JP2009203717A - コンクリート構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで且つ高強度な構造とすることで、コンクリートの破壊を抑制することができる。
【解決手段】セグメント１は、鋼材２とコンクリート３とから略円弧板状に形成され、トンネルの周方向及び軸方向に複数連結されることにより筒状壁体を構成するものである。鋼材２は、トンネル周方向に沿って略円弧状に湾曲して配置される主鋼材１０、１１、１２を有し、これら主鋼材１０、１１、１２の長手方向の両端部がトンネル周方向を連結するための接合面４に露出してなり、接合面４同士を接合させたときに主鋼材１０、１１、１２の端部同士が接するように構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート内に鋼材を配置させたコンクリート構造体に関する。

従来、橋梁、道路などに使用されるプレキャスト床版や、コンクリート構造体では、コンクリート内にＨ型鋼や溝形鋼等の鋼材（スチール）を入れることで強度を向上させたＳＲＣ（Steel frame Reinforced Concrete）造のものが用いられ、例えば、特許文献１、特許文献２などによって知られている。特許文献１、２のコンクリート構造体は、シールド工法によって地山に掘削穴を掘削しつつ、その内面に円弧板状のセグメントを周方向および軸方向に複数連結して構築されるセグメントである。
すなわち、特許文献１に記載のセグメントは、トンネル周方向に沿って湾曲形成された補強用鉄骨材（鋼材）を備え、その補強用鉄骨材の表面に凹部や凸部を設けることでコンクリートとの付着力を向上させるようにしたものである。
また、特許文献２に記載のセグメントは、トンネル周方向に沿って湾曲形成された補強用鉄骨材（鋼材）がトンネル軸方向に所定間隔をもって複数備えられ、それら補強用鉄骨材の間にトンネル周方向にセグメント同士を接合するための継手部が配置された構成となっている。
特開平８−１０９７０４号公報 特開２００１−２７０９９号公報

しかしながら、従来のＳＲＣ造のセグメントなどのコンクリート構造体では以下のような問題があった。
すなわち、一般にトンネル内に組み立てられたセグメントには、地山から外力（地山の荷重）がかかっている。そのため、トンネルの周方向に接合するためのセグメントの接合面には、曲げ変形が作用することになり、セグメントの内周面側で接合面同士が開くように引張力が作用するとともに、外周面側でトンネル周方向に圧縮力が作用している。
そして、特許文献１及び特許文献２のＳＲＣ造のセグメントでは、継手部からコンクリート内に設けられた補強用鉄骨材に、上述したトンネル周方向に作用する圧縮力が伝達される構造になっていないうえ、接合面における継手部を除いた部分がコンクリートとなっているため、とくにセグメントの外周面側における前記圧縮力によってコンクリートに割れや欠けが生じて破壊されるという問題があった。さらに、前記圧縮力に対応させるためにセグメントの厚さ寸法を大きくすると、材料コストが増大するという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、低コストで且つ高強度な構造とすることで、コンクリートの破壊を抑制することができるコンクリート構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るコンクリート構造体では、コンクリート内に鋼材が配置され、連結方向に接合面を有するコンクリート構造体であって、鋼材は、連結方向に沿って延びる主鋼材を有し、主鋼材の長手方向の両端部が接合面に露出してなり、接合面同士を接合させたときに、主鋼材の端部同士が接するように構成されていることを特徴としている。
また、本発明に係るコンクリート構造体では、コンクリート内に鋼材が配置され、連結方向に接合面を有するコンクリート構造体であって、鋼材は、連結方向に沿って延びる主鋼材を有し、主鋼材の長手方向の両端部に伝達部材が固定され、伝達部材が接合面に露出してなり、接合面同士を接合させたときに、伝達部材同士が接するように構成されていることを特徴としている。

本発明では、連結方向に沿った主鋼材の長手方向の両端部（或いは両端部に固定された伝達部材）がコンクリート構造体の接合面に露出しているので、複数のコンクリート構造体が連結された状態において、隣接するコンクリート構造体のそれぞれの主鋼材同士が連結方向に連続した状態となるため、その連結方向に作用する力を主鋼材の長手方向に伝達することができる。そのため、コンクリート構造体の連結方向に作用する圧縮力に抵抗する構造となり、コンクリート構造体におけるコンクリート部分で負担する圧縮力を低減させ、コンクリートの破壊を抑制することができる。

