JP4724680B2

JP4724680B2 - 柱脚構造

Info

Publication number: JP4724680B2
Application number: JP2007059108A
Authority: JP
Inventors: 健二西海; 吉郎石濱
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: JP2008223245A

Description

本発明は、道路や鉄道の高架構造において、杭部材と柱部材を用いて構成される柱脚構造に関するものである。

従来、杭部材を地上に立ち上げて柱部材とし、橋桁を直接支えるパイルベント式柱脚構造がある。パイルベント式柱脚構造は、直接基礎や杭基礎と比較して、フーチングを省略できることから、建設コストを削減しかつ短工期で施工できる構造である。パイルベント式柱脚構造の例として、特許文献１記載の発明があるが、この発明は、鋼管杭と鋼管柱を差し込み接合し、かつ鋼管柱と鋼製桁を横桁を介して連結した立体ラーメン式高架構造であり、温度変化により発生する鋼製桁の軸力を低減することにより桁サイズの縮小を特徴とした発明である。

特開２００４−１５６２９２号公報

パイルベント式柱脚構造は、杭部材の水平方向の地盤抵抗面積が小さいために、地震力などの水平力が作用した場合に、杭部材および柱部材の水平方向の変位が大きくなることが課題である。柱部材の上部に枕梁を設置し、橋桁を架設した構造では、地震時に大きな水平変位が発生し、橋桁の落下の危険性がある。また、柱部材と鋼桁を連結したラーメン式高架構造では、地震力が作用した場合に、柱部材の基部および杭部材の上部に大きな曲げモーメントが作用するために、中規模の地震に対しても柱脚構造に大きな損傷が発生することが課題である。また、杭部材に大きな水平変位が発生し、杭部材周囲の地盤に大きな変形を生じるために、地震後の残留変位が大きくなり、補修が困難になることが課題である。

特に地盤が軟弱な場合には、地震時の水平変位を抑制することが重要であるために、水平変位を抑制する方策として、軟弱地盤にセメントミルクを注入することにより地盤強度を向上させる地盤改良工法が採用されるが、地盤改良コストが非常に高価となることが課題である。また、地震力に対して充分な水平抵抗が不足する場合には、杭部材の断面を大きくする工法が採用される。しかし、杭部材の鉛直支持力や発生断面力から必要とされる形状より大きな杭部材が必要となることから、杭部材の施工コストが高価となり、パイルベント式柱脚構造の利点が失われることが課題である。

本発明の目的は、パイルベント式柱脚構造を対象として、フーチングの施工を省略することにより、安価でかつ短期間で施工する構造物を提供することに加えて、特に軟弱な地盤に建設される柱脚構造において、従来のパイルベント構造が抱えていた地震時の水平方向の抵抗を改善することにより、耐震性に優れた柱脚構造を提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明では次のように構成する。
第１の発明は、地中部に構築された複数の杭部材が地上部に構築された複数の柱部材と接続されて、橋桁を支える柱脚構造において、前記杭部材には外面軸方向に沿った連結用継手が固着されており、橋軸直角方向に隣り合う前記杭部材の間に、側面軸方向に沿った継手を有するハット形状の鋼矢板からなる鋼製地中壁が配置され、前記連結用継手と前記ハット形状の鋼矢板の継手とが嵌合されて、前記杭部材と前記鋼製地中壁とが連結され、前記鋼製地中壁がハット形状の鋼矢板から構成され、前記杭部材における橋軸に直角な水平方向の中立軸と前記ハット形状の鋼矢板における橋軸に直角な水平方向の中立軸とが一致するように配置され、かつ、前記杭部材における橋軸に直角な水平方向の中立軸から橋軸方向にずれた位置に前記連結用継手が固着されていることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記鋼製地中壁の上部にコンクリート梁が設けられ、当該梁により前記橋軸直角方向に隣り合う杭部材同士が連結されていることを特徴とする。
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記杭部材と柱部材との接続部において、前記杭部材が鋼管杭で構成され、当該鋼管杭内に前記柱部材が差し込まれていると共に、前記鋼管杭と前記柱部材との隙間にコンクリートが充填されていることを特徴とする。
第４の発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、パイルベント式ラーメン高架構造に用いられていることを特徴とする。

