JPS62258018A

JPS62258018A - 高強度鉄筋コンクリ−ト杭

Info

Publication number: JPS62258018A
Application number: JP10276786A
Authority: JP
Inventors: Yukio Matsumoto; 松元　幸男; Toshimitsu Sandou; 利満三堂; Katsumi Tokunaga; 徳永　勝巳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-03
Filing date: 1986-05-03
Publication date: 1987-11-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、現行慣用の遠心力鉄筋コンクリート杭の改良
に関し、地震時軸力の激増・激減及び曲げモーメントを
受けるフーチング直下の基礎杭に、この改良された高強
度鉄筋コンクリート杭を用い、上部構造物を長年月安全
に支持することをその目的とする。

軸方向の鉄筋を、圧縮強度８００ｋｇ／ｃｍ２または８
００ｋｇ／ｃｍ２以上の高強度コンクリートに鋳込む鉄
筋コンクリート杭の開発の試みはまだ行われていない。

この高強度鉄筋コンクリート杭の米開発の理由は、鉄筋
コンクリート杭では、地震時杭が曲げモーメントを受け
たとき、コンクリートの圧縮強度が大きい杭の圧縮側に
は不安要素はなく、コンクリートの引張強度が小さく、
衝撃力又は曲げモーメントを受けるとたちまちひびわれ
が生ずる杭の引張側に多大な不安要素があるとする一般
的な鉄筋コンクリート部材の既成概念に基ずき、杭のコ
ンクリートの圧縮強度をいかほど強化しても幾ばくの効
果も得られないと判断したことが、現在に至るまでのこ
の杭の未開発の主因をなすものと思考される。鉄筋コン
クリート杭の軸筋の鉄筋比を増大させるに従って杭の抵
抗曲げモーメントは増大するが、鉄筋比を更に大きくす
ると、引張側の軸筋の降伏前に円筒状をなす杭の圧縮側
全断面が一度に圧壊する。従来の技術上の考え方からす
れば、これは靭性のない最も悪い設計例とされる。この
杭の圧壊現象を一般通念の技術の立場からみると、軸筋
の鉄筋比が過大であった結果と断定し、それ以上の追求
を行わない。しかしながら、現象のとらえ方には多面性
がなければならない。

この圧壊現象を、前進的技術思想の立場からみると、杭
の圧縮側の圧壊現象は、コンクリートの圧縮強度の不足
による当然の結果であると断定できる。

本発明は上記の前進的技術思想の立場に立つもので、鉄
筋比の比較的大きい鉄筋コンクリート杭では、現行の鉄
筋コンクリート杭に用いる約４００ｋｇ／ｃｍ２のコン
クリートの圧縮強度を大幅に増大させることが不可欠の
要件であると思考し、この新規な技術上の思想に基ずき
、鉄筋コンクリート杭の軸筋を圧縮強度８００ｋｇ／ｃ
ｍ２以上の高強度コンクリートに鋳込む手段を用いた。

一方この高強度コンクリートに配設する軸筋としては、
終局強度設計に基ずき高強度コンクリートの圧縮強度の
限界付近まで降伏しない軸筋が望ましい。コンクリート
の圧縮応力度ひずみ度曲線の性質上、低応力時の高強度
コンクリートと軸筋との弾性係数比が５．２５であろう
と、コンクリートの圧縮応力の増大に従って弾性係数比
を６．０ないし５．５とすることが実際に即した係数と
なる。ＳＣ杭でもこの見解をとっている。従って望まし
い軸筋の降状点強度σＳＭは σＳＭ＝（８００〜８５０）×（６〜６．５）　　　＝
４８００〜５５２５ｋｇ／ｃｍ２上記の条件から、降状
点強度５，０００ｋｇ／ｃｍ２または５，０００ｋｇ／
ｃｍ２以上の軸筋がこれに該当する。

上記の条件に従って実験に供した軸筋には、ＪＩＳ　Ｇ
３１１２に規定された熱間左延棒鋼・ＳＤ５０を用いた
が、ＳＤＣ５０でもよい。これらの軸筋の規格降状点強
度は５，０００ｋｇ／ｃｍ２であるが、大部分の棒鋼の
降伏点応力度はおよそ５，５００ｋｇ／ｃｍ２であると
され上記算定値に適合する。

第１図は杭の横断面の模形図で、この図面の符号に従っ
て本発明の高強度鉄筋コンクリート杭（以下ＨＲＣ杭と
いう。）の供試杭の説明を行う。供試杭の外径Ｄは４０
ｃｍ、杭の材厚ｔは７ｃｍ、全断面積は７２６ｃｍ２で
ある。次に供試杭の軸筋の配筋設計を示すが、ＳＤ５０
の異形棒鋼Ｄ１９の公称断面積は２，８６５ｃｍ２であ
る。

