JP4154099B2 - 鋼管部材とコンクリート部材との接合構造 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願に係る発明は、土木構造物又は建築構造物等として構築されるコンクリート・鋼複合構造物において採用することができるもので、鋼管部材とコンクリート部材とを接合する部分の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
土木又は建築構造物等の構造材料として、コンクリート又は鋼材が広く用いられている。コンクリートは施工現場で任意の形状の部材を形成することができ、維持管理が容易という利点を有しており、鋼材は軽量で強固な構造を構築できるという利点を備えている。そして、上記それぞれの利点を生かした構造としてコンクリート・鋼複合構造が提案されており、例えば、道路橋・鉄道橋等における上床版及び下床版をコンクリートで構成し、これらを鋼管斜材で連結するコンクリート・鋼複合トラス橋がある。
【０００３】
このような構造物においては、コンクリート部材と鋼部材との接合部で力を円滑に伝達するとともに、大きな局部的応力の発生を抑え、構造上の弱点とならないようにしなければならない。
このようなコンクリート部材と鋼部材との接合構造として、例えば、コンクリート・鋼複合トラス橋では、トラスの上弦材・下弦材及び斜材を鋼部材によって一体に組み立て、上弦材及び下弦材にスタッドジベル等を設けておいてコンクリートからなる上床版及び下床版と一体化する構造が考えられている。
しかし、このような構造では鋼材の使用量が多く、構築費用が多大となるとともに、鋼トラスの組み立てに高い精度が要求され、コンクリートと鋼部材との複合構造とするメリットが生かされないことになる。
【０００４】
このため、鋼斜材のそれぞれを直接コンクリートの上床版又は下床版と接合する構造を採用するのが望ましく、次のような接合構造が考えられている。
図６に示す接合構造は、斜材である鋼部材１０１の端部に、この部材の軸線とほぼ直角に鋼板１０２を溶接し、この鋼板から複数のスタッドジベル１０３を立設する。そして、このスタッドジベル１０３を埋込むようにコンクリートを打設して鋼部材１０１と一体に接合されたコンクリート部材１０４を形成するものである。
また、図７に示す接合構造は、図６に示す例と同様に鋼部材１１１の端部に鋼板１１２を溶接接合し、この鋼板１１２に穿設されたねじ孔にＰＣ鋼棒又は棒鋼等の棒状鋼材１１３を螺合する。そして、このＰＣ鋼棒又は棒鋼をコンクリート内に埋込むことによってコンクリート部材１１４と鋼部材１１１とを一体化するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６又は図７に示すような接合構造では次のような問題点がある。
図６に示すような構造では、鋼部材１０１に作用する力は、端部の鋼板１０２及びこれに溶接接合されたスタッドジベル１０３を介してコンクリート部材１０４に伝達される。このため、鋼部材１０１と鋼板１０２との溶接部及び鋼板１０２とスタッドジベル１０３との溶接部は十分な強度及び信頼性が要求され、溶接工程の管理及び検査を厳重に行なう必要がある。また、溶接接合されるスタッドジベル１０３には高強度の鋼材を用いることが難しく、必要なスタッドジベルの数が多くなって配置が困難となる場合が生じる。
さらに、複合トラス橋等ではコンクリート部材と鋼部材との接合部に繰り返し変動する力が作用することになり、鋼部材１０１と鋼板１０２との溶接接合部又はスタッドジベル１０３の基部が疲労破壊を起こすことが考えられる。
【０００６】
一方、図７に示すような構造では、棒状鋼材１１３としてＰＣ鋼棒等の高強度鋼を用いることができ、本数を低減して接合部の構造を簡単なものにすることができるが、棒状鋼材に螺条が設けられており、コンクリート部材１１４と鋼部材１１１との接合部に大きな軸力又は曲げモーメントが繰り返し作用すると、上記螺条が設けられている部分で棒状鋼材１１３に疲労破壊が生じることが考えられる。また、図６に示す構造と同様に、鋼部材１１１と鋼板１１２との溶接接合部に疲労破壊が生じるおそれもある。
【０００７】
本願に係る発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で耐疲労性に優れ、構造上の弱点のないコンクリート部材と鋼管部材との接合構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、 コンクリートからなる上弦材と、この下方に支持されるコンクリートの下弦材と、前記上弦材と下弦材とを連結する鋼管部材である斜材とを備えたコンクリート・鋼複合トラスにおける前記鋼管部材と前記上弦材又は下弦材であるコンクリート部材との接合構造であって、 前記鋼管部材の端部の内面に、該鋼管部材の軸線方向に沿って、複数のリブが溶接接合され、 該リブが延長されて前記鋼管部材の端面より突出し、この突出部分が前記鋼管部材と接合される前記コンクリート部材内に埋込まれ、 前記鋼管部材内の前記リブが溶接された部分に、前記コンクリート部材と連続するようにコンクリート又はモルタルが充填されており、 引張力が作用する引張斜材として用いられる前記鋼管部材に溶接接合された前記リブの延長部分であって前記コンクリート部材へ埋め込まれる部分の長さは、圧縮力が作用する圧縮斜材として用いられる前記鋼管部材に溶接接合された前記リブの延長部分であって前記コンクリート部材へ埋め込まれる部分の長さより長くなっており、 前記引張斜材の前記リブの延長部分は、前記コンクリート部材内において前記圧縮斜材の前記リブの延長部分と非結合状態で、前記圧縮斜材の延長線上に突き出すように配置されている鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を提供する。
【０００９】
この鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、鋼管部材に作用する引張力が、溶接接合された複数のリブに伝達され、さらにこのリブの突出部分が埋め込まれたコンクリート部材に伝達される。このとき、リブと鋼管部材との間ではは、鋼管部材の軸線方向に沿って線状に溶接された部分を介して力が伝達され、局部的に大きな応力が生じるのが回避される。また、コンクリート部材とリブとの間では、広い範囲に分布するコンクリートの付着力によって力が伝達され、リブに局部的な応力の集中が生じない。したがってくり返し荷重が作用する場合にも、疲労に対して大きな耐力を有するものとなる。
