JP2008520867A - 橋の補強方法 - Google Patents

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    • E01D22/00Methods or apparatus for repairing or strengthening existing bridges ; Methods or apparatus for dismantling bridges

Abstract

既存のプレートまたは桁と離隔して、特に橋の構造体の下面上に補強板を固定して、閉鎖された空洞部を形成すること、および液状のプラスチックまたは高分子材料を前記空洞部内に注入することであって、それにより前記プラスチックまたは高分子材料を固化または硬化して、十分な強度で前記補強板と既存のプレートを接合してその間にせん断力を伝達することを含む、橋の補修、補強または修復方法。
【選択図】図6

Description

本発明は、特に、全鋼の直交異方性橋(all−steel orthotropic bridge)、全鋼の鉄道橋および複合コンクリート床版のある鋼桁橋等の橋の補修・補強に関する。
2枚の金属製外板と、十分な強度で外板に接合され、サンドイッチ板部材の構造強度に実質的に寄与するプラスチックまたは高分子材料、例えば非発泡ポリウレタンのコアとを備える構造的なサンドイッチ板部材が、米国特許第5,778,813号明細書および米国特許第6,050,208号明細書において説明されている。これらの文献は参照として本書に援用される。これらのサンドイッチ板システム(SPS)は、多くの建造物形態において補強鋼板、成形鋼板、鉄筋コンクリートまたは鋼コンクリート合成構造体に置き換わるために使用されてもよく、得られる構造体を非常に単純化し、強度と構造性能(例えば剛性、減衰特性)を向上させる一方で軽量となる。これらの構造的なサンドイッチ板部材の発展形態はさらに、国際公開第01/32414号パンフレットにおいて説明されており、これも参照として本書に援用される。該文献で説明されているように、発泡成形体またはインサートをコア層に組み込んで重量を削減してもよく、剛性を向上するために横方向に金属製のシアープレートを加えてもよい。
国際公開第01/32414号パンフレットの教示によれば、発泡成形体は、中空または中実のどちらであってもよい。中空成形体は、非常に重量を削減することができるので、有利である。該文献で説明されている成形体は、軽量の発泡材料から作製されたものに限定されず、木材または鋼箱、可塑性の押出形材および可塑性の中空球等の他の材料からも作製できる。
新築の構造体に適用されるだけでなく、SPS建設の原理は、海洋構造物、特に貨物フェリーの車両用床版の補修に適用されている。オーバーレイとして知られているこの手法は、国際公開第02/20341号パンフレットにおいて説明されており、この文献は全体が参照として本書に援用される。簡潔に言えば、既存の金属パネルが洗浄されて、例えばグリットブラストによって前処理されてから、既存の金属パネルの上に補強板を溶接するので空洞部が形成される。空洞部は次に、ポリウレタン等の液体の熱硬化性ポリマーで充填され、それが十分な強度で補強板を既存のパネルにセットして接合して、既存のパネルと補強板との間にせん断力を伝達する。この補修方法は、従来の切断して交換する補修よりもはるかに短い時間で行うことができ、船を動かせない期間を減少し、かつ構造上および磨耗特性が向上した床版を提供できる。
国際公開第02/29160号パンフレットにおいて説明されているようにSPSパネルを使用して、D型橋、ベイリー橋(Bailey bridge)および桁橋の床版を形成することも提案されている。
