鋼管巻き PHC 杭（SPHC 杭）に関する研究－その７ 杭頭接合部の挙動

PHC 杭
杭頭接合
１.

鋼管
曲げせん断試験

正会員○毛井崇博*1

同

加倉井正昭*2

正会員

桑原文夫*2

同

林隆浩*3

*4

同

松田竜*5

正会員

平川 泰行

正会員

西村 裕*6

合成杭

はじめにおいては、圧縮側のみで許容応力度に至っている。実験終SPHC 杭のパイルキャップの定着挙動および杭頭接合部の剛接合状況を調べるために曲げせん断実験を行った。前報

1）では，定着挙動の概略について述べた。本報では、実験結了後の試験体の観察において、No.４は、No.３と同様に PHC杭に損傷は見られなかったが、基礎部では、鋼管定着筋の破断が複数本確認されている。
1.0 αr果と杭頭接合部の設計について検討した。

２.

基礎剛の試験体（S5P4A-S）

試験概要

表１に試験体一覧を再掲示する。主なパラメータは、杭No.4 鋼管定着筋+PHC杭定着筋

0.9

体の埋込み深さ、定着筋の有無と方法および軸力である。

No.3 鋼管定着筋

試験体形状・加力方法・測定方法および材料試験結果等に0.8ついては、前報 1)2)3)に記載しているので割愛する。なお、

No.1 定着筋無し

No.2 PHC杭定着筋

SPHC 杭の基礎への定着は、PHC 杭頭鋼製端板のねじ穴を利0.7用して取り付けた定着筋（PHC 杭定着筋）および鋼管にフレαア溶接した定着筋（鋼管定着筋）である。

３.

0.6

基礎固定度秋山式 5) による基礎固定度αr と部材角 R の関係を図１51015

PHC杭定着筋
NCPアンカーD22ε(％)εy0.0[S5P4A-S]4)も比較のために記している。短期荷重レベルの0-0.5

軸力（N=2500ｋN）では、鋼管定着筋があると基礎剛の試験-500-1000

No.4

定着筋の挙動

図２に示す。PHC 杭定着筋は、軸力が大きくなるにつれて圧縮側にひずみが蓄積し、短期許容引張応力度相当時のひずM(kN･m) 鋼管定着筋

鋼管アンカー筋D19εy500

鋼管アンカー筋D19鋼管定着筋

0値であり、曲げ抵抗していることがわかる。Ｎ＝1250kN 時-1500-0.4 -0.2

PHC杭鋼管

ｸﾞﾗｳﾄ

No.1
No.2
No.3-1
No.3-2

400φ×65
A種(σn＝4N/mm 2)
PC鋼材 10-φ7.1
SBPLD1275/1420
Fc105

100
500φ×6
SKK490

ｾﾒﾝﾄﾐﾙｸ
Fmc30

εy0

[圧縮]

0.2

0.4ε(％)

No.40.6

N=2500kN
N=5000kN
N=1250kN

εy-0.4-40 -30 -20 -10 0

10 20 30 40R(/1000rad)

図２ 杭頭曲げＭと定着筋のひずみεおよび部材角Ｒの関係（No.4）
単位（mm、N/mm 2、ｋN）
軸力Ｎ 注）

定着筋
PHC杭定着筋

鋼管定着筋------------

1250⇒2500⇒3750 ⇒5000

10-D22,SD345------

1250⇒2500⇒37501250

⇒2500

2500

⇒3750

2500⇒5000⇒1250-----190-0.2

N=2500kN
N=5000kN
N=1250kN

表１ 試験体一覧
試験体
名称

εy

No.4

0.0-1000

基礎
埋込み
深さ

0.2No.4

している。鋼管定着筋は、引張側も圧縮側も同様なひずみ

SPHC杭-2.0-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
R(/1000rad)ε(％)
0.4-500

許容応力度ひずみに至っている。高軸力下（Ｎ≧3750）にN=2500kN
N=5000kN
N=1250kN

No.4

11000

みには達し得ず、曲げ抵抗よりも軸圧縮抵抗に対して寄与では引張側のみ、Ｎ＝2500kN 時では引張側と圧縮側で短期εyεy-1.50.5ε(％)[圧縮][No.4]試験体の PHC 杭定着筋および鋼管定着筋のひずみをPHC杭定着筋
NCPアンカーD22-1.0
N=2500kN
N=5000kN
N=1250kNる。長期荷重レベルでは、約 90～85％程度の低下であった。 -1500-2 -1.5 -1 -0.5 0４.