本発明は、橋軸直角方向に配置された複数の杭部材を鋼製地中壁で連結された構造であり、地震力などの水平力が作用した場合には、杭部材の地盤抵抗に加えて、鋼製地中壁が抵抗するために、水平変位が抑制されるとともに、地震時の安全性を飛躍的に高めることができる。この杭部材と鋼製地中壁は継手を介して連結した構造であるために、橋梁上部構造に発生する荷重が杭部材から継手を介して鋼製地中壁に伝達され、確実に水平変位を抑制する効果を発揮させることができる。鋼製地中壁には、鋼矢板を用いることにより地上部から地中に打設することが可能となるために、堅実な鋼製地中壁を構成することが可能であり、確実な施工を実現することができる。また、鋼矢板上部をコンクリートにより橋軸直角方向に連結することにより、鋼製地中壁での荷重伝達を可能とし、鋼製地中壁で均等に水平荷重を地盤に伝達することができる。さらに、杭部材と鋼製地中壁の中立軸が一致するように配置することにより、継手部での断面性能の低減を不要とし、部材の断面性能を充分に発揮させることができる。

図を用いて本発明を実施するための最良の形態について述べる。
図１は本発明の第１の実施形態に係る柱脚構造の正面図を、図２は本発明の第１の実施形態に係る柱脚構造の地中部における平面図を示す。橋軸直角方向に２本の杭部材２が地中に配置され、杭部材２の上部に２本の柱部材１が各々接続されており、柱部材１の上部は橋桁３と連結されたパイルベント式ラーメン高架構造である。杭部材２の外面軸方向に沿ってあらかじめ連結用継手４が固着されており、また、鋼製地中壁の側面軸方向に沿って継手６が固着されている。連結用継手４と継手６を連結して２本の杭部材２の橋軸直角方向の間が鋼製地中壁５で連結されている。

図２は、更に杭部材２と鋼製地中壁５の連結方法の例を示している。図２（Ａ）に示すように、杭部材２の外面軸方向に沿って連結用継手４が固着されている。一方、鋼製地中壁５には、１枚の鋼板の両側面軸方向に沿って継手６が固着されている。連結用継手４と鋼製地中壁５の継手６が嵌合されて杭部材２と鋼製地中壁５が橋軸直角方向に連結された構造である。また、図２（Ｂ）および（Ｃ）は鋼製地中壁に鋼矢板５ａを用いた例である。図２（Ｂ）にはハット形状の鋼矢板５ａを用いた例が示され、図２（Ｃ）には直線鋼矢板５ａを用いた例が示されている。鋼矢板は継手６を有しており、杭部材の施工後に連結用継手４と連結して、地上から地中部に打設できるために、堅実な鋼製地中壁５を構成することが可能である。図２（Ｄ）は、鋼製地中壁５に二重の継手を有する鋼製土留め壁を用いた例を示している。杭部材２の間に配置する鋼製地中壁５は、図２（Ａ）のように１枚の場合でも良いし、図２（Ｂ）〜（Ｄ）のように複数の鋼矢板５ａなどを連結して配置しても良い。さらに、連結用継手４および鋼製地中壁の継手６の間隙にグラウトを充填してもよい。この場合には、杭部材２と鋼製地中壁５との荷重伝達が確実となるので、水平抵抗をさらに向上させることができる。