多くの道路橋および鉄道橋が、鋼構造か複合構造(鋼とコンクリート)で出来ている。典型的な複合道路橋の横断面図を添付の図1に示してある。図に示すように、コンクリート床版10が長手方向の鋼桁11に支持されている。桁の大きさ、間隔および数は、橋の大きさ、支持されるべき荷重および設計者の選択による。コンクリート床版の劣化に関連する従来の補修方法は、再舗装から完全に床版を置き換えることまで様々である。床版の置き換えには、古いコンクリート床版を取り除いて、一般的にいくつかの桁にわたって延在するプレキャスト・プレストレストコンクリート厚板で置き換えられることが必要である。厚板には、連続的な鉄筋、シヤーコネクター、ガードレール、遮断機装置および胴付き継ぎのための箱抜き部がある。これらの厚板の設置に続いて、厚板をポストテンションしてグラウトで固めて、既存の桁と連続的になるように複合させる。野外でグラウトで固められた接合部の耐久性には、疑問の余地がある。
添付の図2に全鋼の直交異方性橋を示している。この橋においては、例えばアスファルト道路を支持し得る鋼床版20が、同じく鋼性の多くの長手方向のトラフによって補強されている。鋼箱桁22は橋脚間にわたって延在し、横梁と直交異方性の床版を支持する。このタイプの橋は、疲労しやすく、トラフ補強材が床版プレートに結合する床版プレートの溶接部でまたは溶接部付近で、あるいはウェブまたはトラフ補強材がウェブを貫通する横梁/ダイアフラムにおいて亀裂を生じる。従来の補修方法では、疲労亀裂を確認し、裏はつりし、かつ亀裂を(再)溶接する必要がある。追加の局所的な補強材を施すか、または幾何学的形状や溶接群を修正して、局所的に応力範囲を減少し、これらの亀裂の再発生の可能性を減少する。
添付の図3に示した高架の鋼製鉄道橋においては、鋼製パネル30を使用して、バラスト31を保持し、バラストはまくら木(鉄道のつなぎ材)とレール32を支持している。鋼床版プレートは、二重曲率で予備成形され、横梁33にリベット締めされている。繰り返しの動荷重によって、プレート全体をわたって、横梁のフランジの先端を越えて突出する片持ち部分内に疲労亀裂が生じる。古い構造体では、溶接可能でない鋼種かもしれず、その場合、公知の補修方法では、予備成形された鋼床版と横梁を新しい鋼構造で置換するにすぎない。
上述のタイプの橋を修復するために補修する方法は、交通の流れを中断させ、地域経済に悪影響を与える。その結果、補修期間は最小限にされ、しばしば制限された夜間やオフピークに通行止めにして行われる。しかしながら、時として完全な通行止めが必要になるかもしれない。迂回交通もコストを増大させる。
本発明の目的は、例えば耐荷力を増大するか、あるいは構造性能、特にせん断抵抗を増強し、かつ構造上生じる騒音を削減するように、橋を補修、修復または改善する方法を提供することである。
本発明の第1の態様によれば、後でパネル間をボルト締めしかつ溶接することによって鋼桁と複合されるプレハブ式SPS床版パネルに既存のコンクリート床版を取り替えることによって、あるいは完全に一体化された桁を有するSPSパネルに上部構造を取り替えることによって、既存のコンクリート床版複合鋼桁橋を修復できる。どちらの場合もプレハブ式SPS床版パネルの使用によって床版の置き換えが単純化し、工期が短くなり、制限された通行止めに対応できる。プレハブ式SPS床版パネルはさらに、工場の品質管理および汎用的で広く使用されている現場製作の量を限られたものにするという利点をもたらすので、鋼製の上部構造と同様の耐用年数を有する床版構造体をもたらす。
さらに本発明の第1の態様は、元の対応する鉄筋コンクリート床版と強度および剛性が同等かそれよりも優れている床版を提供する一方で、重量は元の床版の75%未満までとすることができる。この規模の床版重量の削減によって、下部構造を補強するかまたはさらに桁を追加する必要なく、耐荷力を増大させるか、あるいは車線数を増加させることができる。
本発明の第2の態様によれば、既存の橋の補修、補強または構造性能の増強方法であって、橋の構造体の既存のプレートまたは桁と離隔して補強板を固定して閉鎖された空洞部を形成すること、および液状のプラスチックまたは高分子材料を前記空洞部内に注入することであって、それにより前記プラスチックまたは高分子材料を固化または硬化して、十分な強度で前記補強板と既存プレートを接合してその間にせん断力を伝達することを含む方法が提供される。
