JP2008127771A

JP2008127771A - ハット型鋼矢板

Info

Publication number: JP2008127771A
Application number: JP2006310886A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Miura; 啓徳三浦
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】断面効率の点で有利なハット型鋼矢板において、矢板1枚の高さが通常の製造設備例えばＨ形鋼などを圧延する形鋼ミルで圧延可能に抑制されながらも必要な断面性能が得られて、Ｕ型４Ｗの代替となりうるようにしたものを提供する。
【解決手段】左右非対称の継手部４を両端に有し、中央がウエブ１とその両側のフランジ２とでＵ型をなし、その外側に継手部を支持する腕部３を有するハット型鋼矢板において、全高さが３４５ｍｍ以下、有効幅が８４０ｍｍ以上、断面２次モーメントが略４５０００ｃｍ⁴/ｍであり、図心５が全高さの略１/２に位置し、腕部の厚さ範囲内に継手噛み合わせ中心延長線７を位置せしめかつ逆Ｕ姿勢の左右を水平に保つ突条６を継手部の外向き爪側に有するものとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハット型鋼矢板に関し、詳しくは土木建築分野の工事に用いられる左右非対称形状の継手を有するハット型鋼矢板のうち、特に大断面のものに関する。

有効幅６００ｍｍの最大サイズの鋼矢板は、Ｕ型で４Ｗが一般的に使用されている（例えば非特許文献１記載のＳＰ−IVｗ）。例えば非特許文献２に示されるように、その断面性能は、単位壁幅あたりの断面積が２２５．５ｃｍ²/ｍ、断面２次モーメントが５６７００ｃｍ⁴/ｍ（継手効率０．８のときは４５３６０ｃｍ⁴/ｍ）である。
また、大断面のハット型鋼矢板としては特許文献１および特許文献２に、貫入抵抗を小さくする目的で寸法・形状の範囲が規定されたものが示されている。
鋼管杭協会鋼矢板技術委員会編：Ｊａｓｐｐ技術ライブラリ‐Ｎｏ．１０２「鋼矢板標準製品仕様書改訂２版」平成１２年１２月ＪＦＥスチールのパンフレット(Ｎｏ.Ｋ１Ｊ-５０１-００)「ＪＦＥＳＰＪＦＥの鋼矢板」特許第３４５８１０９号公報特許第３４８８２３３号公報

大きな断面性能を得るため、一般にＵ型鋼矢板は、ウエブ部が外端になるよう交互にウエブの向きを変え、壁厚の中央部で爪を噛み合わす形式により、矢板１枚の全高さが異常に大きくなるのを抑止している。しかし、継手が完全に一体化したときに所定の断面性能が得られるのであって、打設における嵌合状態では、継手同士の相対位置ずれはゼロでなく、一般に、継手効率として８０％程度とみなされ、それだけ断面性能は低下する。

その点、継手嵌合部が壁厚の外側に位置し、ウエブを同一方向にして打設するハット型鋼矢板では、継手効率を考慮する必要がないが、嵌合時の壁厚が矢板1枚の全高さと同じとなるため、全高さを大きくする必要があり、圧延が困難になるといった問題がある。
従来製造されている鋼矢板（熱間圧延品）では、全高さ２５０ｍｍ（有効高さ２２５ｍｍ）の６Ｌ型が最大のものである。また例えば一般的なＵ型の有効幅６００ｍｍの最大サイズ４Ｗにおいては、有効高さが４２０ｍｍであるが、矢板1枚では２３４ｍｍにすぎない。さらにハット型鋼矢板では、同じ向きの同一高さで打設するので、有効高さ≒矢板１枚の高さとなる。

