JP3981688B2 - 鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造および複合構造物 - Google Patents

鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造および複合構造物 Download PDF

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本発明は、鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造および該接合構造を備えた複合構造物に係り、特に、接合部の十分な剛性を備えるとともに施工性の向上を図ることのできる鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造および複合構造物に関するものである。
いわゆる開かずの踏み切りに代表される、鉄道交通によってもたらされる道路交通の遮断に対して、鉄道駅舎前後区間の高架化事業の必要性は従来より叫ばれ続けている。高架化事業が促進されることにより、前記する道路交通の遮断の問題解決以外にも、周辺の再開発や区画整理事業も促進されることになり、市街化機能の改善や発展に寄与できる。さらには、電車の騒音や振動の低減、高架下の土地利用などを図ることもできる。
とろこで、上記する鉄道駅舎前後区間の高架化工事に際しては、極めて複雑困難な問題が絡んでいることも実情である。例えば、一般に市街化されている駅周辺においては、工事用侵入路の確保が困難であることに加え、工事に要する空間的な制限が多いこと、既設の道路や鉄道を供用しながらの工事であることから、既設路線やホームの盛変え、乗降客への対応などが必要不可欠であることなどである。
上記する駅舎前後区間の高架化工事における問題点の改善策としては、高架構造物の柱と梁の接合構造の簡素化、施工の簡素化による工程短縮が極めて重要となり、かかる工程短縮により、工事に要するコストダウンにも繋がることとなる。
柱と梁の接合構造、中でも鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合構造に関しては、従来さまざまな技術が開発され、開示されてきている。例えば、出願人においては、コンクリートの充填作業が容易で施工性に優れ、しかも耐力と剛性の高いコンクリート充填柱と鉄骨梁の接合構造に関する発明を特許文献1に開示している。かかる接合構造は、鉄骨梁のコンクリート充填柱との接合端部にエンドプレートを接合し、鉄骨梁の上下フランジにそれぞれ支圧プレートを接合するとともに相隣る鉄骨梁の支圧プレート同士を斜めに配設した連結材によって締め付けることにより、鉄骨梁をコンクリート充填柱に圧着させてなる接合構造である。
また、他の開示発明としては、鉄筋コンクリート柱のうち、鉄骨梁との接合箇所に定着金物が埋設されていて、該定着金物により柱側面にバンドプレートを添着し、該バンドプレートに鉄骨梁の端部を接合してなる鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合構造がある(特許文献2)。
特開平9−144137号公報 特開2002−129661号公報
特許文献1に開示の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造によれば、現場での溶接作業が不要となることから施工性が向上するとともに施工精度の管理も容易となる。さらには、コンクリート充填柱には、上下方向の軸力に加えて連結材の締め付けによる水平方向の軸力も付与されるため、コンクリート充填柱の剛性が向上することになる。しかし、鉄骨梁の端面は、柱の側面に加圧状態で当接しているため、例えば、地震時の水平力が作用した場合などにおいて、梁と柱が相対的にずれるといった問題が生じ得る。
一方、特許文献2に開示の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造においては、該鉄筋コンクリート柱がプレキャストコンクリート部材を対象とされたものであり、柱を現場施工する場合に適用するのは困難である。さらには、梁と柱の接合に際して、柱に取り付けられたブラケットと梁に跨る継手板をボルト接合する構造とするため、接合部の鋼材重量が増加することが否めない。
本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、梁と柱の接合部の耐力および靭性を十分に確保でき、かつ施工性に優れた鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造を提供することを目的としている。また、梁と柱の接合箇所に継手板やボルトなどを不要とすることで、鋼材重量を低減することのできる鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造を提供することを目的としている。さらには、上記する接合構造を備えた構成とすることにより、少なくとも梁と柱の接合部が高い剛性を有し、さらに施工性に優れた鉄骨と鉄筋コンクリートからなる複合構造物を提供することを目的としている。
前記目的を達成すべく、本発明による鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造は、鉄骨梁の軸心方向に直交する方向に延びる第一の鋼管を備えた鉄骨梁と、該第一の鋼管に鉄筋コンクリート柱とが接合されることによって形成される、鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造であって、前記第一の鋼管と前記鉄骨梁は予め固着されており、前記第一の鋼管内には、鉄筋コンクリート柱の主鉄筋が埋め込まれた状態でコンクリートが充填硬化されてなることを特徴とする。
