JP5131518B2 - 鋼管杭と鉄骨柱の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管杭と鉄骨柱の接合構造に関する。

近年、杭と柱とを直接接合してフーチングを省略する工法、すなわち杭の杭頭部内に柱の柱脚部を嵌装させてモルタルやコンクリート等で固定する工法が提案されており、この工法によれば、フーチングを省略することができ、工費の低減をはかることができるとともに工期の短縮を図ることができる。
さらに、建設材料の廃棄量を低減させるといった環境に配慮する目的から、基礎部を構成する材料を再利用（リユース）できるようにした杭頭部と柱脚部との接合構造について、例えば、特許文献１に提案されているものがある。

特許文献１は、鋼管杭の杭頭部と、鋼管杭の直上に配置された鉄骨柱の柱脚部とを接合する鋼管杭と鉄骨柱との接合構造であって、杭頭部と柱脚部との間には、杭頭部及び柱脚部よりも断面形状が大きい筒状のリングパネルが介装され、リングパネル内には、杭頭部及び柱脚部がそれぞれ隙間をあけて挿嵌されているとともに、リングパネル内の杭頭部及び柱脚部をそれぞれ固定する充填材が充填された接合構造について開示したものである。
特開２００６−１１２１０９号公報

しかしながら、打設された鋼管杭は、横方向（平面上の芯ずれ）又は上下方向の施工誤差、或いは傾斜による施工誤差が生じることになる。このような施工誤差がある場合には、杭頭部と柱脚部とがずれた状態となり、両者間の応力伝達が確実でない構造となり得るといった問題があった。そのため、杭頭部に生じる施工誤差を容易に吸収しつつ、杭頭部と柱脚部とを確実に接合できる方法が求められており、その点で改良の余地が残されていた。そして、杭頭部と柱脚部との接合作業時において、上述した鋼管杭の施工誤差に対応するために、杭頭部を切断して位置合わせする等の作業を施すと手間と時間がかかることになり、生産性が低下してコストがかかるといった問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、容易で且つ簡略化された方法により杭頭部の施工誤差を吸収することができ、工期の短縮と工事費の低減を図ることができる鋼管杭と鉄骨柱の接合構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る鋼管杭と鉄骨柱の接合構造では、鋼管杭の杭頭部と、鋼管杭の直上に配置された鉄骨柱の柱脚部とを接合する鋼管杭と鉄骨柱との接合構造であって、杭頭部内に第１充填材が充填され、その杭頭部上に、厚さ調整可能な無収縮モルタル部が設けられ、無収縮モルタル部の上面に、ベースプレートを下端に備えた柱脚部が載置され、その杭頭部と柱脚部を周囲から囲うようにして、杭頭部及び柱脚部よりも断面形状が大きい筒状のリングパネルが配置され、杭頭部及び柱脚部と、リングパネルとの間に第２充填材が充填されており、柱脚部の外周面に周方向に沿って設けられた第一支圧プレートと、リングパネルの内周面に周方向に沿って設けられた第二支圧プレートと、杭頭部の外周面に周方向に沿って設けられた第三支圧プレートと、をさらに備え、鉛直上方から下方に向かって第一支圧プレート、第二支圧プレート、第三支圧プレートの順に配されていることを特徴としている。

本発明では、打設された鋼管杭に生じる横方向の施工誤差を、杭頭部及び柱脚部とリングパネルとの間に設けられる隙間の範囲内で吸収することができ、また上下方向の施工誤差を無収縮モルタル部の厚さ寸法を変えて調整することで吸収することができることから、鋼管杭の傾斜による施工誤差に対応することができる。そして、無収縮モルタル部の上面を設置する鉄骨柱の中心軸線に直交する平面となるように形成することで、鉄骨柱を所定の位置で、所定の軸方向となるように無収縮モルタル部上に載置することができる。そして、柱脚部に作用する軸力は、ベースプレート、無収縮モルタル部、第１充填材を介して杭頭部に伝達させることができる。このように、杭頭部の施工誤差を接合構造として吸収できると共に、現場で溶接することなく杭頭部と柱脚部とを一体に接合することができる。