【００１０】
一方、リブが鋼管部材に溶接された部分には、コンクリート又はモルタルが充填され、これがリブ及び鋼管部材の内面と強固に付着しているので、溶接部分が腐食等に対して有効に保護されるとともに、引張力の一部がコンクリート又はモルタルの付着力を介して伝達され、溶接部分の応力が緩和される。また、鋼管部材に圧縮力が作用するときには、上記鋼管部材内に充填されて鋼管部材の内面に付着したコンクリート又はモルタルによって圧縮力の大きな部分が分担され、コンクリート部材に確実に伝達される。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造において、 前記リブに、複数の開孔が分散して設けられているものとする。
【００１２】
この鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、リブがコンクリート部材中に埋め込まれたときに、上記開孔内にコンクリートが入り込み、せん断キーとして機能する。すなわち、開孔内に入り込んだコンクリートがリブとかみ合って、力を伝達する。したがって、リブに引張力又は圧縮力が作用したときに、リブの側面に作用する付着力のみでなく、リブの開孔部分で大きな力が伝達されることになり、リブとコンクリート部材との一体性が強固に維持される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造において、 前記鋼管部材の内面の周方向に所定間隔で設けられた複数の前記リブは、鋼管部材の中央部で互いに接合されたものとする。
【００１４】
この接合構造では、リブが鋼管部材に強固に取り付けられるとともに、大きな剛性を有することになる。したがってこのリブが鋼管部材とコンクリート部材との接合部分で曲げモーメント又はせん断力に対しても抵抗することになる。
一般に、トラス構造で部材の格点を剛結合とすると多少の曲げモーメント又はせん断力が各部材の格点付近に生じることになるが、上記リブによって曲げモーメント又はせん断力に抵抗することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、 コンクリートからなる上弦材と、この下方に支持されるコンクリートの下弦材と、前記上弦材と下弦材とを連結する鋼管部材である斜材とを備えたコンクリート・鋼複合トラスにおける前記鋼管部材と前記上弦材又は下弦材であるコンクリート部材との接合構造であって、 鋼管部材の端部の内面に、該鋼管部材の軸線方向に沿って、複数のリブが溶接接合され、 該リブに沿って、前記鋼管部材の軸線方向に複数の棒状鋼材が配置され、 該棒状鋼材が鋼管部材の端面より突出して、前記鋼管部材と接合されるコンクリート部材に埋込まれ、 前記鋼管部材の端部の前記リブが溶接された部分に、前記コンクリート部材と連続し、前記棒状鋼材を埋め込むようにコンクリート又はモルタルが充填されており、 引張力が作用する引張斜材として用いられる前記鋼管部材から突出する棒状鋼材には、先端付近に該棒状鋼材の前記コンクリート部材からの引き抜きに抵抗するアンカープレートが係止され、 該アンカープレートが、圧縮力が作用する圧縮斜材として用いられる前記鋼管部材の延長線上に配置されている鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を提供するものである。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造において、 前記複数のリブは、二つずつが対となって所定間隔で対向するように設けられ、 前記棒状鋼材は、対となる二つのリブ間に配置され、 該棒状鋼材の端部に螺合されたナットが、前記リブに係止されているものとする。
【００１７】
このような鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、鋼管部材に作用する引張力が、溶接接合された複数のリブに伝達され、さらに鋼管部材の端部に充填されたコンクリート又はモルタルの付着力によって棒状鋼材に伝達される。また、請求項５に記載のように棒状鋼材がリブに係止されている場合には、この係止部分を介しても力が伝達される。棒状鋼材は、鋼管部材の端面より突出した部分がコンクリート部材内に埋め込まれており、棒状鋼材に伝達された力はコンクリートの付着又は棒状鋼材の端部に係止されたナット、プレート等によってコンクリート部材に伝達される。
一方、鋼管部材に作用する圧縮力は、鋼管部材の端面又は鋼管部材端部の内側に充填されたコンクリート又はモルタルを介してコンクリート部材に伝達される。
【００１８】
このような接合構造において、リブは鋼管部材の軸線方向に沿って溶接されており、広い範囲で力が伝達されるので、溶接部分に作用する応力は小さく、溶接部分が疲労に対して弱点となるのを回避することができる。
また、リブと棒状鋼材とはコンクリート又はモルタルの付着力によって一体となっており、力が広い範囲に分散して伝達されるので棒状鋼材に疲労が生じるおそれも解消することができる。
さらに、請求項５に記載のように棒状鋼材をナットによってリブに係止することにより、コンクリート又はモルタルの付着力と分担して、この係止部分からも力を伝達することができ、接合部の信頼性を高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本願に係る発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本願発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造が適用されるコンクリート・鋼複合トラス橋を示す概略側面図及び断面図である。