鉄骨梁と第一の鋼管との接合形態は、構造物の部位に応じた任意の形態を採用できる。例えば、第一の鋼管を挟んで、左右に鉄骨梁が延びるような形態や、第一の鋼管を中心に2本の鉄骨梁が90度に配設された形態(構造物の隅角部に適用する場合)、さらには、第一の鋼管を中心に、90度ごとに4本の鉄骨梁が配設された形態などがある。また、構造物の階層に応じて第一の鋼管の形状は決定でき、例えば、途中階の構造フレームに使用される第一の鋼管においては、その上下に鉄筋コンクリート柱が延びることから、上下に開口を有する筒形状となる。一方、最上階の構造フレームに使用される第一の鋼管においては、下方のみ開口を有する函体となる。
鉄骨梁は、H型鋼や角鋼管などを使用できる。第一の鋼管の下端レベルは、H型鋼の下フランジ(または角鋼管の下方プレート)と同程度のレベル、ないしは該下フランジよりも下方に突出したレベルに設定することができる。鉄骨梁と第一の鋼管は、工場などで予め溶接等によって固着され、現場搬入された鉄骨梁と第一の鋼管は、所定高さまで構築された鉄筋コンクリート柱上に仮設された姿勢で、第一の鋼管内にコンクリートが充填されることにより、本発明の接合構造が構築される。ここで、所定高さまで構築された鉄筋コンクリート柱の上端面からは上方に主鉄筋が突出されており、この主鉄筋の周りを第一の鋼管が囲繞する姿勢で該第一の鋼管内にコンクリートが充填される。
途中階の構造フレームにおいては、第一の鋼管内を上記する鉄筋コンクリート柱の主鉄筋が貫通しており、最上階の構造フレームにおいては、主鉄筋の上端が第一の鋼管の内壁面と所定のかぶりを確保した姿勢で該鋼管内に収容される。この最上階の構造フレームにおける主鉄筋の上端(先端)形状は、直線状、半円形フック状、鋭角フック状、直角フック状、先端にナットや鋼板を取り付けた形態など、適宜の先端形状を選定することができる。
本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造は、該接合部における従来のボルト止め施工や溶接施工などを不要なものとしており、特に該鉄筋コンクリート柱を現場施工する際の施工性を格段に向上させることが可能となる。尤も、プレキャスト製の鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁とを接合する場合においても、ボルト止め施工や溶接施工などが必要となるものの、従来の接合構造に比べて施工性の向上を図ることができる。
また、本発明による鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態において、前記鉄筋コンクリート柱が、第二の鋼管や鋼板からなる筒体で囲繞されていることを特徴とする。
鋼管や鋼板などからなる筒体内にコンクリートが充填された複合構造の柱体とすることにより、柱体自体のせん断耐力を向上させることができ、さらには、大地震時における鉄筋コンクリート柱の脆性破壊の防止に繋がる。また、筒体が鉄筋コンクリート柱施工時の型枠材としても使用できることから、施工性の向上にも繋がる。
また、本発明による鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態において、前記第一の鋼管の端面と前記筒体の端面は当接しており、双方が縁切りされていることを特徴とする。
本発明では、接合部の所要耐力の確保を前提に、施工性の向上を最大限追求するものである。したがって、当接する第一の鋼管と筒体双方の端面においては、溶接や添接板を介したボルト止めなどによって双方を接続しない構造としたものである。したがって、柱体を囲繞する筒体の耐力は、柱体の一般部の耐力向上に寄与するものとし、梁と柱の接合部の耐力は、梁部材(の端部)と第一の鋼管、および該第一の鋼管内で充填硬化された鉄筋コンクリート柱(の端部)から形成される個々の構造部材の耐力以上の耐力となる。
接合部の構築に際しては、第一の鋼管と筒体双方の端部が当接されており、したがってコンクリート充填時にコンクリートの漏れを防止することができる。
また、本発明による鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態において、前記第一の鋼管の端面と前記筒体の端面の間には、隙間が設けられていることを特徴とする。
ここで、第一の鋼管と筒体双方の端面間に設けられた隙間は、構造物の供用時に柱体を構成するコンクリートが該隙間から落下しない程度に設定するのが好ましく、例えば、最大でも10cm程度以下とするのがよい。かかるコンクリートの落下は、地震時の繰り返し荷重によって柱の外周付近のコンクリートが剥落することによってもたらされることが考えられる。
また、本発明による鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態において、前記第一の鋼管の端部と前記筒体の端部は、いずれか一方が他方に嵌装されることによって双方が重なっていることを特徴とする。
双方の重ね箇所において隙間がないように一方を他方に嵌装させることで、コンクリート充填時にコンクリートの漏れを防止することができる。
さらに、本発明による鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態において、前記第一の鋼管の内壁面には、鉄筋や鋼棒を含む補強部材が該内壁面の周方向に装着されていることを特徴とする。
