ImprOvement of ultilnate behavior of steel pipe pile foundation

銅管杭基礎 の終局限界状態の向上 に関す る研究

塩井 幸武キ,木村   亮料,長谷川 明^*キ・,毛呂   員^**料

ImprOvement of ultilnate behavior of steel pipe pile foundation

Yukitake SHIoI*,Makoto KIMuRA・

Abstract

Steel pipe piles have been、 videly used for foundation because of the superior properties in bearing capacity,ductility and easy operation at site  However,since the ultirnate resistance

for horizontal force is used to be lilnited by buckling of pile and to be estirnated in a smaH values,

Paper reports the results of ioading tests of group p■ e foundation models in large scale, adapting concrete packing in pile top,and the successful effect of this lnethod

Keywords: steel pipe pile,horizontal resistance,linit design

1.研究の 目的 と背景

鋼管杭基礎 は最 も普遍的な基礎形式で,これ までは許容応力度法で設計が行われて きた。 し か し

,土

,破

)で

,耐

,座

屈や大変形で安定や機能 を失 う状態である。

鋼管杭 は円筒形の鋼材であるために変形追従 性 のよい特性 を持 ちなが ら

,局

,限

平成8年10月 18日 受理 中構造工学研究所・ 教授

ネ‡京都大学工学部交通土木工学科・ 助教授 構

4土

ネキ事

*建

て きた。 そ こで鋼管杭の座屈 を防止 し,せん断 耐力 を高めて終局限界状態 を鋼材の破断強度付 近 まで持続せ しめることによって鋼管杭の特性 を最大 限 に発揮 させ る こ とを研究 の 目標 とし た。

具体的にはモーメン トの最大 となる杭頭部 に コンク リー トを充ナ員して座屈 を抑制す るととも にせん断補強の効果 を図 り

,杭

一方,平成7年1月 17日 の阪神淡路大震炎 は 土木建築 の構造物 に多大なる損傷 を与 えた。い くつかの破壊的な被災例 に鑑 み

,決

,構

,基

‑19‑

八戸工業大学構造工学研究所紀要 第 4巻

には被災後の検査や修復が困難であること,基

礎 を再構築す ると構造物全体 を更新せ ざるを得 な くなること,迅速 な復 旧を図るには修復作業 を気中の躯体や上部構造 に留 めたい ことな どか ら基礎の耐荷力 と靱性 は気中部分 よりも大 きい ことが必要 とされている。

このように構造物のせん断耐力や変形性能 を 照査す る考 え方 は限界状態設計法 と非常 によ く 馴染 む ものである。

2.研究方法

上記 の 目標 を達成 す るた め に図 2.1に示 す 要領で水平載荷試験 を実施 した。試験 は鋼管杭 のモーメン ト最大 となる杭頭部 にコンクリー ト を充填 して座屈 を防 ぐとともにせん断補強の効 果 を図 り,破壊 は鋼管の曲げ破壊で迎 えられ る

ようにす ることをね らった ものである。すなわ ち,杭頭部の充填 コンク リー トの効果 を調べ,鋼 管杭基礎 の変形性能 の向上 を図 ろうとす るもの

である。

本来 な らば地盤 に打 ち込んだ杭基礎の状態で 試験 を行 うのが現実的であるが,目的が充填 コ ンク リー トによる杭の変形性能の向上 を図るも ので あるために図‑2.1の モデルで も差 し支 え ない と考 えた。 これによって正確な試験がや り やす くな り,群杭 としての効果の測定,上下2つ ずつのデータの取得,試験 の安全性の確保 な ど の利点が得 られた。

試験 は相似律 を配慮 しな くて もよい程度の大 型の群杭模型(縮尺^1/3)を用いて通常 に作用す る鉛直荷重 (60 tf)を載荷 した状態で,水平荷 重 を交番で繰 り返 し (3回)載荷 した^(図

^2.2)。

4本の試験杭 は上下の フーチ ングで固定 されて いるために上下端で最大のモーメン トが発生す る。群杭模型の試験体 は4体で表‑2.1,図‑2.3 に示す とお り,中詰 めコンク リー トのない もの

^,

3.0 40 5.0

試験体 0 1,0        2̲0

反 カ フ レ ー ム    両 動 ジ ャ キ  ロ ー ドセ ル

〇 出

(m)