この複合トラス橋は、複数の橋脚１ａ，１ｂ及び橋台（図示しない）上に支持された連続トラス２を有するものであり、このトラス構造は、プレストレスストコンクリートからなる上床版１１と、この下方に支持されるプレストレストコンクリートの下床版１２と、上記上床版１１と下床版１２とを連結する鋼管の斜材１３とで主要部が構成され、上床版１１が上弦材として、下床版１２が下弦材として機能するものとなっている。
【００２０】
上記上床版１１は、橋の軸線方向に連続しており、この上に路面が形成されるもので、軸線方向及びこれと直角方向にＰＣ鋼材（図示しない）が埋設されている。そして、これらのＰＣ鋼材を緊張し、コンクリートに定着することによってプレストレスが導入されており、上弦材として機能することによる圧縮力又は引張力が作用した時にも、有害なひび割れ等が生じないようになっている。一方、下床版１２も橋の軸線方向にプレストレスが導入され、トラスの下弦材として機能することによる圧縮力及び引張力に耐え得るようになっている。
上記斜材１３は橋の軸線方向に傾斜するように配置されており、傾斜方向が逆となった斜材１３ａ，１３ｂが交互に配列されてワレントラスを形成している。そして、それぞれの斜材１３ａ，１３ｂは端部が上床版１１及び下床版１２と接合されている。
【００２１】
図２は、上記コンクリート・鋼複合トラス橋において適用できる、コンクリートの上床版１１と鋼管からなる斜材との接合部であって、本願発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を示す断面図である。また、図３は同じ接合構造の概略斜視図である。
この接合構造は、鋼管２１の端部の内側に複数のリブ２２を溶接接合するとともに、このリブ２２を鋼管２１の端面より突出させ、この突出部分２２ａをコンクリート部材である上床版１１内に埋め込んだものである。
【００２２】
上記鋼管２１は、端面を上床版１１に突き当てるように接合されるものであり、上床版のコンクリート表面に沿った形状に端面が形成されている。この実施形態では、鋼管２１からなる斜材が、ほぼ水平方向に形成された上床版増厚部１１ａの下面に接合されており、端面はこの下面と平行となるように形成されている。また、この鋼管端部の外周面には、保護プレート２３が張り出すように設けられており、雨水等が鋼管内に侵入するのを防止するようになっている。
なお、鋼管は端部の所定長さをコンクリート部材内に突き入れた状態で接合してもよい。
【００２３】
上記リブ２２は、鋼管２１の内周面の４ケ所で該鋼管２１の軸線方向に溶接で接合された鋼板材であり、鋼管２１の中心部で互いに連続し、鋼管内を４つに分割する形状となっている。そして、このリブ２２は鋼管２１の端面より突出し、突出した部分２２ａは断面が十の字状となって上床版１１のコンクリート内に埋め込まれる。また、このリブ２２には複数の円孔２２ｂが設けられており、コンクリート内に埋め込まれたときに、この円孔内にコンクリートが入り込むようになっている。
【００２４】
鋼管２１の、リブ２２が溶接された部分よりやや奥側には、この鋼管の軸線と直角方向に鋼板材２４が溶接接合されている。この鋼板材２４は、鋼管端部の内側に充填されるコンクリート２５の型枠として機能するものである。
【００２５】
鋼管２１の端部の内側に充填されるコンクリート２５は、上床版１１のコンクリートを打設するときに同時に充填することができる。つまり、リブ２２を取り付けた鋼管２１を所定の位置に仮固定した後、上床版１１のコンクリートを打設するとともに、鋼管の上端の開口からコンクリートを鋼管２１内に流し込み、リブ２２の溶接部分を埋め込むように充填する。
【００２６】
なお、鋼管端部の内側に充填されるコンクリート２５は、鋼管２１を所定の位置に建て込む前にあらかじめ充填し、硬化させたものであってもよい。特に、斜めに配置された鋼管の下端部では、下床版のコンクリート打設と同時に充填するのは難しく、予め鋼管内に充填しておくのが望ましい。また、鋼管の上端部でもあらかじめ充填しておくことによって、確実に充填することが可能となり、鋼管内に空洞が残らないように充填することが容易となる。
また、上記のようにあらかじめ鋼管内に充填しておく場合には、コンクリートに代えてモルタル又はセメント系のグラウト材等を用いることもでき、混和剤によって硬化時に膨張性を有するもの、無収縮性を有するものとすることもできる。
【００２７】
このような鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、鋼管２１に作用する引張力はリブ２２を介して上床版１１のコンクリートに伝達される。このリブ２２とコンクリートとの間には付着力が作用するとともに、リブ２２が有する複数の円孔２２ｂ内にコンクリートが入り込むことによって強固に一体化されており、リブ２２がコンクリートから抜け出したりすることなく確実に力の伝達が行われる。また、リブ２２によって曲げモーメント、剪断力も伝達される。そして、溶接部分が弱点となることもなく、耐疲労特性に優れた接合構造となる。
【００２８】
上記鋼管２１からなる斜材は、図１に示すようなワレントラスでは、傾斜方向が逆となるものが隣接して設けられ、一般に、一方が主に引張力が作用する斜材１３ａ、他方は主に圧縮力が作用する斜材１３ｂとなる。主に圧縮力が作用する鋼管３１との接合部では、リブ３２のコンクリート部材内に埋め込まれる長さがやや短くなっているが、上記リブ３２及び鋼管３１の端面を介して、さらに鋼管３１の端部に充填されたコンクリートを介して、確実に圧縮力が伝達される。
【００２９】
図４は、請求項４又は、請求項５に記載の発明の一実施形態であって、図１に示すようなコンクリート・鋼複合トラス橋に用いることができる鋼管部材とコンクリート部材との接合構造の断面図である。また、図５は同じ接合構造の概略斜視図である。
この接合構造では、鋼管４１の端部の内側に２つずつ対となった複数のリブ４２が溶接接合され、対となる２つのリブ間にそれぞれＰＣ鋼棒４６が鋼管４１の軸線方向に配置されている。このＰＣ鋼棒４６は、一部が鋼管４１の端より突き出し、上床版１１のコンクリート内に埋め込まれている。また、鋼管内のＰＣ鋼棒４６が配置された部分には、コンクリート４５が充填されている。
【００３０】
上記鋼管４１は、図２及び図３に示す実施形態と同様に、端面を上床版１１に突き当てるように接合されるものであり、上床版１１のコンクリートの表面に沿った形状に端面が形成されている。
