JP2020051143A

JP2020051143A - 伸縮装置及び伸縮装置の設置方法

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Publication number: JP2020051143A
Application number: JP2018182345A
Authority: JP
Inventors: 勇輔永井; Yusuke Nagai; 林　大介; Daisuke Hayashi; 大介林; 康祐横関; Kosuke Yokozeki
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-27
Also published as: JP7027289B2

Abstract

【課題】鉛直方向の変形を抑制しつつ水平方向の伸縮性を向上させた伸縮装置及び伸縮装置の設置方法を提供する。【解決手段】伸縮装置１において、橋梁２の一対の床版３の遊間４に設置されたゲル部材２０を備え、ゲル部材２０は、高強度を有するナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている。このため、温度変化等に伴う橋梁２の水平方向の伸縮変形に対する伸縮性を向上させることができる。また、伸縮装置１において、遊間４に設置され、ゲル部材２０よりも高い剛性を有する補強部材１０を備える。このため、大型自動車等の車両の輪荷重による鉛直方向の変形を抑制することができる。以上より、伸縮装置１によれば、鉛直方向の変形を抑制しつつ水平方向の伸縮性を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、伸縮装置及び伸縮装置の設置方法に関するものである。

道路橋等の橋梁において、交通荷重による橋桁のたわみ及び温度変化に伴う伸縮等により生じる動きを吸収するために、橋梁の遊間には、伸縮継手、伸縮目地材及びジョイントとも呼ばれる伸縮装置が設けられている。道路橋では、車両の走行により、伸縮装置が設けられた部位に段差が生じ、振動及び騒音が発生することがある。伸縮装置が設けられた部位に生じる段差は、伸縮装置の早期劣化及び車輛走行性の悪化を引き起こす可能性がある。

この騒音・振動を解消するための対策として、伸縮装置によって区切られていた走行路を一様な路面に改良すること（一般にノージョイント化と呼ばれている）が行われつつある。例えば、特許文献１には、橋桁の隣接するＲＣ床版の上部にそれぞれ設けた埋設空間に、高靭性繊維補強セメント複合材料からなるプレキャストジョイント部材を遊間を跨いで配置した構造が開示されている。特許文献１の構造では、プレキャストジョイント部材の両端部はアンカーボルト１３等によりＲＣ床版に定着され、埋設空間の隙間に樹脂モルタル等の間詰材が充填され、舗装体で覆われる。

特開２００７‐３０９０３２号公報

ところで、支間長又は伸縮桁長が長い橋梁をノージョイント化して、振動及び騒音の発生を低減するために、伸縮装置の水平方向の伸縮性の向上が望まれている。また、併せて伸縮装置が設けられた部位における大型自動車等の車両の輪荷重による鉛直方向の変形を抑制することも望まれている。

そこで本発明は、鉛直方向の変形を抑制しつつ水平方向の伸縮性を向上させた伸縮装置及び伸縮装置の設置方法を提供することを目的とする。

本発明は、橋梁の遊間に設置されたゲル部材と、遊間に設置され、ゲル部材よりも高い剛性を有する補強部材とを備え、ゲル部材は、ナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている伸縮装置である。

この構成によれば、伸縮装置において、橋梁の遊間に設置されたゲル部材を備え、ゲル部材は、高強度を有するナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている。このため、温度変化等に伴う橋梁の水平方向の伸縮変形に対する伸縮性を向上させることができる。また、伸縮装置において、遊間に設置され、ゲル部材よりも高い剛性を有する補強部材を備える。このため、大型自動車等の車両の輪荷重による鉛直方向の変形を抑制することができる。以上より、鉛直方向の変形を抑制しつつ水平方向の伸縮性を向上させることができる。

この場合、ゲル部材は、ダブルネットワークゲルから形成されていることが好適である。

この構成によれば、ゲル部材は強度、靭性及び伸縮性に優れたダブルネットワークゲルから形成されているため、温度変化等に伴う橋梁の水平方向の伸縮変形に対する伸縮性を最も向上させることができる。