(m)

軸 力用 セ ン ター ホー ル ジャ ッキ

〇．中〇 出

図21 載荷試験装置の概要

―‑ 20 ‑―

0   0    0

Ъ 咽 ｕ 恩

15δ

ノ 8δ ノ

10δ

)

δ _), ^2δ ノ ^3δ ノ

δ

_{ノ 時 間}

‑5δ 〕′

‑8拘

10δ

)

‑150ノ 図2.2 載荷荷重の経路

(変

表‑2.1 _{試験体種類 と数量}

中詰め無 し    lD中 ^詰め     3D中 ^詰め

図 2.3 試験体 の中詰 めコンク リー ト

(黒

表 2.2 試験体 の計測項 目 と点数

鋼管抗基礎の終局限界状態の向上 に関する研究

点数/体 2点 8点 2点 16点

もの

,同

用いた鋼管 はSTK400,φ216.3,t4.5で,コ ン ク リー トは力=400 kgf/cm2でぁる。

載荷方法 は変位制御で実施 し,鉛直荷重60 tf

を保持 した まま

,中

数   量

1体 1体 1体

1イ

全長 中詰め

返 しで行 い,その後 は一 方 向載 荷 で50δ)′ に相 当す る

26 cmま

計 測 は表・

2.2に

お よび フーチ ング の ひず みや 変 形 を測 定 した

(図 2.4)。 この ほか

,杭

埋 め込 み部 の ひず み も計 測 して い る (表 2.3, 図^‑2.5)。 用 いた計器 と計測 のダイア グラム を 表‑2.4,図 _{2.6に示 す。}

本 試 験 体 の 中 詰 め 無 しの 場 合 の 計 算 上 の

‑2

No

計 測 項 目 荷   重 変   位 フーチ ソグ傾斜

ひ

―‑ 21 ‑―

試験体の特徴 コ ン ク リー ト中詰 無 全長 コンク リー ト中詰

杭頭,先端部lDコ ンク リー ト中詰 杭頭

,先

3Dコ

中詰 無 試 験 体 全長中詰試験体 杭頭中詰試験体^a 杭頭中詰試験体 b

計    器

計 計 計 重 位 斜 荷 変 傾

1軸塑性 ゲージ

3軸塑性 ゲージ 48点

八戸工業大学構造工学研究所紀要 第 4巻

下50

２ ０ 〇 １一 ４ ０ ０

︲一︲

３５０１．十

３５０１ 下 Ψ

︲■ ２０〇二

戦 荷方 向

:三_{軸 塑性 ゲー ジ}

載 荷 方 向

▲二:一軸 塑性 ゲー ジ

コンクリー ト充墳

No l N()2 No 3      N()4 図2.4 ゲージ位置の概略

表 23 杭頭埋 め込み部 のゲー ジ位置

対

象

鋼

管

フ ー ブ 筋

組 ^立 筋 フーチ ング下面

〃N曲線 と荷重経路 を参考 として図 2.7に示

す 。

3.試験結果

載荷 試験 で得 られた測定結果 の主 な もの を以 下 に示 す。

(1)荷^{重変位 曲線}

図‑3.1は各 試 験 体 の水 平 荷 重 と水 平 変 位 の 関係 で あ る。中詰 め無 しの もの は8り で最大荷 重 を迎 え,こ^{の とき},局部座 屈 の徴候 が み られ た。 それか ら荷重変位 曲線 は負勾配 とな り,次

ゲージ数

第 に耐力が低下 してい く。

全長 中詰 めの もの は^8り で座屈 の徴候 が現 れるものの,15り で も耐力の微増がみ られ,杭 径程度の変位 になって も水平耐力の低下 はみ ら れない。 この場合 は鋼管の塑性座屈 とフーチン グの亀裂が進行 しているので実質的な終局限界 状態であった。

lZ)中 詰 めは8り で最大荷重 を迎 え,座屈の 徴候が現れ るが,その後の荷重変位 曲線の負勾 配 は緩やかで杭径程度の変位 までわずかの耐力 低下で追従 している。