【００３１】
上記リブ４２は、短冊状の鋼板材の長辺を、鋼管４１の軸線方向に溶接接合したものであり、対となる２つのリブがＰＣ鋼棒４６を挿通できる間隔をあけて対向するように設けられ、このような対が周方向に４組設けられている。そして、奥側の端部に端板４７が取り付けられ、ナット４８が螺合されたＰＣ鋼棒４６が係止されている。
【００３２】
このＰＣ鋼棒４６は、全長にわたって周面に凸部がほぼ一様に設けられた異形鋼棒であり、この凸部がらせん状に設けられている。このらせん状の凸部は、コンクリートとの付着力を増大する効果を有するとともに、ナット４８をねじ込んで係止するねじ山としての機能を有するものである。
【００３３】
このＰＣ鋼棒４６の上床版１１に埋め込まれた端部にはナット４９が螺合され、アンカープレート５０が係止されている。これにより、ＰＣ鋼棒４６に大きな引き抜き力が作用したときに、周面の付着力のみでなく上記アンカープレート５０でも抵抗できるようになっている。ただし、主に圧縮力が作用する斜材では、ＰＣ鋼棒に大きな引き抜き力が作用することはなく、上記アンカープレートは設けられていない。
【００３４】
鋼管端部の内側に充填されるコンクリート４５は、上床版１１のコンクリートを打設するときに同時に充填することができるが、隅々まで充填を行ってリブ４２やＰＣ鋼棒４６と充分に付着させるためにモルタル又はセメント系グラウトをあらかじめ充填してもよい。
なお、この接合構造の他の構成である鋼板材４４、保護プレート４３等は、図２又は図３に示すものと同じものである。
【００３５】
このような接合構造では、鋼管４１に作用した引張力は、リブ４２からコンクリート４５の付着力を介してＰＣ鋼棒４６に伝達されるとともに、ＰＣ鋼棒４６に螺合されたナット４８を介して伝えられる。また、このＰＣ鋼棒４６から上床版１１へは、コンクリートの付着力とアンカープレート５０とによって伝達される。このように力が分散されることにより、局部的に応力が集中することが少なく、耐疲労性に優れた構造となっている。また、鋼管４１の内側に充填されるコンクリート４５が上床版１１のコンクリートと連続しており、このコンクリートがせん断力に抵抗する。
【００３６】
以上に記載の実施形態は、コンクリート・鋼複合トラス橋の鋼管斜材と上床版との接合部に適用したものであるが、鋼管斜材と下床版との接合部にも適用できるし、建築構造等橋梁以外の構造物においても適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本願に係る鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、力を伝達するために鋼管の端部に固着されたリブが、鋼管の軸線方向に分布する範囲で溶接接合され、力が分散して伝達されるので応力の集中が少なく、耐疲労性に優れたものとなる。また、棒状鋼材を用いる場合にも、棒状鋼材と鋼管との間及び棒状鋼材とコンクリート部材との間で引張力が分散して伝達され、応力が集中することが少なく、棒状鋼材の疲労破壊に対する安全性を充分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態であるコンクリート部材と鋼管部材との接合構造が適用されるコンクリート・鋼複合トラス橋の概略側面図及び断面図である。
【図２】図１に示すコンクリート・鋼複合トラス橋において適用することができる斜材と上床版との接合構造であって、請求項１、請求項２又は請求項３に係る発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す接合構造の概略斜視図である。
【図４】図１に示すコンクリート・鋼複合トラス橋において適用することができる斜材と上床版との接合構造であって、請求項４又は請求項５に係る発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を示す断面図である。
【図５】図４に示す接合構造の概略斜視図である。
【図６】従来から知られている鋼管部材とコンクリート部材のとの接合構造の一例を示す概略断面図である。
【図７】従来から知られている鋼管部材とコンクリート部材のとの接合構造の他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 橋脚
２ 連続トラス
１１ 上床版
１２ 下床版
１３ 斜材
１３ａ 主に引張力が作用する斜材
１３ｂ 主に圧縮力が作用する斜材
２１、４１ 鋼管
２２、４２ リブ
２３、４３ 保護プレート
２４、４４ 鋼板材
２５、４５ コンクリート
３１ 鋼管
３２ リブ
４６ ＰＣ鋼棒
４７ 端板
４８、４９ ナット
５０ アンカープレート
【発明の属する技術分野】
本願に係る発明は、土木構造物又は建築構造物等として構築されるコンクリート・鋼複合構造物において採用することができるもので、鋼管部材とコンクリート部材とを接合する部分の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
土木又は建築構造物等の構造材料として、コンクリート又は鋼材が広く用いられている。コンクリートは施工現場で任意の形状の部材を形成することができ、維持管理が容易という利点を有しており、鋼材は軽量で強固な構造を構築できるという利点を備えている。そして、上記それぞれの利点を生かした構造としてコンクリート・鋼複合構造が提案されており、例えば、道路橋・鉄道橋等における上床版及び下床版をコンクリートで構成し、これらを鋼管斜材で連結するコンクリート・鋼複合トラス橋がある。
【０００３】
このような構造物においては、コンクリート部材と鋼部材との接合部で力を円滑に伝達するとともに、大きな局部的応力の発生を抑え、構造上の弱点とならないようにしなければならない。
このようなコンクリート部材と鋼部材との接合構造として、例えば、コンクリート・鋼複合トラス橋では、トラスの上弦材・下弦材及び斜材を鋼部材によって一体に組み立て、上弦材及び下弦材にスタッドジベル等を設けておいてコンクリートからなる上床版及び下床版と一体化する構造が考えられている。
しかし、このような構造では鋼材の使用量が多く、構築費用が多大となるとともに、鋼トラスの組み立てに高い精度が要求され、コンクリートと鋼部材との複合構造とするメリットが生かされないことになる。