橋の構造体の下面に補強板を固定することによって、荷重支持床版に対する破壊が最小限となり、かつ多くの場合補修工程の間中、交通が流れ続けていてもよい。補修の完了により、剛性が向上し、振動減衰性の改良された構造的なサンドイッチ板がもたらされる。横方向剛性が向上することによって、横荷重において、隣接するトラフ補強材間の集中した輪荷重を分散させるのを助長し、かつトラフ補強材が床版プレートに結合してトラフがダイアフラムまたは横梁のどちらかを貫通する重要な溶接群において応力範囲を有利に減少させ、実質的に耐疲労性および耐用年数を増加させる。
補強板または本発明の材料、寸法および一般的性質は、本発明が応用される特定の橋に所望されるように選択されてよく、かつ一般的に、米国特許第5,778,813号明細書および米国特許第6,050,208号明細書において説明されているようにしてもよい。一般に、厚さが0.5〜20mmの鋼またはステンレス鋼が使用され、軽量であることが望ましい場合にはアルミニウムが使用されてもよい。同様に、プラスチックまたは高分子コアは、米国特許第5,778,813号明細書および米国特許第6,050,208号明細書において説明されているように、例えば緊密(compact)なエラストマー、ポリウレタン等の適切ないかなる材料でもよい。
複数のトラフ状の補強材を有する橋の下面に補修が応用される本発明の第2の態様においては、補強板は、トラフ状の補強材の底面間にわたって延在し、かつ軽量の成形体が、コア材料の注入前にトラフ間の空間に提供される。軽量の成形体またはインサートは、コア材料よりも密度が低くあるべきであり、かつコア材料の注入および固化において経験する温度と圧力には十分に耐えるべきであるが、その他の点では、その機械的性質は補修された構造体の強度には大きく寄与しないため特に重要ではない。軽量の成形体はトラフ間の空間を完全に充填するべきではなく、全体的にコア材料の層が入れるようにするべきである。
軽量の成形体が細長の中空体であると都合が良い。ある特定の実施形態においては、軽量の成形体は、エンドキャップで閉鎖される、入れ子式の中空角柱で作製されている。角柱は、補強トラフ間の空間に適合するように構成された台形の断面を有する。
本発明の第2の態様においては、補修は、代わりに床版表面に施されてもよい。この場合、耐熱性の接着剤を使用して、SPSオーバーレイ空洞部の周辺のバー(perimeter bar)を既存の構造体に固定するのが有利であろう。続いて新しい床版フェースプレートを互いにおよび周辺のバーに溶接することは、下側表面上の塗装や耐食コーティングに損傷を与えない。
本発明を、例示的な実施形態および添付の概略的な図面を参照することにより、下記で説明する。
各図において、同様の部品には同様の参照番号を付す。
本発明の第1の実施形態によれば、既存のコンクリート床版複合鋼桁が、図4に示されるように、既存のコンクリート床版をプレハブ式SPS床版パネル101で置き換えることによって、修復される。SPS床版パネルは次に、パネル101間をボルト締めして溶接することにより既存の鋼桁102と複合される。置き換えSPSパネル101は、当接端部において一緒に溶接することによって連続したものにされる。既存の、または新しい鋼製のガードレール103が、SPS床版パネルにボルト締めされてもよい。
SPSパネル101はそれぞれ、プラスチックまたは高分子材料の中間層、すなわちコア層105によって一緒に接合されている金属製の外側フェースプレート104、106を含む。フェースプレートは、特定の用途に必要とされるような、厚さ2〜20mmの範囲の鋼板であってもよい。プラスチックまたは高分子材料には、好ましくは緊密な(すなわち発泡でない)熱硬化性材料、例えばポリウレタンエラストマー等が使用される。コア層105は、15〜200mmの範囲の厚みを有し、十分な強度でフェースプレート104、106に接合され、使用中に補強材と既存の構造体との間に予想されるせん断力を伝達する十分な機械的性質を有する。接着強度は、3MPa超、好ましくは6MPaであるべきであり、コア材料の弾性率は、200MPa超、好ましくは250MPa超であるべきである(特に使用中に高温に暴露されることが予期される場合)。コア層があるおかげで、補強された構造体には、実質的により大きなプレート厚と、有意な追加の補強材料とを有する補強鋼板の強度と耐荷力がある。当然、置き換えパネル101は、平坦である必要はないが、いかなる形状であれ既存の構造体に適合することが要求される。