また、補強部材は、上下方向に延在する隔壁と、隔壁により区画された複数のセルとを含むハニカム構造を有することが好適である。

この構成によれば、補強部材は、上下方向に延在する隔壁と、隔壁により区画された複数のセルとを含むハニカム構造を有するため、軽量な構造により大型自動車等の車両の輪荷重による鉛直方向の変形を抑制することができる。また、セル内にゲル部材が充填されることにより、ゲル部材の流動を抑制し、温度変化等に伴う橋梁の水平方向の伸縮変形に対する追従性をさらに向上させることができる。

この場合、補強部材の隔壁は樹脂により形成されていることが好適である。

この構成によれば、補強部材の隔壁は樹脂により形成されているため、補強部材の軽量化をさらに図ることができる。

また、補強部材の隔壁は、隔壁を貫通する孔部を含むことが好適である。

この構成によれば、補強部材の隔壁は隔壁を貫通する孔部を含むため、ゲル部材との一体性を向上させることができる。

また、本発明は、橋梁の遊間にゲル部材を設置するゲル部材設置工程と、遊間にゲル部材よりも高い剛性を有する補強部材を設置する補強部材設置工程とを備え、ゲル部材設置工程では、ナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されているゲル部材を設置する伸縮装置の設置方法である。

この場合、ゲル部材設置工程では、ダブルネットワークゲルのいずれかから形成されているゲル部材を設置することが好適である。

また、補強部材設置工程では、上下方向に延在する隔壁と、隔壁により区画された複数のセルとを含むハニカム構造を有する補強部材を設置することが好適である。

この場合、補強部材設置工程では、補強部材の隔壁が樹脂により形成されている補強部材を設置することが好適である。

また、補強部材設置工程では、補強部材の隔壁が隔壁を貫通する孔部を含む補強部材を設置することが好適である。

本発明の伸縮装置及び伸縮装置の設置方法によれば、鉛直方向の変形を抑制しつつ水平方向の伸縮性を向上させることができる。

（Ａ）は実施形態に係る伸縮装置を示す縦断面図であり、（Ｂ）は実施形態に係る伸縮装置を示す平面図である。実施形態に係る伸縮装置の補強部材を示す斜視図である。実施形態に係る伸縮装置の設置方法の遊間に埋設空間を形成する工程後の状態を示す縦断面図である。実施形態に係る伸縮装置の設置方法の遊間にバックアップ材を設置した状態を示す縦断面図である。実施形態に係る伸縮装置の設置方法の埋設空間にスライディングシート及び定着シートを設置した状態を示す縦断面図である。（Ａ）は実施形態に係る伸縮装置の設置方法の補強部材設置工程後の状態を示す縦断面図であり、（Ｂ）は実施形態に係る伸縮装置の設置方法の補強部材設置工程後の状態を示す平面図である。（Ａ）は実施形態に係る伸縮装置の設置方法のゲル部材設置工程後の状態を示す縦断面図であり、（Ｂ）は実施形態に係る伸縮装置の設置方法のゲル部材設置工程後の状態を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る伸縮装置及び伸縮装置の設置方法について詳細に説明する。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、本実施形態の伸縮装置１は、道路橋等の橋梁２の一対の床版３の遊間４に設置される。遊間４には、合成樹脂、ゴム等から形成されたバックアップ材５が挿入されている。遊間４の上端には、本実施形態の伸縮装置１を埋設するための埋設空間６が設けられている。埋設空間６は、遊間４の周囲において、床版３がその表面から２０〜４０ｍｍ程度の深さに窪んだ凹部により形成される。埋設空間６の橋軸方向（図１（Ａ）の水平方向）の長さは、例えば、１．１〜２．０ｍである。