【０００４】
このため、鋼斜材のそれぞれを直接コンクリートの上床版又は下床版と接合する構造を採用するのが望ましく、次のような接合構造が考えられている。
図６に示す接合構造は、斜材である鋼部材１０１の端部に、この部材の軸線とほぼ直角に鋼板１０２を溶接し、この鋼板から複数のスタッドジベル１０３を立設する。そして、このスタッドジベル１０３を埋込むようにコンクリートを打設して鋼部材１０１と一体に接合されたコンクリート部材１０４を形成するものである。
また、図７に示す接合構造は、図６に示す例と同様に鋼部材１１１の端部に鋼板１１２を溶接接合し、この鋼板１１２に穿設されたねじ孔にＰＣ鋼棒又は棒鋼等の棒状鋼材１１３を螺合する。そして、このＰＣ鋼棒又は棒鋼をコンクリート内に埋込むことによってコンクリート部材１１４と鋼部材１１１とを一体化するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６又は図７に示すような接合構造では次のような問題点がある。
図６に示すような構造では、鋼部材１０１に作用する力は、端部の鋼板１０２及びこれに溶接接合されたスタッドジベル１０３を介してコンクリート部材１０４に伝達される。このため、鋼部材１０１と鋼板１０２との溶接部及び鋼板１０２とスタッドジベル１０３との溶接部は十分な強度及び信頼性が要求され、溶接工程の管理及び検査を厳重に行なう必要がある。また、溶接接合されるスタッドジベル１０３には高強度の鋼材を用いることが難しく、必要なスタッドジベルの数が多くなって配置が困難となる場合が生じる。
さらに、複合トラス橋等ではコンクリート部材と鋼部材との接合部に繰り返し変動する力が作用することになり、鋼部材１０１と鋼板１０２との溶接接合部又はスタッドジベル１０３の基部が疲労破壊を起こすことが考えられる。
【０００６】
一方、図７に示すような構造では、棒状鋼材１１３としてＰＣ鋼棒等の高強度鋼を用いることができ、本数を低減して接合部の構造を簡単なものにすることができるが、棒状鋼材に螺条が設けられており、コンクリート部材１１４と鋼部材１１１との接合部に大きな軸力又は曲げモーメントが繰り返し作用すると、上記螺条が設けられている部分で棒状鋼材１１３に疲労破壊が生じることが考えられる。また、図６に示す構造と同様に、鋼部材１１１と鋼板１１２との溶接接合部に疲労破壊が生じるおそれもある。
【０００７】
本願に係る発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で耐疲労性に優れ、構造上の弱点のないコンクリート部材と鋼管部材との接合構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、 コンクリートからなる上弦材と、この下方に支持されるコンクリートの下弦材と、前記上弦材と下弦材とを連結する鋼管部材である斜材とを備えたコンクリート・鋼複合トラスにおける前記鋼管部材と前記上弦材又は下弦材であるコンクリート部材との接合構造であって、 前記鋼管部材の端部の内面に、該鋼管部材の軸線方向に沿って、複数のリブが溶接接合され、 該リブが延長されて前記鋼管部材の端面より突出し、この突出部分が前記鋼管部材と接合される前記コンクリート部材内に埋込まれ、 前記鋼管部材内の前記リブが溶接された部分に、前記コンクリート部材と連続するようにコンクリート又はモルタルが充填されており、 引張力が作用する引張斜材として用いられる前記鋼管部材に溶接接合された前記リブの延長部分であって前記コンクリート部材へ埋め込まれる部分の長さは、圧縮力が作用する圧縮斜材として用いられる前記鋼管部材に溶接接合された前記リブの延長部分であって前記コンクリート部材へ埋め込まれる部分の長さより長くなっており、 前記引張斜材の前記リブの延長部分は、前記コンクリート部材内において前記圧縮斜材の前記リブの延長部分と非結合状態で、前記圧縮斜材の延長線上に突き出すように配置されている鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を提供する。
【０００９】
この鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、鋼管部材に作用する引張力が、溶接接合された複数のリブに伝達され、さらにこのリブの突出部分が埋め込まれたコンクリート部材に伝達される。このとき、リブと鋼管部材との間ではは、鋼管部材の軸線方向に沿って線状に溶接された部分を介して力が伝達され、局部的に大きな応力が生じるのが回避される。また、コンクリート部材とリブとの間では、広い範囲に分布するコンクリートの付着力によって力が伝達され、リブに局部的な応力の集中が生じない。したがってくり返し荷重が作用する場合にも、疲労に対して大きな耐力を有するものとなる。
【００１０】
一方、リブが鋼管部材に溶接された部分には、コンクリート又はモルタルが充填され、これがリブ及び鋼管部材の内面と強固に付着しているので、溶接部分が腐食等に対して有効に保護されるとともに、引張力の一部がコンクリート又はモルタルの付着力を介して伝達され、溶接部分の応力が緩和される。また、鋼管部材に圧縮力が作用するときには、上記鋼管部材内に充填されて鋼管部材の内面に付着したコンクリート又はモルタルによって圧縮力の大きな部分が分担され、コンクリート部材に確実に伝達される。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造において、 前記リブに、複数の開孔が分散して設けられているものとする。
【００１２】
この鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、リブがコンクリート部材中に埋め込まれたときに、上記開孔内にコンクリートが入り込み、せん断キーとして機能する。すなわち、開孔内に入り込んだコンクリートがリブとかみ合って、力を伝達する。したがって、リブに引張力又は圧縮力が作用したときに、リブの側面に作用する付着力のみでなく、リブの開孔部分で大きな力が伝達されることになり、リブとコンクリート部材との一体性が強固に維持される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造において、 前記鋼管部材の内面の周方向に所定間隔で設けられた複数の前記リブは、鋼管部材の中央部で互いに接合されたものとする。