例えば、コンクリート構造体がセグメントの場合において、セグメントの厚さ方向で外周側に主鋼材を配置させ、そのセグメントをトンネル内にリング状に配設させたときに、地山から受ける外力によってセグメントに曲げ変形が生じ、セグメントの外周側の位置で周方向に圧縮力が作用し、同じく内周側の位置で引張力が作用する。このとき、外周側の圧縮力が隣接するセグメント外周側に配置される主鋼材の長手方向に伝達することになり、主鋼材によって圧縮力に抵抗するので、セグメントのコンクリート部分で負担する圧縮力を低減させることができる。したがって、セグメントの厚さ寸法を小さくすることができるという効果を奏する。
また、コンクリート構造体が床版の場合において、床版の厚さ方向に複数の主鋼材を配置させたときには、床版の接合面全体にわたって連結方向に圧縮力が作用する。このとき、その圧縮力が隣接する床版の全ての主鋼材の長手方向に伝達され、主鋼材が圧縮力に抵抗することになるので、床版のコンクリート部分で負担する圧縮力を低減させることができる。したがって、床版の厚さ寸法を小さくすることができるという効果を奏する。

また、本発明に係るコンクリート構造体では、主鋼材は、その長手方向に略直交する方向に複数設けられ、それらの端部同士が連結されていることが好ましい。
本発明では、外部からの荷重によってコンクリート構造体の連結方向に作用する圧縮力を、複数の主鋼材のそれぞれにほぼ均等となるように分散させて負担させることができる。

本発明のコンクリート構造体によれば、コンクリート構造体の連結方向に作用する力がその連結方向に配置される主鋼材の長手方向に伝達され、例えばコンクリート構造体の連結方向に作用する圧縮力に抵抗することができるので、コンクリート構造体のコンクリート部分で負担する圧縮力を低減させることができ、コンクリートの破壊を抑制する高強度な構造を実現することが可能となる。したがって、コンクリート構造体の厚さ寸法を小さくすることができ、材料コストの低減を図ることができる。

以下、本発明に係るコンクリート構造体の第１の実施の形態について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態によるセグメントの斜視図、図２は図１に示す鋼材の斜視図、図３は図１に示すセグメントのＡ−Ａ矢視図、図４は図１に示すセグメントのＢ−Ｂ断面図、図５はセグメントの接合面の状態を示す要部側面図である。

図１〜図４は本発明の第１の実施の形態によるセグメント１（コンクリート構造体）を示す。このセグメント１は、例えばシールド工法によって道路などのトンネルの内壁に構築されるトンネル覆工体（筒状壁体）を形成するものであり、コンクリート３内に鋼材２を配置させて略円弧板状に湾曲されたＳＲＣ（Steel frame Reinforced Concrete）造のセグメントである。

そして、図１に示すように、セグメント１の短辺側（トンネルの軸方向に沿う辺側）の側面である接合面４には、トンネル周方向（セグメント間）を連結するためのボルト継手（図示省略）が設けられている。また、長辺側（トンネルの周方向に沿う辺側）の側面である主桁面６には、トンネルの軸方向（リング間）を連結するためのボルト継手（図示省略）が設けられている。

次に、セグメント１の鋼材２について図面に基づいて説明する。
図２に示すように、鋼材２は、セグメント１におけるトンネルの地山側に寄った外周面側に配置される第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａと、トンネルの内空側に寄った内周面側に第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａのそれぞれに対向して配置される第２主鋼材１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂとを備えている。ここで、以下の説明では、必要に応じて主構造を単に符号１０、１１、１２で表すものとする。

図３に示すように、第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ、及び第２主鋼材１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂは、それぞれが平板形状をなし、トンネル周方向に沿うように湾曲して形成されている。対向する主鋼材１０Ａ、１０Ｂと、対向する主鋼材１１Ａ、１１Ｂと、対向する主鋼材１２Ａ、１２Ｂとのそれぞれは、トンネル軸方向に所定間隔をもって略平行に配置されている。

図３及び図４に示すように、第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ、及び各第２主鋼材１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂは、コンクリート３に埋設されている。なお、図４では符号１０（１０Ａ、１０Ｂ）の主鋼材を示した図をなしているが、符号１１（１１Ａ、１１Ｂ）、１２（１２Ａ、１２Ｂ）の主鋼材についても符号１０と同様の構成となっている。そして、第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ、及び第２主鋼材１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂのそれぞれは、長辺方向の両端部１０ａ、１１ａ、１２ａが接合面４に面一の状態で露出した状態となっている。

そして、対向配置されている第１主鋼材１０Ａ及び第２主鋼材１０Ｂ、同じく第１主鋼材１１Ａ及び第２主鋼材１１Ｂ、同じく第１主鋼材１２Ａ及び第２主鋼材１０Ｂは、側面視で略Ｖ字状をなすラチス１３によって互いに連結されている。

