1 (57)【特許請求の範囲】【請求項１】鋼管柱の補強構造において、地震等の大きな外力を受けた時に局部座屈が発生する鋼管柱の部位に対して、該鋼管柱の外径より大きい内径を有する補強鋼管を、該鋼管柱の外周に対して硬化材を充填せずに所定の間隔を設けて設置してなる鋼管柱の補強構造。【請求項２】前記所定の間隔内に、腐食防止、異物混入防止のための流動性材料又は圧縮性材料を充填してなる請求項１に記載の鋼管柱の補強構造。【発明の詳細な説明】 10 【０００１】【発明の属する技術分野】本発明は鋼管柱の補強構造に係り、より詳しくは、円形鋼管を柱部材として使用する橋脚、鉄塔、建築物等の構造物において、地震等の外力が作用した際に、柱部材の大きな応力が発生する部位を 2 局部的に補強することにより、変形性能を飛躍的に向上させる経済的、合理的な鋼管柱の補強構造に関する。【０００２】【従来の技術】一般的に、軸圧縮力を受けている鋼管柱に、設計外力を上回る地震力などによる曲げモーメントが作用した時、圧縮側の縁応力が材料の降伏点を越える最弱の断面位置において管軸方向に半波の凸状の局部座屈４０が生じることがある（図１０（ａ）参照）。このような局部座屈は、曲げモーメントが解除されても完全に元の状態に復帰せずに変形が残る。この状態で次に曲げモーメントが前記と逆の方向に作用した場合には、先に座屈が生じた断面の反対側に同様の局部座屈が生じる。更に、曲げモーメントが正負交番で作用した時には、それぞれの凸状の座屈変形モードが円周方向に進展し、やがて双方の座屈モードが融合して鋼管断面を周回 (2) 3 するいわゆる堤灯座屈５０となる（図１０（ｂ）参照）。この過程において鋼管柱の耐荷力は、局部座屈が発生するまでは上昇を辿り、局部座屈の発生とほぼ同時に最大値を示し、以降は座屈変形の成長に伴ない耐荷力は低下していく。先の阪神大震災（１９９５．１．１７）においても鋼管橋脚の柱基部の根巻きコンクリート直上や、柱中間の板厚変化部、マンホール部等部材の最弱の断面位置に凸状の局部座屈、あるいは、堤灯座屈が生じた。【０００３】鋼管柱の耐震性能を向上させる補強構造を考える上では、前述の局部座屈あるいは堤灯座屈の発生をいかに抑制するかが重要事項となる。従来、局部座屈の発生を防止する補強構造としては、鋼管の内部にコンクリートを充填する構造（前者）が知られている。また、鋼管の外面をコンクリートや鋼板で巻きたてる構造（後者）及び特開平６−１６７０７３号公報に開示されているように、鋼管柱の外面と該鋼管柱の外径より大きな内径を有する補強鋼の内面との間にモルタル又はコンクリート等の硬化材を充填する補強構造（後者）も知られている。【０００４】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の補強構造においては、鋼管柱の耐荷力を向上させるため鋼管柱の強度を高めることはできるものの、逆に基礎に対して大きな作用力となるため基礎やアンカーボルト等の弱い部分に対して負担をかけ、弱い部分における破壊を招来させる危険性がある。また、後者の補強構造においては、いずれも耐荷力の上昇による問題、ならびに設計外力を上回る地震力が作用した時に、補強部直近の無補強部、或いは、予期しない部位に局部座屈が生起するため、補強効果が期待される程得られないという問題を有する。【０００５】本発明は、叙上の問題点に鑑みて創出されたものであり、その目的とするところは、局部座屈が発生する鋼管柱の部位に対して、鋼管柱の外径より大きい内径を有する補強鋼管を、該鋼管柱の外周に対して所定の間隔を設けて設置することにより、地震等の大きな外力を受けたときに、鋼管柱本体の耐荷力を上昇させることなく、変形性能のみを向上させて、基礎やアンカーボルトの補強を必要最小限とすることができる経済的且つ合理的な補強構造を提供することである。