埋設空間６の内面の遊間４の周囲には、スライディングシート７が設置されている。スライディングシート７は、埋設空間６において、床版３と伸縮装置１との摩擦係数を小さくするために設置されている。スライディングシート７は、例えば、埋設空間６の内面に設置されたゴム入りアスファルトのシートの上面にアルミ箔を貼った物を適用することができる。また、スライディングシート７は、例えば、埋設空間６の内面に設置されたゴム入りアスファルトのシートの上面にアルミ箔を貼った物と、伸縮装置１に下面に設置された抗張力繊維メッシュにゴム入りアスファルトを含浸させたシートの下面にアルミ箔を貼った物との２層により形成されてもよい。スライディングシート７が設置されている範囲が自由長となる。

埋設空間６の内面のスライディングシート７の周囲には、定着シート８が設置されている。定着シート８は、例えば、抗張力繊維メッシュにゴム入りアスファルトを溶着させた物を適用することができる。

本実施形態の伸縮装置１は、橋梁２の遊間４に設置されたゲル部材２０と、遊間４に設置され、ゲル部材２０よりも高い剛性を有する補強部材１０とを備える。図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図２に示すように、補強部材１０はアンカー１１により一対の床版３のそれぞれに固定されている。図２に示すように、補強部材１０は、上下方向に延在する隔壁１２と、隔壁１２により区画された正六角柱状の複数のセル１３とを含むハニカム構造を有する。

補強部材１０の隔壁１２の高さは、例えば、埋設空間６の深さ以下の１０〜４０ｍｍ程度にすることができる。正六角柱状のセル１３の底面の一辺の長さは、例えば、２０〜４０ｍｍ程度にすることができる。なお、セル１３の形状は、六角柱状に限定されず、三角柱状及び四角柱状等のその他の形状であってもよい。

補強部材１０の隔壁１２は、隔壁１２を貫通する孔部１４を含む。また、補強部材１０の端部のセル１３は、セル１３の対向する隔壁１２に架け渡されたアンカー支持部１５とアンカー支持部１５に設けられたアンカー孔部１６を含む。アンカー孔部１６に挿通されたアンカー１１は、定着シート８を介して床版３に打ち込まれる。これにより、補強部材１０が埋設空間６に定着される。

補強部材１０の隔壁１２は、樹脂により形成されている。具体的には、補強部材１０の隔壁１２は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber-Reinforced Plastics）及び炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Carbon-Fiber-Reinforced Plastics）のいずれかにより形成することができる。

伸縮装置１には、床版３の遊間４を通過する車両の輪荷重に相当する鉛直荷重が直接に載荷される。このため、この荷重に対する耐荷力及びその繰り返される載荷に対する疲労耐久性を有するように、設計にあたっては作用する力を適切に設定しなければならない。以下、日本道路協会発行の「道路橋示方書・同解説Ｉ共通編」（以下、「道示Ｉ」と呼ぶ）の「４．２．３伸縮装置に作用する力」及び図−２．２．１「Ｔ荷重」の記載を参考に伸縮装置１に作用する荷重を計算する。

例えば、車両の片輪による活荷重を１０００００Ｎと仮定する。また、活荷重による衝撃荷重は、フィンガージョイント等では活荷重の１００％が一般的であり、ゴム材及び鋼材からなる伸縮装置では活荷重の４０％が一般的である。本実施形態の伸縮装置１では、ゴム材及び鋼材からなる伸縮装置の例に従い、衝撃荷重は活荷重の４０％であると仮定する。ここで、車両の片輪による荷重が作用する範囲を５００ｍｍ×２００ｍｍの範囲であると仮定すると、伸縮装置１に作用する活荷重は、１０００００Ｎ÷（５００ｍｍ×２００ｍｍ）＝１Ｎ／ｍｍ^２である。