次に、上述したように構成されるセグメント１をトンネル内に配設したときに生じる作用について図面に基づいて説明する。
図５に示すように、セグメント１は、トンネル内に配設された状態で地山から受ける外力Ｐ（すなわち、地山の荷重等）によってセグメント１に曲げ変形が生じ、セグメント１の内周面側の位置で矢印Ｆ１、Ｆ２に示すように接合面４、４同士がトンネル周方向に開く方向への引張力が作用し、セグメント１の外周面側の位置で矢印Ｅ１、Ｅ２に示すように接合面４、４同士が互いにトンネル周方向へ押圧される方向への圧縮力が作用する。

ここで、図３に示すように、セグメント１は、トンネル周方向に沿った第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ、及び第２主鋼材１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂのそれぞれの長手方向の両端部１０ａ、１１ａ、１２ａが接合面４に露出しているので、トンネル周方向に隣接するセグメント１、１のそれぞれの主鋼材１０、１０同士、主鋼材１１、１１同士、及び主鋼材１２、１２同士がトンネル周方向（連結方向）に連続した状態となり、セグメント１の外周側の圧縮力が隣接するセグメント外周側に配置される第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａの長手方向に伝達され、それら第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａが圧縮力に抵抗することになるので、セグメント１のコンクリート部分で負担する圧縮力を低減させることができ、コンクリート３の破壊を抑制することができる。

なお、セグメント１には、接合面４に引張部材をなす継手金物（図示省略）が設けられており、互いの接合面４，４の継手金物同士が接合された状態となっているので、内周面側に作用する引張力（つまり接合面４，４どうしが開く方向に作用する力）に抵抗することができ、外周面側にかかる圧縮力を低減させることができる。そのため、セグメント１の厚さ寸法（桁高寸法）を薄くすることが可能となる。

上述した本第１の実施の形態によるコンクリート構造体では、セグメント１のトンネル周方向（連結方向）に作用する力が主鋼材１０、１１、１２の長手方向に伝達され、セグメント１の連結方向に作用する圧縮力に抵抗することができるので、セグメント１のコンクリート部分で負担する圧縮力を低減させることができ、コンクリート３の破壊を抑制する高強度な構造を実現することが可能となる。したがって、セグメント１の厚さ寸法を小さくすることができ、材料コストの低減を図ることができる。

次に、本発明の第１の実施の形態の第１乃至第３変形例、および第２の実施の形態について、図６乃至図９などに基づいて説明するが、上述の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。

図６は第１の実施の形態の第１変形例によるセグメントの構造を示す図であって、（ａ）は図２に対応する図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
図６（ａ）に示すように、第１変形例によるセグメント１Ａは、セグメント１の外周面側に位置する第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａのそれぞれの端部１０ａ、１１ａ、１２ａ同士が接合面４の面方向に沿う第１連結部材１４、１４によって連結され、セグメント１の内周面側に位置する第２主鋼材１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂのそれぞれの端部１０ａ、１１ａ、１２ａ同士が接合面４の面方向に沿う第２連結部材１５、１５によって連結された構成となっている。
第１変形例では、上述した第１の実施の形態と同様の作用、効果が得られるとともに、地山の荷重（外力）によってセグメント１Ａの外周面側でトンネル周方向に作用する圧縮力を、各主鋼材１０、１１、１２にほぼ均等となるように分散させて負担させることができる。

次に、図７は第２変形例によるセグメントの構造を示す図であって、（ａ）は図２に対応する図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２変形例によるセグメント１Ｂは、第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ及び第２主鋼材１０Ｂ、１１Ｂ、１２Ｂの長手方向の両端部１０ａ、１１ａ、１２ａに伝達部材１６が固定され、その伝達部材１６が接合面４に露出された構成となっている。つまり、上述した第１変形例と同様に主鋼材１０、１１、１２のそれぞれを接合面４に沿って連結した構成となっている。伝達部材１６は、セグメント１Ｂの短手方向に延びる帯状板をなし、その裏面１６ａに主鋼材１０、１１、１２の端部１０ａ、１１ａ、１２ａが固定されている。

第２変形例では、トンネル周方向に隣接するセグメント１Ｂ、１Ｂが接合面４、４で接合されたときに、互いの伝達部材１６、１６同士が当接する状態となり、隣接するセグメント１Ｂ、１Ｂにおけるそれぞれの主鋼材１０、１１、１２同士が連続した状態となり、トンネル周方向に作用する力を主鋼材１０、１１、１２の長手方向に伝達することができることから、上述した第１の実施の形態と同様の作用、効果を奏する。

