JP2008082135A - 道路橋の補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 道路橋床版について、主桁間中央部の下面補強は、各種の方法により広く行われている。しかし張出床版については、従来の設計条件では上向きに荷重が働くことを想定しておらず、つまり張出床版下面に引張力が働く状況は想定しておらず、従ってこの状況に対する対策も確立していない。しかし、最近では環境対策の一環として道路橋の両側の張出床版の先端に防音壁を設置する例が多く見られ、道路橋の周囲の状況によっては、従来の高さ１〜２ｍ程度の防音壁では充分な防音効果が得られず、高さ４〜５ｍの防音壁の設置が必要となる。このような高さの高い防音壁を設置した場合、風荷重の作用により従来想定外であった「張出床版下面に引張力が生じる」ことが判明し、新たな補強方法が求められている。
【解決手段】 張出床版下面の橋軸直角方向に補強材を設置し、高防音壁設置に伴う風荷重に起因する該張出床版下面の強度不足を補強する。
【選択図】図１６

Description

本発明は、高速道路等の道路橋の張出床版に対する補強方法である。

従来、道路橋の補強方法としては、図３に示すように、専ら床版上面や主桁間の床版下面に補強材を設置していた（特許文献１〜３参照。）。

一方、道路橋の幅員方向の端部には防音壁が設けられるが、近年、騒音対策として、防音壁が大型化する傾向にある。
すると、強風が大型の防音壁に吹きつけた場合、防音壁が傾き、道路橋の主桁より張り出した部分の床版（以下、「張出床版」という。）が持ち上げられてしまうという問題が生じるようになった。前記のような補強態様では、この問題に対応できなかった。
特開２００５−２９９５３号公報 特開平１０−２６６１３３号公報 特開２００４−１６９３４６号公報

本発明は、防音壁の大型化に伴う張出床版の持ち上がりを防ぐことを目的とする。

すなわち本発明は、床版の一部が主桁より外側へ張り出している形式の道路橋において、床版の少なくとも張り出した部分の下面に道路幅員方向に補強材を設置することを特徴とする道路橋の補強方法である。

本発明の道路橋の補強方法によれば、低コストで短期施工が可能な工法で、防音壁の大型化に伴う張出床版の持ち上がりを防ぐことができる。

本発明で用いる補強材の素材としては、鋼鉄、繊維強化プラスチック等を採用することができる。

なかでも、軽量で可撓性を有し、高所・狭所における施工性に優れ、被補強構造の凹凸に対する追従性に優れ、補強材の自重による負荷も少ない点で、繊維強化プラスチックが好ましい。

繊維強化プラスチックとは、繊維を強化材とし熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂をマトリックスとする複合材料である。繊維強化プラスチックにおける繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等を好ましく採用することができる。

マトリックス樹脂は、施工現場にて繊維シートに含浸させてもよいし、あらかじめ繊維の束もしくはシートに含浸させて帯板状に加工したものを扱ってもよい。前者は被補強構造物の形状への追随性および接着性に優れ、また後者は取扱い性に優れる。

繊維シートの集合体としては、１方向繊維シート、２方向繊維シート等がある。

１方向繊維シートは、連続繊維を１方向に揃えたものである。また、揃えた繊維の長手方向と直交する方向に、シートとしての形態を維持するためにガラス繊維等を補助的に配置してもよい。１方向繊維シートにおいては、揃えた繊維の長手方向が補強材の補強方向となる。

また、２方向繊維シートは、連続繊維同士を２方向に直交させたものもある。

さらに図１１のように帯板状連続繊維補強材１０５とは、補強用連続繊維１０２を１方向に揃えて成型用の樹脂（図示せず）を含浸させて製作された細長い板状の補強材であり、補強方向１０４は該補強材の長手方向の１方向に限定される。