プレハブ式SPS床版パネルの使用によって、床版の置き換えが単純化され、それにより工期が短くなり、制限された通行止めに対応できる。プレハブ式SPS床版パネルはさらに、工場の品質管理および汎用的で広く使用されている現場製作の量を限られたものにするという利点をもたらすので、鋼製の上部構造と同様の耐用年数有する床版構造体をもたらす。
本発明の第2の実施形態においては、図5に示すように、上部構造は完全に、一体化された桁202を有するSPSパネル201と置き換えられる。SPSパネル201は、本質的には第1の実施形態のパネル101と同じであるが、長手方向および/または横方向の桁202が工場での製作中にパネルに一体化される。桁のウェブが、コア材料が注入される空洞部の側壁の部分を形成してもよい一方で、フェースプレートの一方または両方が梁のフランジの機能を果たしてもよい。第1の実施形態にあるように、プレハブ式SPS床版パネルの使用により、床版の置き換えが単純化され、工場の品質管理と現場製作の量を限られたものとするという利点がもたらされる。
さらに、本発明の第1および第2の実施形態により、元の対応する鉄筋コンクリート床版と強度および剛性が同等か優れている床版を提供する一方で、重量は元の床版の75%未満までとすることができる。この規模の床版重量の削減によって、下部構造を補強するかまたはさらに桁を追加する必要なく、耐荷力を増大させるか、あるいは車線数を増加させることができる。
本発明の第3の実施形態においては、図6に示すように、荷重支持床版20と、補強トラフ21とを備える橋の既存の構造体が、補強トラフ21の底部間にわたって延在する補強板331を追加することによって補修または補強される。補強板331は、特定の用途に必要とされるような、厚さが2〜20mmの範囲の鋼板であってもよい。補強板331を既存の構造体に接合するために、プラスチックまたは高分子材料のコア層332には、好ましくはポリウレタンエラストマー等の緊密な熱硬化性材料が使用される。このコアの厚みは15〜200mmの範囲でよい。コア332を、補強板331および既存の構造体20、21に十分な強度で接合し、かつコア332は、使用中に補強材と既存の構造体との間に予想されるせん断力を伝達する十分な機械的性質を有する。接着強度は3MPa超、好ましくは6MPaであるべきであり、コア材料の弾性率は200MPa超、好ましくは250MPa超であるべきである(特に特に使用中に高温に暴露されることが予期される場合)。コア層があるおかげで、補強された構造体には、実質的により大きなプレート厚と、有意な追加の補強材料とを有する補強鋼板の強度と耐荷力がある。当然、補強板は、平坦である必要はないが、いかなる形状であれ既存の構造体に適合することが要求される。
補強材を既存の構造体に接合する必要があるコア材料の体積を減少させるために、補強トラフ21間の空間に軽量の成形体またはインサート333が提供される。成形体333の断面形状は、好ましくはトラフ間の空間の断面形状に適合するが、全体的に、厚さ15〜200mmの範囲のコア材料の層を残すような大きさにされる。成形体は、好ましくは適切な断面の細長い中空体であるが、発泡体等の軽量な材料で作製してもよい。各インサートは、各橋のための特別な成形体を製造する必要をなくすために、標準的な断面の複数の細長い部分で作製されてもよい。
補修された橋の拡大図である図7に、より明瞭に示すように、各成形体333は、好ましくはスリーブ335にはめ込まれる2つの部品334で作製されているので、成形体の長さは、スリーブ335から、またはスリーブへ部品334を摺動させることによって調節できる。成形体の2つの端部をエンドキャップ336が閉鎖する。この構造体は、補強トラフの外形と空間が一定である橋には適しているが、横方向の桁間の空間は異なるかもしれない。
特に中空の場合、成形体は、橋の下面に取り付けられるかもしれない、例えば送水管またはガス管、電力ケーブルまたは通信ケーブルといったいかなるユーティリティにも適合するであろう。中空成形体は、横方向の桁において適切なアクセスポイントおよびスルーホールが設けられている場合には、ユーティリティを後で追加するための収納部としての機能も果たすことができる。