次に、図８は第３変形例によるセグメントの構造を示す図であって、図７（ａ）に対応する図である。
図８に示すように、第３変形例では、上述した第２変形例の伝達部材１６を長手方向に３分割させた形状となっている。各伝達部材１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃの裏面には、それぞれに対応する主鋼材１０、１１、１２が固定されている。本第３変形例では、各伝達部材１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃを介して隣接するセグメント１Ｃ、１Ｃの主鋼材同士が長手方向に連続し、伝達可能な構造となるので、上述した第２変形例と同様の効果を奏する。

次に、図９は本発明の第２の実施の形態によるプレキャスト床版の構造を示す図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
第１の実施の形態、第１乃至第３変形例ではコンクリート構造体としてシールドトンネルに構築されるセグメント１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ（図１、図６、図７、図８参照）としているが、図９に示す第２の実施の形態では、セグメント１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃに代えて橋梁、道路等に採用され、工場などで製造されるプレキャスト床版１Ｄを用いたものである。

図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、本プレキャスト床版１Ｄは、平面視略長方形の箱形状をなし、長辺方向の端面を接合面２０ａ、２０ａとし、その接合面２０ａ、２０ａに備えた図示しない継手によって隣接するプレキャスト床版１Ｄに接合される構成となっている。プレキャスト床版１Ｄは、コンクリート２６内にプレキャスト床版１Ｄの短手方向に延びる上下一対の主鋼材２１（２１Ａ、２１Ｂ）、２２（２２Ａ、２２Ｂ）、２３（２３Ａ、２３Ｂ）、２４（２４Ａ、２４Ｂ）が設けられている。一対の主鋼材２１、２２、２３、２４同士は、第１及び第２の実施の形態と同様の平板部材２５（接続部材）によって連結されている。そして、一対の主鋼材２１、２２、２３、２４の両端部２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａは、接合面２０ａ、２０ａに露出した状態となっている。

第２の実施の形態によるプレキャスト床版１Ｄでは、複数のプレキャスト床版１Ｄが接合面２０ａ、２０ａで連結されたとき、主鋼材２１、２２、２３、２４の端部２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ同士が接する状態となり、隣接するプレキャスト床版１Ｄ、１Ｄのそれぞれの主鋼材２１、２２、２３、２４同士が連結方向に連続した状態となる。
そのため、例えば設置されたプレキャスト床版１Ｄの上部を車両が走行するなどして荷重Ｐがかかったときに曲げ応力が作用して、内部の主鋼材２１、２２、２３、２４に沿った方向（つまりプレキャスト床版１Ｄの短手方向）に圧縮力が働いたときに、その圧縮力が主鋼材２１、２２、２３、２４の長手方向に伝達され、それら主鋼材２１、２２、２３、２４が圧縮力に抵抗することになるので、プレキャスト床版１Ｄのコンクリート部分で負担をする圧縮力を低減させることができ、コンクリート２６の破壊を抑制する高強度な構造を実現できる。したがって、プレキャスト床版１Ｄの厚さ寸法（桁高寸法）を薄くすることが可能となり、上述した第１の実施の形態と同様の作用、効果を奏する。

以上、本発明によるコンクリート構造体の第１及び第２の実施の形態、第１乃至第３変形例について説明したが、本発明は上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、コンクリート構造体として、第１の実施の形態、第１乃至第３変形例ではセグメント１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃを対象とし、第２の実施の形態ではプレキャスト床版１Ｄを対象としているが、これらに制限されることはない。要は、コンクリート内に主鋼材が配置されたＳＲＣ造の構造体であって、その主鋼材の長手方向の端部がコンクリート構造体の接合面に露出していればよいのである。

また、本第１の実施の形態ではコンクリート３の内部にその厚さ方向で外周面側と内周面側とに主鋼材を配置させた構造であるが、主鋼材の位置は例えばセメントの厚さ方向で任意に設定することができる。そして、セグメントの構成として、例えば外周面にスキンプレートを配したセグメントであってもかまわない。つまり、外周面側の主鋼材が外周面のコンクリートと面一となるように配置され、その主鋼材とスキンプレートの内周面とが溶接手段等で接続された構成のセグメントを用いることもできる。

