JP2019116805A - 鉄骨構造物コンクリート杭・柱・地中梁接合部一体化柱脚構造 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、鉄骨建築の杭と柱からなる鉄骨基礎柱脚部はコンクリート杭の上に円形の接続鋼管用いて中実鋼材に取付けていたが、この円形の接続鋼管の納期が掛るという問題がある。【解決手段】本発明は、コンクリート杭の上部に先に中実鋼材を取り付けてから角形の接続鋼管をその上に取付ければ、角形鋼管の納期が早くて建設工事の工期が短縮できる。また、上下・水平調節が容易で、現場施工性がよく、大きな継手強度を併せ持っている。【選択図】図１０

Description

本発明は、鉄骨建築の上部構造物で特に角形鋼管と土木基礎構造物で特にコンクリート杭との接点を高強度で精度良く溶接で接合し製作する柱脚構造に関するものである。

鉄骨建築は、図１に示すように、通常は角形鋼管・丸形鋼管・Ｈ形鋼による柱１とＨ形鋼による梁２からなっており、該柱と梁の接合部は仕口であり、図２に示すように、角形鋼管を使った柱１の場合、仕口部３はダイアフラム５と柱短管６の部品から構成され溶接７により製作され、該仕口部と柱１と梁２が溶接７で接合されている。

鉄骨建築構造を支えているのが、図１で示す基礎４である。この基礎４は、独立基礎、一つの基礎で２本以上の柱を支える複合基礎、フーチングを連続して形成する布基礎がある。これらの基礎を作ってから柱１を基礎に接続して、建築物と基礎とが一体になるのである。

図４に、従来の独立基礎の上に構築した鉄骨建築模式図を示す。建築は、大略柱１，梁２、接合部即ち仕口部３からなっており、柱１を支持する基礎柱８又は杭１８を設置する地盤９を所定深さまで掘削して所定形状の穴を形成させ、穴の所に所定形状の型枠を製作して、コンクリート１０を打設して、１週間ほどの養生期間を得て、固まらせる。また、水平材の基礎梁１１で基礎間を連結し、建物全体の剛性を上げて不同沈下を押さえているのである。

特願平９−３４８８４１の例を示す。図５に、従来型の基礎を改良した杭柱一体型工法の模式図を示す。該工法では、従来のような基礎は使わず、先端につけたスクリュー１９で地盤９に鋼管杭１８をねじ込んで、該鋼管杭１８の地表部分で適当な寸法に上部を切断して一定の高さを確保して杭フランジ１６を溶接して、該杭フランジ１６と柱ベースプレート１２とをスペーサ１２Ｓを挟んでボルト１５とナット１４で固定する。

特願２００２−０５２８６０の例を示す。図３に、柱梁接合部を圧延鋼板等から採取した中実のサイコロ１７に柱１及び梁２を溶接接合させるもので、図２に示すような複雑な構造をしていない。また、杭と柱との一体化接合溶接は，これ迄鋼管杭を対象にしている。

特願平９−３４８８４１ 特願２００２−０５２８６０ 特願２００６−３２６８７１ 特願２０１４−１９９１４９

特許文献１では、次の問題がある。
（１） 杭柱接合部の構造は従来の柱梁接合部に比べて構造が複雑である。高さ調整用のスペーサなど調整に手間が掛かる。
（２） 柱の水平位置の調整が難しい
（３） 杭フランジ部１６の大きな剛性と強度を確保するのが難しい。
（４） 表層地盤が弱いと単独鋼管杭では柱の曲げ耐力に対し弱い。

特許文献２では、次の問題がある。
（１） 仕口部の構造が単純で、製作工数も少なく強度も高いが、土木基礎精度に対応した部材間の位置調整ができない。
（２） 工場製作には良いが、固定した鋼板等中実鋼材の現場溶接性が悪い。