―‑ 22 ‑一

▲

上50

T

上 下50

2

︐ 軸 軸

ジ 一 ケ 周

亀裂ゲージ 1軸ゲージ

平

面

竜荷の載蕉

フーチング下面 フーチ ング下面 よ り

150 1nm, 250 1nm

フーチ ング下面 よ り

1001n■ 1, 200 1nm,300 mrn

50 1na虫

, 100m■

立

^面

位 置

本

数

4本×上下

lSL‑9 lSL‑5 lSL‑1

lSL‑10 Fl‑9

lSL‑6

Fl‑8 lSL‑4 lSL‑2

Fl 10 SVl‑8 lSL‑7

Fl■

F卜 7 sv卜 2 SVl‑4

lSL‑11

ワーブ筋

鋼管杭基礎の終局限界状態の向上に関する研究

組み立 て鉄 筋

SVl‑1

3 SV1 5

〇 〇

︻

8

3つ 中詰 めは^8り で全長 中詰 め とlD中詰 め の中間 に相 当す る最大荷重 と局部座屈の徴候が み られ るが,その後の変位 における耐力の低下 は

lD中

いずれの試験体 において も15り で は鋼管 の 下部の円周 に沿 って塑性座屈がみ られ

,上

そのために中詰 めコンク リー トが著 しく破損 し ている と推定 して試験後 に座屈部 の鋼管 を切 り 取 って調べた ところ

,1つ

,3D中

,全

(2)杭体のひずみ

図

3.2は

０ ０

﹁

コンタリー ト下面

● 主筋アーシ貼付け位置

X配筋アージH占付け位騒

H 2軸

図2̲5 フーチング内の鋼管 とフープ筋のゲージ位置

朗 管

項    目

フーチ ング傾斜

表

24 

図2.6計測ダイアグラム ーー 23 ‑―

数    量 荷

重

2

ひ

48/体

デ ー タ 収 録

SDP200R,DP500C

式 型

TCLP‑50B CLC100A

1軸 塑性ゲージ 3軸塑性 ゲージ デ ー タ ロ ガ ー スイ ッチボ ックス

コ ン ビュー ター 機

変

水平変位 鉛直変位 水平荷重 鉛直荷重

フロ ッピー

プ リン ター コンピューター

デー タロガー プ ロ ッター

￢

スイ ンチボ ンクス

ひ ず み ゲー ジ

傾 斜 計

荷 重 計

変 位 計

‑llll1   0

(tfm)

‑80

100      200 水平変位 (mm)

lD中詰め

100      200 水平変位 (mm)

300   ‑10(1    0

60 80

全長 中詰め

lll(1   21Xl 水平変位 (mm)

3D中詰め

100      200 水平変位 (mm)