本発明においては、図１のように張出床版２の下面に、道路幅員方向９に補強材１６を設置し、該張出床版の下面の引張強度不足を補強する。

図１に示したように、張出床版２は主桁中心３ｃを支点とする片持床版と捉えて構造計算するため、補強材料の設置方向は図１のＣＣ矢視図である図８に示した道路長手方向８に対して直角となる道路幅員方向９が好ましく、具体的には繊維シートについては図１２のように１方向繊維シート１００を補強方向１０４が道路幅員方向９になるように貼り付けることが好ましく、強度の面からは１方向タイプの炭素繊維シートの使用がより好ましい。

また、帯板状連続繊維補強材１０５を補強材として使用する場合は、連続繊維を炭素繊維として製作されたＣＦＲＰ板が補強効果の面からは好ましく、該ＣＦＲＰ板はその構造上から補強方向が１方向に限定されているので、図１３のようにＣＦＲＰ板２６を補強方向１０４が道路幅員方向９に向くように配置し、また補強効果がムラにならないように一定の配置間隔２５で貼り付けることが好ましい。

図１４のように、この補強材１６により補強対象構造物４５の下面の曲げ補強を行う場合、曲げ補強必要領域４６の外側に、曲げ補強不要領域４７があり、さらにその外方に、曲げ引張力が一定値以下となる定着可能領域４８がある。この定着可能領域４８に一定の定着長４９以上の長さを以って補強材１６を貼り付けることにより、補強材１６が負担する引張力を定着可能領域４８に伝えることで補強効果が発揮される。

この定着長４９は、公知の設計手法上は炭素繊維シートの場合は２００ｍｍ以上、ＣＦＲＰ板の場合は２５０ｍｍ以上が好ましい。

図１５に示したように、張出床版２について高防音壁６に作用する風荷重３１による上向き曲げモーメント３３と自重等による下向き曲げモーメント３４の差である残存上向き曲げモーメント３５は主桁側の根元部２ｂにおいて最大となり、図１４に示した定着方法に従えば、定着可能領域４８に相当する主桁の反対側の仮想定着部４３までの定着が必要となるが、補強材１６を主桁を貫通させて反対側に定着させることは、主桁を道路長手方向全長に渡って切断することとなり、結果として道路橋を破壊してしまう。

この問題点を解決するために、請求項３記載の通り、補強材１６を主桁３と接合定着することにより、十分な定着力を確保する。

この定着方法の一例としては、鋼板とアンカーボルトを使用した機械式定着により、補強材１６が負担する引張力を主桁に伝達する形式が好ましい。

具体的には、主桁が鋼製の場合には、図１６のように補強材１６を張出床版２の下面に接着剤５１を使用して貼り付け、該補強材の主桁側端部下面にも接着剤５１を塗布して定着用鋼板５２と主桁フランジ３ａの間に挟み込み、アンカーボルト５３で締め付けて固定する。

この定着方法により、補強材１６に作用する引張力５６は、主桁フランジ３ａに対する横方向引張力５７に伝達され、すなわち充分な強度を有する鋼製主桁へ定着させたこととなる。

また、主桁が鋼製ではなくコンクリート製の道路橋の場合は、図１７のような機械式定着が好ましく、接着剤５１、定着用山形鋼５４、アンカーボルト５３を介して、コンクリート主桁５５に伝達され、すなわち充分な強度を有するコンクリート主桁に定着させたこととなる。

図１に示した既設の高速道路断面において、高防音壁６の高さ７を５．０ｍとした場合の補強設計計算を道路橋示方書平成１４年版の規格に従って行った。
張出床版の断面詳細のコンクリート寸法、鉄筋の配置状況は図１６のＥ−Ｅ矢視図である図１８に示したとおりである。
すなわち張出床版２の厚さ７５は３０６ｍｍ、上面の鉄筋６１はＤ１６とし、その位置７１は３５ｍｍ、配置間隔７６は１２５ｍｍである。

また、中段の鉄筋６２及び下面の鉄筋６３はＤ１３とし、配置間隔は３００ｍｍであり、中段鉄筋位置７３は１２５ｍｍ、下面鉄筋位置７４は２７１ｍｍである。

該張出床版に最も不利な計算ケースは、図１５において強風時に通過自動車がないときの組合せであり、このケースでは自動車荷重１１が０となり、下向きの曲げモーメント３４の因子は自重のみとなるため該モーメントは変動幅中の最小値となり、一方風荷重３１により発生する上向きの曲げモーメント３３は強風時を考慮するため変動幅中の最大値となる。