そこで、本発明は、断面効率の点で有利なハット型鋼矢板において、矢板１枚の高さが通常の製造設備例えばＨ形鋼などを圧延する形鋼ミルで圧延可能に抑制されながらも必要な断面性能が得られて、Ｕ型４Ｗの代替となりうるようにしたものを提供することを目的とする。
さらに大断面のハット型鋼矢板として従来から知られているものでも、断面２次モーメントが大きい場合に応用するのは問題があった。特許文献１に規定の寸法形状範囲を満足しようとすると鋼矢板の高さが大きくなり、孔型圧延ロールの孔型深さが大きくなりロール強度が不足するという問題が生じた。また、特許文献２に規定の寸法形状範囲は１００００〜２５０００ｃｍ⁴／ｍの断面２次モーメントを有するもののデータを基にしており、この範囲を大幅に超える断面２次モーメントを有する場合へ適用すると、ウエブ角度範囲が９０°以上になり、明らかに鋼矢板としての機能を発揮できなくなる場合をも含んでしまう。つまり、断面２次モーメントが前述のデータ範囲から外れて大きい場合には貫入抵抗のみで寸法形状を決定するのは問題があった。

本発明は断面２次モーメントの大きいハット型鋼矢板において、段重ねを優先した角度設定を行い、高さを抑制して既存設備での製造を可能にした寸法形状範囲を規定するものである。

本発明者は、上記目的を達成するために、
１）単位壁幅あたりの鋼材重量が従来のものと同等以下であること、
２）断面２次モーメント、断面係数は、従来のＵ型４Ｗ（継手効率０．８）と同等以上であること、
３）鋼矢板を打設機で掴んで地中に押し込み可能である（座屈等の変形が起り難い）こと、
４）施工時の負荷で継手が変形しにくいこと、
という条件を満足しうるハット型鋼矢板の断面形状について鋭意検討し、本発明をなした。

すなわち、本発明は、左右非対称の継手部を両端に有し、中央がウエブとその両側のフランジとでＵ型をなし、その外側に前記継手部を支持する腕部を有するハット型鋼矢板において、全高さが３４５ｍｍ以下、有効幅が８４０ｍｍ以上、断面２次モーメントが略４５０００ｃｍ⁴/ｍであり、図心が全高さの略１/２に位置し、前記腕部の厚さ範囲内に継手噛み合わせ中心延長線を位置せしめかつ逆Ｕ姿勢の左右を水平に保つ突条を前記継手部の外向き爪側に有することを特徴とするハット型鋼矢板である。

ここで、略４５０００とは、４５０００の±３％以内（すなわち４３６５０〜４６３５０）であることを意味する。また、図心とは、断面図形の場合、次式で与えられる位置ベクトルｒ_C ^→で位置を記述される図形中心点である。
ｒ_C ^→＝（１/Ａ）×∫（ｒ^→）ｄＡ；ここで、ｄＡは断面図形の微小部分の面積、Ａは該断面図形の総面積、ｒ^→は前記微小部分の位置ベクトルである。

また、全高さの略１/２とは、１/２高さの±１％以内（すなわち高さの４９．５％〜５０．５％）であることを意味する。
また、継手噛み合わせ中心延長線とは、左の継手嵌合中心点と右の継手嵌合中心点とを結ぶ直線を意味する。また、逆Ｕ姿勢の左右を水平に保つとは、鋼矢板を水平面に逆Ｕ姿勢で置いたときにウエブ面が左右方向で水平となるようにすることを意味する。また、外向き爪とは、爪底がウエブ側に向いた爪を意味する。また、有効幅は、左の継手嵌合中心点と右の継手嵌合中心点との距離に等しい。

本発明では、前記有効幅は１０００ｍｍ以下であることが好ましい。
また、本発明では、フランジの傾きθが、フランジ厚ｔ_f、外向き爪高さｈ_jに対し、θ≧sin^-1（ｔ_f/ｈ_j）であることが好ましい。
ここで、外向き爪高さとは、外向き爪側の継手部の突条先端から爪底までの高さを意味する。

本発明によれば、同等の鋼材重量で継手効率を高めることができるため、継手効率０．８とされたＵ型４Ｗに対し、約８０％の有効高さ（＝連壁の壁厚）で同等の断面２次モーメントが達成できる。よって、
１）連壁の壁厚が小さくなって土地の節約が可能となる（約２０％）、
２）断面係数が大きくなる（約１２０％）、
３）有効幅が広いため打設枚数が減り、工事の能率が向上する、
といった優れた効果を奏する。