本発明の鋼管杭と鉄骨柱の接合構造によれば、杭頭部及び柱脚部より大きな断面形状をなすリングパネルを杭頭部と柱脚部とに隙間をあけて囲うとともに、杭頭部上に厚さ調整した無収縮モルタル部を設けるといった容易で且つ簡略化された方法により、打設された鋼管杭における横方向及び上下方向の施工誤差を吸収することができる。そのため、無収縮モルタル部上に柱脚部を載置させることで、鉄骨柱を所定位置に高精度で設置することができる。
このように、鋼管杭の施工誤差を吸収しつつ、杭頭部と柱脚部とを接合することができる方法があることから、基礎工事の工期を短縮させることができ、工事費の低減を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態による鋼管杭と鉄骨柱の接合構造および接合方法について、図１乃至図６に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態による鋼管杭と鉄骨柱の接合構造および接合方法を示す斜視図、図２は図１に示すＡ−Ａ線断面図、図３は鋼管杭と鉄骨柱との軸力の伝達状態を示す図、図４（ａ）、（ｂ）は地震時における応力伝達状態を示す図、図５（ａ）〜（ｄ）は鋼管杭と鉄骨柱の接合工程を示す図、 図６は鋼管杭の施工誤差を調整する状態を示す図であって、図２に対応する図である。

図１に示すように、本実施の形態による鋼管杭１は、例えば回転圧入工法や中掘工法によって地盤Ｇ内に鉛直に打設された円形鋼管からなる基礎杭であり、この鋼管杭１の直上には、鋼管杭１の軸線延長線上に配置された円形鋼管からなる鉄骨柱２が配置されている。

図２に示すように、鋼管杭１と鉄骨柱２との接合構造は、杭頭部１ａに第１充填コンクリート３（第１充填材）が充填された鋼管杭１上に、無収縮モルタル４を介してベースプレート５を下端に備えた鉄骨柱２を立設し、それら杭頭部１ａ及び鉄骨柱２の柱脚部２ａを周囲からリングパネル６で囲って、杭頭部１ａ及び柱脚部２ａとリングパネル６との間に第２充填コンクリート７（第２充填材）を充填させた構造をなしている。
また、リングパネル６の外周面には、Ｈ形鋼等からなる鉄骨地中梁１０が端部材１１を介して複数設けられている。

無収縮モルタル４には、プレミックスタイプを採用することができる。そして、ベースプレート５は、鉄骨柱２の外周径より大きく、無収縮モルタル４の外径と同径又は小さい円形平板からなり、鉄骨柱２の下端部に溶接等の固着手段によって固定されている。なお、ベースプレート５は、無収縮モルタル４に対して固定されずに、載置された状態となっている。

リングパネル６は、杭頭部１ａおよび柱脚部２ａよりも断面形状が大きく、鋼管杭１および鉄骨柱２と略同方向に延在する円筒状の鋼管からなる。リングパネル６は、上端部６ａがスラブ８内に埋設されているとともに、それ以外の部分が地盤Ｇ内に埋設されている。リングパネル６の下部６ｂ内には、杭頭部１ａが挿入された状態で配置されているとともに、リングパネル６の上部６ｃ内には、柱脚部２ａが挿入された状態で配置されている。杭頭部１ａおよび柱脚部２ａは、リングパネル６の中央にそれぞれ配置されており、リングパネル６の下部６ｂの内周面と杭頭部１ａの外周面との間、およびリングパネル６の上部６ｃの内周面と柱脚部２ａの外周面との間には、適当な幅の隙間があけられている。

リングパネル６内に充填される第２充填コンクリート７は、リングパネル６内で杭頭部１ａ及び柱脚部２ａをそれぞれ固定させるものである。第２充填コンクリート７は、リングパネル６の内周面と、杭頭部１ａ及び柱脚部２ａの外周面との間、すなわち上述した隙間に充填されている。

また、リングパネル６の外周面には、リングパネル６の変形を防ぐ平面視八角形状のダイアフラム１２、１２が付設されている（図１参照）。ダイアフラム１２は、端部材１１の上下のフランジ１１ａ位置にそれぞれ対応する位置に設けられており、リングパネル６の下部６ｂおよび上部６ｃの外周面にそれぞれ溶接接合されている。そして、端部材１１の基端１１ｂは、リングパネル６の外周面に垂直に溶接接合されており、端部材１１はリングパネル６の軸線方向に直交する方向に突設されている。