（Ｄ１９×１５本）総断面積４２，９７５ｃｍ２上記軸
筋の配筋半径ｒｓを１６．７５ｃｍとした。

供試杭の半径ｒｏは２０ｃｍ、材厚ｔの中心を結んだ中
心円の半径ｒは１６．５ｃｍ、中空部の半径ｒｉは１３
ｃｍとなる。図面の直線Ｃは断面の中心線、半開角αと
中心円との公転を結ぶ直線Ｎは中立軸の位置を示す。前
記配筋のときの鉄筋比は５．９１９％となる。供試杭の
コンクリートの圧縮強度は８５０ｋｇ／ｃｍ２が保証で
きるので、この高強度コンクリートの許容圧縮強度σｃ
を４２５ｋｇ／ｃｍ２とし、コンクリートの引張強度は
無視する。また軸筋の許容強度を圧縮・引張とも降状点
強度の９０％に相当する４，５００ｋｇ／ｃｍ２に設定
し、弾性係数比をｂとして遠心力鉄筋コンクリート杭の
応力平衡計算式に従って概算すると、半開角αは１．１
４９ラジアン（６５°５０′）と算定され、中立軸Ｎに
関する断面二次モーメントＩは、６０，６０７ｃｍ２と
なる。以上の近似計算の明細は省略する。

本ＨＲＣ杭の高強度コンクリートの許容圧縮強度σｃか
らきまる曲げモーメントＭｒｃは下記の（Ａ）式、高強
度軸筋の許容強度σｓからきまる曲げモーメントＭｒｓ
は下記のＢ式で示される。

…（Ａ） …（Ｂ）供試杭の諸元を上式に代入すると …（Ａ１） …（Ｂ１）Ａ１式とＢ１式の曲げモーメントの差は約０．１ｔ・ｍ
で、両式はほぼ等しい。このことは、この配筋設計のと
き高強度コンクリートと、高強度軸筋との曲げ抵抗力が
丁度つりあった状態にあることを示す。供試杭の曲げモ
ーメント２０ｔ・ｍに対応する範囲の引張側のひびわれ
は０．２ｍｍを超えない毛状ひびわれであって、これは
異形棒鋼による特殊付着効果も充分働らいているものと
認められる。また、曲げモーメント２０ｔ・ｍから荷重
をゼロに戻したときの杭のたわみはほとんど原状に復し
、軸筋の弾性及び圧縮側のコンクリートの弾性が健在に
作用することが示された。以上の曲げ試験において供試
杭の軸力ゼロにおける許容曲げモーメントは１９．３ｔ
・ｍと認め得、この許容曲げモーメントは従来の鉄筋コ
ンクリート杭のＣ種のモーメント杭の許容曲げモーメン
ト９．５ｔ・ｍの約２倍に相当し、予期以上の耐震能力
が得られることが実証された。また、この許容圧縮強度
４２５ｋｇ／ｃｍ２の高強度コンクリートに過不足なく
対応できる最適な軸筋は、ＳＤ５０又はＳＤＣ５０の異
形棒鋼であることが実験によって明らかに照明された。

軸筋の鉄筋比を同一にして軸筋の材質をＳＤ４０（降状
点強度４，０００ｋｇ／ｃｍ２）に変えると、この場合
の軸筋の許容強度は３，６００ｋｇ／ｃｍ２に設定され
、これをＢ式に代入すると引張側の許容曲げモーメント
は１５．４７ｔ・ｍに低下する。しかしながら、この場
合でも前記従来のモーメント杭の曲げモーメントの１．
５倍以上となり実用に供し得るので、材料の入手事情な
ど止むをえないときは、ＳＤ５０の代替棒鋼として使用
できるよう本発明の軸筋の範囲に含めるものとする。

コンクリートの簡素収縮及び構造物の荷重によるクリー
プによって軸筋に余分な軸力の負担が加わることは、鉄
筋比の大きい現行のＳＣ杭と同様であるが、本ＨＲＣ杭
の場合は降状点強度４，０００ｋｇ／ｃｍ２以上の軸筋
を用いるので、軸力の余分な負担を充分に吸収し得る特
徴がある。

従って、本ＨＲＣ杭の鉄筋比は１５％程度までは可能で
あろうが、一応ＳＣ杭の鋼管の板厚を６ｍｍとした鉄筋
比、すなわち１０％内外の鉄筋比までは充分に許容でき
るものと考えられる。

ＳＤ５０のＤ２２（断面積３．８７１ｃｍ２）の軸筋を
、供試杭と同一の杭に１９本配筋するとこのときの鉄筋
比は１０．１３％となり、軸力ゼロにおける許容曲げモ
ーメントは２６．８ｔ・ｍと算定され、その耐震能力が
巨大となることを示す。