梁と柱を繋ぐ第一の鋼管の剛性を高めることは、本発明の接合構造にとって極めて重要な要素となる。そこで、鋼管の内壁面において、その周方向に延びる補強部材を装着することにより、鋼管の剛性の向上(鋼管側壁のせん断耐力の向上、座屈耐力の向上、曲げ耐力の向上、靭性能の向上など)を図るものである。補強部材としては、鉄筋や鋼棒のほか、鋼製プレートからなるリブ材などが使用できる。
また、本発明による鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態において、前記鉄骨梁は、鉄骨とコンクリートからなる複合梁であることを特徴とする。
複合梁の実施形態は様々であって特に限定するものではないが、例えば、芯材となるH型鋼を包囲する矩形断面のコンクリートからなる実施形態や、角鋼管内にコンクリートが充填されてなる実施形態などがある。
また、本発明による複合構造物は、前記鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造を備えたことを特徴とする。
かかる複合構造物としては、鉄道を跨ぐ高架橋やビル、各種の土木構造物など、その対象は多用である。中でも、高架橋などの工程制限が厳しい構造物に適用されるのが好適である。
以上の説明から理解できるように、本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造によれば、予め接続された鉄骨梁と第一の鋼管を現場搬入し、該鋼管と鉄筋コンクリート柱とを接合することにより、梁と柱体の接合に要する時間を極めて短縮することができる。例えば、線路閉鎖等によって工事の時間的制限が厳しい場合に本発明の接合構造を適用することが好ましい。また、本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造によれば、該接合部の構築に際してボルト締め付け施工や溶接施工などが不要となることから、鋼材重量を低減でき、加工を容易とすることができる。さらに、本発明の複合構造物によれば、既述する接合構造を備えていることから、十分な接合部の剛性を確保しながら、構造物の構築に要する全体工程を短縮することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の一実施形態の縦断図である。図2は、図1のII−II矢視図であり、(a)はその一実施形態を、(b)、(c)はそれぞれ他の実施形態を示した図である。図3は、図1のIII−III矢視図であり、(a)はその一実施形態を、(b)は他の実施形態を示した図である。図4は、主鉄筋の先端形状の側面図であり、(a)はその一実施形態を、(b)〜(f)はそれぞれ他の実施形態を示した図である。図5〜図7は、それぞれ鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態の縦断図である。なお、複合構造物の実施形態は多様であり、図示は省略する。
図1は、最上階の構造フレームを構成する鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の一実施形態を示したものである。左右に延びる鉄骨梁1,1の間に第一の鋼管2が溶接等によって固着されている。第一の鋼管2の端面2aは、鉄骨梁1の下フランジ11よりも下方に突出している。そのため、現場施工に際して、所定高さまで構築された鉄筋コンクリート柱3の上端面に該第一の鋼管2の端面2aを仮設した姿勢で第一の鋼管2内にコンクリートを充填することが可能となる。尤も、この端面2aは鉄骨梁1の下フランジ11と同程度のレベルに設定されていてもよい。
鉄筋コンクリート柱3を構成する主鉄筋32は第一の鋼管2内に埋設されており、該主鉄筋32の先端と第一の鋼管2の内壁面との間には所定のかぶりが確保されている。
第一の鋼管2の内壁面にはその周方向に延びる補強部材21(鉄筋や鋼棒など)が溶着されている。さらに、第一の鋼管2と鉄筋コンクリート柱3の接合構造を補強するために、第一の鋼管2内にある主鉄筋32,32,…の外周にはフープ筋33,33,…が取り付けられている。
鉄筋コンクリート柱3を構成するコンクリート31のうち、特に第一の鋼管2内のコンクリートの充填に際しては、鉄骨梁1が位置決め(仮設)された姿勢で、第一の鋼管2に穿設された図示しない充填口からコンクリートが充填される。
図示する実施形態においては、鉄筋コンクリート柱3の外周を鉄板や鋼管(第二の鋼管)などからなる筒体4が囲繞しており、第一の鋼管2の端面2aと筒体4の端面4aとは当接しているのみである。すなわち、かかる当接箇所には溶接などによる両者の接続は必要としない。
図2は、鉄骨梁1の実施形態を示したものであり、図2aは、鉄骨梁1がH型鋼1aのみからなる場合を、図2bは、H型鋼1aを芯材としてその周りに矩形断面のコンクリート1bが包囲するSC梁を、図2cは、角鋼管1cの内部にコンクリート1bが充填されてなるSC梁をそれぞれ示している。なお、その他の実施形態としては、角鋼管のみからなる鉄骨梁などがある。
図3は、第一の鋼管2の横断面図を示したものである。図3aは第一の鋼管2の断面形状が正方形の場合を示しており、図3bは円形断面の場合を示している。その他の実施形態としては、断面形状が矩形の場合がある。なお、鉄筋コンクリート柱3の横断面形状に関しては、実質的に図3の横断面と同一形状となることからその図示を省略する(第一の鋼管と筒体それぞれの肉厚が相違するのみとなる)。