図１に、Ｕ型４Ｗ鋼矢板を打設・嵌合した状態と同等の断面性能が得られるハット型鋼矢板の好ましい高さと有効幅の範囲をハッチングで示した。
図１には断面２次モーメントがＵ型４Ｗのそれぞれ７７．６％、８０％、８２．４％であるハット型鋼矢板の高さと有効幅の関係を曲線で示している。なお、これらの曲線は次のように求めた。

全高さＨと必要なフランジ厚ｔ_fとの関係については、施工実績等から次の関係式を経験的に得ている。
ｔ_f≧０．０２８×Ｈ ‥‥（１）
（１）式の関係のフランジ厚で、Ｕ型４Ｗ鋼矢板と同等の鋼材重量となるよう断面積を等しくし、与えられた断面２次モーメントになる高さと有効幅を求め、曲線で示した。

一般に打設による嵌合状態では継手効率は約８０％とみなされている。継手効率が８０％であれば断面２次モーメントも８０％となる。したがって、Ｕ型４Ｗ鋼矢板を打設・嵌合した状態と同等の断面性能を得るには、Ｕ型４Ｗ鋼矢板の断面２次モーメントの８０％すなわち４５０００ｃｍ⁴/ｍが得られるようにハット型鋼矢板の高さと有効幅を設計する。ただし、製品では寸法ばらつきがあるので、得られる断面２次モーメントはＵ型４Ｗ鋼矢板の８０％の±３％の範囲（７７．６％〜８２．４％）あるいは４５０００ｃｍ⁴/ｍの±３％の範囲（すなわち略４５０００ｃｍ⁴/ｍ）となる。図１では７７．６％の曲線より上部、８２．４％の曲線より下部の範囲に相当し、この範囲に製品の高さおよび有効幅があれば、断面２次モーメントが略４５０００ｃｍ⁴/ｍになる。

全高さは高いほど断面性能を高めるには有利であるが、製造するのが難しくなる。本発明では既存の圧延設備、つまり国内最大の高さの鋼矢板６Ｌ型相当を製造している設備で圧延可能な最大の高さまで大きくするようにした。
上下ロールに旋削する孔型で断面形状を成形する際、上・下ロールの中心線は略図心に近いところに設定される。図６に示した６Ｌ型では、図心がウエブ側にあり、下ロールの孔型が深く、中心線より１７０ｍｍとなる。中心より１７０ｍｍの深さが圧延可能とすれば、図心が全高さの中央（１/２）とするハット型では、１７０＋１７０＝３４０ｍｍの高さの製品が圧延できる。さらに、腕部を曲げ、継手をウエブ側に移して圧延し、最終で腕部を水平に戻すような全高さ増大圧延を実施することによって下突条部の高さを少なくとも５ｍｍ程度は高くできるため、本発明によれば、３４５ｍｍまでの高さのハット型鋼矢板が製造可能となる。

また、有効幅が８４０ｍｍよりも小さい場合、全高さが３４５ｍｍ以下となる範囲が非常に狭くなり、通常の形鋼圧延ミルによる製造誤差を考慮すると、全高さを安定的に３４５ｍｍ以下とするのが困難となるため、有効幅は８４０ｍｍ以上とした。
もっとも、有効幅が１０００ｍｍを超えると、通常の形鋼圧延ミルでの製造が困難であり、製造設備の大改造が必要となる。したがって、有効幅は１０００ｍｍ以下とするのが好ましい。

また、図心が全高さの略１/２を外れると、圧延ロール孔型を深くするほかに、同じ断面２次モーメントの断面でも断面係数が小さくなるので、全高さの略１/２に位置させる必要がある。図心は断面寸法を調整して１/２高さ位置になるようにするが、製品での寸法ばらつきがあるので、高さの４９．５〜５０．５％に位置するようになる。
また、継手噛み合わせ中心延長線が腕部の厚さ範囲外であると、施工時に腕部を介して継手部に力が加わった際に過大なモーメントが生じ、継手部の爪が変形する虞がある。また、逆Ｕ姿勢の左右が水平でないと、テーブル搬送するときの直進性が悪いため圧延での製造が困難となるほか、段重ね等のハンドリングも厄介となる。そこで、本発明では、継手部の外向き爪側に突条を設け、この突条の高さ設定により、前記腕部の厚さ範囲内に継手噛み合わせ中心延長線を位置せしめかつ逆Ｕ姿勢の左右を水平に保つことができるようにした。