5.0

八戸工業大学構造工学研究所紀要 第 4巻

‑60   ‑40    ‑20    0     20     40

軸 力

図27 鋼管の降伏,全塑性MN曲線 と載荷荷重の関係

中詰め無 し

▲ ヽ

＼ Ｉ Ｗ

40

10

00

40 30 20 10 0

‑10

‑20

‑30

‑40

40 30 20 10

0

‑10

‑20

︵︼︶ 側 に 畔 雫

40 30 20 10 0

‑10

‑20

‑30

‑40

‑30

‑40

‑10

︵︼︶ 側 に 畔

＜

４

３

２

１

一２

300

‑100    0 3(Xl   ‑100    0

―‑ 24 ‑―

図‑31 水平荷重 と変位の関係

/

イ

/

/r ttlttMN曲 線

曲線 ゝ

H H

H=8 tf

=10 tf

=12

tf

1

4 tf

H=6 H=

＼

H=2 tf

︱

． ■

H=3 tf H=l tf

=13tf

=15 tf

H=5tf H=

H=

ペ

/〃^{万 J}

ヤヤ

〃 グ

″〃

エ

/

ウ

⌒ 5δy10δ y15δ y

rυι…

χ

И

″ 10

7 /

/

/

′

′

////,%

ν

〜

√_/ノ

研

渉

10 δy 15 5

一

/

250 mm

/////J 劾

ワ

′//

1///

解

15

一

/

//

句

′

250 mm

300

ヽ

＼

ド

鋼管杭基礎の終局限界状態の向上に関する研究

０

５０

００

５０

５０

・００

・５０

２００

︵日 じ 醍 堅 Ｇ で 奈 ロ ト

≪ ふ キ ー ド 乖 引

０

５０

︲００

・５０

︵Ｅ じ 翌 堅 Ｇ で 奈 ロ ト

≪

′︑ ホ ー ド 輪 引

⌒Ｅ 己 器 里 Ｇ で く 恒 卜

≪ ヘ キ ー ド 爺 引

llXXl

0

５０    

・００    

︲５０

︵Ｅ 己 翌 裂 Ｇ で ミ ロ ト く ヘ キ ー ド 希 引

‑2(l(Xl ‑llXll1   0 ひずみ 水平載荷時の鋼管 のひ

(μS) ずみ状況

2000 (中詰 無

)

ひずみ

_(μ

‑1000    0

1000      2000

)

ひずみ (μS) 水平載荷時の鋼管のひず

1(llX1     2000

み状況 (lD中^詰

)   

図

32 

‑1(ll10    0

の鋼管ひず 挙ツ状況

2000

(3D中^詰)

く ひ ０ み の

1000

階毎のひずみの分布 を示す。測定位置 は中央の 2本の杭の内の一本 の載荷 ジャッキ側 の一連 の 軸方向のゲージである。

lD中

,3D中

^,

●,▲ ,■および◆印はそれぞれ^1り,2り,3δ!ン,

5り,8″

,10り

‑240 

であることが確認 している。

いずれ も3り まで は線形 に近 い状 態 で あ る が,中立軸 は中間点 よりも上部 になっている。中 詰 め無 しで は^10り まで平面保持 の原則 に応 じ て非線形挙動 を示 しているが

,15鋤

全 長 中詰 めで は^15δぅ^,ま で 中立軸 は変 わ ら ず

,骨

る。

lD中

フーチ ングの付近 で鋼管 の塑性 化 が5鋤 か ら 始 ま り

,中

とが推定 され る。

3つ 中詰 めで も下 部 フーチ ング側 で コ ンク リー ト天端 を挟 んで鋼管 のひず みが不連続化 し

,中

●)杭頭拘束モーメン ト

図

3.3,図 3.4は

,杭

気中の杭体では小 さい変位量の載荷段階でほ ぼ左右対称 のひずみ分布 をしてお り

,中

1,350 mm付

―‑ 25 ‑―

ヽ

誰

︑

ヽ

議 ヽ

八

ー

＼

ペ

>

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ペ

二球

y

二^:彎徐

y

=:輩

^)y

孝 _―け 撒 ^y

15 

δ y

―

‑15  δ y

蛍蠅 訂洲切ド田

覇

剖

勢♂アか

pメ

匙

ｒ 一

V

凸 コ

奪 ナす

hヽ

‖ヽ

2400

2000

1600

1200

800

400

‑400‑15104 ̲1104 ̲51X10   0   51(10  1104 ひずみ (μS)

鋼管 ① のジャッキ側の軸ひずみ分布 図33

の下部 フーチ ング付近 で大 きな塑′性ひず みが発 生 す る よ うにな る。

5δ

くな って局部座屈 に進 み始 めてい る。

埋 め込 み部 のゲー ジはフープジベル (円周上 のズ レ止 め)の間 に貼 り付 けてい るので すべ て の応力 を表 してい る とは言 いがたいが,一応,埋

‑2104  ̲1.5104 ̲1104  ̲51XX1    0    51XXl ひずみ (μS)

図34 鋼管 ③ のジャッキと反対側の軸ひずみ分布

め込み部 の鋼管のひずみの傾向を示す とみなせ る。そのひずみの値 は小 さ く,杭頭のモーメン トの大部分 は既 にフープジベル を通 じてフーチ ング内に伝達 されているもの とみ られ る。 それ で もひず みの値 は逆転 し,先端 で大 きな値 に なっている。また,①杭にあっては下部フーチ ングの杭は弾性領域 に留 まっているが,上部