【０００６】【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明は、鋼管柱の補強構造において、地震等の大きな外力を受けた時に、局部座屈が発生する鋼管柱の部位に対して、該鋼管柱の外径より大きい内径を有する補強鋼管を、該鋼管柱の外周に対して硬化材を充填せずに所定の間隔を設けて設置したことを特徴とするものである。また、上記鋼管柱の補強構造において、該所定の間隔に、腐食防止、異物混入防止のための、流動性材料ま 10 20 30 40 50 特許３５２２４１５ 4 たは圧縮性材料を充填することを特徴とするものである。【０００７】次に、本発明の作用について説明する。今、大地震が発生して、大きな外力が補強構造に加えられると、鋼管柱に座屈が発生する。該座屈はある程度変形し、鋼管柱の座屈部の外面が、補強鋼管の内面に接触するまでは補強鋼管には力の伝達は無く、鋼管柱が単独の挙動を示す。そして、鋼管柱の座屈変形が進行し、座屈部の外面が、補強鋼管に接触した後は、該補強鋼管が座屈変形を拘束する。そして、鋼管柱と補強鋼管との間隔は、鋼管柱単独の最大耐荷力を示す時の座屈変形量と一致するよう所定量を有して設計されているので、上記座屈が補強鋼管と接触した後は、鋼管柱の耐荷力ならびに剛性を上昇させることなく、変形性能のみを向上させ、エネルギー吸収量を大きくすることが可能となる。【０００８】【発明の実施の形態】図１は、本発明の鋼管柱の補強構造の実施形態が適用される一般的な高架橋脚の概略構成図であり、高架橋脚２０は地面と接触する基礎２１、該基礎２１に植設された橋脚２２、橋脚２２の上部に設置された橋梁上部工２３よりなる。基礎２１はフーチング２４と、該フーチング２４の下部に複数本植設された杭２５と、該フーチング２４内に埋設されたベースプレート２６と、橋脚２２を定着させるためのアンカーボルト２７より構成される。基礎２１の根巻き部２８直上の橋脚基部３０近傍や、橋脚２２の板厚変化部３１及びマンホール３２等の弱点部は、大地震時には応力の局部集中が起り、局部座屈が発生する可能性がある。本発明は、大地震時において、局部座屈あるいは堤灯座屈の発生が懸念される部分について補強を行ない、上記座屈をいかに抑制するかを基本思想としている。そのために、本発明は、鋼管柱の補強構造において、局部座屈が発生する部位に対して鋼管柱の外径より大きい内径を有する補強鋼管を、該鋼管柱の外周に対して硬化材を充填せずに所定の間隔を設けて設置することにより、地震等の大きな外力を受けたときに、鋼管柱本体の耐荷力を上昇させることなく、変形性能のみを向上させて補強を図ろうとしている。ここで「変形性能」とは、大きな変位が起っても耐荷力が損なわれずエネルギー吸収量が増加する性能のことをいう。図２は本発明の実施形態を示す鋼管柱の補強構造の概要を説明するための図であり、図２（ａ）は鋼管柱の補強構造の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線にて切断した断面図である。図において、地震等の大きな外力を受けた時に、局部座屈が発生する鋼管柱１の部位には、該鋼管柱１の外径より大きい内径を有する補強鋼管２が、該鋼管柱１の外周に対して所定の間隔３を保持して設置されている。上記間隔３は鋼管柱１の外径、肉厚等により定まるものであるが、間隔３が小さすぎて補強構造の耐荷力が最大となる以前に補強鋼管２の内面が鋼管柱１の座屈変形部と接触してし (3) 5 まい座屈変形を拘束すると、鋼管柱の耐荷力が上昇することになる。従って、上述した局部座屈の発生を所定の変形量まで許容するように上記間隔３はある程度大きくして耐荷力ならびに剛性の上昇を抑制するようにしている。そして、上記間隔３の大きさは、鋼管柱単独の最大耐荷力を示すときの座屈変形量と一致させることにより、上記座屈が補強鋼管に接触した後は、鋼管柱１の耐荷力ならびに剛性を上昇させることなく、変形性能のみを向上させることができるのである。