図３（Ａ）は従来のパイルベント式柱脚構造の地盤抵抗の模式図を、図３（Ｂ）は本発明の柱脚構造の地盤抵抗の模式図を示す。また、図９は本発明の第１の実施形態に係る橋脚構造の側面図を示す。従来のパイルベント式柱橋構造では、地盤中での杭部材２の水平力に抵抗する面積は、杭径のみであるのに対して、本発明の柱脚構造では、杭径に加えて鋼製地中壁５ａの前面が水平力に抵抗するために、抵抗面積が向上する。このために同じ水平力が作用した場合には、地盤に発生する応力が小さくすることができるために、水平変位を小さくすることができる。

高架構造に地震力が作用した場合には、橋桁３および柱部材２の慣性力が水平力として作用する。この水平力は杭部材２に伝達され、杭部材２の周囲の地盤で抵抗することとなる。杭部材２が橋軸直角方向に連結用継手４を介して鋼製地中壁５で連結されているために、杭部材２の水平力は連結用継手４を介して鋼製地中壁５に伝達され、鋼製地中壁５の前面の地盤も抵抗することとなる。

ここで、外径が１ｍの杭部材２の中心間隔が７ｍで配置されており、杭部材２間が鋼矢板５ａで連結されている場合には、抵抗する地盤の幅は従来の杭部材２のみの場合の約４倍となる。ただし、深度方向の抵抗面積は、杭部材２と鋼矢板５ａの曲げ剛性が影響するために、地盤抵抗の抵抗面積で比較した場合には、従来の杭部材２のみと比較して約２．５倍となる。すなわち、地震力が作用した場合の杭部の上部に発生する水平変位は、従来の構造と比較して約２．５分の１に低減することができる。

図４は本発明の第２の実施形態に係る柱脚構造の正面図を示す。本構造では、柱部材１の上部に枕梁７が設置され連結されており、枕梁７の上部に支承８を介して橋桁３が架設されている。従来のパイルベント式柱脚構造を用いた支承形式の高架構造では地震時の水平変位が大きいために橋桁の落下の危険性があるが、本発明では地震時の水平変位を改善できるために、支承形式の高架構造も実現可能である。さらに、鋼製地中壁５の上部はコンクリート梁９により一体化され、隣接する杭部材２同士が連結されている。地震時に柱部材１に発生する水平力は、杭部材２に伝達されるが、杭部材２と鋼製地中壁５が上部でコンクリート梁９で連結されているために、鋼製地中壁５への水平力の伝達が確実となり、水平方向の地盤抵抗が確実に発揮される。

また、杭部材２は支持力を確保するために、強固な支持層に固着されているが、鋼製地中壁５は支持層にまで配置する必要はなく、鋼製地中壁５は水平方向の地盤抵抗が有効な範囲以上に配置されていれば良い。たとえば、鋼製地中壁の長さは、１／β（ｍ）の長さであれば良い。ここで、βは鋼製地中壁の特性値であり、地盤の水平反力係数ｋｈ、鋼製地中壁の幅Ｂ、鋼製地中壁のヤング係数Ｅ、鋼製地中壁の断面２次モーメントＩを用いて、式（１）により算定される。鋼製地中壁を必要最低限の長さに設置することにより、施工コストを削減することができる。

β＝｛（ｋｈ・Ｂ）／（４・Ｅ・Ｉ）｝^0.25 （１／ｍ） …（１）

図５および図６は本発明の第３の実施形態に係る柱脚構造の正面図を示す。図５はラーメン高架構造、図６は支承形式の高架構造に適用した例である。また、図７（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、図５におけるVIIＡ、VIIＢおよびVIIＣの矢視図（平面図）を示す。橋桁３の幅員が大きい場合には、３本以上の柱部材１で支える構造とすることができる。この場合には、柱部材１と同位置に杭部材２を配置し、橋軸方向の１列の杭部材同士を地中部で鋼製地中壁５により連結した構造である。本構造では、第１の実施形態と同様に地盤の水平抵抗面積を改善することができるために、地震時の水平変位を飛躍的に改善することができる。