特許文献３及び４では、次の問題がある。
（１） 円形の鋼管杭の上部即ち杭天の上に矩形断面の角形鋼管を取り付けには矩形は辺に比べて約１．５倍の寸法が必要であるために、矩形で且つ杭径より大きな中実鋼材を溶接接合で取り付ける必要があり、そのため上向姿勢で溶接施工をする必要があり，これでは作業性に困難を伴う。
（２） 鋼管杭の内外に中実鋼材を溶接接合する場合は内外の中実鋼材が分断されているので柱に大きな軸力が発生する場合は中実鋼材に強度が不足する場合がある。
（３） 杭施工の精度が良くないために、厚板の中実鋼材を用いてその厚みで杭天位置の調節を行うと大きな費用が掛かるので中実鋼材の代わりに円形の接続鋼管を用いるが、外径が円形の接続鋼管を用いると該接続鋼管の入手納期が長く掛かる場合が多い。
（４） この円形の接続鋼管を用いるとこの接続鋼管の上に矩形断面の角形鋼管柱を取り付けには矩形は辺に比べて約１．５倍の寸法が必要であるため、この接続鋼管と中実鋼材は工場で溶接接合出来るので溶接が容易である反面コストが高くなる。
（５） コンクリート杭でも上記鋼管杭と同様な問題がある。コンクリート杭では一般に鋼管杭よりも外径が大きく、その分問題はより深刻である。
その他に、鉄骨梁や鉄骨柱脚を地中に埋設した場合は水分等のよる鋼材の腐食が問題になることがある。また、中実鋼材や端板との重ね合わせ部に隙間が出来て柱軸力が十分伝わらないことがあり得る。

このようなコンクリート杭における諸課題は種々研究した結果、杭天の端板に載せる円形鋼管又は中実鋼材の杭と接する中実鋼材下部の外径が杭外径と同等にすることで建設現場における困難を伴う上向き溶接姿勢の施工が不要になり、且つ接続鋼管の取付け位置を杭天端板に直接取り付けていた従来と異なり、杭天端板上の中実鋼材の上に接続鋼管を載せて、その載せる接続鋼管形状を通常用いる柱と同じ形状の矩形又は角形鋼管にする事が出来て、該接続鋼管の納期を短縮することが出来る。

請求項１の発明の構成は次の通りである。
（１） 鉄骨建築柱脚を対象とする。
（２） 杭をコンクリート杭例えばＰＨＣ杭、ＣＰＲＣ杭、ＳＣ杭等とする。
コンクリート杭には種類が多いが、杭頭において外殻鋼管と端板とコンクリートから構成されていること。
（３） コンクリート杭端板の上に重ねて、中実鋼材最下部の外径が杭外径とほぼ同等な平面視円形断面の圧延・鍛造又は鋳造による部材からなる中実鋼材を該端板と溶接接合させること。
杭が現場施工である為に、中実鋼材最下部の外径が杭外径とほぼ同等にしているのは互いに溶接が建設現場で横向き溶接出来るようにするためである。平面視矩形でなく円形の中実鋼管を用いて溶接性を向上できるのが新規性である。
また、通常用いる端板（通常板厚２０ｍｍ程度）よりも大きい板厚凡そ４０ｍｍ以上の端板で該中実鋼材の代わりとすることも出来る。従って、この構成は角形鋼管にも適用できる。
（４） 該中実鋼材の上に円形鋼管、角形鋼管又はＨ形鋼の柱を溶接で取り付けることである。この柱の取付けは、工場溶接でも現場溶接でも良い。
この中実鋼材の上面で、杭芯ズレを杭芯と接続鋼管との水平位置の調整を行う。
杭天の高さレベルは予め長めに用意しておいた接続鋼管を切断して調整する。
従来との違いは、杭の施工時の芯ズレを中実鋼材の上面積の広さを利用することであり、杭の施工時の杭天の高さ（レベル）誤差は、接続鋼管を用いて行うことであり、杭と柱の形状の相違を中実鋼材の上面積の広さを利用することであり、更に、この接続鋼管の位置を中実鋼材の上に取り付けることである。