端部材１１の先端１１ｃは、鉄骨地中梁１０に図示しない接合板を介してそれぞれボルト接合されている。なお、鉄骨地中梁１０は、地盤Ｇの水平抵抗力が低い場合に複数の鋼管杭１にそれぞれ外装されたリングパネル６間を繋ぐものであり、鉄骨材を用いることで軽量化および工期の短縮を図ることができる。

また、リングパネル６の内周面、リングパネル６内に挿入された杭頭部１ａの内外周面、およびリングパネル６内に挿入された柱脚部２ａの外周面には、帯状の複数の支圧プレート９（支圧材）が周方向に沿って溶接接合によって接合されている。そして、支圧プレート９は、原則として製作工場で取り付けておくが、施工現場において、リングパネル６を杭頭部１ａに被せて配置する前にリングパネル６の内周面や杭頭部１ａに取り付けてもよく、柱脚部２ａをリングパネル６内に配置させる前に取り付けてもよい。
支圧プレート９は、充填コンクリート３、７の付着力を高め、引き抜き力に対抗することができるとともに、詳しくは後述するが、鉄骨柱２にかかる応力を鋼管杭１に確実に伝達する作用を有する構成となっている。

このように構成される鋼管杭１と鉄骨柱２との接合構造では、フーチングが省略されるとともに、現場で溶接することなく杭頭部１ａと柱脚部２ａとを一体に接合することができる構造をなしている。

次に、上述した構成からなる鋼管杭１と鉄骨柱２の接合構造における応力の伝達作用について図３および図４などを用いて説明する。
図３に示すように、鉄骨柱２に作用する軸力Ｆは、ベースプレート５、無収縮モルタル部４、第１充填コンクリート３を介して鋼管杭１に直接伝達される。さらに、支圧プレート９による圧力ストラットにより鉄骨柱２から鋼管杭１に軸力Ｆが伝達される。具体的に軸力Ｆは、柱脚部２ａの外周面に固定される支圧プレート９（図３で符号９ａとする）からリングパネル６の内周面に固定される支圧プレート９（同じく符号９ｂとする）に伝達され、さらに符号９ｂの支圧プレート９から杭頭部１ａの外周面に固定されている支圧プレート９（同じく符号９ｃとする）に伝達されることになっている。

また、地震時に生じる荷重（図４（ａ）、（ｂ）の符号Ｍ、鉄骨柱２の中心軸線Ｏ２が傾く方向に作用する荷重）の伝達は、図４（ａ）に示す柱脚部２ａのてこの作用と、図４（ｂ）に示す圧縮ストラットとにより行われる。つまり、本接合構造による鋼管杭１と鉄骨柱２との接合部の抵抗は、杭頭部１ａに生じるてこの反力および支圧プレート９による支圧抵抗となっている。要するに、図４（ａ）に示すように、リングパネル６内に埋設されている柱脚部２ａは、リングパネル６内に充填されている第２充填コンクリート７によって押さえられた状態（図４（ａ）の符号Ｐ１、Ｐ２に示す力）となっていることから、その第２充填コンクリート７が荷重Ｍの抵抗となっている。
また、図４（ｂ）に示すように、荷重Ｍは、柱脚部２ａ下端に備えたベースプレート５の周部５ａと、リングパネル６の上端内周面に固定される支圧プレート９（符号９ｄとする）との間の圧力ストラットでも抵抗することになる。

次に、上記した構成からなる鋼管杭１と鉄骨柱２の接合方法について図５、図６などに基づいて説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、例えば回転圧入工法によって地盤Ｇに複数の鋼管杭１を打設する。具体的には、鋼管杭１を回転させつつ地盤Ｇに圧入させていく。このとき、鋼管杭１の杭頭部１ａが地盤Ｇ内に埋設されて鋼管杭１の上端面が地盤面よりも下方になる深さまで鋼管杭１を打設する。鋼管杭１は、所定の間隔をあけて複数本打設する。

