JP4500665B2 - Ｐｃ緊張材定着用荷重伝達部品とそれを使用したプレストレストコンクリート構造体 - Google Patents

Description

この発明は、ＰＣ鋼棒、ＰＣ鋼撚り線などのＰＣ緊張材を用いてコンクリート構造物にストレスを加えるときに使用されるＰＣ緊張材定着用荷重伝達部品と、その部品を使用して作られるプレストレストコンクリート構造体に関する。なお、この発明の荷重伝達部品は定着具の構成部品として使用されるものであり、荷重伝達面の形状に特徴を有する。

プレストレストコンクリート構造体は、緊張力を導入したＰＣ緊張材を構造体の受圧部に定着させ、そのＰＣ緊張材の弾性復元力を利用して定着部間のコンクリートに圧縮力を加えたものであって、コンクリートに対するＰＣ緊張材の定着は、下記特許文献３が開示しているような各種の工法を用いてなされている。

その定着工法で利用されるＰＣ緊張材の定着具は、アンカーディスクに設けたテーパ穴と、そのテーパ穴に通したＰＣ緊張材との間にウエッジを圧入してＰＣ緊張材を把持する定着ヘッドと、定着ヘッドを介して伝えられるＰＣ緊張材の緊張力（荷重）を受けて構造物の受圧部に伝達する荷重伝達部品（支圧板やリブキャストアンカーなどの支圧部品）とを組み合わせて構成されている。この定着具には、アンカーディスクに相当する部材と荷重伝達部品を一体に形成したものや、両者を独立させて荷重伝達部品で定着ヘッドを受け止めるものなどがある。

従来の定着具に採用されている荷重伝達部品は、正面視形状が円、楕円、或いは四角形をなしている。ところが、その従来の荷重伝達部品を使用してプレストレスを導入したコンクリート構造体は、薄肉部の表面の中央部に引張り応力が作用し、その引張り応力によってコンクリートの表面に亀裂が発生し易いと言う問題があった。

ここで言う薄肉部の表面とは、例えば、図１１のコンクリート構造体１０の場合には、長辺側の表面１１、１２を指す。また、図１２のコンクリート構造体１０は、端面が正方形であり、ＰＣ緊張材２０の配置部から各表面までの肉厚がいずれも薄いので、１１〜１４の各面を薄肉部の表面と考える。この薄肉部の表面は、例えば、支圧板１を介して伝達される荷重によってコンクリート構造体１０が軸方向に圧縮されたときにポアソン効果で外側に膨らむように変形し（変形状態を一点鎖線で示す）、そのために、変形した表面部に矢印方向の引張り応力が発生し、その応力が歪み限界を超えて亀裂（ひび割れ）１５が発生する。

ここで、下記特許文献１は、支圧板の圧力伝達面と支圧板の外周側面とが交わる交線部等を曲面化して交線部が当たる位置への応力集中を緩和する支圧板を提案している。また、下記特許文献２は、ＰＣ鋼材の端部定着体を、繊維等で補強された高強度コンクリートからなるブロックで形成し、このブロックを予めコアとして梁接合部の柱に内蔵させておく
ＰＣ鋼材定着法を提案している。

しかしながら、特許文献１の対応策では前述の薄肉部表面の亀裂を防止することができない。また、特許文献２の方法は、ＰＣ鋼材の端部定着体を高強度コンクリートで形成しているので亀裂の抑制効果が期待できるが、この方法は、工法の煩雑化やコストアップが避けられない。
特開２００３−２０１７５０号公報 特開２００４−１９０４２３号公報 特開昭５９−１１４３６１号公報

この発明は、コンクリートの表面の亀裂発生を抑えてコンクリート構造体にストレスを導入することを可能となすＰＣ緊張材定着用荷重伝達部品と、その荷重伝達部品を使用してストレス導入による亀裂を減少させたプレストレストコンクリート構造体を提供することを課題としている。なお、この発明のコンクリート構造体は、ストレス導入による亀裂がある幅まで許容される場合には、断面積をより小さくして亀裂を許容範囲内に保つことも可能ならしめる。

上記の課題を解決するため、この発明においては、下記（１）のＰＣ緊張材定着用荷重伝達部品と、その部品を使用した下記（２）のプレストレストコンクリート構造体を提供する。

（１）片側の端面がコンクリート構造体への荷重伝達面として使用される、基本形状が円、楕円、又は多角形の支圧板を有し、その支圧板の中心部にＰＣ緊張材を挿通する穴を有し、この支圧板の中心対称位置の周縁に、へこみ量が両端部から中央部に向って増加する凹部を備えたＰＣ緊張材定着用荷重伝達部品。
この荷重伝達部品は、前記支圧板の前記凹部を備えた縁をコンクリート構造体の薄肉部の表面に対応する側に配置してコンクリート構造体に荷重（ＰＣ緊張材に導入した緊張力）を伝える。