250.5

500

体に比較して凡そＲ≦1/100 で約 95～85％程度の低下であ20

図１ 固定度αrの比較（N=2500ｋN時）
M(kN･m)に示す。回転角は基礎端から 250mm 間の軸変位より求めた。 1000
同図には、基礎を鋼製（剛接合）とした同一仕様の試験体

R(1/1000)0-----10-D22,SD345

18-D19SD390

R≦±1/100

終局まで注）軸力はPHC杭のみに載荷、Ｎ=1250kNは長期荷重相当、N=2500kNは短期荷重相当

Study on the Prestressed High-Strength
Concrete Pile Covered by Steel Pipe－Part.7 Behavior of Pile Head Connections*1 KEI Takahiro*2 KAKURAI Masaaki *2 KUWABARA Fumio*3 HAYASHI Takahiro *4 HIRAKAWA Yasuhiro*5 MATSUDA Ryu*6 NISHIMURA Yutaka

５. 杭頭接合部の設計
5.1

は、いずれも仮想円柱体の最大曲げ強度算定値を上回ってい短期許容曲げモーメントＭaる。前報の基礎部を剛とした SPHC 杭試験体 4）では N=2500kN

杭頭接合部の設計で行われている仮想円柱体（杭外径Ｄ以下で余裕度（exＭmax／Ｍmax）は 1.1～1.2 であったが、+200mm）について検討した。コンクリート強度が許容圧縮高軸力を載荷した本実験においても約 1.2 倍以上あった。

応力度 cfc、定着筋が許容引張応力度 rft または許容圧縮応

６.まとめ

力度 rfc に達する時の許容曲げモーメントＭa を算定し、設

1）仮想円柱体での許容応力度設計は、定着機構が明確でな

2）

計曲げモーメントＭが、Ｍa 以下となるように設計される 。

いが、高軸力下においても実験値を凡そ安全に評価した

但し、鋼管定着筋の許容圧縮応力度で決定されることは稀

2）仮想円柱体の断面分割法による算定最大曲げ強度は、鋼である。図３に PHC 杭・SPHC 杭および仮想円柱体の軸力Ｎ

管定着筋のある試験体において最大曲げ強度を安全側に評と短期許容曲げモーメントＭa の関係を示す。仮想円柱体の価した。

Ｍａ算定において、コンクリートの cfc は、実圧縮強度

参考文献

cσB の２/３とし、定着筋の rft（rfc）は、規格降伏強度1) 毛井・加倉井他；鋼管補強した PHC 杭に関する研究（その５）（その６）
九州支部 No.274,275 2016 年３月
2) 加倉井・林・毛井他；鋼管巻き PHC 杭（SPHC 杭）に関する研究 その５、その６、大会梗概集 構造 I、pp413-416、2015 年 9 月
3) 毛井・加倉井他；鋼管巻き PHC 杭（SPHC 杭）の初期剛性と全塑性耐力、大会梗概集 構造Ⅲ、pp1415-1416、2015 年 9 月
4) 加倉井・林・毛井他；鋼管巻き PHC 杭（SPHC 杭）に関する研究 その１～その４、大会梗概集 構造 I、pp675-682、2014 年 9 月
5) 秋山他；水平力を受ける鋼管くい基礎接合部に関する実験（その５接合部の固定度）、大会梗概集、pp1003-1004、昭和 60 年 10 月

Ｆy として算定している。実験ではコンクリートのひずみは測定していないので実際の cfc 時の実験値は不明である。
また、軸力を変化させているので前軸力履歴の影響があるが、各定着筋のひずみが rft（rfc）のひずみに達した時の曲げモーメントを実験値として図３に記している。
鋼管定着筋のある［No.3］［No.4］は、図２と図３からわかるように、軸力が載荷されているので許容引張応力度よ