【０００９】図３は、補強鋼管を鋼管柱に取付けるための第１実施例を示したものであり、図３（ａ）はその斜視図、図３（ｂ）はその一部欠截断面図である。図において、鋼管柱１の外周面には複数個の鋼材からなるＬ字金具４が同一平面内に溶着されており、補強鋼管２は鋼管柱１と所定間隔３を維持しつつ上記Ｌ字金具４に支持されている。【００１０】図４は補強鋼管を鋼管柱に取付けるための第２実施例を示したものであり、図４（ａ）はその斜視図、図４（ｂ）はその一部欠截断面図である。図において、鋼管柱１の外周と補強鋼管２の内周との間の間隔３には、両側から複数個のゴム製楔５が打ち込まれ挟持されている。そして、補強鋼管２は、楔５自体の弾性力と、鋼管柱１の外周面及び補強鋼管２の内周面と楔５との間の摩擦力とにより自重が支えられ、所定の間隔３を維持しつつ鋼管柱１に取付けられている。鋼管柱１と補強鋼管２との取付けに関し、２つの実施例について説明したが、鋼管柱１に発生する局部座屈に支障がない限り他の取付け手段を採用することができることは勿論のことである。【００１１】本発明は、既設構造物の補強はもとより、新設の構造物にも勿論適用することができる。そして、本発明を既設構造物に適用する場合、補強構造は、２つ以上に分割された円弧状の鋼板を現場にて溶接接合により円形に形成することができる。新設の場合には、前述の方法、あるいは製作工場において予め円形に成形した補強鋼管を本体に取付けることにより補強構造とすることができる。また、既設構造物あるいは新設構造物において、耐荷力に余裕がある場合には、鋼管柱と補強鋼管との間隔３は上述したものより多少小さくしたものを適用することができる。また、上記間隔３内には、腐食防止、異物混入防止のために流動性材料や圧縮性材料を充填することもできる。そして、補強鋼管の板厚、軸方向長さ、などは、鋼管柱本体の板厚、強度及び座屈の発生しやすい場所の軸方向長さなどを考慮して決定する。【００１２】次に、本実施形態の作用について説明する。今、大地震が発生して、大きな外力が補強構造に加えられると、鋼管柱１に座屈が発生する。該座屈はある程度変形し、鋼管柱の座屈部の外面が、変形の補強鋼管２の内面に接触するまでは補強鋼管２には力の伝達は無く、鋼管柱１は単独の挙動を示す。そして、鋼管柱１の 10 20 30 40 50 特許３５２２４１５ 6 座屈変形が進行し、補強鋼管２に接触した後は、該補強鋼管２が座屈変形を拘束する。そして、鋼管柱１と補強鋼管２との間隔３は、鋼管柱１単独の最大耐荷力を示す時の座屈変形量と一致するよう所定量有して設計されているので、上記座屈が補強鋼管に接触した後は、鋼管柱１の耐荷力ならびに剛性を上昇させることなく、変形性能のみを向上させ、エネルギー吸収量を大きくすることが可能となる。【００１３】次に、地震力を想定した高架橋の橋脚への加力実験結果を挙げる。供試体は高架橋の橋脚を想定し、１／３程度に縮小した円形鋼管の片持ち柱とする。図５に示される供試体は補強を施こさない鋼管柱本体のみの供試体 No.１であり、補強効果を確認するための基準となるものである。図６に示される供試体は補強鋼管を設置した供試体 No.２であり、大きさ、形状、材質とも供試体１と同一である。また、補強鋼管の高さは６００mm、板厚はｔ９、供試体 No.２と補強鋼管との間隔は１０mmとした。載荷条件としては、一定の鉛直軸力を負荷した状態を保持しつつ、柱頂部に地震荷重に相当する水平力を繰返して漸増しつつ作用させる。供試体に対する載荷の方向は図５に示されている。実験結果として、柱頂部における水平荷重と水平変位量の載荷履歴曲線を図７（供試体 No.１）、及び、図８（供試体 No.２）に示す。また、水平荷重と水平変位関係の包絡線を供試体 No.１、及び供試体 No.２ごとに、図９に示す。【００１４】実験結果から、図８と図７を比較すると、補強を施こした供試体 No.