なお、本発明の目的はフーチング直下の杭の保有軸圧耐
力及び保有水平耐力を高め、地震時に構造物を安全に支
持することにあるので、その耐震能力を高度に保持させ
る必要上、軸筋の鉄筋比の下限を５％と定める。例えば
、ＳＤ５０のＤ１６の軸筋を外径４０ｃｍの杭に１８本
配筋すると、軸筋の総断面積は３５．７４８ｃｍ２とな
り鉄筋比は４．９２４％となる。使用する軸筋の断面積
及び配筋本数の関係から上記のように５％以下になる場
合もあるが、このわずかな差の範囲は近似値として５％
の範囲に含めるものとする。この配筋のときのＨＲＣ杭
の軸力ゼロにおける許容曲げモーメントは１６．８ｔ・
ｍと算定され、前記現行のＣ種のモーメント杭の許容曲
げモーメントの約１．７７倍に相当し、充分実用に供し
得る。

また、本ＨＲＣ杭では地震終息後の杭の復元力を助長す
る目的で、３本又は４本の小径鋼管を高強度コンクリー
ト内の所定位置（偏心をおこさない位置）に埋設してお
き、ＨＲＣ杭の養生工程完了後、この小径鋼管内にφ８
ｍｍないしφ１３ｍｍの所要の太さのＰＣ鋼棒を差し通
し、このＰＣ鋼棒を緊張して杭の両端の輪状鉄板４（第
２図参照）にナット又はクサビで定着させる復元力の補
強手段を加用できる。この場合は杭が曲げモーメントを
受けて大きくたわんだあとの杭の復元力が強化し、巨大
地震時０．２ｍｍ以上のひびわれが発生しても、地震終
息後そのひびわれは完全に閉じることが曲げ試験によっ
て実測され、ひびわれによる影響はＨＲＣ杭には残留し
ないことが確認された。上記補強工作はポストテンショ
ン方式プレストレスの導入法であるが、もちろんプレテ
ンション方式の導入法に変え得る。この場合のコンクリ
ートのプレストレスは、最大でも２０ｋｇ／ｃｍ２以内
の低応力に設計するので、杭の許容軸力及び許容曲げモ
ーメント上は実用上無視してよいものと考えられる。

但し厳密な設計を行う場合は、緊張するＰＣ鋼棒を異形
棒鋼に換算してＨＲＣ杭の鉄筋比の一要素とし、導入す
るプレストレスを高強度コンクリートの圧縮強度から差
引き、その５０％を高強度コンクリートの許容圧縮強度
とする許容曲げモーメントの算定方法が最も公正な計算
手法であろう。

以上に述べた本ＨＲＣ杭は、通常■杭の上杭として用い
られるので、杭の一端に継手金具を一体に取付ける。地
震時の最大曲げモーメント及び最大せん断力は上杭だけ
に作用するので、下杭となる杭は通常ＰＨＣ杭のＢ種又
はＡ種となることが多い。本ＨＲＣ杭の接続端部の曲げ
強度は、これらの下杭の曲げ強度より多少強くする必要
がある。第２図は前記供試杭の継手金具の構造を示す。

杭の高強度コンクリート１内には、巻筋間隔を５ｃｍに
したφ４ｍｍの巻筋２の内側にＳＤ５０のＤ１９の高強
度軸筋３が配設される。輪状をなす継手鉄板４の外縁部
上面には溶接に要する開先５を設け、この継手鉄板４の
外縁下部に、板厚４．５ｍｍのしま鋼板製の補強バンド
６を一体に溶接連結する。高強度コンクリートに埋込ん
だ異形棒鋼の引抜き抵抗力はやく１００ｋｇ／ｃｍ２が
保証される。引抜き力を５，０００ｋｇ／ｃｍ２と仮定
すればＤ１９の引抜力ＫはＫ＝５，０００×２．８６５
＝１４，３２５ｋｇ従って軸筋の定着長さｘは１００×６×ｘ＞１４，３２５（左辺の数６は軸筋の周長６ｃｍを示す。）∴ｘ＞１４
３２５／６００＝２３．８７５ｃｍ上記の算定結果から
補強バンド６の長さを充分にみて３５ｃｍとしたが、実
験によって吟味を重ねると３０ｃｍ内外に短縮されるで
あろう。すなわち、異形の軸筋３の定着力不充足部分の
区間を、内面に格子状突条をもつ付着力の大きい補強バ
ンド６によって保償する構造である。以上に述べた接続
端部の曲げ強度は、ＰＨＣ杭のＣ種の杭との継杭の曲げ
試験によって同杭の曲げ強度より大きいことが実証され
た。もちろん継手金具は種種の構造の金具を用いること
ができる。第３図は、Ｄ１９以上の太径の異形棒鋼を継
手鉄板４に連結するカップラの構造を示す。