次に、地盤Ｇを掘削する。具体的には、杭頭部１ａ廻りを掘削して杭頭部１ａを完全に露出させるとともに、鉄骨地中梁１０（図１参照）が形成される箇所を掘削して床付けを行う。そして、掘削した地盤Ｇに、リングパネル６を設置するための基礎をなすコンクリート１３（いわゆる捨てコン）を打設しておく。
その後、杭頭部１ａにコンクリート等の第１充填コンクリート３を充填する工程を行う。このときの第１充填コンクリート３は、杭頭部１ａの上端部まで打設する。

次に、図５（ｂ）に示すように、杭頭部１ａの上端部に無収縮モルタル部４を設ける工程を行う。このとき、図６に示すように、無収縮モルタル部４は、その中心を後続施工される鉄骨柱２の中心軸線Ｏ２にほぼ一致するようにして配置されるとともに、鉄骨柱２の下端に固定したベースプレート５を設計した高さとなる厚さ寸法に調整した状態で設置される。

そして、リングパネル６を杭頭部１ａの外周側に隙間をあけて周囲から囲うようにして配置させる工程を行う。具体的には、リングパネル６を鋼管杭１の上端から杭頭部１ａに被せ、上端面が略水平になるようにリングパネル６を先に打設したコンクリート１３上に配置する。このとき、リングパネル６の下部６ｂの内周面と杭頭部１ａの外周面との間には隙間が設けられているため、リングパネル６の位置調整が可能となる。
つまり、図６に示すように、杭頭部１ａの中心軸線Ｏ１が鉄骨柱２の中心軸線Ｏ２とずれている場合に、リングパネル６をその中心軸線を鉄骨柱２の中心軸線Ｏ２に一致させて配置することができる。

ここで、図６に示すように、打設された鋼管杭１に施工誤差が生じる場合には、横方向の施工誤差を杭頭部１ａ及び柱脚部２ａとリングパネル６との間に設けられる隙間の範囲内で吸収することができ、また上下方向の施工誤差を無収縮モルタル部４の厚さ寸法を変えて調整することで吸収することができる。したがって、鋼管杭１の傾斜による施工誤差に対応することができる。具体的に上下方向の施工誤差は、無収縮モルタル部４の厚さ寸法を調整しつつ、無収縮モルタル部４の上面を設置する鉄骨柱２の中心軸線Ｏ２に直交する平面となるように形成することで、鉄骨柱２を所定の位置で、所定の軸方向となるように無収縮モルタル部４上に載置することができる。

次に、図５（ｂ）に示すように、このリングパネル６の外周面には、予め端部材１１およびダイアフラム１２をそれぞれ溶接接合させておく。

その後、複数（図５では１つのみを表示）の鋼管杭１にそれぞれ配置されたリングパネル６間を繋ぐ鉄骨地中梁１０を組み立てる。具体的には、複数のリングパネル６にそれぞれ付設された端部材１１間に配置し、図示しない接合板を介してそれぞれボルト接合する。なお、地盤Ｇの水平抵抗力が高く、鉄骨地中梁１０を省略する場合には、端部材１１およびダイアフラム１２は不要であり、鉄骨地中梁１０を組み立てる工程は省略される。

続いて、図５（ｃ）に示すように、鉄骨柱２を鋼管杭１の直上に配置し、柱脚部２ａをリングパネル６の上部６ｃ内に隙間をあけて配置させる工程を行う。具体的には、柱脚部２ａをリングパネル６の上端からリングパネル６内に挿入し、鉄骨柱２の下端に固定されているベースプレート５を無収縮モルタル部４上に載置させる。このとき、リングパネル６の上部６ｃの内周面と柱脚部２ａの外周面との間には隙間があけられているため、上述したように鉄骨柱２の位置調整が可能である。

次に、図５（ｄ）に示すように、杭頭部１ａ及び柱脚部２ａが挿嵌されたリングパネル６内に第２充填コンクリート７を充填する工程を行う。具体的には、リングパネル６と鉄骨柱２の柱脚部２ａとの間の上部開口から第２充填コンクリート７を充填する。
その後、リングパネル６および鉄骨地中梁１０を埋め戻し、スラブ８を形成する工程を行う。

