JP4358142B2 - 構造物用引張り材および鋼撚り線用接続具 - Google Patents

Description

この発明は、構造物用ブレース材や橋梁・建築・容器などのコンクリート構造物にストレスを加えるＰＣ鋼材などとして使用する鋼撚り線を用いて構成された構造物用引張り材と、その引張り材を形成するために用いる鋼撚り線用接続具に関する。

構造物用のブレース材としては、一般に、ＰＣ鋼棒、鋼板、鋼管などが使用されている。また、コンクリート構造物にストレスを加える場合には、ＰＣ鋼棒やＰＣ鋼撚り線が使用されている。

鋼管などの剛体材料で形成されたブレース材は、地震などによって構造物が大きく変形したときに構造物とともに変形する能力が小さく、座屈、破断を起こしやすい。例えば、下記特許文献１には、鋼管を二重に配置した座屈拘束ブレース材が開示されているが、この座屈拘束ブレース材も、変形能が十分でなく、高性能を期待できない。

これに対して、鋼撚り線は、張力が加わると撚りが戻る方向に自転しようとする。その自転が許容されれば鋼撚り線は解撚して伸び、弾性係数が見かけ上低減する。

しかしながら、Ｓ撚り構造の鋼撚り線、Ｚ撚り構造の鋼撚り線のどちらも、例えば、ＰＣ鋼撚り線として使用する場合には、緊張したＰＣ鋼撚り線の一端と他端を定着具を用いてコンクリート構造物に定着させるので、補強したコンクリート構造物が大きく変形して印加張力が増加しても解撚方向への自転が許容されない。従って、地震などで構造物が大きく変形したときには、この鋼撚り線も変形能不足の問題が起こることが懸念される。
特開２００２−８８９１０号公報

この発明は、両端を構造物に定着させても張力が増大したときの解撚が許容され、そのために地震などで不慮の荷重を受けたときに優れた変形能が発揮される鋼撚り線を用いた構造物用引張り材とその引張り材を形成するために用いる鋼撚り線用接続具を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、以下に列挙する構造物用引張り材を提供する。

（１）Ｓ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線が接続具を介して連結され、前記接続具は構造物に固定される部材に回転規制手段を介して支えられ、鋼撚り線に加わる張力が所定値を超えたときに前記回転規制手段による回転拘束が解けて前記接続具が回転自在となるように構成された構造物用引張り材。
（２）ＰＣ鋼材又は構造物用ブレース材として使用される上記（１）の構造の構造物用引張り材。

また、下記（３）、（４）の鋼撚り線用接続具も併せて提供する。
（３）Ｓ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線を互いに連結する接続具と、構造物に固定されるガイド部材と、このガイド部材と前記接続具との間に配置されて接続具の回転を規制する回転規制手段とからなり、前記回転規制手段が、所定の剪断強度を有する剪断部品を前記接続具に固定し、その剪断部品を前記ガイド部材に設けたガイド溝に軸方向スライド自在に係合させて構成された鋼撚り線用接続具。
（４）剪断部品を採用した（３）の回転規制手段に代えて、接続具を固定部材との間の摩擦力で拘束し、印加トルクが所定値を超えたときに拘束を解いて前記接続具を回転自在となすように構成された回転規制手段を用いた鋼撚り線用接続具。

なお、この発明の構造物用引張り材を構成するＳ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線は、サイズと撚りピッチの差が小さいものが好ましい。また、サイズと撚りピッチが等しいものがより好ましい。長さも２対１以下で近似しているものが好ましい。また、長さがほぼ１対１で近似しているものがより好ましい。

この発明の構造物用引張り材は、互いに連結したＳ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線を構造物にそれぞれ固定し、接続具は回転フリーの状態にして使用する。この状態で不慮の大きな荷重が加わって引張り材の張力が増加すると、Ｓ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線はそれぞれに撚りが戻る方向に自転しようとする。このときの接続端側での自転の方向は、一方がＳ撚り、他方がＺ撚りであるので、両者の方向が一致する。Ｓ撚り、Ｚ撚りの各鋼撚り線は回転自在の接続具によって連結されているので、自転の方向が一致すれば拘束されずに回転し、そのために双方の鋼撚り線が解撚され、弾性係数が見かけ上低減して優れた変形能を発揮する。

なお、鋼撚り線に加わる張力が所定値を超えたときに前記回転規制手段による接続具の回転拘束が解けるようにした引張り材は、所定値以下の張力のときには鋼撚り線の解撚が阻止されるので、配置時に緊張力を導入できないと言う不具合が発生しない。

また、この発明の鋼撚り線用接続具は、接続具に印加されるトルクが所定値を超えたときに接続具の回転拘束を解く回転規制手段を備えているので、地震などで不慮の大きな荷重がかかったときにのみ変形能が高まる構造物用引張り材を提供することを可能にする。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１の構造物用引張り材１は、Ｓ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３とその両者を連結する接続具４とから成る。Ｓ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３は、サイズと撚りピッチが等しいものが好ましい。長さも等しければより好ましいが、Ｓ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３は、意図的に長さに差をつける場合もある。