O‐

―

当

―δy

―←

δy

■爾 ^y

≧部 4昂

4品∵

^y

―●‐ ‑15  δ y

党 f

´ 心

布

籠 山

笙王 =

▼

^》

『

Pり

T

蟷

Iゝ

＼

↓ 出 出

‑10。 ^y 第4巻

ヽ

ひずみ

10のひずみグラフ

フー プ筋 の ひ ず み の状 況 (上部 フー チ ング ⁾

八戸工業大学構造工学研究所紀要

︵ Ｅ ︶ 硼 起 ふ ︱ ふ Ｅ

︵ 日

日 ︶ 硼 ｕ へ ︱ ふ ︵Ｅ じ ■ こ Ａ Ｉ ふ

︵Ｅ Ｅ ︶Ｘ 鋼 ふ Ｉ ふ

2400

2000

1600

1200

800

400

‑400

100

図

2∞

― ぃ

 ,sa y 100

800   ヽ O0  400   ^‐ 200   0   200  400 ひザみ

Fl‐2,Flヽ,Fl‐

10の ひずみグラフ

図

フ ー プ 筋 の ひ ず み の状 況 (下部 フー チ ング )

‐

8∞

‑ 26 ‑一

／ ４

Ч式 ヽ

ｉド 酬

F2

鋼管杭基礎の終局限界状態の向上 に関する研究

フーチング内では引張応力が拡大している。③ 杭では下部フーチング内の杭は引張応力が大き

い もののや は り弾性領域 に留 まってお り

,上

図

3.5,図 3.6は

,全

以上 の他,フーチ ングの鉛直変位

,亀

,鋼

4.解析 および考察 (1)中詰 め コ ンク リー トの効 果

図

4.1は

,最

,全

3D中

は考慮 した方が よい。

lD中

,杭

(2)繰 り返 しに よる耐荷力低下率

地 震 な どの繰 り返 し荷重 の作用時 に水平変位 量 と繰 り返 し回数 に よる耐荷力 の低下率 を推定 す るた め に作成 したのが図

4.2で

,水

1回

る。

内部 の コ ンク リー トの圧 縮抵抗 と引張抵抗 が 微 妙 に影 響 して 8り まで は10%以内 の範 囲 で ば らつ くが,10鋤 以 上 で は中詰 め祭 しは40%

近 くにな るの に対 し,中詰 め コ ンク リー トを施 工 した もの は充 填 量 に応 じて 低 下 率 は最 大

19%と か な り小 さ くな る。

(3)板衰 定数

地 震 時 の変位 の進行 に応 じて減衰 が どの よ う にな るか を推定 す るた めに荷重履歴 曲線 か ら反 衰 定数 を算 出 した。図

43に

lり で は鋼 管 と中詰 めお よび フーチ ング の コ ンク リー トとの付着 の影響 を受 けて必 ず しも 弾性 的 な挙 動 とな らなか ったた め に見掛 け上 の 減 衰定数が大 き くでてい るが,そ^{の他 で は変位}

(下部 フーチ ング

)

水 平 荷重 ― 水平 変 位 包 絡 線

― ― ― 中諸 め 無 し

―――― 中詰 め

― ― ―‐中詰 め

‐ … … …全 長 中詰 め

＼

＼ 、

̲̲

″

50   100  150  200  250  300

水 平変位   じ DP(mm)

図 41 水平荷重―水平変位包絡線

0       5       10      ^δy 図 42 荷 重 低下 率 と水 平変位 の関係

４０

３５

３０

２５

２０

１５

︲０

５

０

︵半 中︶ 側但 畔終

４０

３５

３０

２５

２０

１５

︲０

５

０

︵ゞ

︶母 卜尊 側に

一‑ 27 ‑―

― 中

卜 全長中詰

‑3D中 ^賄

‑1

3D 全長中監

lD中

諾

八戸工業大学構造工学研究所紀要 第4巻

懸 弧 榔 摂

の増加 とともに定数 の値 は大 き くなってい る。

その中で も中詰 めコンク リー トの充填量の差が 顕著 に現れ,全長中詰 めは弾性体構造部材の よ うな挙動 を示 している。 また,鋼管の塑性座屈 が み られ始 めた^8δ)から定 数 の値 が大 き く なってい るの は鋼管 の塑性変形 に よるエ ネル ギーの吸収が効果的であることを示 している。