【００１４】
この接合構造では、リブが鋼管部材に強固に取り付けられるとともに、大きな剛性を有することになる。したがってこのリブが鋼管部材とコンクリート部材との接合部分で曲げモーメント又はせん断力に対しても抵抗することになる。
一般に、トラス構造で部材の格点を剛結合とすると多少の曲げモーメント又はせん断力が各部材の格点付近に生じることになるが、上記リブによって曲げモーメント又はせん断力に抵抗することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、 コンクリートからなる上弦材と、この下方に支持されるコンクリートの下弦材と、前記上弦材と下弦材とを連結する鋼管部材である斜材とを備えたコンクリート・鋼複合トラスにおける前記鋼管部材と前記上弦材又は下弦材であるコンクリート部材との接合構造であって、 鋼管部材の端部の内面に、該鋼管部材の軸線方向に沿って、複数のリブが溶接接合され、 該リブに沿って、前記鋼管部材の軸線方向に複数の棒状鋼材が配置され、 該棒状鋼材が鋼管部材の端面より突出して、前記鋼管部材と接合されるコンクリート部材に埋込まれ、 前記鋼管部材の端部の前記リブが溶接された部分に、前記コンクリート部材と連続し、前記棒状鋼材を埋め込むようにコンクリート又はモルタルが充填されており、 引張力が作用する引張斜材として用いられる前記鋼管部材から突出する棒状鋼材には、先端付近に該棒状鋼材の前記コンクリート部材からの引き抜きに抵抗するアンカープレートが係止され、 該アンカープレートが、圧縮力が作用する圧縮斜材として用いられる前記鋼管部材の延長線上に配置されている鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を提供するものである。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造において、 前記複数のリブは、二つずつが対となって所定間隔で対向するように設けられ、 前記棒状鋼材は、対となる二つのリブ間に配置され、 該棒状鋼材の端部に螺合されたナットが、前記リブに係止されているものとする。
【００１７】
このような鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、鋼管部材に作用する引張力が、溶接接合された複数のリブに伝達され、さらに鋼管部材の端部に充填されたコンクリート又はモルタルの付着力によって棒状鋼材に伝達される。また、請求項５に記載のように棒状鋼材がリブに係止されている場合には、この係止部分を介しても力が伝達される。棒状鋼材は、鋼管部材の端面より突出した部分がコンクリート部材内に埋め込まれており、棒状鋼材に伝達された力はコンクリートの付着又は棒状鋼材の端部に係止されたナット、プレート等によってコンクリート部材に伝達される。
一方、鋼管部材に作用する圧縮力は、鋼管部材の端面又は鋼管部材端部の内側に充填されたコンクリート又はモルタルを介してコンクリート部材に伝達される。
【００１８】
このような接合構造において、リブは鋼管部材の軸線方向に沿って溶接されており、広い範囲で力が伝達されるので、溶接部分に作用する応力は小さく、溶接部分が疲労に対して弱点となるのを回避することができる。
また、リブと棒状鋼材とはコンクリート又はモルタルの付着力によって一体となっており、力が広い範囲に分散して伝達されるので棒状鋼材に疲労が生じるおそれも解消することができる。
さらに、請求項５に記載のように棒状鋼材をナットによってリブに係止することにより、コンクリート又はモルタルの付着力と分担して、この係止部分からも力を伝達することができ、接合部の信頼性を高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本願に係る発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本願発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造が適用されるコンクリート・鋼複合トラス橋を示す概略側面図及び断面図である。
この複合トラス橋は、複数の橋脚１ａ，１ｂ及び橋台（図示しない）上に支持された連続トラス２を有するものであり、このトラス構造は、プレストレスストコンクリートからなる上床版１１と、この下方に支持されるプレストレストコンクリートの下床版１２と、上記上床版１１と下床版１２とを連結する鋼管の斜材１３とで主要部が構成され、上床版１１が上弦材として、下床版１２が下弦材として機能するものとなっている。
【００２０】
上記上床版１１は、橋の軸線方向に連続しており、この上に路面が形成されるもので、軸線方向及びこれと直角方向にＰＣ鋼材（図示しない）が埋設されている。そして、これらのＰＣ鋼材を緊張し、コンクリートに定着することによってプレストレスが導入されており、上弦材として機能することによる圧縮力又は引張力が作用した時にも、有害なひび割れ等が生じないようになっている。一方、下床版１２も橋の軸線方向にプレストレスが導入され、トラスの下弦材として機能することによる圧縮力及び引張力に耐え得るようになっている。
上記斜材１３は橋の軸線方向に傾斜するように配置されており、傾斜方向が逆となった斜材１３ａ，１３ｂが交互に配列されてワレントラスを形成している。そして、それぞれの斜材１３ａ，１３ｂは端部が上床版１１及び下床版１２と接合されている。
【００２１】
図２は、上記コンクリート・鋼複合トラス橋において適用できる、コンクリートの上床版１１と鋼管からなる斜材との接合部であって、本願発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を示す断面図である。また、図３は同じ接合構造の概略斜視図である。
この接合構造は、鋼管２１の端部の内側に複数のリブ２２を溶接接合するとともに、このリブ２２を鋼管２１の端面より突出させ、この突出部分２２ａをコンクリート部材である上床版１１内に埋め込んだものである。