このときの計算結果は、図１５における張出床版に働く残存上向き曲げモーメント３５は下向きの曲げモーメント３４と上向きの曲げモーメント３３の差であるが、差し引き２７．３８３ｋＮ・ｍとなり、すなわち該張出床版下面に引張力１４が発生するという、該道路橋建設当時には想定していない方向に引張力が働くことが判明した。

この条件で現況の張出床版の断面計算を行ったところ、下面鉄筋６３の引張応力度は２１８Ｎ／ｍｍ^２に達し、道路橋示方書平成１４年版に規定された床版用鉄筋の１種である材質ＳＤ２９５の引張許容応力度である１４０Ｎ／ｍｍ^２を大きく上回り、該張出床版の強度不足が明らかとなった。

そこで補強材１６を張出床版下面に配置して、この張出床版下面に発生する引張力１４の一部を補強材に分担させ、下面鉄筋６３の負担する引張力を減少させ許容値である１４０Ｎ／ｍｍ^２以下とすることを目標に、以下の３形態の補強設計をした。

１．第１実施形態
まず補強材１６として東レ社製の１方向炭素繊維シートである目付量３００ｇ／ｍ^２、引張弾性係数２４５ｋＮ／ｍｍ^２の商品名ＵＴ７０−３０を使用し１層貼りとして構造計算を行ったが、下面鉄筋６３の引張応力度は１４５Ｎ／ｍｍ^２まで減少した。

２．第２実施形態
次に補強材１６として同じく東レ株式会社製の１方向炭素繊維シートである目付量４００ｇ／ｍ²、引張弾性係数２４５ｋＮ／ｍｍ^２の商品名ＵＴ７０−４０を使用し構造計算を行ったところ、鉄筋６３の引張応力度は１３０Ｎ／ｍｍ^２まで減少した。この補強により道路橋示方書平成１４年版に規定された床版用鉄筋の１種である材質ＳＤ２９５の引張許容応力度である１４０Ｎ／ｍｍ^２以内に納まる結果となった。

またこのときの炭素繊維シートの引張応力度は１８７Ｎ／ｍｍ^２となり、旧建設省土木研究所編「コンクリート部材の補修・補強に関する共同研究報告書（III）」に示された該炭素繊維シートの引張応力度の目標値である２４５Ｎ／ｍｍ^２以内にも収まり、補強構造としては充分な強度があることが確認された。

次段階として、図１６に示す機械式定着の計算を行い、鋼板５２は厚さ９ｍｍ、幅１００ｍｍのＳＳ４００の鋼材とし、アンカーボルト５３は、Ｍ２０のカプセルアンカーを使用することで、充分な強度を有することが確認された。

具体的な補強材の配置は、図１２のように、張出床版２の下面に１方向繊維シート１００である炭素繊維シートを補強方向１０４が道路幅員方向９になるように全面に貼り付け、主桁との機械式定着を行った。

３．第３実施形態
次に、補強材１６について炭素繊維シートの代わりに、幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍのＣＦＲＰ板であり引張弾性係数１５６ｋＮ／ｍｍ^２を有する、東レ株式会社製の商品名ＴＬ５２０を使用して、同様に補強計算を行った。

その結果、道路長手方向１ｍ当り３．５枚以上の補強量で、実施形態２と同等の補強効果があることが確認された。

具体的な補強材の配置は、図１３に示すように、帯板状連続繊維補強材１０５としてＣＦＲＰ板ＴＬ５２０を間隔２５を２５０ｍｍとし補強方向１０４が道路幅員方向９となるように配列し、道路長手方向８に対して１ｍ当り４枚の補強量とした。