0      5       10     

^{δ y} 図

等価 減衰 率 と水 平 変位 の関係

‐

30    

20    ‑10     0     10

中 皓 無

‐

30    ‑20    ‑10     0     1o

lD中

図

141  鋼 管 の損傷

中詰 め コ ンク リー トを施 工 す る こ とに よって 鋼管 の局部 座 屈 とそれ の進 展 に よる耐荷力 の低 下 を防 ぐこ とが で き るの は既 述 の通 りで あ る が,鋼管柱 の塑性座 屈 は下部 で著 しい。 当初 は 鋼管 の上 下 の端部 か ら同 じデー タ を2つず つ得 られ る もの と考 えたが,モー メ ン トの中立軸 が 柱 の中間点 よ りも上 にな り,結果 的 に鋼管下部 のモ ー メ ン トが最大 となって塑性状態が先行 し た。 その原因 は上部 フーチ ングの回転変形 にあ る。即 ち,下部 フー チ ング は床 にボル トで固定 され てい るた めにボル トの伸 びの分 しか回転 で きないが,上部 フー チ ング は鋼 管柱 の 回転 変形 と軸変形 による大 きな回転 がで きるた めに杭頭 の拘束 モーメ ン トを緩和 す る ことになった。上 下 の フー チ ン グ の 回転 角 と水 平 荷 重 の 関 係 を 図‑4.4,図 _{4.5に示 す。}

O /

/葬 一タ

党

/

/

ブ

0 10 0̲35 0 30 0̲25 0 20 0 15 0 10 0 05 0 00

15

4

2

1

0

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1

‐

2

Z2 髪

暁 拶

― ―

多 斃_― ッ

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Ｉ 刀

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柁

６ ｏＯ ︶ 士 菜 軍 Ｇ ｇ ヽ 八 ふ ︱ ト

20     30     40  ̲30    

20    

10     0     10

全 長 中結

‑2

20     30    40  ̲30    ‑20    

10     0     1o

30中

上部 フーチ ングの傾斜角 と水平荷重の関係

20     30    40

―‑ 28 ‑―

宅 乏

と

準

墓

￨

代ｈ ビ

一

万 睦

多

才 多

‑2

20     30     10

7

姦

 ︲           

︒

︵？

コ︶ とこ こＧ Ｂ雪 曽

１         ヽ         Ｏ

︵Ｐ お

︶ と 葛 騒 Ｇ ビ 錮 慨

鋼管杭基礎 の終局限界状態の向上 に関す る研究

1.5

‐30    ‑20    ‑10     o     10    20    30    40  

0.5

30    

10

(tf)

1.S 1.S

4S

0.S

0    10

水 平荷Hく0

全 長 中皓

10

(tf)

20    30    40

20    30    40

O

20     30     40   9.S

‑30    

lD中

図 45

水 平荷H

3D中

下部 フーチングと傾斜角 と水平荷重の関係

(5)フー チ ング内の杭頭拘束 モー メ ン ト 杭頭 に発生 す るモー メ ン トは円滑 にフーチ ン グ に伝達 され な けれ ばな らない。全長 中詰 めの 試験体 で は杭 頭 モー メ ン トに対 して フー チ ング 内の抵抗 モー メ ン トは著 し く刈ヽさい。 中詰 め コ ンク リー トによる杭頭 の高 い岡中性 もあって最下 段 の フー プ ジベ ル等 か ら大部分 のモー メ ン トが 円滑 に フー チ ングの コ ンク リー トに伝達 された た め と考 え られ る。 それで も明 らか に反作 用 と しての抵抗 モー メ ン トは存在 す る。 しか し

,下

部 と上部 で はた また ま異 な る抵抗 が み られた。

下部 フーチ ングには亀裂 が数本生 じた ものの 鋼 管 は弾性領域 で 曲げ抵抗 を示 した。しか し,① 杭 で は 15り で フー プ鉄 筋 に大 きな ひ ず み が現 れ た。その後,50δノ まで一 方向載荷 す る過程 で 杭 の引張側 の フー チ ングの上側 コンク リー トが こ じ られ る よ う な形 で せ ん 断 剣 離 し た(図― 46)。