カップラ７は円形鉄板で、その一端の中央に穴を設け、
この穴に軸筋３の端部を差込んでカップラ７と溶接連結
し、カップラ７の他端に雌ねじを設け、この雌ねじにＰ
Ｃ鋼棒８の雄ねじをねじ込み、このＰＣ鋼棒８を公知の
手段で継手鉄板４に連結すると、軸筋３はカップラ７を
介して継手鉄板４に連結される。この継手金具も下杭と
の接続に充分に耐え得る。

以上に本発明のＨＲＣ杭の性能及び構造を説明したが、
以下にこの杭の特徴を列記する。

（１）本ＨＲＣ杭の耐震能力は、鋼管の板厚４．５ｍｍ
ないし９ｍｍのＳＣ杭とほぼ同等となし得る。

この耐震能力は従来の鉄筋コンクリート杭及びＰＨＣ杭
などでは到底得られない。

（２）この杭のコンクリートの圧縮強度は少くとも８０
０ｋｇ／ｃｍ２が保証されるので、軸圧耐力が大きく、
地震時の軸力の激増に耐え得る。

（３）この杭の軸筋の降状点強度は少くとも４，０００
ｋｇ／ｃｍ２が保証されるので、地震時の軸力の激減に
対する抵抗力が大きい。

（４）この杭の軸筋の圧縮強度は少くとも５，０００ｋ
ｇ／ｃｍ２が保証されるので、高強度コンクリートの圧
縮強度の限界まで軸筋が外力に抵抗し、杭の終局強度が
高められる。

（５）この杭の軸筋の降状点強度は少くとも４，０００
ｋｇ／ｃｍ２が保証され、且つ５％以上の軸筋が配筋さ
れるので、地震時に作用する衝撃的曲げモーメント及び
衝撃的せん断力に対する抵抗力が大きい。

（６）鉄筋比５％以上、且つ降状点強度４，０００ｋｇ
／ｃｍ２以上の軸筋を内蔵するこの杭は、地震時の曲げ
モーメントによって杭に大きなたわみが生じても、多量
な軸筋の弾性によって杭は原状に復元する。

（７）この杭の軸筋にはコンクリーとの付着強度の大き
い異形棒鋼を用いるので、地震時に作用する曲げモーメ
ントによって、毛状ひびわれが発生してもそのひびわれ
幅が小さい。

（８）この杭に用いる軸筋は、頭部切りそろえ工程時、
杭頭を約５０ｃｍフーチングに埋め込めば、高強度コン
クリートに完全に定着し頭部固定の耐震杭に適する。

（９）２０ｋｇ／ｃｍ２以内の低応力プレストレスをこ
の杭に導入するときは、地震時に生じたひびわれは完全
に閉じる。この低応力プレストレスは、コンクリートの
引張力強化ではなく、予備緊張したＰＣ鋼材の弾性ポテ
ンシャルを、杭の復元力強化に役だてる特殊プレストレ
スである。

（１０）この杭は製造工程が単純で、生産能率が高く、
経済性に富む高度の耐震基礎杭を市場に提供できる。

冒頭に述べた前進的技術思想に基ずいた本ＨＲＣ杭は、
上記に列記した有益且つ有用な多面にわたる特徴をもち
、許容応力度設計法並びに終局強度法の双方を満足させ
得る高度なその耐震能力を、長期間そのまま保持して構
造物を安全に支持する耐震基礎杭である。

なお、本ＨＲＣ杭に用いる異形棒鋼には、降状点強度を
４，０００ｋｇ／ｃｍ２以上にした平鋼又は角鋼にふし
を突設した異形の棒鋼などを用い得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本ＨＲＣ杭の曲げモーメントを求める算定式
に用いる諸元を示す杭の横断面の模形図、第２図は本Ｈ
ＲＣ杭の接続端部の一部断面図、第３図は軸筋を継手鉄
板に連結するカップラの構造を示す断面図である。図面中、符号α…杭の中立軸の半開角、Ｎ…中立軸、１
…高強度コンクリート、２…巻筋、３…異形棒鋼、４…
継手鉄板、５…溶接に用いる開先、６…補強バンド、７
…カップラ、８…継手鉄板に定着するＰＣ鋼棒。

Claims

【特許請求の範囲】

圧縮強度８００ｋｇ／ｃｍ＾２または８００ｋｇ／ｃｍ
＾２以上の高強度コンクリート内に配設した巻筋の内側
に、降状点強度４，０００ｋｇ／ｃｍ＾２または４，０
００ｋｇ／ｃｍ＾２以上の異形棒鋼を所要の本数配筋し
、この異形棒鋼の鉄筋比を５％以上にしたことを特徴と
する高強度鉄筋コンクリート杭。