（１） 請求項２に係る発明の構成は請求項１に加えて次の通りである。
コンクリート杭端板の上に重ねて載せる中実鋼材の下端外径を杭外径と同等の外径として、その形状を上方広がりのテーパを取り付けるか又は下部を杭外径と同等の外径として上部を該杭の外径より大きい円形断面又は矩形断面を保有する上下段付きの形状とする。
このようにすれば、杭と中実鋼材最下部との溶接が横向き姿勢で可能になって、中実鋼材の上部の外径を大きくすることが出来て請求項１の場合より大きな外径の柱を取り付けることが出来る。

請求項３に係る発明の構成は請求項１及び２に加えて次の通りである。
（１） コンクリート杭端板の上に重ねて載せる中実鋼材を複数枚にして端板同士の外周部を互いに溶接接合させること
（２） 複数の中実鋼材を予め工場等で溶接接合して１枚の中実鋼材として扱うこと。
このようにすると、接合鋼管の形状の選定の自由度が増加する。即ち、形状が円形だけでなく矩形、Ｈ形鋼などに適用できて、また、上部中実鋼材の外径を容易に選定し大きくできるので接続鋼管外径も大きくできる。尚、建築では鋼材の最大板厚の制限が１００ｍｍ以下となっているが、中実鋼材の板厚を実質的に１００ｍｍ以上にする事が出来て、より大きな柱荷重に対して耐えることが出来る。

請求項４に係る発明の構成は請求項１乃至３において、請求項１，２又は３に加えて、柱脚部及び地中梁の水分等に対する防食に塗膜の一様伸び率が１％以上の塗料を塗布することを特徴とする柱脚構造とする。塗膜の一様伸び率が１％以上としたのは、鉄骨の保有耐力の構造設計で部材が伸び０．２％で降伏した場合に部材に局部応力集中が５倍掛かったことを想定している。

請求項５に係る発明の構成は、請求項３の構成に加えて，杭端板及び／又は中実鋼材の間にこれらよりも降伏点強度が低い純鉄又は軟鉄を挿入し，互いに密着性を良くして応力伝達を均一且つ向上させることを特徴とした柱脚構造とする。
これは、杭端板及び／又は中実鋼材の面間で表面状況が均一でない場合に、鋼材表面の凹凸をなじませると面間の応力伝達を均一にして伝達効率を上げることが出来る。

本発明に係る効果は次の通りである。
（１） 鋼管杭の上部に直接接続鋼管や中実鋼材を溶接で取り付けるよりも、コンクリート杭で杭天に直接中実鋼材を取り付けた方が圧縮軸力や引っ張り（即ち引き抜き）の柱耐力が大きい。鋼管杭の中央部が空洞なので中実鋼材を使ってもコンクリート杭の方が耐力が大きい。
（２） 杭天外径と同等の中実鋼材下端外径を有しているので上向き姿勢溶接よりも容易な横向き姿勢溶接が出来る。
（３） 杭天の上に直接厚板の中実鋼材を用いるので、その上に取り付けられる接続鋼管の形状自由度が大きくなる。
（４） 同じコンクリート杭の上部に直接接続鋼管を取り付けるよりも杭天に直接中実鋼材を取り付けた方が圧縮軸力や引っ張り（即ち引き抜き）の柱耐力が大きい。これは、鋼管杭や接続鋼管の中空部分が大きい
為である。
（５） 円形断面接続鋼管に比べて角形鋼管の接続鋼管の方が、柱が角形鋼管を用いる事が多いためその納期が格段に早い。また、円形鋼管よりも角形鋼管の方が鉄骨メーカにとって量も圧倒的に多く加工がし易い。