２（図８参照）は、補強を施こさない供試体 No.１（図７参照）と同様に最大耐荷力までは略同一の軌跡を描いているが、最大耐荷力以降は供試体２は供試体 No.１に比べて１ループ毎の劣化が小さく水平変位も伸びている。このことから、供試体 No. ２は供試体 No.１に比べて最大耐荷力以降は変形性能が格段に向上してエネルギー吸収量が増加しており、所期の目的を達成することが判った。このことは、図９に示される包絡線の状態からも言えることである。【００１５】【発明の効果】以上述べたように、本発明は、地震等の大きな外力を受けた時に、局部座屈が発生する鋼管柱の部位に対して、該鋼管柱の外径より大きい内径を有する補強鋼管を該鋼管柱の外周に対して所定の間隔を設けて設置したので、大地震が発生して鋼管柱に大きな外力が加えられると、鋼管柱に座屈が発生し、該座屈が補強鋼管の内面に接触するまでは補強鋼管に力の伝達はないが、座屈が補強鋼管に接触した後は、該補強鋼管が座屈の変形を拘束する。そして、上記間隔は鋼管柱単独の最大耐荷力を示す時の座屈変形量と一致するよう所定量を有しているので、上記座屈が補強鋼管に接触した後は、鋼管柱の耐荷力ならびに剛性を上昇させることなく変形性能のみを向上させ、エネルギー吸収量を大きくすることが可能であり、従って、基礎やアンカーボルト等の補 (4) 特許３５２２４１５ 7 8 強を最小限に止めることができるため、経済的且つ合理＊図６（ａ）はその正面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ的である。 −Ｂ線にて切断した断面図である。【図面の簡単な説明】【図７】供試体 No.１の柱頂部における水平荷重と水平【図１】本発明の鋼管柱の補強構造の実施形態が適用さ変位関係の載荷履歴曲線を示す図である。れる一般的な高架橋脚の概略構成図である。【図８】供試体 No.２の柱頂部における水平荷重と水平【図２】本発明の実施形態を示す鋼管柱の補強構造の概変位関係の載荷履歴曲線を示す図である。要を説明するための図であり、図２（ａ）は鋼管柱の補【図９】供試体 No.１と供試体 No.２の水平荷重と水平強構造の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ− 変位関係の包絡線を示す図である。Ａ線にて切断した断面図である。【図１０】鋼管柱に生じる局部座屈の例を示した斜視図【図３】補強鋼管を鋼管柱に取付けるための第１実施例 10 であり、図１０（ａ）は半波の凸状の局部座屈を示す斜を示したものであり、図３（ａ）はその斜視図、図３視図であり、図１０（ｂ）は堤灯座屈を示す斜視図であ（ｂ）はその一部欠截断面図である。る。【図４】補強鋼管を鋼管柱に取付けるための第２実施例【符号の説明】を示したものであり、図４（ａ）はその斜視図、図４１…鋼管柱（ｂ）はその一部欠截断面図である。２…補強鋼管【図５】補強を施こさない供試体 No.１を示す正面図で３…間隔ある。４…Ｌ字金具【図６】補強を施こした供試体 No.２を示す図であり、＊５…ゴム製楔【図１】【図２】【図４】【図３】 (5) 【図５】特許３５２２４１５【図６】【図９】【図８】【図７】【図１０】 ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 (72)発明者安波博道千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内寺田昌弘千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (6) (56)参考文献特開平６−167073（ＪＰ，Ａ) 7 (58)調査した分野(Int.Cl. ，ＤＢ名) E01D 21/00 E01D 19/02 E04G 23/02 特許３５２２４１５