上述のように本実施の形態による鋼管杭１と鉄骨柱２の接合構造および接合方法では、杭頭部１ａ及び柱脚部２ａより大きな断面形状をなすリングパネル６を杭頭部１ａと柱脚部２ａとに隙間をあけて囲うとともに、杭頭部１ａ上に厚さ調整した無収縮モルタル部４を設けるといった容易で且つ簡略化された方法により、打設された鋼管杭１における横方向及び上下方向の施工誤差を吸収することができる。そのため、無収縮モルタル部４上に柱脚部２ａを載置させることで、鉄骨柱２を所定位置に高精度で設置することができる。
このように、鋼管杭１の施工誤差を吸収しつつ、杭頭部１ａと柱脚部２ａとを接合することができる方法であることから、基礎工事の工期を短縮させることができ、工事費の低減を図ることができる。

以上、本発明による鋼管杭と鉄骨柱の接合構造および接合方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では、鉄骨柱２は円形鋼管からなるものが使用されているが、本発明は、角形鋼管からなる鉄骨柱でもよく、Ｈ形鋼等のその他の鉄骨材からなる鉄骨柱でもよい。
また、上記した実施の形態では、リングパネル６は、円筒状の鋼管からなるものが使用されているが、本発明は、角形鋼管からなるものでもよく、筒状の鋼管であればよい。

また、本実施の形態ではベースプレート５の平面形状を円形としているが、これに限定されることはなく、鉄骨柱の断面形状を考慮し、四角形状などの多角形としてもよい。
さらに、杭頭部１ａ内、リングパネル６内に充填される第１、第２充填コンクリート３、７をコンクリートとしているが、充填材の材料はとくに限定されることはなく、モルタルなどの充填材であってもかまわない。

また、地盤Ｇの水平抵抗力が高い場合は、鉄骨地中梁１０（端部材１１、ダイアフラム１２）を省略することも可能である。
また、本実施の形態では帯状の支圧プレート９をリングパネル６の内周面、鉄骨柱２の外周面、鋼管杭１の内外周面のそれぞれの周方向に沿って設けているが、これに限定されることはなく、例えばスタッドや棒鋼等を溶接することで形成させるようにしてもよい。この場合、第１、第２充填コンクリート３、７に接する範囲内に等間隔に配設され、その充填コンクリート３、７内に埋設された状態で設けるようにすればよい。
さらにまた、支圧プレート９の設置箇所、数量は特に制限されることはなく、リングパネル６の内周面、杭頭部１ａの内外周面若しくは柱脚部２ａの外周面のうち少なくとも一方に支圧プレート９が設けられていればよい。

本発明の実施の形態による鋼管杭と鉄骨柱の接合構造および接合方法を示す斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図である。 鋼管杭と鉄骨柱との軸力の伝達状態を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は地震時における応力伝達状態を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は鋼管杭と鉄骨柱の接合工程を示す図である。 鋼管杭の施工誤差を調整する状態を示す図であって、図２に対応する図である。

符号の説明

１ 鋼管杭
１ａ 杭頭部
２ 鉄骨柱
２ａ 柱脚部
３ 第１充填コンクリート（第１充填材）
４ 無収縮コンクリート部
５ ベースプレート
６ リングパネル
７ 第２充填コンクリート（第２充填材）
１０ 鉄骨地中梁

Claims (1)

1. 鋼管杭の杭頭部と、該鋼管杭の直上に配置された鉄骨柱の柱脚部とを接合する鋼管杭と鉄骨柱との接合構造であって、
   前記杭頭部内に第１充填材が充填され、
   その杭頭部上に、厚さ調整可能な無収縮モルタル部が設けられ、
   前記無収縮モルタル部の上面に、ベースプレートを下端に備えた前記柱脚部が載置され、
   その杭頭部と柱脚部を周囲から囲うようにして、前記杭頭部及び柱脚部よりも断面形状が大きい筒状のリングパネルが配置され、
   前記杭頭部及び柱脚部と、前記リングパネルとの間に第２充填材が充填されており、
   前記柱脚部の外周面に周方向に沿って設けられた第一支圧プレートと、前記リングパネルの内周面に周方向に沿って設けられた第二支圧プレートと、前記杭頭部の外周面に周方向に沿って設けられた第三支圧プレートと、をさらに備え、
   鉛直上方から下方に向かって前記第一支圧プレート、前記第二支圧プレート、前記第三支圧プレートの順に配されていることを特徴とする鋼管杭と鉄骨柱との接合構造。

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