図８は、杭部材と鋼製地中壁の連結構造の詳細図の例を示す。図８（Ａ）は、杭部材が鋼管杭２ａであり、鋼製地中壁がハット形状の鋼矢板５ａの場合の連結構造の詳細図である。鋼管杭２ａの外面軸方向には、鋼矢板５ａの継手６と嵌合する連結用継手４ａが予め固着されている。鋼管杭２ａの施工後に、連結用継手４ａと鋼矢板５ａの継手６が嵌合されて連結された構造である。連結用継手４ａが鋼矢板５ａの継手６と嵌合する形状の継手であるために、継手間の隙間を少なくすることができ、杭部材と鋼製地中壁が強固に連結することができる。

ところで、鋼管杭２ａの橋軸方向の中立軸と鋼矢板５ａの橋軸方向の中立軸が一致していない場合には、連結用継手４ａでのせん断力の伝達が不十分であるために、鋼矢板５ａの断面性能が充分に発揮されない。そこで、図８（Ａ）では、鋼管杭２ａの橋軸方向の中立軸１１と鋼矢板５ａの橋軸方向の中立軸１２が一致するように連結用継手４ａを配置した構造となっている。このような構造にすれば、連結用継手４ａと鋼製地中壁の継手６の間にせん断力が発生しないために、鋼管杭２ａと鋼製地中壁５ａの断面性能を充分に発揮し、効率的に水平力に抵抗することができる。

図８（Ｂ）は別な連結構造の詳細図を示す。鋼管杭２ａの外面軸方向に沿って軸方向にスリットを設けた小径の鋼管継手４ｂが予め固着されている。このスリット幅は鋼矢板５ａの板厚より大きく、鋼矢板５ａの継手６より小さい寸法に設定されている。鋼管杭２ａの施工後に、連結用継手４ｂのスリットを介して、鋼矢板５ａの継手部が嵌合されて連結された構造である。スリットを有する小径鋼管継手を用いることにより、施工誤差の吸収が可能となる。この連結構造において、継手での嵌合余裕が過大となる場合には、連結用継手４ｂ内にセメントなどを充填することにより、強固に連結することができる。

図８に示した杭部材２は鋼管杭２ａの場合を示したが、杭部材２は、鋼管杭以外の鋼製の杭でも、コンクリート製の杭でも良い。鋼製の杭の場合には、連結用継手は溶接などにより接続することができる。また、コンクリート製の杭の場合には、連結用継手に別途連結材を配置しておき、コンクリート杭の外面軸方向に渡って埋め込むことにより接続することができる。さらに、図８（Ａ）、（Ｂ）に示した鋼製地中壁はハット形状の鋼矢板５ａの例を示すが、図８（Ｃ）に示すようにＵ型の鋼矢板でもよく、図２（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示した別な形状の鋼製地中壁でも良い。

図１０は杭部材と柱部材の接続構造の詳細図を示す。柱部材と杭部材が鋼製であり、かつ同じ外径である場合には、現場で溶接により接続することができる。また、柱部材と杭部材がコンクリート製である場合には、杭部材の鉄筋と柱部材の鉄筋を重ね継手で連結し、コンクリートを充填施工することにより現場で接続することができる。図１０（Ａ）は、杭部材２が鋼管杭２ａで柱部材１がコンクリート製である場合の接続構造を示す。鋼管杭２ａの上部空間にコンクリート柱の鉄筋１３を所定の長さ挿入し、間隙にコンクリート１４を充填することにより連結した構造である。この場合に、鋼管杭２ａの内周面にずれ止め（図示せず）が配置されていれば、鉄筋から鋼管への荷重伝達が確実となるので、なお望ましい。

図１０（Ｂ）は、鋼管杭２ａと鋼管柱１であり、鋼管杭２ａの外径が鋼管柱１の外径より大きな場合の接続構造を示す。鋼管杭２ａの上部空間に鋼管柱の下端部を所定の長さ挿入し、接続空間にコンクリート１４を充填して連結した構造である。この場合に、接続区間における鋼管柱１の外周面および鋼管杭２ａの内周面にずれ止め（図示せず）が配置されていれば、鋼管柱１から鋼管杭２ａへの荷重伝達が確実となるので、なお望ましい。