【００２２】
上記鋼管２１は、端面を上床版１１に突き当てるように接合されるものであり、上床版のコンクリート表面に沿った形状に端面が形成されている。この実施形態では、鋼管２１からなる斜材が、ほぼ水平方向に形成された上床版増厚部１１ａの下面に接合されており、端面はこの下面と平行となるように形成されている。また、この鋼管端部の外周面には、保護プレート２３が張り出すように設けられており、雨水等が鋼管内に侵入するのを防止するようになっている。
なお、鋼管は端部の所定長さをコンクリート部材内に突き入れた状態で接合してもよい。
【００２３】
上記リブ２２は、鋼管２１の内周面の４ケ所で該鋼管２１の軸線方向に溶接で接合された鋼板材であり、鋼管２１の中心部で互いに連続し、鋼管内を４つに分割する形状となっている。そして、このリブ２２は鋼管２１の端面より突出し、突出した部分２２ａは断面が十の字状となって上床版１１のコンクリート内に埋め込まれる。また、このリブ２２には複数の円孔２２ｂが設けられており、コンクリート内に埋め込まれたときに、この円孔内にコンクリートが入り込むようになっている。
【００２４】
鋼管２１の、リブ２２が溶接された部分よりやや奥側には、この鋼管の軸線と直角方向に鋼板材２４が溶接接合されている。この鋼板材２４は、鋼管端部の内側に充填されるコンクリート２５の型枠として機能するものである。
【００２５】
鋼管２１の端部の内側に充填されるコンクリート２５は、上床版１１のコンクリートを打設するときに同時に充填することができる。つまり、リブ２２を取り付けた鋼管２１を所定の位置に仮固定した後、上床版１１のコンクリートを打設するとともに、鋼管の上端の開口からコンクリートを鋼管２１内に流し込み、リブ２２の溶接部分を埋め込むように充填する。
【００２６】
なお、鋼管端部の内側に充填されるコンクリート２５は、鋼管２１を所定の位置に建て込む前にあらかじめ充填し、硬化させたものであってもよい。特に、斜めに配置された鋼管の下端部では、下床版のコンクリート打設と同時に充填するのは難しく、予め鋼管内に充填しておくのが望ましい。また、鋼管の上端部でもあらかじめ充填しておくことによって、確実に充填することが可能となり、鋼管内に空洞が残らないように充填することが容易となる。
また、上記のようにあらかじめ鋼管内に充填しておく場合には、コンクリートに代えてモルタル又はセメント系のグラウト材等を用いることもでき、混和剤によって硬化時に膨張性を有するもの、無収縮性を有するものとすることもできる。
【００２７】
このような鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、鋼管２１に作用する引張力はリブ２２を介して上床版１１のコンクリートに伝達される。このリブ２２とコンクリートとの間には付着力が作用するとともに、リブ２２が有する複数の円孔２２ｂ内にコンクリートが入り込むことによって強固に一体化されており、リブ２２がコンクリートから抜け出したりすることなく確実に力の伝達が行われる。また、リブ２２によって曲げモーメント、剪断力も伝達される。そして、溶接部分が弱点となることもなく、耐疲労特性に優れた接合構造となる。
【００２８】
上記鋼管２１からなる斜材は、図１に示すようなワレントラスでは、傾斜方向が逆となるものが隣接して設けられ、一般に、一方が主に引張力が作用する斜材１３ａ、他方は主に圧縮力が作用する斜材１３ｂとなる。主に圧縮力が作用する鋼管３１との接合部では、リブ３２のコンクリート部材内に埋め込まれる長さがやや短くなっているが、上記リブ３２及び鋼管３１の端面を介して、さらに鋼管３１の端部に充填されたコンクリートを介して、確実に圧縮力が伝達される。
【００２９】
図４は、請求項４又は、請求項５に記載の発明の一実施形態であって、図１に示すようなコンクリート・鋼複合トラス橋に用いることができる鋼管部材とコンクリート部材との接合構造の断面図である。また、図５は同じ接合構造の概略斜視図である。
この接合構造では、鋼管４１の端部の内側に２つずつ対となった複数のリブ４２が溶接接合され、対となる２つのリブ間にそれぞれＰＣ鋼棒４６が鋼管４１の軸線方向に配置されている。このＰＣ鋼棒４６は、一部が鋼管４１の端より突き出し、上床版１１のコンクリート内に埋め込まれている。また、鋼管内のＰＣ鋼棒４６が配置された部分には、コンクリート４５が充填されている。
【００３０】
上記鋼管４１は、図２及び図３に示す実施形態と同様に、端面を上床版１１に突き当てるように接合されるものであり、上床版１１のコンクリートの表面に沿った形状に端面が形成されている。
【００３１】
上記リブ４２は、短冊状の鋼板材の長辺を、鋼管４１の軸線方向に溶接接合したものであり、対となる２つのリブがＰＣ鋼棒４６を挿通できる間隔をあけて対向するように設けられ、このような対が周方向に４組設けられている。そして、奥側の端部に端板４７が取り付けられ、ナット４８が螺合されたＰＣ鋼棒４６が係止されている。
【００３２】
このＰＣ鋼棒４６は、全長にわたって周面に凸部がほぼ一様に設けられた異形鋼棒であり、この凸部がらせん状に設けられている。このらせん状の凸部は、コンクリートとの付着力を増大する効果を有するとともに、ナット４８をねじ込んで係止するねじ山としての機能を有するものである。
【００３３】
このＰＣ鋼棒４６の上床版１１に埋め込まれた端部にはナット４９が螺合され、アンカープレート５０が係止されている。これにより、ＰＣ鋼棒４６に大きな引き抜き力が作用したときに、周面の付着力のみでなく上記アンカープレート５０でも抵抗できるようになっている。ただし、主に圧縮力が作用する斜材では、ＰＣ鋼棒に大きな引き抜き力が作用することはなく、上記アンカープレートは設けられていない。
【００３４】
鋼管端部の内側に充填されるコンクリート４５は、上床版１１のコンクリートを打設するときに同時に充填することができるが、隅々まで充填を行ってリブ４２やＰＣ鋼棒４６と充分に付着させるためにモルタル又はセメント系グラウトをあらかじめ充填してもよい。
なお、この接合構造の他の構成である鋼板材４４、保護プレート４３等は、図２又は図３に示すものと同じものである。
【００３５】