また、本第１の実施の形態及び第１及び第２変形例では１つのセグメント１に対して対向する主鋼材１０、１１、１２をトンネル軸方向に３箇所設けているが、これに限定されることはなく、２箇所であっても、４箇所以上であってもかまわない。また、第２の実施の形態についても同様で１つのプレキャスト床版１Ｃに対して一対の主鋼材２１、２２、２３、２４が４つ設けられているが、この数量に限定されることはない。
すなわち、主鋼材、ラチスや平板部材の接続部材等の配置、形状、箇所数に限定されることはなく、トンネル外径寸法、セグメントやプレキャスト床版の形状、大きさ等の条件に応じて任意に設定することができる。例えば他の主鋼材として、断面形状で十字形、Ｉ字形、Ｈ字形、Ｌ字形、Ｔ字形などを採用することができ、さらに断面視で四角形状、円形状などの鋼管が採用できる。また、他の接続部材として、第２の実施の形態では、複数の平板部材２５、２５、…を主鋼材の長手方向に所定間隔をもって配置させているが、これに代えて一枚の平板部材を一対の主鋼材同士の間を塞ぐようにして、主鋼材の長手方向に沿って配置させるようにしてもよい。

さらに、コンクリート構造体として、セグメント１、１Ａ、１Ｂやプレキャスト床版１Ｃであることに限定されることはなく、例えばＳＲＣ造をなす建築構造物の梁材や柱材などとして使用されるコンクリート構造体であってもかまわない。つまり、本発明のコンクリート構造体では、主鋼材のみならず、主鋼材の周りなどに適宜鉄筋が配置された周知のＳＲＣ構造が適用対象とされる。
さらにまた、コンクリート構造体の断面形状として、本実施の形態で示したセグメントやプレキャスト床版では略四角形状となっているが、この四角形状に制限されることはなく、この他に、例えば円形、多角形、十字形、Ｉ字形、Ｈ字形、Ｌ字形、Ｔ字形などの断面形状であってもかまわない。
また、コンクリート構造体の形態として、主鋼材が断面視で四角形や円形などの鋼管であって、その内部にコンクリートが充填されていない中空状態のコンクリート構造体であってもよい。

また、本第１の実施の形態では配置される主鋼材１０、１１、１２のすべての両端部１０ａ、１１ａ、１２ａが接合面４に露出した状態としているが、このような形態に限定されることはなく、例えば地山の荷重等によってセグメント１の外周面に生じる圧縮力に対応できる範囲、つまり第１主鋼材１０Ａ、１１Ａ、１２Ａのみを接合面４に露出させるようにしてもかまわない。また、第２の実施の形態のプレキャスト床版１Ｃについても同様に、例えば上面側寄りに配置される第１主鋼材２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａのみを接合面２０ａに露出させるようにしてもかまわない。要は、コンクリート構造体を設置して構築される構築物に作用する力の大きさや方向等に応じて接合面に露出させる主鋼材（或いは伝達部材）の形態を設定すればよいのである。

本発明の第１の実施の形態によるセグメントの斜視図である。 図１に示す鋼材の斜視図である。 図１に示すセグメントのＡ−Ａ矢視図である。 図１に示すセグメントのＢ−Ｂ断面図である。 セグメントの接合面の状態を示す要部側面図である。 本第１の実施の形態の第１変形例によるセグメントの構造を示す図であって、（ａ）は図２に対応する図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 第２変形例によるセグメントの構造を示す図であって、（ａ）は図２に対応する図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 第３変形例によるセグメントの構造を示す図であって、図７（ａ）に対応する図である。 本発明の第２の実施の形態によるプレキャスト床版の構造を示す図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ セグメント（コンクリート構造体）
１Ｄ プレキャスト床版（コンクリート構造体）
２ 鋼材
３、２６ コンクリート
４ 接合面
１０、１１、１２、２１、２２、２３、２４ 主鋼材
１０ａ、１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、２３ａ、２４ａ 端部
１３ ラチス
１４ 第１連結部材
１５ 第２連結部材
１６ 伝達部材

Claims (3)

1. コンクリート内に鋼材が配置され、連結方向に接合面を有するコンクリート構造体であって、
   前記鋼材は、連結方向に沿って延びる主鋼材を有し、
   前記主鋼材の長手方向の両端部が前記接合面に露出してなり、
   前記接合面同士を接合させたときに、前記主鋼材の前記端部同士が接するように構成されていることを特徴とするコンクリート構造体。
2. 前記主鋼材は、その長手方向に略直交する方向に複数設けられ、それらの端部同士が連結されていることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート構造体。
3. コンクリート内に鋼材が配置され、連結方向に接合面を有するコンクリート構造体であって、
   前記鋼材は、前記連結方向に沿って延びる主鋼材を有し、
   前記主鋼材の長手方向の両端部に伝達部材が固定され、該伝達部材が前記接合面に露出してなり、
   前記接合面同士を接合させたときに、前記伝達部材同士が接するように構成されていることを特徴とするコンクリート構造体。

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