さらに、段重ねを容易とするために、フランジの傾きθは、フランジ厚ｔ_f、外向き爪高さｈ_jに対し、θ≧sin^-1（ｔ_f/ｈ_j）であることが好ましい。θ＜sin^-1（ｔ_f/ｈ_j）であると、段重ねした上下のフランジ間に隙間ができ、下側の継手部と上側の継手部とが接触して押し合いあるいは擦れ合う力が強くなって、継手部の爪が変形しやすくなる。もっとも、段重ねした状態での高さは可及的に低い方が省スペースの点から好ましいから、θとsin^-1（ｔ_f/ｈ_j）との差は小さいほど好ましい。

図２は、本発明の１実施例を示す断面図である。これは、ウエブ１の両側に左右対称なフランジ２が連なり、その両外側に左右対称な腕部３が連なり、さらにその両外側に左右非対称な継手部４が連なるハット型鋼矢板である。左右の継手部４はそれぞれ、継手接続部４₁と爪部４₂とに分かれている。爪部４₂の内面側の空間には継手嵌合中心点４_Cが存在する。

図心５は、有効幅Ｗの１/２の位置に置くことを前提（この前提は通常と同じ）として、全高さＨの１/２の位置となるよう、ウエブ幅と腕部幅のバランスを調整した。
設計した寸法は次のとおりである。
全高さＨ＝３４０ｍｍ（３４５ｍｍ以下である）
有効幅Ｗ＝左４５０ｍｍ＋右４５０ｍｍ＝９００ｍｍ（８４０〜１０００ｍｍの範囲内である）
ウエブ厚＝１８ｍｍ
ウエブ幅＝左１８６ｍｍ＋右１８６ｍｍ＝３７２ｍｍ
フランジ厚ｔ_f＝１０ｍｍ
フランジの傾きθ＝１５．５°
腕部厚＝１７．４ｍｍ
腕部幅＝左１３７ｍｍ＋右１３７ｍｍ＝２７４ｍｍ
この実施例では、図２に示すように、ハット型鋼矢板を、左・右で対称な部分Ａ₀とＡ₁、継手部４での左・右で回転対称な部分Ｃ₀とＣ₁（爪部４₂）、左・右で非対称な部分Ｂ₀とＢ₁（継手接続部４₁）に区分し、Ａ₀とＡ₁の部分が、可能な限り大きく、全幅の８８％を占めるようにした。また、Ｂ₀とＢ₁については、左右で断面積が同じとなるよう、また少しでも断面効率の良い最外部（Ｄで示す長さの部分）の肉付けで調整した。

Ａ₀とＡ₁の幅＝各４１１ｍｍ
Ｂ₀とＢ₁の幅＝各３３ｍｍ
Ｃ₀とＣ₁の幅＝各２３．５ｍｍ
外向き爪高さｈ_j＝３８ｍｍ
この実施例のハット型鋼矢板は、後掲の表１に示すように、断面２次モーメントＩ＝４４０００ｃｍ⁴/ｍ（４５０００ｃｍ⁴/ｍの±３％以内である）を有する。

外向き爪側の継手接続部４₁（Ｂ₁）には、突条高さｈ_tj＝５ｍｍとした突条６を設け、その反対側の継手部４（Ｂ₀ないしＣ₀）の爪底を腕部３下端から下方に突条高さと同じ５ｍｍだけずらすことで、腕部３の持ち上がり量を左・右で同じ５ｍｍとし、これにより、継手噛み合わせ中心延長線７を腕部３の厚さ範囲内に位置せしめるとともに、左右の水平を保たしめた。

なお、突条６を設けない場合、例えば図３に比較例（断面性能が最大となるように設計したもの）を示すように、左右の水平を保つことはできるが、継手噛み合わせ中心延長線７が腕部３の厚さ範囲を外れる（この例では腕部３の上面から約２．５ｍｍ上方に外れる）ことになり、爪部４₂に腕部３を介して力が作用するとき、芯ずれのモーメントが生じて爪部４₂が変形しやすくなる。これに対し、実施例では、図２に示したように突条６を設けて継手噛み合わせ中心延長線７を腕部３の厚さ範囲内に位置せしめたから、そのような変形は起り難くなっている。