図６に本発明に係るコンクリート杭天端に溶接接合された中実鋼材１７を示す。中実鋼材は、平面視で円形であり、杭天端板外径と中実鋼材の少なくともその下端の外径がほぼ同じであり、端板１８Ｅと溶接接合されている。柱径が小さい場合には中実鋼材外径は杭外径よりも小さくして溶接７Ｂをすみ肉溶接に変えることも出来る。
この中実鋼材の上面には角形鋼管等の接続鋼管６Ａが取り付くが、柱の軸力３５Ｃが中実鋼材の上面横端部に掛かり、端板１８Ｅを介して外殻鋼管１８Ｐ及びコンクリート１０Ｃに大凡均等に荷重が掛かる。中実鋼材１７と端板１８Ｅとは通常メタルタッチであるが、柱軸力が小さい場合はその必要はないけれども、メタルタッチで密着させる場合は溶接７Ｂによる溶接収縮でその密着度が高まり軸力３５Ｃの付加でより密着度が高まる。円形接続鋼管を直接に端板に取り付けるよりも中実鋼材１７を介して杭天端に広く軸力等の荷重が掛かり柱荷重の杭へのスムーズな応力伝達が可能である。また、外殻鋼管１８Ｐはだけでなく杭コンクリート１０Ｃまで軸力等の荷重が直接掛かるので端板１７に掛かる最大応力度も低下する傾向になる。

請求項１に係る実施の形態の説明図を図７に示す。
図７では、図６にもあるように中実鋼材１７の上面に角形鋼管６Ａ等の接続鋼管が溶接されている。この接続鋼管は円形鋼管だけでなく矩形断面鋼管（角形鋼管等）やＨ形鋼も用いることもできる。その接続鋼管６Ａの上部にダイアフラム５が溶接接合されて地中梁１１が取り付けられる。杭は打設時に杭天の高さ（レベル）及び杭芯のズレδが発生する。この杭天の高さ（レベル）を予め用意しておいた接続鋼管の長さＨの調節（例えばプラスマイナス５０ｍｍ）で梁１１のレベルを図面通りのレベルを確保する。杭芯ズレは中実鋼材１７の上面積の範囲内で接続鋼管６Ａの位置をδだけずらせて調節する。この図の場合は大きな芯ズレを調整できないが、中実鋼材１７の外径が接続鋼管６Ａの外径よりも十分大きい場合（例えば１００ｍｍ）はこの芯ズレの調節が容易に出来る。

請求項２に係る実施の形態説明図を図８に示す。
図８は、図７において、中実鋼材の下端外径を杭天外径と同程度にして中実鋼材の外周部に上向き方向に広がったテーパ（勾配）が施されており分、杭芯ズレ調整範囲が大きくなる。テーパは通常角度２０度から６０度の範囲である。
尚、この中実鋼材の肉厚は建築基準上現在１００ｍｍまで規定されているので１００ｍｍが上限であるが、複数枚重ねて溶接すれば経済性が許す範囲で板厚を増やす事が出来る。通常は最大１００ｍｍ程度である。

請求項２に係るもう一つの実施の形態の説明図を図９に示す。
図９は、図８の中実鋼材１７のテーパの代わりに段付きの中実鋼材１７を用いている。これは、厚板中実鋼材の下部１７Ｄを機械加工で切削１７Ｃしたものであるが、その板厚方向の切削深さは５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。大きく切削すると切削費用が高くなるので横向き溶接が可能な範囲で切削深さを小さくする。概して図８のテーパよりも大きい外径の中実鋼材が得られるので、図８の場合よりも杭芯ズレ許容度が大きくなる。杭天レベルの調整や芯ズレ調整方法は請求項１の場合と同様である。

請求項３に係る実施の形態の説明図を図１０に示す。
図１０は、請求項１及び２に係る発明において、
コンクリート杭端板の上に重ねて載せる中実鋼材を複数枚にして互いに溶接接合させることを特徴とする柱脚構造を示す。この構造では、２枚以上の中実鋼材を互いに溶接で接合し一体化しており、下部中実鋼材と上部中実鋼材との組合せが自由であり、上部中実鋼材を大きくすればより大きな杭芯ズレの調節が可能であるだけでなく杭外径よりも大きな接続鋼管を用いる事も可能である。請求項１及び２と比較して柱及び接続鋼管のより大きな軸力にも対応が可能である。
通常は下部中実鋼材の肉厚は２５〜７０ｍｍ程度であり、上部中実鋼材は５０〜１００ｍｍ程度である。