（２）前記（１）の荷重伝達部品と、その荷重伝達部品の前記支圧板に貫通させたＰＣ緊
張材を把持する定着ヘッドとを備える定着具を用いて緊張力を導入したＰＣ緊張材を所要
位置に定着させ、前記凹部を備える縁をコンクリート構造体の薄肉部の表面に対応する側
に配置し、この状態で前記ＰＣ緊張材からの荷重を前記支圧板から受圧部に伝えて緊張材
定着部間のコンクリートにストレスを付与したプレストレストコンクリート構造体。
なお、この発明で言う多角形は、正方形、長方形、六角形、八角形などを指す。

この発明の荷重伝達部品は、荷重伝達面の周縁に凹部を設け、コンクリート構造体の薄肉部の表面に対応する側に凹部を設けた縁を配置してコンクリート構造体に荷重を伝える。凹部は、両側から中央部に向かってへこみ量が増加しており、そのために、コンクリート構造体に伝達される荷重が構造体の中央部側で減少し、ポアソン効果で薄肉部側の表面が外に膨らむことが抑制されて表面に亀裂が発生しにくくなる。また、亀裂が発生してもひび割れの幅が小さく抑えられる。

ストレス導入によって発生する亀裂がある幅まで許容される場合には、構造体の断面積をより小さくして亀裂を許容範囲内に保つことが可能となり、構造体のコンクリート使用量の削減や断面の縮小を図ることが可能になる。また、荷重伝達部品そのものを小型、軽量化することも可能になる。

以下、この発明の荷重伝達部品の実施形態を添付図面の図１〜図９に基づいて説明する。
図1、図2は、定着ヘッドと組み合わせて定着具を構成する支圧板にこの発明を適用した例を示している。図1の支圧板１Ａは基本形が多角形（図のそれは正方形）の板、図２の支圧板１Ｂは基本形が円形の板であり、いずれも片側の端面がコンクリート構造体１０への荷重伝達面２として使用される。

これらの支圧板１Ａ、１Ｂは、中心対称位置の周縁に凹部３を備えている。その凹部３は、へこみ量が両端部において小さく、中央部に向かって次第に大きくなっている。そのために、荷重伝達面２の面積は、支圧板の中央部よりも凹部３を間に挟んだ両側で多くなっている。なお、図1、図2の支圧板１Ａ、１Ｂに設けた凹部３は、ともに曲線で構成されているが、図3、図４に示すように、へこみ量が両端から中央に向かって直線的に増加するような凹部３であってもよい。また、多角形の支圧板１Ａは、図４に示す長方形を基本形とした板や六角形、八角形、或いは、それ以上の角を有する形状の板であってもよく、さらに、図5、図６に示すように、四辺の全ての縁に凹部３を設けてもよい。図示していないが楕円形を基本形にしたものにしてもよい。

例示の支圧板１Ａ、１Ｂは、いずれも、凹部３を備える縁をコンクリート構造体１０の薄肉部の表面がある側に配置し、ＰＣ緊張材２０に導入した緊張力(要求されるストレスを与えるための荷重)をコンクリート構造体１０に伝える。ＰＣ緊張材２０は、端部がアンカーディスク２１ａのテーパ穴に通され、そのテーパ穴との間にウエッジ２１ｂを圧入して
アンカーディスク２１ａに固定される。また、アンカーディスク２１ａは支圧板１Ａ、１Ｂに受け止められ、これにより、ＰＣ緊張材２０に導入した緊張力がアンカーディスク２１ａと支圧板１Ａ、１Ｂを経由してコンクリートに伝達される。

このようにしてＰＣ緊張材２０を荷重伝達用の支圧板を含む定着具２１を用いて定着させ、ＰＣ緊張材２０に導入した緊張力をコンクリートに伝えて定着部間のコンクリートにストレス(圧縮力)を加えるとこの発明のコンクリート構造体１０が得られる。

この発明の荷重伝達部品は、例示の支圧板に限定されない。ＰＣ緊張材の定着具に採用される図７のキャスティング４や、図８のアンカーヘッド５であってもよい。これらも、スリーブ４ｂ、５ｂと一体に形成された支圧板４ａ、５ａを有しており、その支圧板の外周の縁（コンクリート構造体１０の薄肉部の表面に対応した縁）に凹部３を設けて荷重伝達面の面積が図1〜図６の支圧板と同様、その支圧板の中央部よりも凹部３を間に挟んだ両側で多くなるようにしておく。