なお、図３の比較例において腕部３の上面を上方にずらせば、継手噛み合わせ中心延長線７を腕部３の厚さ範囲内に入れることはできるが、腕部３の厚さが増して鋼材重量が増すことになって前記条件１）「単位壁幅あたりの鋼材重量が従来のものと同等以下であること」を満たさなくなる。これに対し、実施例では突条６を設けて腕部３全体を嵩上げしているので、この条件１）が満たされている。

また、この実施例では、フランジの傾きθを、sin^-1（ｔ_f/ｈ_j）＝sin^-1（１０/３８）＝１５．２５°よりも大きくかつこれに非常に近いθ＝１５．５°としたので、図４に示すように、上・下段の継手部が干渉し難くかつ重ね高さが可及的に低い理想的な段重ね状態が容易に得られた。
実施例のハット型鋼矢板は、図５（ａ）に示すような継手嵌合状態に施工される。一方、実施例による代替（置換）を意図した従来のＵ型４Ｗ鋼矢板（非特許文献２記載のＪＦＥＳＰ−４Ｗ）は、図５（ｂ）に示すような継手嵌合状態に施工される。Ｕ型４Ｗでは、ウエブ面を交互に上下反転し、連壁の壁厚（＝有効高さ）の中央で嵌合するため、この嵌合部分での相対すべりにより壁厚中央での剛性が幾分低下することを見込んで、実設計では継手効率を０．８程度とした断面性能が採用される。これに対し、ハット型では、ウエブ面を同じ向きとし、連壁の壁厚の一端側で嵌合する（壁厚中央に相対すべりする部分はない）ため、壁厚中央での剛性低下はなく、実設計において継手効率を１としても問題ない。よって、実施例では従来のＵ型４Ｗの継手効率０．８の場合に見合った断面２次モーメントが得られるように設計した。

かく設計した実施例の断面性能および寸法を従来と比較して表１に示す。表１より、実施例では、従来の継手効率０．８の場合に比べ、断面積が９９．３％、断面２次モーメントは略同等の９７％、断面係数は、有効高さが低い（連壁の壁厚が小さい）ので大きくなり、１１９．９％が達成できている。有効幅は従来の１．５倍に広がるので、打設工数が減り、工事の能率が向上する。

従来のＵ型４Ｗと同等の鋼材重量でその８０％±３％の断面２次モーメントが達成できる条件を満たすハット型鋼矢板の全高さと有効幅を計算した結果を示すグラフである。本発明の１実施例を示す断面図である。突条のない比較例を示す断面図である。実施例のハット型鋼矢板の段重ね状態を示す断面図である。実施例のハット型鋼矢板（ａ）と従来のＵ型４Ｗ鋼矢板（ｂ）の継手嵌合状態を示す断面図である。従来のＵ型６Ｌ型鋼矢板の１例を示す断面図である。

符号の説明

１ウエブ
２フランジ
３腕部
４継手部
４₁ 継手接続部
４₂ 爪部
４_C 継手嵌合中心点
５図心
６突条
７継手噛み合わせ中心延長線

Claims

左右非対称の継手部を両端に有し、中央がウエブとその両側のフランジとでＵ型をなし、その外側に前記継手部を支持する腕部を有するハット型鋼矢板において、全高さが３４５ｍｍ以下、有効幅が８４０ｍｍ以上、断面２次モーメントが略４５０００ｃｍ⁴/ｍであり、図心が全高さの略１/２に位置し、前記腕部の厚さ範囲内に継手噛み合わせ中心延長線を位置せしめかつ逆Ｕ姿勢の左右を水平に保つ突条を前記継手部の外向き爪側に有することを特徴とするハット型鋼矢板。
前記有効幅は１０００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のハット型鋼矢板。
フランジの傾きθが、フランジ厚ｔ_f、外向き爪高さｈ_jに対し、θ≧sin^-1（ｔ_f/ｈ_j）であることを特徴とする請求項１または２に記載のハット型鋼矢板。