請求項４に係る実施の形態の説明をする。
鉄骨梁や鉄骨柱脚を地中に埋設した場合は水分等による鋼材の腐食が問題になることがある。このような場合地中部材を現在鉄筋コンクリートで被覆するかメッキ塗装をする。何れにしても高価で施工日数が掛かる。鉄筋コンクリートで被覆しても構造荷重や変形で鉄筋コンクリートにひび割れして中性化し鋼材が腐食する恐れがある。また、鉄筋コンクリートでは掘削・鉄筋・型枠・コンクリート施工費が大きく掛かるという問題がある。コンクリート被覆は慣習的に用いられている状況である。メッキにしても高価で工期が掛かるという問題がある。
これに対して、塗装ではこれらの問題が解決できるが、地震等で建物に大きな荷重や変形が部材に掛かった場合に塗膜の変形（伸び率等）に耐える必要がある。この塗膜の変形はゴム系、タールエポキシ系等の塗料が有効である。

請求項５に係る実施の形態説明をする。
中実鋼材や端板との重ね合わせ部に隙間が出来て柱軸力が十分伝わらないことがあり得る。この隙間を埋めて部材をなじませるために部材の降伏点よりも小さい降伏点を持つ純鉄や極軟鋼材料を中実鋼材や端板との重ね合わせ部に挟み込み溶接収縮応力と軸荷重でこの隙間を埋めて部材をなじませる。この純鉄や極軟鋼材料の厚みは０．１〜１ｍｍ程度である。

従来の建築鉄骨構造図の一例 従来の角形鋼管柱を使った建築鉄骨柱梁接合部即ち仕口部 一体化工法を使った柱梁接合部の外観 従来の独立基礎の上に構築した鉄骨建築模式図 従来型の基礎を改良した杭柱一体型の模式図 コンクリート杭端板に杭外径と同等径の中実鋼材を溶接接合した場合の柱軸力付加状態を説明する図 コンクリート杭端板に杭外径と同等径の中実鋼材を溶接接合した場合の柱脚部 コンクリート杭端板に外周部にテーパを付けた中実鋼材を溶接接合した場合の柱脚部。角形接続鋼管の外径が杭外径と同等か大きい場合である。 コンクリート杭端板に外周部に段付きの中実鋼材を溶接接合した場合の柱脚部 コンクリート杭端板に複数の中実鋼材を取り付けた場合の柱脚部