このときの構造計算結果は、鉄筋６３の引張応力度は１２２Ｎ／ｍｍ^２となり、許容値である１４０Ｎ／ｍｍ^２以内に納まり、ＣＦＲＰ板の引張応力度も１１３Ｎ／ｍｍ^２と、該ＣＦＲＰ板の引張応力度の目標値である１５６Ｎ／ｍｍ^２以内に収まり、補強構造としては充分な強度があることが確認された。

また主桁との機械式定着の仕様は、実施形態２と同一とすることで、十分な定着力が確保された。

高防音壁を設置した場合の道路橋張出床版下面補強材の配置図 既存技術による道路橋断面の曲げ引張力の発生位置断面図 図２に対する補強材の配置断面図 既存技術の低防音壁を設置した場合の道路橋張出床版の曲げ引張力の発生位置断面図 図４のＡ部の拡大図 高防音壁を設置した場合の道路橋張出床版の曲げ引張力の発生位置断面図 図６のＢ部の拡大図 図１のＣＣ矢視図であり道路床版の下面の平面図 補強用の１方向連続繊維シートの繊維方向図 補強用の２方向連続繊維シートの繊維方向図 補強用のＣＦＲＰ板の繊維方向図 図８のＥ部拡大図であり張出床版下面への１方向シート繊維シート補強材配置方向図 図８のＥ部拡大図であり張出床版下面への帯板状連続繊維補強材配置方向図 一般的なコンクリート構造物に対する連続繊維シートによる補強範囲図 図７のＤ部の拡大図であり張出床版に作用する曲げモーメントの図 主桁が鋼桁の場合の張出床版下面の補強材機械式定着 配置図 主桁がコンクリート桁の場合の張出床版下面の補強材機械式定着 配置図 図１６のＦＦ矢視図であり補強計算に用いたコンクリート断面図

符号の説明

１……中間床版
２……張出床版
２ａ……張出床版先端部
２ｂ……張出床版根元部
３……主桁（鋼製）
３ａ……主桁フランジ（鋼製）
３ｂ……主桁ウェブ（鋼製）
３ｃ……主桁中心線
４……高欄
５……低防音壁
６……高防音壁
７……防音壁の高さ
８……道路長手方向
９……道路幅員方向
１０……床版
１１……自動車荷重
１２……中間床版下面引張力
１３……中間床版上面引張力
１４……張出床版下面引張力
１５……張出床版上面引張力
１６……補強材
２２……中間床版下面補強材
２３……床版上面補強材
２４……連続繊維補強材
２５……配置間隔
３１……風荷重
３２……風荷重による防音壁の転倒力
３３……張出床版に働く上向き曲げモーメント
３４……張出床版に働く下向き曲げモーメント
３５……張出床版に働く残存上向き曲げモーメント
４１……低防音壁の自重
４２……高防音壁の自重
４３……仮想定着部
４５……補強対象構造物
４６……曲げ補強必要領域
４７……曲げ補強不要領域
４８……定着可能領域
４９……定着長
５１……接着剤
５２……定着用鋼板
５３……アンカーボルト
５４……定着用山形鋼
５５……コンクリート主桁
５６……補強材に作用する引張力
５７……主桁に伝達される引張力
６１……上面の鉄筋
６２……中段の鉄筋
６３……下面の鉄筋
７１……上面の鉄筋位置
７２……下面の鉄筋位置
７３……中段の鉄筋位置
７４……下面の鉄筋位置
７５……床版厚さ
７６……上面の鉄筋の配置間隔
７７……中段・下面の鉄筋の配置間隔
１００……１方向シート繊維シート
１０１……２方向シート繊維シート
１０２……補強用連続繊維
１０３……織物形態維持用横方向繊維
１０４……補強方向
１０５……帯板状連続繊維補強材

Claims (3)

1. 床版の一部が主桁より外側へ張り出している形式の道路橋において、床版の少なくとも張り出した部分の下面に道路幅員方向に補強材を設置することを特徴とする道路橋の補強方法。
2. 補強材として連続繊維補強材を使用することを特徴とする請求項１記載の道路橋の補強方法。
3. 張出床版の下面に設置した補強材の主桁側端部を該主桁に定着させることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の道路橋の補強方法。

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