このような接合構造では、鋼管４１に作用した引張力は、リブ４２からコンクリート４５の付着力を介してＰＣ鋼棒４６に伝達されるとともに、ＰＣ鋼棒４６に螺合されたナット４８を介して伝えられる。また、このＰＣ鋼棒４６から上床版１１へは、コンクリートの付着力とアンカープレート５０とによって伝達される。このように力が分散されることにより、局部的に応力が集中することが少なく、耐疲労性に優れた構造となっている。また、鋼管４１の内側に充填されるコンクリート４５が上床版１１のコンクリートと連続しており、このコンクリートがせん断力に抵抗する。
【００３６】
以上に記載の実施形態は、コンクリート・鋼複合トラス橋の鋼管斜材と上床版との接合部に適用したものであるが、鋼管斜材と下床版との接合部にも適用できるし、建築構造等橋梁以外の構造物においても適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本願に係る鋼管部材とコンクリート部材との接合構造では、力を伝達するために鋼管の端部に固着されたリブが、鋼管の軸線方向に分布する範囲で溶接接合され、力が分散して伝達されるので応力の集中が少なく、耐疲労性に優れたものとなる。また、棒状鋼材を用いる場合にも、棒状鋼材と鋼管との間及び棒状鋼材とコンクリート部材との間で引張力が分散して伝達され、応力が集中することが少なく、棒状鋼材の疲労破壊に対する安全性を充分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施形態であるコンクリート部材と鋼管部材との接合構造が適用されるコンクリート・鋼複合トラス橋の概略側面図及び断面図である。
【図２】図１に示すコンクリート・鋼複合トラス橋において適用することができる斜材と上床版との接合構造であって、請求項１、請求項２又は請求項３に係る発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を示す断面図である。
【図３】図２に示す接合構造の概略斜視図である。
【図４】図１に示すコンクリート・鋼複合トラス橋において適用することができる斜材と上床版との接合構造であって、請求項４又は請求項５に係る発明の一実施形態である鋼管部材とコンクリート部材との接合構造を示す断面図である。
【図５】図４に示す接合構造の概略斜視図である。
【図６】従来から知られている鋼管部材とコンクリート部材のとの接合構造の一例を示す概略断面図である。
【図７】従来から知られている鋼管部材とコンクリート部材のとの接合構造の他の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 橋脚
２ 連続トラス
１１ 上床版
１２ 下床版
１３ 斜材
１３ａ 主に引張力が作用する斜材
１３ｂ 主に圧縮力が作用する斜材
２１、４１ 鋼管
２２、４２ リブ
２３、４３ 保護プレート
２４、４４ 鋼板材
２５、４５ コンクリート
３１ 鋼管
３２ リブ
４６ ＰＣ鋼棒
４７ 端板
４８、４９ ナット
５０ アンカープレート
Claims (5)
- コンクリートからなる上弦材と、この下方に支持されるコンクリートの下弦材と、前記上弦材と下弦材とを連結する鋼管部材である斜材とを備えたコンクリート・鋼複合トラスにおける前記鋼管部材と前記上弦材又は下弦材であるコンクリート部材との接合構造であって、
前記鋼管部材の端部の内面に、該鋼管部材の軸線方向に沿って、複数のリブが溶接接合され、
該リブが延長されて前記鋼管部材の端面より突出し、この突出部分が前記鋼管部材と接合される前記コンクリート部材内に埋込まれ、
前記鋼管部材内の前記リブが溶接された部分に、前記コンクリート部材と連続するようにコンクリート又はモルタルが充填されており、
引張力が作用する引張斜材として用いられる前記鋼管部材に溶接接合された前記リブの延長部分であって前記コンクリート部材へ埋め込まれる部分の長さは、圧縮力が作用する圧縮斜材として用いられる前記鋼管部材に溶接接合された前記リブの延長部分であって前記コンクリート部材へ埋め込まれる部分の長さより長くなっており、
前記引張斜材の前記リブの延長部分は、前記コンクリート部材内において前記圧縮斜材の前記リブの延長部分と非結合状態で、前記圧縮斜材の延長線上に突き出すように配置されていることを特徴とする鋼管部材とコンクリート部材との接合構造。 - 前記リブには、複数の開孔が分散して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造。
- 前記鋼管部材の内面の周方向に所定間隔で設けられた複数の前記リブは、鋼管部材の中央部で互いに接合されたものであることを特徴とする請求項１に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造。
- コンクリートからなる上弦材と、この下方に支持されるコンクリートの下弦材と、前記上弦材と下弦材とを連結する鋼管部材である斜材とを備えたコンクリート・鋼複合トラスにおける前記鋼管部材と前記上弦材又は下弦材であるコンクリート部材との接合構造であって、
鋼管部材の端部の内面に、該鋼管部材の軸線方向に沿って、複数のリブが溶接接合され、
該リブに沿って、前記鋼管部材の軸線方向に複数の棒状鋼材が配置され、
該棒状鋼材が鋼管部材の端面より突出して、前記鋼管部材と接合されるコンクリート部材に埋込まれ、
前記鋼管部材の端部の前記リブが溶接された部分に、前記コンクリート部材と連続し、前記棒状鋼材を埋め込むようにコンクリート又はモルタルが充填されており、
引張力が作用する引張斜材として用いられる前記鋼管部材から突出する棒状鋼材には、先端付近に該棒状鋼材の前記コンクリート部材からの引き抜きに抵抗するアンカープレートが係止され、
該アンカープレートが、圧縮力が作用する圧縮斜材として用いられる前記鋼管部材の延長線上に配置されていることを特徴とする鋼管部材とコンクリート部材との接合構造。 - 前記複数のリブは、二つずつが対となって所定間隔で対向するように設けられ、
前記棒状鋼材は、対となる二つのリブ間に配置され、
該棒状鋼材の端部に螺合されたナットが、前記リブに係止されていることを特徴とする請求項４に記載の鋼管部材とコンクリート部材との接合構造。
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