずに再利用がをプロットした一例である。図中の赤枠で、軸力に依存可能なことから、SPHC 杭の設計曲率（φd）を確認し、しない杭体線形解析の Nd- Md も示した。杭体非線形解析（4φy）以内に留まっているか否かも判定した。

時には、押込み側と引抜側の Nd の相違により Md が変動

なお、各杭または領域分けした杭グループには、必要

Study on the Prestressed High-Strength Concrete Pile Covered bySteel Pipe --Part 11 2nd seismic design method considering non-linearlity of SPHC Pile

し、押込側に右上がりな Md 分布が生じる。図 7 のモデル
*1 UMENO Takashi, *2 KAKURAI Masaaki,*3 ASAI Yoichi,*4 HIRAKAWA Yasuyuki,*5 MATSUDA Ryu,
*6 KEI Takahiro

②でも同様の傾向が表れるが、注目されるのはモデル①

また、杭体の非線形性を考慮するとで、軸力の影響ででは、押込側 Md も線形解

同径杭でも設計曲げ応力が変動し、線形解析に較べ応力析時 Md を下回ることで、おおむね全ての杭で同じ傾向をが下がる場合があることを確認した。今後の課題とする。

示す。図 8 には両モデルでの Md の深さ方向分布の一例を

本論は SPHC 杭研究会・設計部会での「SPHC 杭基礎設計示した。モデル①では、非線形解析時（黒線）が杭頭の例集」編纂作業の成果の一部である。

最大値でも線形解析時（赤線）を上回らず、深さ方向の参考文献：1）加倉井他,鋼管巻き PHC 杭（SPHC 杭）に関

Md 分布が若干膨らみを増す傾向が僅かに読み取れる。

する研究（その 1~11）,日本建築学会 2014~2018 年度大会

５．まとめ
本論では杭体の非線形性を考慮した二次設計の試設計

学術講演梗概集 2）日本建築学会,建築基礎構造設計例集,2004.2、性な性能を活かした二次設計が可能であることを示した。

図 1 モデル①の地盤条件・杭配置・杭構成
16000
14000

曲げモーメント M(kN・m)

6000

杭体線形、一次設計時（7997kN）、δ＝6.1cm

10000

杭体非線形、
δ＝18.6～19.0cm

8000
6000
4000
2000

杭体非線形（X→)

杭体非線形（X←)

杭体非線形（Y↑)

杭体非線形（Y↓)

短期荷重時（X→）

短期荷重時（X←）

短期荷重時（Y↑）

短期荷重時（Y↓）

降伏荷重時（X→）

降伏荷重時（X←）

降伏荷重時（Y↑）

降伏荷重時（Y↓）

杭体線形(設計短期時)

杭体線形(二次設計時)

N=6651kN

51015

N=2217kN

N=-120kN

3000

解析結果
φy

2000

4φy

SPHC杭 φ800-t14(490)(PHC杭φ700-C種(Fc123))00.0000

0.01000.0150

図6N=‐300kN

3500
解析時

2500
φy時

1000

00.0000

0.00200.00400.00600.00800.0100
曲率φ（1/m）

0.01200.01400.01603000
2000

φ8070(490-14)123C
X方向

1000

Y方向

05000

10000

15000

軸力(kN)(a)

図70.0180

1600
1400
1200
1000
800
600400200杭体線形

SPHC杭 φ800-t12(490)
φ800-t14(490)(PHC杭φ700-C種(Fc123))(PHC杭φ700-C種(Fc105))

500

4000

0-50004φy時

φ70-123C
X方向
Y方向
杭体線形

1800
曲げモーメント(kN・m)

曲げモーメント(kN・m)

N=5848kN

15000.0250

2000

5000

5000

20000.0200

モデル②の SPHC 杭φd の一例

6000

図 2 モデル①；二次設計時基礎全体の水平変位

曲げモーメント M(kN・m)

0.0050

曲率φ（1/m）

25

3000

N=165kN
N=111kN

4000

1000

204000N=5740kN
N=5509kN

変位（cm)

4500

N=6371kN

500000

杭基礎(2)の地盤条件・杭配置・杭構成

7000

二次設計時：13100kN

12000

荷重(kN)

図5

杭体線形、二次設計時： δ＝15.1cm20000

25000

SPHC 杭頭部最大 Md

0-10000 -5000

05000 10000
軸力(kN)

15000

20000

25000

(b)PHC 杭部最大 Md

モデル②；二次設計時 Md
P1 Y方向 曲げモーメント（kN・m）

図 3 モデル①：二次設計時 SPHC 杭φd-2000 -1000

01000 2000 3000 4000 5000 6000

1800

4500

1600

4000
3500
3000
2500

S8P7C
X←方向
X→方向
Y↑方向
Y↓方向
杭体線形

2000
1500
1000
500
0-5000

05000

10000
軸力(kN)

15000

20000

5P7C
X→方向
X←方向
Y↑方向
Y↓方向
杭体線形

1400
1200
1000

10

基礎底からの深さ（m）

5000

曲げモーメント(kN・m)

曲げモーメント(kN・m)

0800
600
400
200

25000

0-5000152025

杭体非線形(N=6651)
05000
10000
軸力(kN)

15000

20000

30SPHC 杭頭部最大 Md

杭体線形Mu(N=111)35(b)

杭体非線形(N=111)

Mu(N=6651)(b)PHC 杭部最大 Md

図 4 モデル①；二次設計時 Md（杭体線形時赤枠）**1 梓設計㈱ *2 パイルフォーラム㈱ *3 ㈱トーヨー
アサノ *4 日本コンクリート工業㈱ *5 三谷セキサン㈱ *6 (前)九州工業大学大学院教授

40

図8二次設計時 Md 分布例（左：モデル①,右:モデル②)*1 AZUSA SEKKEI,*2&7 PILE FORUM,*3TOYO ASANO
FOUNDATION,*4 NIPPON CONCRETE INDASTRIES,*5 MITANISEKISAN,*6 FormerProf.Kyushu institute of Tech.