平成 21 年度

建設工学専攻修士論文要旨
平成 22 年 3 月 11 日

鋼管柱基礎の静的および動的水平抵抗特性
建設工学専攻 2 年 秋山耕士郎
1．はじめに既製鋼管4本を，履歴型ダンパー機能を有するせん断パネルにより結合した柱構造（鋼管集成橋脚と呼称）が提案されている1)．本工法は，死荷重，活荷重の鉛直荷重を受けもつ主部材と地震力等の水平荷重対応の二次部材を用いる損傷制御設計を適用している．この鋼管集成橋脚に対する基礎構造として，著者らはフーチングを配さずに鋼管柱それぞれを1本の杭基礎により直接支持する上下部工・基礎工一体構造（鋼管柱基礎と呼称）を提案し，その静的水平抵抗特性を数値解析により検証してきた2)．その結果，①通常の群杭基礎と同様に，杭間隔が狭まると水平抵抗力が低下する，群杭効果が認められること，②鋼管柱基礎の群杭効率として道路橋示方書記載の値を用いても支障がないこと，

図-1 解析検討事例とそのモデル化(斜柱構造)③せん断パネルにより鋼管柱の断面力を抑制し，損傷

表-1 解析ケース制御できること，などが分かった．しかし，本構造は長尺構造のため，地震時に橋脚天端で過大な応答水平変位の発生が危惧される．また，その抑制に杭間隔を拡大するとしても，施工面積が制約される場合もある．
以上の背景から，図-1のように杭接続部に斜柱ある
いは斜杭構造を適用することで，応答変位，杭・柱の表-2 鋼管集成橋脚に関するパラメータ

断面力を抑制させる構造を提案し，従来の直柱構造の水平抵抗特性との差異を数値解析により検証した．
2. 三次元弾塑性有限要素解析の概要
解析検討事例は，図-1に示す砂層と粘土層の互層地盤

表-3 せん断パネルに関するパラメータ

上の鋼管柱基礎とする．本事例では杭体を鋼管ソイル
セメント杭とする．橋梁構造の概要および諸元を図-1に示す．解析ケースを表-1に示す．柱間隔(Dc)，杭間隔(Dp)を2.5 Dと一定とした直柱構造(SC)を基本ケース

表-4 杭をモデル化したハイブリッド要素パラメータとし，鋼管柱間隔を2.5 D，杭間隔を3.0 Dとした斜柱構造(IC)，鋼管柱間隔を2.5 Dとした斜杭構造(IP)の3ケースを比較した．ここで，Dは杭径を表す．鋼管柱高さhは24.7 m，鋼管柱，杭に充填するコンクリート高さhc
は地表面を中心に約2h / 3 (≒17.0 m)と全ケースで一定とした．
鋼管集成橋脚の鋼管柱部分をバイリニア型のM- 関係となる梁要素で，せん断パネルをバイリニ

表-5 土質パラメータア型のM-関係となる梁要素とバイリニア型のq- 関

MomentAxial Force

8000
Moment [kN-m]でモデル化した．概略を図-1(c)に示す．鋼管ソイルセ
メント杭は，ハイブリッド要素3)を用いた．鋼管集成橋
脚，鋼管ソイルセメント杭の諸元と，モデル化した場

6000

10000
4000
5000
2000
00合の諸元を図-1，表-2～4に示す．地盤の構成モデルにSCは tij モデル4)を用いた．パラメータを表-5に示す．

Axial Force [kN]係となるばね要素を3方向（x, y, z方向）に配すること

15000

IC

IP

図-3 杭・柱に発生する最大断面力の比較
抗特性が変わり，構造体自身で地震荷重に抵抗する機

解析領域は，構造物と載荷荷重の対称性を考慮し半断面領域とした．境界条件は，底面の節点は全方向固構となることを確認できた．

定，加振直角方向の側面は等変位境界，加振方向に沿4.結論った側面は加振直角方向の変位のみを固定条件とし

鋼管集成橋脚に対する合理的な基礎形式である鋼た．入力波は，兵庫県南部地震のJR西日本鷹取駅観測管柱基礎として，直柱，斜柱，斜杭の 3 タイプを提案

波とし，主要波が含まれる40 secを4000ステップ，解し，それぞれの動的水平抵抗特性を把握した．その結析における時間刻みを0.01 secで与えた．
地盤材料の減果，斜柱，斜杭構造となるにつれ，橋脚天端の応答水衰は10 %とし，剛性比例型減衰を用いた．時間積分は平変位と相対変位を抑制できること，一方で応答加速