接続具４は、２個のカップラスリーブ４ａ、４ａと、Ｓ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３を各カップラスリーブ４ａ、４ａに固定するウエッジ４ｂと、２個のカップラスリーブ４ａ、４ａにそれぞれねじ込んで両者を互いに連結するカップラジョイント４ｃとから成る。一方のカップラスリーブ４ａのテーパ穴にＳ撚り鋼撚り線２を挿入し、このＳ撚り鋼撚り線２とカップラスリーブ４ａの穴面との間にウエッジ４ｂを圧入してＳ撚り鋼撚り線２を一方のカップラスリーブ４ａに固定する。Ｚ撚り鋼撚り線３も同様にしてもう一方のカップラスリーブ４ａに固定し、その後、２個のカップラスリーブ４ａ、４ａをカップラジョイント４ｃで連結して引張り材１を完成させる。

この引張り材１は、コンクリート構造物にストレスを加えるＰＣ鋼材や構造物の水平力に対向する力を高めるためのブレース材などとして使用する。ＰＣ鋼材としての使用法の一例を図２に、また、ブレース材としての使用法の一例を図３にそれぞれ示す。

図２は、コンクリート製の梁Ｂに引張り材１を埋設し、梁Ｂの両側の柱Ａ、Ａに両端を定着させたその引張り材１に緊張力を導入して梁Ｂに圧縮力を加えている。また、図３は、２本の引張り材１、１を梁Ｃで連結した柱Ａ、Ａ間に所定の張力を加えて張り渡し、これを筋交にして構造物を補強している。いずれの用途でも、接続具４は、構造物に固定せず、回転フリーの状態を保持する。なお、図３の構造では接続具４同士が中央部で干渉しないようにするために、少なくとも一方の引張り材１のＳ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３の長さに若干の差をつけて接続具４を片側に若干偏らせている。

このように構成した図１の引張り材１は、地震などで不慮の荷重が加わると、張力の増加を受けてＳ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３が接続具４を回転させながら解撚方向に自転し、そのために引張り材１の弾性係数が見かけ上低減し、その引張り材１の変形能が向上して断線などが起こり難くなる。

図４および図５は、図６に示す第２実施形態の引張り材１１に採用する接続具である。この接続具４Ａは、図１の接続具４に、所定の剪断強度を有するシャーピン５とガイドレール６を付加して構成される。シャーピン５はカップラジョイント４ｃに固定されている。また、ガイドレール６は、図６に示すように構造物Ｄ（図のそれはコンクリート）に固定され、このガイドレール６に設けた軸方向のガイド溝６ａにシャーピン５の自由端側をスライド自在に係合させる。シャーピン５とガイドレール６は、少なくとも１組あればよいが、回転拘束時の安定性を考えると複数組設けるのが望ましい。

この構造の場合、引張り材１１に緊張力を導入して構造物Ｄにストレスを加えるときに、接続具４Ａの回転がシャーピン５とガイドレール６によって阻止される。シャーピン５は、地震などで自己の剪断荷重を上回る荷重を受けたときに折れ、その時点で接続具４Ａの回転拘束が解除されてＳ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３が解撚方向に自転し、発明の目的が達成される。

図７、図８に、接続具４Ａにおけるシャーピン設計の具体的事例を示す。ＰＣ鋼撚り線はＳ撚り鋼撚り線２、Ｚ撚り鋼撚り線３のどちらもφ２１．８ｍｍとし、さらに、接続具のカップラジョイントの直径Ｄをφ８５ｍｍ、引張り材の中心からガイドレール６までの偏心量をＬ＝５０ｍｍ（０．０５Ｍ）と仮定する。
また、その他の条件を以下の通りに設定する。
−条件−
・引張り材に対する導入荷重：４４５ｋＮ（０．９×降伏荷重）
・荷重導入時の回転トルク ：３５８Ｎ・ｍ(実験による実測値)
・シャーピン直径 ：φ６ｍｍ（ピン断面積Ａ＝π・６・６／４＝２８ｍｍ^２）
・シャーピン材質 ：ＳＳ４００
・ピン破断時荷重 ：５１５ｋＮ（設定値、０．９×引張荷重）
引張荷重５１５ｋＮ時の回転トルクは、実験による実測値から比例計算して、
ＴＲ＝３５８×（５１５／４４５）＝４１４Ｎ・ｍ（推定値）
シャーピンにかかる剪断力Ｑは、偏心量Ｌと回転トルクから
Ｑ＝ＴＲ／Ｌ＝４１４／０．０５＝８２８０Ｎ
シャーピンの剪断応力度δｑ＝Ｑ／Ａ＝８２８０／２８＝２９３Ｎ／ｍｍ^２
シャーピンの許容剪断応力度δｓ≒４００／（２／３）＝２６７Ｎ／ｍｍ^２
従って、設計(想定)したシャーピンは、破断時引張り荷重付近の荷重を受けたときに破断し、上記の解撚方向の自転が起こる。