載荷方 向

―

岬

図

46 

岬

藤

―‑ 29 ‑―

多

/∠差

イ 左

/

/

/

/

一

〆

ラ

︱ ヽ

︑

︑

井

A

晏

杭 １

八戸工業大学構造工学研究所紀要 第 4巻

これ に対 して上部 フーチ ングの杭頭 は^15鋤 で大 きな引張 ひず み を示 して い るが,周 りの フープ鉄筋 にはその ような徴候 は見 られ ない。

これはフープ鉄筋 を含むコンク リー ト塊 と鋼管 の合成体でモーメン トを負担 しているもの と推 定 され る。 この時点では上部 フーチ ングには下 部 より相 当多 くの数の亀裂が発達 してお り^(図― 4.7),配筋や加力補強材 の影響(図 4.8)も あっ

戟 荷

―

圧 縮 荷 重

―

引 張 荷 重

H locm

図 4̲7 上部 フーチ ング下面 の亀裂発生状況

016

ゆ12

て各杭頭 を中心 にしたブロックの集合体 として 抵抗 した とも考 えられ る。

俗)3次元弾塑性有限要素モデルによる解析 木村 らの開発 した3次元弾塑性有 限要素法分

(モ

0関_係(図 4.10)を 導入 して一連 の試験結果 に 対 す る非線 形解析 を行 った。M‑0関係 は図―

4.11の ような概念の下 に,試験体 の材料定数 を 軸力 とともに変化 させ ることによって得 られ る

もの とする。

水平荷重 と変位 の関係 を各試験体毎 に解析値 と実験値 で対比 した ものが図 4.12である。全

▲ ユ ー

１ １

■

▼ １

日 :フ ー子 ング

□ !登 気

日 日 :日

̀・

フーテ ング

￨:ピ

^ム要素 境 界 条 件

① ①

x軸

⑥

,(早田

⑥

図 4̲9 解析 に用 いたメ ッシュ詳細図

″ 蒻

―

コ ン ク リー ト詰鋼 管

曲■ (りm)

―‑ 30 ‑―

″

王 孤

４卸５Ы前Ы︲ｆ ５ｔＦ 一Ｓｔ前射Ｆ

一一 一一 一一 一一 一

図4̲8 上部 フーチ ング杭頭部 の補強状況 図 410 軸力 により変化す る

M―

鋼管杭基礎の終局限界状態の向上 に関する研究

M

図 4̲11 軸力 によ り変化 す る材料定数 長中詰 め以外 は良い対応 を示 している。全長 中 詰 めについて は解析 で は鋼管 の軸力 負担 を¹⁵ tfと した ものが

,実

リー ト^10 tfで軸力 に大 きな差 が あったためで ある。

この関係 は各試験体 の鋼管柱 の軸力 と曲 げ モーメン ト図に も現れてい る。図

4.13は

を解析値 と実験値 を比較 した ものである。同図 の全長 コンク リー ト中詰 めは水平載荷の前 に軸 力 に^10 tfの差が ある ことを示 している。 この 図の実験値のグラフの始点 を解析値 の始点 に移 動す ると図‑4.14の 通 りにな り

,ほ

他の試験体 も同様 の手法 を適用 してい るので

,

荷重変位 曲線 において も他 と同 じような結果 と なるはずである。

本解析で

,3δ

,杭

また,大 変形 に対 して も適切 な

M‑0の

_,材

料定数 を設定で きれば同様 に精度の高い解析が

― 実 験

ウ 舅

万

コンクリー ト中詰無

/

万 //J と

水 平 変位

― 解 析

― 実 験 //

ノ /

竹

全 長 コ ンク リー ト中詰

物

//ノ

察 カ

水 平 変位

1(Xl  ‑50   0   50  1∞   150  2∞   250  300

卜 la Wb

EbI

４ ０ ３ ︒ 獅 Ю Ｏ Ю Ｏ こ 日 偉 酢 終

EaI

上記の Ma,Mb,Ea,Eb,Ecは 軸力の値 により変動す る

I:断

Φ

・２０

︐３︒ 却

．   ４︒ ３０ ２０ １︒ Ｏ

・︲０

・２０

・３０

０ こ 日 峰 酢 柴

︿ 一﹈

I∞

ように   定 数 ど定礎

0

O ３ ０ ２ ０ Ю

︒ Ю ２ ０ ３ ︒ ０ こ 劇 悼 畔 く

３ ０ 知 Ю

︒ ｌ ︒ ０ こ Ｈ 博 洋 柴

‐

水 平 変位

‐

‑30

一 解 析

― 実 験 イ

7

″//

易

彩

彦

タ /

と多

3Dコ ンクリー ト中詰

■∞  ^‐50  0   50  1∞   150  2∞

  25υ

水平変位(mm)