軸力N (kN)

10000

りも先に許容圧縮応力度に達し、rfc 時および rft 時の実験値は、仮想円柱体のＭａに対して余裕がある。また、SPHC

仮想円柱体[No.2]（PHC杭定着筋のみ）

8750

杭の適用最大軸力（3920kN）を遥かに超えた安全であるだけでなく、SPHC 杭本体の短期許容Ｍa に対しても、安全性が高いことがわかる。

5.2

最大（終局）曲げモーメント Mmaxと算定値Ｍmax の比較を示す。

6250[No.1]

5000

5000

図４に SPHC 杭と仮想円柱体の軸力ＮとＭmax の関係を示す。表２に実験値 exＭmax

仮想円柱体[No.4]

仮想円柱体[No.3]

6250

SPHC杭

7500

7500 軸力N (kN)

高軸力下でも、仮想円柱体の許容Ｍa に対して

SPHC杭
3750

△: No.3 許容引張応力度時▲: No.3 許容圧縮応力度時□: No.4 許容引張応力度時■: No.4 許容圧縮応力度時

仮想円柱体[No.3][No.3]（鋼管定着筋のみ）

PHC杭

2500

[No.2]

3750

2500[No.3]SPHC 杭および仮想円柱体のＭmax は、断面分割法で求めた 3）。仮想円柱体において、

1250

1250

[No.4]

基礎部コンクリートは、圧縮降伏強度を0.85ｃσB、限界ひずみを 0.3％とし、バイリニアの応力σ―ひずみε関係を用いた。
定着筋のσ―ε関係もバイリニアとし、降伏強度は 1.1Fy とした。SPHC 杭も同様に、各材料のσ―ε関係をバイリニアとし、コンクリートの限界ひずみは 0.5％としてＮ－Ｍmax を求めた 2)4）。
定着筋のない［No.1］と PHC 杭定着筋のみの［No.2］は、仮想円柱体における最大曲げ強度とほぼ同程度であり、SPHC 杭体の終局強度までには至っていない。
鋼管定着筋のある［No.3］［No.4］の exＭmax*1（前）九州工業大学大学院 教授*2 パイルフォーラム㈱ *3 丸門建設㈱*4 日本コンクリート工業㈱*5 三谷セキサン㈱ *6 ㈱トーヨーアサノ

仮想円柱体[No.4]00注）実験値は鋼管定着筋が±Ｆｙ/Ｅｓ時の曲げモーメント（PHC杭定着筋＋鋼管定着筋）

曲げM (ｋN・m)-1250

0200400

600

800

1000

050010001500

図４ 最大曲げＮ―Ｍmaxの関係

図３ 短期許容Ｎ―Ｍaの関係

表５

曲げM (ｋN・m)

-1250

1200

表２ 最大曲げモーメントの実験値と算定値の比較
最大曲げモーメントの実験値および算定値の比較

試験体
基礎埋込み深さ （mm）
（kN）
軸力Ｎ
実験（kN‣m）
exＭmax（kN‣m）
Ｍmax(SPHC杭)exＭmax/Mmax
Ｍmax(仮想円柱体) （kN‣m）
算定
exＭmax/Mmax
Ｍ (コンクリート分担)
Ｍ(PHC杭定着筋分担)Ｍ(鋼管定着筋分担)
SPHC杭

No.1

No.2

No.3-13750
9391030
0.91
931
1.01829103‐

2500
1221995
1.231009
1.21707
‐
303

100
5000
970
1017
0.95

損傷軽微

No.3-2
190
3750
1356
1030
1.32
1138
1.19821
‐
317

No.4
1250
1056
893
1.18
1040
1.0266982289

終局時に鋼管局部座屈*1 Former
Prof.,Kyushu Instituteof Technology,Dr.Eng.
共通；放射状ひび割れ
ひび割れ・最大荷重近破壊性状の特質
傍で、圧縮 最大荷重近傍で、引張側円周状ひび割れ*2 PileForum *3 Marumon
Construction.*4Nippon
Consrete Indusries
基礎部側円周状ひ－－－鋼管定着筋破断*5Mitani Sekisan *6 Toyo Asano
Foundationび割れ