上記のように、衝撃荷重は活荷重の４０％であると仮定すると、伸縮装置１に作用する衝撃荷重は、１Ｎ／ｍｍ^２×０．４＝０．４Ｎ／ｍｍ^２である。よって、伸縮装置１が受ける鉛直方向の荷重は、１Ｎ／ｍｍ^２＋０．４Ｎ／ｍｍ^２＝１．４Ｎ／ｍｍ^２である。したがって、補強部材１０の隔壁１２の樹脂に要求される圧縮強度は、例えば、１．４Ｎ／ｍｍ^２以上である。なお、状況に応じて、補強部材１０の隔壁１２は、高耐食性溶融亜鉛・アルミニウム・マグネシウム合金めっき鋼板等の金属により形成されていてもよい。

ゲル部材２０は、ナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている。ナノコンポジットゲル（ＮＣゲル）は、温度応答性ゲルとして最も代表的なポリ(Ｎ−イソプロピノレアクヲノレアミド)(ＰＮＩＰＡ)ヒドロゲルを対象とし、有機高分子(ＰＮＩＰＡ)と無機クレイ(ヘクトライト)をナノレベルで複合化して得られる持異的な「有機／無機ネットワーク構造」を持つヒドロゲルである。環動ゲルは、超分子の一つであるポリロタキサン(ポリエチレングリコール(ＰＥＧ)にα−シクロデキストリン（ＣＤ）が包接されたもの）を用いた架橋点が自由に動く高分子ゲルである。

ダブルネットワークゲル（ＤＮゲル）は、硬くて脆い供電解質性のゲル（ポリ［２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸］ゲル：ＰＡＭＰＳゲルなど）と柔軟に変形できる中性のゲル又はポリマー（ポリアクリルアミド：ＰＡＡｍなど）の組み合わせによって互いに独立な２種の高分子網目構造を持つゲルである。つまり、ダブルネットワークゲルは、硬くて脆い高分子電解質と柔軟で伸びやすい中性高分子性質との異なる２種の網目構造を持っており、一般的なゲルよりも強度、靭性及び伸縮性に優れている。そのため、本実施形態では、ゲル部材２０はダブルネットワークゲルにより形成されている。

ここで、橋梁２の橋種は鋼橋であり、支間長は３０ｍ＝３００００ｍｍであり床版３の上面までの桁高は１．５０ｍ＝１５００ｍｍであると仮定し、伸縮装置１の水平方向の移動量を算出する。伸縮装置１の水平方向の移動量は、温度変化の影響及び活荷重によるたわみによる変位を考慮する。温度変化の影響は、道示Ｉの「２．２．１０温度変化」及び表−２．２．１６「支承の移動量および伸縮装置算定に用いる温度変位の範囲」の記載を参考にして算出する。

ここで、表−２．２．１６の温度変化範囲が普通の地方に比べて大きく、厳しい条件である寒冷な地方での温度変化を受けたときの伸縮量について、鋼橋の温度変化範囲が「−２０℃〜＋４０℃」とされているから、鋼橋の温度変化範囲は６０℃である。また、鋼桁の線膨張係数は、１２×１０^−６である。したがって、鋼桁の温度変化の影響による伸縮装置１の水平方向の移動量は、６０℃×１２×１０^−６×３００００ｍｍ＝２１．６ｍｍである。

活荷重のたわみによる移動量については、道示Ｉの「４．１．３支承部の移動量」解説（６）の記載を参考にして算出する。道示Ｉの「４．１．３支承部の移動量」解説（６）の記載より、鋼桁の回転角θ_ｉは、１／１５０である。したがって、活荷重による桁上部のたわみによる伸縮装置１の水平方向の移動量は、１５００ｍｍ×１／１５０＝１０．０ｍｍである。以上より、温度変化と活荷重によるたわみを考慮した伸縮装置１の水平方向の移動量は、２１．６＋１０．０≒３２ｍｍとなる。したがって、支間長が３０ｍ以上の橋梁２の移動量を吸収するためには、少なくとも、伸縮量３２ｍｍの材料を用いることが要求される。