ニューマーク 法で行った．

度が増加することが示された．斜柱，斜杭を用いるこ

3. 解析結果とで，水平抵抗特性が，鋼管の曲げ変形による抵抗か

図-2 に杭頭と橋脚天端の応答加速度・水平変位の時

ら柱および杭の軸方向に対する抵抗（軸力および地盤刻歴を示す．直柱では杭頭と橋脚天端での応答特性がとの周面摩擦力）へと水平抵抗特性が変わり，構造体異なり，杭頭では入力波系と似た振動波形が観測され自身で地震荷重に抵抗する機構となる．以上のことかるが，橋脚天端では長周期成分の卓越した振動波形がら，斜杭構造が最も水平変位と相対変位を抑制し，断見られる．事前に危惧した通り，橋脚天端での応答変面力も減少できる可能性が高く，合理的な構造体とな位が極端に大きい．一方，斜柱，斜杭のケースでは応りうると考えられる．

答変位を抑制することができ，その効果は斜杭の方が参考文献 1) 金治ら：履歴型ダンパー付き鋼管集成橋脚の損傷より大きい．しかし，応答加速度は増大する．また，制御構造に関する基礎的研究，構造工学論文集，Vol. 50A，pp.

杭頭と天端での相対変位も減少する傾向にある．

559-566，2004．2)秋山ら：鋼管柱基礎の群杭効率に関する数値

続いて，各ケースでの鋼管柱・杭に発生する断面力の解析的検討，第 44 回地盤工学会，pp. 1183-1184，2009． 3) Zhang

最大値を図-3で比較する．これより，斜柱，斜杭の適et al.: Mechanical behavior of pile foundations subjected to cyclic

用により，曲げモーメントの顕著な差異はみられない

lateral loading up to the ultimate state, Soils and Foundations, Vol.40,のに対し，軸力が増加傾向にあることが分かる．すな

No.5, pp.1-17, 2000. 4) Nakai, T. and Mihara, Y.: A New Mechanical

わち，斜柱，斜杭を用いることで，水平抵抗特性が，Quan tity for Soils and Its Application to Elastoplastic Constitutive

曲げ変形による抵抗から柱および杭の軸方向に対す

Models, Soils and Found ations, Vol.24, No.2, pp.82-94, 1984.

Input

0-5-100.0

5.0

10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
Elapsed time [sec]BackFront

Pier

Back max = 0.405@6.21 [s]Front max = 0.392@6.21 [s]Pier max = 0.846@6.37 [s]

SC

0.5
0.0
-0.5-1.0
0.0

5.0

10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
Elapsed time [sec]2Responsed acceleration [m/s ]

Pier

Back

10

Front

Pier

Input

Back max = 6.36 / 4.6 [s]Front max = 6.17 / 4.6 [s]Pier max = -7.36 / 6.36 [s]IC50-5-100.0

5.0

10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
Elapsed time [sec]Back1.0

Front

Pire

Back max = 0.431 / 6.20 [s]Front max = 0.417 / 6.21 [s]Pier max = 0.863 / 6.35 [s]

IC

0.5
0.0
-0.5
-1.0
0.0

5.0

10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
Elapsed time [sec]Displacement [m]51.0Displacement [m]Front

Back max = 6.44@4.6 [s]Front max = 6.37@4.6 [s]Pier max = -6.35@6.39 [s]SC

Displacement [m]

Back

10

Responsed acceleration [m/s 2]

2

Responsed acceleration [m/s ]る抵抗（軸力および地盤との周面摩擦力）へと水平抵
Back10

Front

PierInput

Back max = 6.94@4.6 [s]Front max = 7.14@8.81 [s]Pier max = 9.45@6.82 [s]IP

50-5-10
0.0

5.0

1.0

Back

10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
Elapsed time [sec]

Front

Pier

Back max = 0.396@6.13 [s]Front max = 0.370@6.13 [s]Pier max = 0.663@6.20 [s]IP0.50.0-0.5-1.00.05.0

10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
Elapsed time [sec]図-2 応答加速度，水平変位の時刻歴（上段：加速度，下段：水平変位，左から直柱，斜柱，斜杭）