引張り材１１に対する緊張力の導入段階でＳ撚り鋼撚り線２とＺ撚り鋼撚り線３の解撚が進行すると、不慮の荷重が加わったときの解撚量が減少して変形能増強の効果が小さくなるが、第２実施形態の構造物用引張り材１１はその不具合が起こらない。

なお、図９に示すように、構造物Ｄに動き止めされる固定部材７を設けてその固定部材７に接続具４を接触させ、接続具４の回転拘束を、接触部の摩擦力で行う構造でも第２実施形態と同様の効果が得られる。摩擦力は、固定部材７と接続具４との間に摩擦クラッチを配置してその摩擦クラッチで発生させてもよい。また、摩擦力は大きさを調整できるようにしておくのがよい。

以下に、この発明の効果を確認するために実施した引張り試験の結果を示す。引張り試験は、外径２８．６ｍｍのＳ撚り鋼撚り線２と外径２８．６ｍｍのＺ撚り鋼撚り線３を接続具４で連結した図１の構造の引張り材１（発明品１）と、外径２８．６ｍｍの２本のＺ撚り鋼撚り線同士を接続具４で連結した引張り材（比較品１）と、外径２８．６ｍｍの２本のＳ撚り鋼撚り線同士を接続具４で連結した引張り材（比較品２）を使用して行った。

図１０に示すように、試験機の固定チャック８と可動チャック９とでチャック間長さＬを３０００ｍｍとした引張り材の両端を掴み、各試料に約９８０ｋＮの引張り荷重を加えたところ、比較品２は弾性係数が１７９ｋＮ／ｍｍ^２、比較品１は弾性係数が１７２ｋＮ／ｍｍ^２であったのに対し、発明品１の弾性係数は８５ｋＮ／ｍｍ^２であり、撚りの戻りによってその値が比較品１、２に比べてほぼ１／２に減少し、不慮の荷重が加わったときに十分な変形能を発揮することが確認された。

次に、上記発明品１および比較品１、２と、シャーピンとガイドレールを追設した図４の引張り材（発明品２）の印加荷重と伸びの関係を調べた結果を図１１に示す。図のＩは比較品１、２の特性を、IIは発明品１の特性を、IIIは発明品２の特性をそれぞれ示している。図における荷重ｐは、発明品２が備えるシャーピンの剪断荷重である。発明品２は、印加される荷重がｐになるまでは比較品１、２と同じ特性を示し、荷重がｐになったところでシャーピンが折れて接続具の回転拘束が解け、この位置で荷重−伸びの関係が発明品１の曲線上に移って以後発明品１と同じ特性を示す。従って、不慮の荷重（シャーピンの剪断荷重ｐを超える荷重）が加わったときの伸びは発明品２が最も大きく、地震発生時などに最も優れた変形能を発揮する。

この発明の引張り材の一例を示す部分破断側面図 図１の引張り材をＰＣ鋼材として使用する例を示す図 図１の引張り材をブレース材として使用する例を示す図 第２実施形態の引張り材用接続具を示す部分破断側面図 図４の接続具の端面図 第２実施形態の引張り材の使用の一例を示す側面図 シャーピンの設計事例の説明図 シャーピンに加わる剪断応力の説明図 第２実施形態の引張り材用接続具の変形例を示す端面図 引張り試験の概要を示す図 発明品と比較品の印加荷重と伸びの関係を示す図

符号の説明

１、１１ 引張り材
２ Ｓ撚り鋼撚り線
３ Ｚ撚り鋼撚り線
４、４Ａ 接続具
４ａ カップラスリーブ
４ｂ ウエッジ
４ｃ カップラジョイント
５ シャーピン
６ ガイドレール
６ａ ガイド溝
７ 固定部材
８ 固定チャック
９ 可動チャック
Ａ 柱
Ｂ、Ｃ 梁
Ｄ 構造物

Claims (4)

1. Ｓ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線が接続具を介して連結され、前記接続具は構造物に固定される部材に回転規制手段を介して支えられ、鋼撚り線に加わる張力が所定値を超えたときに前記回転規制手段による回転拘束が解けて前記接続具が回転自在となるように構成された構造物用引張り材。
2. ＰＣ鋼材又は構造物用ブレース材として使用される請求項１に記載の構造物用引張り材。
3. Ｓ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線を互いに連結する接続具と、構造物に固定されるガイド部材と、このガイド部材と前記接続具との間に配置されて接続具の回転を規制する回転規制手段とからなり、前記回転規制手段が、所定の剪断強度を有する剪断部品を前記接続具に固定し、その剪断部品を前記ガイド部材に設けたガイド溝に軸方向スライド自在に係合させて構成された鋼撚り線用接続具。
4. Ｓ撚り鋼撚り線とＺ撚り鋼撚り線を互いに連結する接続具と、その接続具を保持する固定部材と、この固定部材と前記接続具との間に配置されて接続具の回転を規制する回転規制手段とからなり、前記回転規制手段が、前記接続具を固定部材との間の摩擦力で拘束し、印加トルクが所定値を超えたときに拘束を解いて前記接続具を回転自在となすように構成された鋼撚り線用接続具。

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