ゲル部材２０のダブルネットワークゲルに要求される引張強度は、例えば、１１Ｎ／ｍｍ^２以上である。また、上記のように、支間長３０ｍの橋梁２は、移動量が３２ｍｍとなり、最低でも必要な引張ひずみは、自由長を１０００ｍｍとし、安全率を３とすると、３２÷１０００×３≒０．１となる。したがって、ゲル部材２０のダブルネットワークゲルに要求される引張ひずみは、０．１以上である。本実施形態では、補強部材１０のセル１３の内部も含む埋設空間６の全体にゲル部材２０のダブルネットワークゲルが充填されている。ゲル部材２０の上方は、アスファルトによる舗装体９により覆われている。

以下、本実施形態の伸縮装置の設置方法について説明する。以下の例では、既設の橋梁２において、既設の伸縮装置が撤去され、本実施形態の伸縮装置１が設置される場合について説明する。以下の作業は、例えば、夜間において短時間で行われる。図３に示すように、橋梁２の一対の床版３の遊間４の部位が切断された後に、既設の伸縮装置が撤去され、埋設空間６が設けられる。なお、本実施形態の伸縮装置１が新設される場合には、上記工程は省略することができる。既設の伸縮装置が撤去された後に、埋設空間６の内面に不陸がある場合には、内面が平坦になるように整形される。また、埋設空間６の内面に樹脂モルタル等が打設され、埋設空間６の内面が平坦にされる。

図４に示すように、遊間４にバックアップ材５が挿入される。図５に示すように、埋設空間６の内面の遊間４の付近にスライディングシート７が設置される。また、埋設空間６のスライディングシート７の周囲に定着シート８が設置される。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、遊間４にゲル部材２０よりも高い剛性を有する補強部材１０を設置する補強部材設置工程が行われる。補強部材設置工程では、補強部材１０は軽量であるため、人力で補強部材１０を埋設空間６に配置することができる。埋設空間６に置かれた補強部材１０のアンカー支持部１５のアンカー孔部１６にアンカー１１が挿通される。アンカー孔部１６に挿通されたアンカー１１は定着シート８を介して床版３に打ち込まれる。これにより、埋設空間６に補強部材１０が設置される。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、橋梁２の遊間４にゲル部材２０を設置するゲル部材設置工程が行われる。ゲル部材設置工程では、例えば、埋設空間６に、ゲル部材２０を形成するダブルネットワークゲルの原料溶液が充填される。原料溶液は、補強部材１０のセル１３の内部も含む埋設空間６の全体に充填される。

原料溶液は、例えば、主剤であるＡ液と、硬化剤を含むＢ液とから成り、Ａ液とＢ液とを混合させた状態で埋設空間６に充填することにより、原料溶液の硬化が開始される。原料溶液は、１〜２時間程度で硬化する。原料溶液の配合を変えることにより、硬化時間を調整することができる。また、原料溶液は硬化時に、厚み数ｃｍの硬化で約９０℃の反応熱が発生する。原料溶液の樹脂分の低減により、反応熱を調整することができる。また、ゲル部材２０の剛性を高め、鉛直方向の変形に対してゲル部材２０が抵抗するように、ダブルネットワークゲルの原料溶液に砂を配合してもよい。ゲル部材設置工程の後に、図１に示すように、ゲル部材２０の上方に舗装体９を設置することにより、本実施形態の伸縮装置１の設置方法が終了する。

本実施形態によれば、伸縮装置１において、橋梁２の一対の床版３の遊間４に設置されたゲル部材２０を備え、ゲル部材２０は、高強度を有するナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている。このため、温度変化等に伴う橋梁２の水平方向の伸縮変形に対する伸縮性を向上させることができる。また、伸縮装置１において、遊間４に設置され、ゲル部材２０よりも高い剛性を有する補強部材１０を備える。このため、大型自動車等の車両の輪荷重による鉛直方向の変形を抑制することができる。以上より、本実施形態の伸縮装置１によれば、鉛直方向の変形を抑制しつつ水平方向の伸縮性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、ゲル部材２０は強度、靭性及び伸縮性に優れたダブルネットワークゲルから形成されているため、温度変化等に伴う橋梁の水平方向の伸縮変形に対する伸縮性を最も向上させることができる。