１ 鉄骨柱
１ 鉄骨１階上部柱
１Ｂ 鉄骨１階下部柱
１Ｃ 鉄骨基礎埋込柱脚部
２ 建築鉄骨梁
３ 建築鉄骨梁仕口部
４ 鉄骨建築基礎
５ ダイアフラム
６ 柱短管
６Ａ 接続鋼管（角形）
７ 溶接又は溶接部
７Ｂ 突合せ溶接部
７Ｆ すみ肉溶接部
７Ｓ スロット溶接
７Ｃ １階柱同士の溶接
８ 基礎柱又は基礎杭
８Ｃ コンクリート杭
９ 地盤又は改良地盤
９Ａ 支持力のある地盤
９Ｂ 掘削部
１０ コンクリート定盤又は基礎
１０Ａ 捨てコンクリート
１０Ｃ 杭コンクリート
１１ 基礎梁、地中梁、地表梁
１１Ｆ 梁フランジ
１１Ｗ 梁ウエブ
１２ べースプレート
１２Ｓ スペーサ
１３ アンカーボルト
１４ ナット
１５ ボルト
１６ 杭フランジ
１７ サイコロ又は中実鋼材
１７Ａ リング状中実鋼材又はアウターリング（外ダイアフラム）
１７Ｃ 中実鋼材下部カット部
１７Ｄ 中実鋼材下部
１７Ｈ 貫通孔
１７Ｊ 別の貫通孔
１７Ｔ 中実鋼材外周部テーパ
１７Ｕ 上部中実鋼材
１８ 鋼管杭又はＰＨＣ杭、ＰＲＣ杭、ＳＣ杭に代表されるコンクリート杭を接合させたもの等
１８Ｅ コンクリート杭端板
１８Ｐ コンクリート杭の外殻鋼管
１９ スクリュー羽根
２０ ルーズ裏当金又はルーズ短管又は水平ディスク
２１ 仮止めピース（ウマ）
２２ テーパ
２３ パネル（仕口部）
２４ プレビード（肉盛）
２５ 開先
２６ 柱１の中心線
２７ 杭１８の中心線
２８ Ｈ形鋼又は角形鋼管又は鋼板による梁
２９ 剛接合柱又はピン接合の間柱
３０ 中実鋼材の上面に溶接接合させたフランジ
３１ 柱の下面に溶接接合させたフランジ
３２ 鋼板製垂直翼
３３ 鋼板又はＨ形鋼又は角形鋼管製水平翼
３４ 垂直翼及び水平翼を取り付ける鋼管
３５ 鋼管杭に掛かる鉛直力（又は軸力）
３５Ｃ 柱軸力
３６ 鋼管杭に掛かる曲げモーメント
３７ ブレース
３８ ルーズ裏当金又はルーズ短管又は水平ディスク
３９ 裏当金
４０ 仮付溶接
４１ 上下の高さ調整
４２ 左右の位置調整
４３ インナーリング
４４ 鋼管杭側面に取り付けた鋼板又はらせん板
４５ 円板
４６ スティフナー
４７ 組立用ストッパー
４８ セメント又はコンクリート又は鉄筋コンクリート
４９ ラップルコンクリート
５０ 円筒形又は多角形容器
５１ 仮設リング
５２ 下盛り溶接
５３ カットティーハンチ
５４ 底版
５５ 支持層
５６ 地盤改良又は捨てコンクリート
５７ アンカー
５８ 軟弱地盤
５９ 埋め戻し土又は改良土又は鉄筋コンクリート
６０ ＲＣ（鉄筋コンクリート）基礎梁
６１ 鉄筋
６２ セメントモルタル
６３ 貫通孔
６４ 中板

Claims (5)

1. コンクリート杭と、鉄骨柱・梁とからなる建築構造物において、
   コンクリート杭端板の上に重ねて外径が杭外径とほぼ同等な円形断面の圧延・鍛造又は鋳造による部材からなる中実鋼材を該端板と溶接接合させて、該中実鋼材の上に円形鋼管、角形鋼管又はＨ形鋼の柱を取り付けることを特徴とする柱脚構造
2. 請求項１に係る発明において、
   コンクリート杭端板の上に重ねて載せる中実鋼材の形状を上方広がりのテーパを取り付けるか又は下部を杭外径と同等の外径として上部を該杭の外径より大きい円形断面又は矩形断面を保有する上下段付きの形状とする柱脚構造
3. 請求項１又は２に係る発明において、
   コンクリート杭端板の上に重ねて載せる中実鋼材を複数枚にして互いに溶接接合させることを特徴とする柱脚構造
4. 請求項１，２又は３のいずれか１つに係る発明おいて，柱脚部及び地中梁の水分等に対する防食に塗膜の伸び率が１％以上の塗料を塗布することを特徴とする柱脚構造
5. 請求項３に係る発明おいて，杭端板及び／又は中実鋼材の間にこれらよりも降伏点強度が低い純鉄又は軟鉄を挿入し，互いに密着性を良くして応力伝達を均一且つ向上させることを特徴とした柱脚構造