図‑412 _荷重一変位曲線の解析値 と実験値の比較

‑31‑

解 析 実 験

〃ノ

分

IDコ

〃

影

//

影

＼＼

＼

ト レ

/ プ

／

／

ノ

八戸工業大学構造工学研究所紀要 第 4巻

(a)抗

^上方

硝力(ば

)

b

出 力 (tr)

全長 コンクリー ト中詰の軸力 〜モーメン ト図

抗 上 方

硝力 (ピ)

︵Ｅ七︶４ヽΛＩ中

・ ６        

・ ８

︵ Ｅ 一 こ

と ヽ Λ Ｉ Ｗ

︵Ｅ七︶とヽＡｌ中

︵Ｅ七︶とヘム︐中

・２ ４

ヽ

・ｇ

︵Ｅ 七 と︶ ヽ スＩ Ｗ

(a)杭

^上方

硝 力 (tF)

b

硝力(tr)

コ ン ク リー ト中 詰 無 の 軸 力 〜 モ ー メ ン ト図

(a)杭上 方

‖力(ば)

b

硝 力 (lf)

lDコ ンクリー ト中詰の軸力 〜モーメン ト図

︵Ｅ七︶とヽヽ１中

・ ２

４

ヽ

・ ８

︵ Ｅ

︼

︶ と ヽ ヽ １ 中

４       お      

・ ８

︵ Ｅ

︺

︶ と ヽ ヽ Ｉ Ｗ

＼

《

Ⅶ

Ｗ 概

が

b

出力 (:f)

3Dコ ンクリー ト中常の軸力〜モーメン ト図

図4.13 軸カーモーメン ト図の解析値 と実験値の比較

―‑ 32 ‑―

＼＼

ヽ訳

′ ｒ

/ /

/

′

／ ザ

γ

ν ヽ

ゝ

馬

ヽ

/

/

て

＼

ヽ

＼

沌

杭 杭 杭 抗 杭 杭 抗

析

＞ユ 験

♭

♭＞

好

″

″ 実

″

″

″

く

＼ ＼

＼

＼ ＼＼

//

/

″

′

／

／

7 ^{＼ ↓}

ヽ 、

＼ /

/

//

＼＼

巡

＼

鋼管杭基礎の終局限界状態の向上 に関する研究 (a)杭上 方

/

ん

r/

＼

︵ Ｅ 七 ︶ と へ ヽ １ 中

力

(tf)

韓力 (lf)

図4.14 補正後の全長 コンクリー ト中詰の軸カーモーメン ト図

︵ Ｅ ︼ ︶ 一 へ ヽ ︱ 中

可能 で あ る。

5。

本研究か ら次の ような結論 を得 ることがで き た。

(1)鋼管杭基礎の終局限界状態 を向上 させ十る ためには鋼管杭 の内部 をコンク リー トで充填す る方法が極 めて優れている。それによってせん 断耐力の強化

,局

,変

(動

,杭

ることが判明 した。

(3)大きな水平変位の際 に杭 の固定端 に発生 す る座屈 は塑性座屈で

,座

^,

は

)コ

(働 杭頭 をフーチ ング内に埋 め込む方法で固 定 した場合

,埋

,杭

(6)コ ンクリー トを充士員した鋼管杭の力学的 特性 を把握す るために3次元弾塑性有限要素法 のモデル を用いて一連 の載荷試験の結果 を解析 した ところ

,一

M‑0の

,材

(7)試験では上部 フーチングの回転変形のた めに下部 フーチング側の鋼管のモーメン トが最 大 とな り,座屈現象が先行 した。杭頭お よびフー チ ングの回転角の杭頭モーメン トに及ぼす影響 が大 きい ことが確認で きた。

―‑ 33 ‑一

抗杭杭杭杭抗抗

析

＞工

＞験

＞＞

解

″

″ 実

″

″

″

＼

ヽ

＼

７

縄

/ ｒ

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