また、図１０（Ｂ）の接続構造では、鋼管杭２ａの外径が鋼管柱１の外径より大きな場合の接続構造を示している。この場合には、地震力が作用した時の鋼管杭の地盤抵抗面積が大きくなるので、柱脚構造の水平変位を抑制する効果を奏する。さらには、高架橋構造に地震力が作用した場合に発生する曲げモーメントは、柱部材よりも杭部材方が大きくなる。従って、杭部材の外径を大きくすることにより、柱部材の曲げ耐力よりも杭部材の曲げ耐力を大きくした構造となり、耐震性からも望ましい構造である。

図１１は、本発明の第１の実施形態に係る施工手順図を示す。まず、図１１（Ａ）では、連結用継手４が側面軸方向に沿って配置された杭部材２を地中に建て込む。図１１（Ｂ）では、杭部材２の橋軸直角方向に鋼製地中壁５を鋼製地中壁５の継手が連結用継手４と嵌合されて連結するように地中に打設する。図１１（Ｃ）では、杭部材２の上部に柱部材１を配置し、杭部材２と柱部材１を接続する。図１１（Ｄ）では、柱部材１の上部に橋桁３を配置する。

本発明の第１の実施形態に係る柱脚構造の正面図である。本発明の第１の実施形態に係る柱脚構造の地中部における平面図である。従来の技術と本発明に係る水平方向の地盤抵抗の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る柱脚構造の正面図である。本発明のその他の実施形態に係る柱脚構造の正面図である。本発明のその他の実施形態に係る柱脚構造の正面図である。図５の実施形態に係る柱脚構造の平面図である。本発明の杭部材と鋼製地中壁の連結構造に係る平面図である。本発明の第１の実施形態に係る柱脚構造の側面図である。本発明の柱部材と杭部材の接続構造の側面図である。本発明の第１の実施形態に係る柱脚構造の施工手順図である。

符号の説明

１柱部材
２杭部材
２ａ鋼管杭
３橋桁
４連結用継手
４ａ連結用継手の例
４ｂ連結用継手の別な例
５鋼製地中壁
５ａ鋼矢板
６継手
７枕梁
８支承
９コンクリート梁
１１杭部材の中立軸
１２鋼製地中壁の中立軸
１３鉄筋
１４コンクリート

Claims

地中部に構築された複数の杭部材が地上部に構築された複数の柱部材と接続されて、橋桁を支える柱脚構造において、
前記杭部材には外面軸方向に沿った連結用継手が固着されており、橋軸直角方向に隣り合う前記杭部材の間に、側面軸方向に沿った継手を有するハット形状の鋼矢板からなる鋼製地中壁が配置され、前記連結用継手と前記ハット形状の鋼矢板の継手とが嵌合されて、前記杭部材と前記鋼製地中壁とが連結され、
前記杭部材における橋軸に直角な水平方向の中立軸と前記ハット形状の鋼矢板における橋軸に直角な水平方向の中立軸とが一致するように配置され、かつ、前記杭部材における橋軸に直角な水平方向の中立軸から橋軸方向にずれた位置に前記連結用継手が固着されていることを特徴とする柱脚構造。
前記鋼製地中壁の上部にコンクリート梁が設けられ、当該梁により前記橋軸直角方向に隣り合う杭部材同士が連結されていることを特徴とする請求項１記載の柱脚構造。
前記杭部材と柱部材との接続部において、前記杭部材が鋼管杭で構成され、当該鋼管杭内に前記柱部材が差し込まれていると共に、前記鋼管杭と前記柱部材との隙間にコンクリートが充填されていることを特徴とする請求項１又は２記載の柱脚構造。
パイルベント式ラーメン高架構造に用いられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の柱脚構造。