つまり、従来の伸縮装置では、支間長が１６．５ｍを超える橋梁や、伸縮桁長が２５ｍを超える橋梁のノージョイント化には対応できない。一方、本実施形態のダブルネットワークゲルによるゲル部材２０は、従来の伸縮装置と同様の引張強度を持ちながら、従来の伸縮装置の数十倍の引張ひずみを有する。そのため、支間長３０ｍ以上の橋梁２におけるノージョイント化が可能となる。また、ノージョイント化することにより、騒音が改善される。

また、本実施形態では、補強部材１０は、上下方向に延在する隔壁１２と、隔壁１２により区画された複数のセル１３とを含むハニカム構造を有するため、軽量な構造により大型自動車等の車両の輪荷重による鉛直方向の変形を抑制することができる。また、セル１３の中にゲル部材２０が充填されることにより、ゲル部材２０の流動を抑制し、温度変化等に伴う橋梁２の水平方向の伸縮変形に対する追従性をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、補強部材１０の隔壁１２は樹脂により形成されているため、補強部材１０の軽量化をさらに図ることができる。

また、本実施形態では、補強部材１０の隔壁１２は隔壁１２を貫通する孔部１４を含むため、補強部材１０とゲル部材２０との付着が良くなり、ゲル部材２０との一体性を向上させることができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して変形例を構成することも可能である。例えば、上記実施形態では、補強部材設置工程の後にゲル部材設置工程が行われたが、可能であれば、ゲル部材設置工程と同時又はゲル部材設置工程の後に補強部材設置工程が行われてもよい。

１…伸縮装置、２…橋梁、３…床版、４…遊間、５…バックアップ材、６…埋設空間、７…スライディングシート、８…定着シート、９…舗装体、１０…補強部材、１１…アンカー、１２…隔壁、１３…セル、１４…孔部、１５…アンカー支持部、１６…アンカー孔部、２０…ゲル部材。

Claims

橋梁の遊間に設置されたゲル部材と、
前記遊間に設置され、前記ゲル部材よりも高い剛性を有する補強部材と、
を備え、
前記ゲル部材は、ナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている、伸縮装置。
前記ゲル部材は、ダブルネットワークゲルから形成されている、請求項１に記載の伸縮装置。
前記補強部材は、上下方向に延在する隔壁と、前記隔壁により区画された複数のセルとを含むハニカム構造を有する、請求項１又は２に記載の伸縮装置。
前記補強部材の前記隔壁は、樹脂により形成されている、請求項３に記載の伸縮装置。
前記補強部材の前記隔壁は、前記隔壁を貫通する孔部を含む、請求項３又は４に記載の伸縮装置。
橋梁の遊間にゲル部材を設置するゲル部材設置工程と、
前記遊間に前記ゲル部材よりも高い剛性を有する補強部材を設置する補強部材設置工程と、
を備え、
前記ゲル部材設置工程では、ナノコンポジットゲル、環動ゲル及びダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている前記ゲル部材を設置する、伸縮装置の設置方法。
前記ゲル部材設置工程では、ダブルネットワークゲルのいずれかから形成されている前記ゲル部材を設置する、請求項６に記載の伸縮装置の設置方法。
前記補強部材設置工程では、上下方向に延在する隔壁と、前記隔壁により区画された複数のセルとを含むハニカム構造を有する前記補強部材を設置する、請求項６又は７に記載の伸縮装置の設置方法。
前記補強部材設置工程では、補強部材の前記隔壁が樹脂により形成されている前記補強部材を設置する、請求項８に記載の伸縮装置の設置方法。
前記補強部材設置工程では、補強部材の前記隔壁が前記隔壁を貫通する孔部を含む前記補強部材を設置する、請求項８又は９に記載の伸縮装置の設置方法。