補修するためには、まず全トラフ21の底面と床版20の露出プレートをグリットブラストして、コア材料が付着できる清浄な表面を生成する。次に成形体333は、例えばタック溶接および必要であれば適切なスペーサを使用することによって適所に固定される。これが完了したら、ランディングバー(landing bar)が、補強板の端部の位置において適所に溶接されるので、補強板を適所に溶接できる。補強板と既存の構造体によって規定される空洞が、注入口と必要であれば通風口を残して封止される。次にコア材料が注入されて、補強板と既存の構造体とを強力に接合するために硬化される。仕上げに、注入口と通風口を封止し、例えば塗装等のあらゆる所望の表面加工を施す前に、腐食を予防のためと審美的観点から、平らになるように研削することができる。
同じ橋が、本発明の第4の実施形態を示す図8に示すように、オーバーレイを上面に追加することによって補修されてもよい。この実施形態においては、補強板401は、既存のプレート20の上に固定されて空洞部を形成する。次に空洞部は、プラスチックまたは高分子材料402を注入することにより充填されて、それにより固化時に、補強板401を既存のプレート20に十分な強度で接合して、使用中に予期されるせん断力を伝達する。この点において、第4の実施形態は、本発明の他の実施形態と同じであり、補強板とコア材料は、上述した通りでもよい。アスファルト道路の表面403は、コア層が完全に硬化した時点で補強板の上にある。
コアを注入する前に補強板401を適所に固定するために、溶接されたかまたは付着された周辺のバーを使用して充填するべき空洞部を規定してもよい。本発明の他の実施形態にあるように、スペーサと軽量の成形体またはインサートを使用してもよい。
本発明の第5の実施形態においては、耐疲労性を増大して構造体の耐用年数を延ばすために、高架鉄道橋の予備成形鋼板の下面に補修が施される。図9に示される補修は、既存の構造体と形状と構造が一貫しており、その歴史的の性質の魅力を損なわれない。
鉄道サービス中断させずに下側から、既存の構造体に形状が適合する2つの予備成形されたプレート501、502が、既存の構造体の横梁のウェブにボルト締めされ、片側リベットを使用して互いにリベット締めして、図10に示されるように橋にわたって延在するパネル長の中間において重ね継ぎ503を形成する。重ね継ぎは、橋の長さに沿って各パネルに発生するであろう寸法のばらつきを許容するであろう単純接続の細部をもたらす。次に図11に示すように、排水管504を再構築する。
可撓性の、独立気泡様の材料とコーキングの組み合わせを使用して、空洞部の端部を封止する。次に空洞部は、コア材料505で確実に完全充填するために、始めは中央部、次にどちらかの端部が下側から注入される。この補修方法は、既存の予備成形された鋼製パネルにおける(横梁のフランジの先端を横切る片持ち板部分の先端において、または先端付近において)応力範囲を減少させて、耐疲労性を増大させるだけでなく、構造上生じる騒音を吸収するための粘弾性層も提供し、このような高架の鉄道システムが存在する都心部に付加利益をもたらす。
本発明の第6の実施形態は、図13および14に示すように、SPSオーバーレイ601を箱のウェブ602とプレート桁603、604に応用する既存の構造体の修正例である。この主要な目的は、橋が支持する交通(道路や鉄道)に起因する振動に関連して、構造上生じる騒音を削減することである。副産物は、構造的な増強、補強材をウェブに結合する溶接群のせん断抵抗と耐疲労性の増大である。
第5および第6の実施形態においては、補強板とコア層の材料および寸法は先に説明した実施形態と同じでもよい。
上述の説明は限定を意図するものではなく、他の修正例および変形例は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲にあることを理解されたい。