図4は、図1における主鉄筋32の上端(先端)形状の実施形態を示したものであり、図1に示す直線状が図4aに相当する。先端形状の他の実施形態としては、図4bに示す半円形フック、図4cに示す鋭角フック、図4dに示す直角フック、図4eに示す主鉄筋32の先端にナット32aが取り付けられた形態、図4fに示す主鉄筋32の先端に鋼製プレート32bが取り付けられた形態などがある。これらの先端形状を適用することで、鉄筋の定着長を短くすることが可能となる。
図5、図6は、鉄骨梁1と鉄筋コンクリート柱3の接合構造の他の実施形態を示したものである。
図5の実施形態は、第一の鋼管2の端面2aと筒体4の端面4aとの間に隙間5が設けられた実施形態である。この接合構造を施工する場合は、鉄筋コンクリート柱3が所定高さまで構築された後、ズレ止め鋼材等によって第一の鋼管2と筒体4とを繋ぐことで鉄骨梁1,1(第一の鋼管2)が隙間5を確保した姿勢で支持され、この隙間5の外周を型枠材等でマスキングした状態でコンクリートの充填がおこなわれる。
隙間5の鉛直長さLは、最大でも10cm程度とするのが好ましい。10cm以上となると、地震時の繰り返し荷重などに対してコンクリートの外周部分の剥落塊が隙間を介して落下する可能性が高くなるためである。
一方、図6の実施形態は、第一の鋼管2の内部に筒体4の端部が嵌装している実施形態である。本実施形態においても、双方の端部を嵌め込むのみであって、双方を溶接等によって接続することは要しない。なお、筒体4の内部に第一の鋼管2が嵌装される実施形態であってもよい。
図7は、途中階の構造フレームを形成する鉄骨梁1と鉄筋コンクリート柱3の接合構造の実施形態を示したものである。
第一の鋼管2の上端および下端は、鉄骨梁1の上フランジ12および下フランジ11よりもそれぞれ上方、下方に突出している。第一の鋼管2の上端面2b上に上階を形成する鉄筋コンクリート柱3まわりの筒体4の下端面4bが当接され、第一の鋼管2を挟んで上下の鉄筋コンクリート柱3,3が一体化されている。この場合、下方の鉄筋コンクリート柱3を構成する主鉄筋32を第一の鋼管2の上端から所定長さ突出させておき、上方の鉄筋コンクリート柱3を構成する主鉄筋32との間で所定の定着長を備えた姿勢で、該上方の鉄筋コンクリート柱3の構築がおこなわれる。
以上のように、本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造によれば、接合部における剛性が十分に確保されながら、従来のように溶接施工やボルトによる締め付け施工、緊張部材による緊張施工などの施工工程が不要となるため、工程の大幅な短縮を図ることができる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の一実施形態の縦断図。 図1のII−II矢視図であり、(a)はその一実施形態を、(b)、(c)はそれぞれ他の実施形態を示した図。 図1のIII−III矢視図であり、(a)はその一実施形態を、(b)は他の実施形態を示した図。 主鉄筋の先端形状の側面図であり、(a)はその一実施形態を、(b)〜(f)はそれぞれ他の実施形態を示した図。 本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態の縦断図。 本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態の縦断図。 本発明の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造の他の実施形態の縦断図。
符号の説明
1,1a,1b…鉄骨梁、11…下フランジ、2…第一の鋼管、2a…端面、21…補強部材、3…鉄筋コンクリート柱、31……コンクリート、32…主鉄筋、4…筒体、4a…端面、5…隙間

Claims (4)

  1. 構造物の最上階の構造フレームに使用される鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造であって、鉄骨梁の軸心方向に直交する方向に延び、かつ、その下方のみ開口を有する第一の鋼管を備えた鉄骨梁と、該第一の鋼管に鉄筋コンクリート柱とが接合されることによって形成される、鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造において、
    前記第一の鋼管と前記鉄骨梁は予め固着されており、前記第一の鋼管内には、鉄筋コンクリート柱の主鉄筋が埋め込まれた状態でコンクリートが充填硬化されており、
    前記鉄筋コンクリート柱は、第二の鋼管や鋼板からなる筒体で囲繞されており、
    前記第一の鋼管の端面と前記筒体の端面の間には、その鉛直長さが略10cm以下の隙間が設けられていることを特徴とする鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造。
  2. 前記第一の鋼管の内壁面には、鉄筋や鋼棒を含む補強部材が該内壁面の周方向に装着されていることを特徴とする請求項1に記載の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造。
  3. 前記鉄骨梁は、鉄骨とコンクリートからなる複合梁であることを特徴とする請求項1または2に記載の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の鉄骨梁と鉄筋コンクリート柱の接合構造を備えたことを特徴とする複合構造物。
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