典型的なコンクリート床版複合鋼桁橋の断面図である。 箱桁を有する典型的な鋼床版橋の等方性図である。 予備成形された鋼製パネルを有する鉄道橋の等方性図である。 本発明の第1の実施形態による複合鋼桁橋の床版の断面図である。 本発明の第2の実施形態による複合鋼桁橋の床版の等方性図である。 本発明の第3の実施形態による方法が下面から床版構造体の修復および補強に適用された、図2に示される橋の等方性図である。 図6の補修された橋の拡大図である。 本発明の第4の実施形態による方法が上側から適用される、図2に示される橋等方性図である。 本発明の第5の実施形態による方法が適用される、図3に示される鉄道橋の等方性図である。 図9の補修された橋の長手方向断面図である。 図9の補修された橋の排水管の詳細を示す断面図である。 図9の補修された橋のパネルの拡大図である。 本発明の第6の実施形態に従って構造的に増強されたウェブを有する、典型的な箱桁橋(明瞭にするために床版なし)の等方性図である。 本発明の第6の実施形態に従って構造的に増強されたウェブを有する補強板桁の等方性図である。

Claims (16)

  1. 橋の補修、補強または修復方法であって、
    橋の構造体の既存のプレートまたは桁と離隔して補強板を固定して閉鎖された空洞部を形成すること、および
    液状のプラスチックまたは高分子材料を前記空洞部内に注入することであって、それにより前記プラスチックまたは高分子材料を固化または硬化して、十分な強度で前記補強板と前記既存のプレートを接合してその間にせん断力を伝達すること、
    を含む方法。
  2. 前記既存のプレートまたは桁が、前記橋の下面の上にある、
    請求項1に記載の方法。
  3. 前記橋は、複数のトラフ状の補強材を有し、
    前記補強板は、前記トラフ状の補強材の底部間にわたって延在し、かつ
    軽量の成形体が、コア材料の注入前に前記トラフ間の空間に提供される、
    請求項2に記載の方法。
  4. 前記軽量の成形体は、前記コア材料よりも密度が低い、
    請求項3に記載の方法。
  5. 前記軽量の成形体は、細長の中空体である、
    請求項3または4に記載の方法。
  6. 前記軽量の成形体は、エンドキャップで閉鎖される、入れ子式の中空角柱で作製されている、
    請求項5に記載の方法。
  7. 前記角柱は、前記補強トラフ間の前記空間に適合するように構成された台形の断面を有する、
    請求項6に記載の方法。
  8. 前記橋は、桁間にわたって延在する複数のプレートを有し、および
    前記補強板を固定するステップは、第1の桁に第1の補強板を、かつ前記第1の桁に隣接する第2の桁に第2の補強板を固定し、
    前記第1および第2の補強板は、前記桁間の距離にわたって延在するように協働している、
    ことを含む請求項2に記載の方法。
  9. 前記第1および第2の補強板は、重ね継ぎにおいて重なり合っている、
    請求項8に記載の方法。
  10. 前記第1および第2の補強板は、前記既存のプレートの曲率に適合するように湾曲している、
    請求項8または9に記載の方法。
  11. 前記既存のプレートは、箱のウェブまたはプレート桁である、
    請求項1に記載の方法。
  12. 前記補強板は、金属、例えば鋼、ステンレス鋼またはアルミニウムである、
    請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記補強板の厚みが、0.5〜20mmの範囲にある、
    請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記プラスチックまたは高分子コアが、ポリウレタン等のエラストマーである、
    請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記エラストマーが緊密である、
    請求項14に記載の方法。
  16. 既存の構造体を備える橋であって、
    前記既存の構造体に隣接して補強板が提供され、
    前記補強板は、プラスチックまたは高分子材料の中間層によって前記既存の構造体に接合され、
    前記中間層は、前記補強板と既存の構造体を十分な強度で接合して、その間にせん断力を伝達させる、
    橋。
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