なお、この発明の荷重伝達部品は、材質を問わない。セラミックスで形成されたものも使用できる。ただし、強度やコスト、取り扱いやすさから、鉄鋼又は鋳物で形成するのが好ましい。量産品については、補強用リブの設置や自由曲面の成形が容易かつ安価にできる鋳物が特に好ましい。リブを設けると剛性が高まって部品が撓みにくくなり、撓むことが原因で部品の中央部に荷重が集中して伝達されることが抑制されるので、薄肉部の表面の亀裂がより効果的に抑制される。なお、支圧板などとして提供するこの発明の荷重伝達部品は、ＰＣ緊張材に導入した緊張力に対応できる強度が要求されるので、４００Ｎ／ｍｍ^２、より好ましくは４００Ｎ／ｍｍ^２以上の耐力を与えておくのが好ましい。
なお、この発明の荷重伝達部品は、補強筋と組み合わせて用いてもよい。補強筋は、グリッド筋、ロ形筋、スパイラル筋などが特に好ましい。

図９に、ＰＣ斜張橋におけるＰＣ緊張材の配置の一例を示す。図示のＰＣ斜張橋３０には、コンクリート路盤に幅方向のストレスを加えるアフターボンドＰＣ鋼材２２、コンクリート路盤に長手方向のストレスを加えるエポキシ外ケーブル２３、塩害対策用防食ケーブル２４などが採用される。それらの鋼材の定着部に採用する定着具２１の構成要素としてこの発明の荷重伝達部品を採用すると、斜張橋の信頼性向上や軽量化を図ることが可能になる。

以下に、この発明の効果を確認するために行った表面応力のＦＥＭ (有限要素法)解析結果を記す。

ＦＥＭ解析は、下記仕様のプレストレストコンクリート構造体のモデルを設定し、そのモデルのコンクリート表面に発生する応力を計算した。
・コンクリート構造体：幅３００ｍｍ、高さ２１０ｍｍ、奥行き１０００ｍｍのコンクリート塊。躯体コンクリートのヤング率=２７０００Ｎ／ｍｍ^２、ポアソン比=０．１７
・荷重伝達部品（定着具の支圧板）
発明品：幅２２０ｍｍ、両端部高さ（最大高さ）１２０ｍｍ、中央部高さ（最小高さ）９０ｍｍ、厚さ２８ｍｍの鉄鋼板。同鋼板のヤング率=２０６０００Ｎ／ｍｍ^２、ポアソン比=０．３
標準品：幅２２０ｍｍ、高さ１２０ｍｍ、厚さ２８ｍｍの鉄鋼板。同鋼板のヤング率=２０６０００Ｎ／ｍｍ^２、ポアソン比=０．３
・ＰＣ緊張材の導入引張力：４２１ｋＮ

発明品の支圧板を使用したモデルの概要を図１０（ａ）に、また、標準品の支圧板を使用したモデルの概要を図１０（ｂ）にそれぞれ示す。

上記の条件で解析を行った結果、標準品の支圧板使用時には、２．７〜３．０Ｎ／ｍｍ^２の引張力がコンクリート構造体の表面に作用する領域が８０ｍｍ四方（総面積６４００ｍｍ^２）あり、かつ、引張力のピーク値が３．５６／ｍｍ^２あったのに対し、発明品の支圧板使用時には、２．７〜３．０Ｎ／ｍｍ^２の引張力がコンクリート構造体の表面に作用する領域が７０ｍｍ四方（総面積４９００ｍｍ^２）に減少し、また、引張力のピーク値も３．２１／ｍｍ^２に低下した。

標準品に比べて発明品は、荷重伝達面の面積が約１３％減少しているにも拘わらず、２．７〜３．０Ｎ／ｍｍ^２の引張力が表面に作用する領域の広さが３０％程度、引張力のピーク値が１０％程度それぞれ減少している。

また、上記の条件での実機試験でも、コンクリート構造体の表面に発生する最大亀裂の幅が約２０％減少した。

この発明の荷重伝達部品の一例を使用状態にして示す斜視図 この発明の荷重伝達部品の他の例を使用状態にして示す斜視図 この発明の荷重伝達部品のさらに他の例を示す正面図 この発明の荷重伝達部品のさらに他の例を示す正面図 この発明の荷重伝達部品のさらに他の例を示す正面図 この発明の荷重伝達部品のさらに他の例を示す正面図 この発明の荷重伝達部品のさらに他の例を示す斜視図 この発明の荷重伝達部品のさらに他の例を示す斜視図 ＰＣ斜張橋におけるＰＣ緊張材の配置の一例を示す斜視図 （ａ）は発明品の支圧板を使用した応力解析用モデルの概要を示す図、（ｂ）は標準品の支圧板を使用した応力解析用モデルの概要を示す図 プレストレストコンクリート構造体の一例を示す斜視図 プレストレストコンクリート構造体の他の例を示す斜視図

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 支圧板
２ 荷重伝達面
３ 凹部
４ キャスティング
５ アンカーヘッド
４ａ、５ａ 支圧板
４ｂ、５ｂ スリーブ
１０ コンクリート構造体
１１〜１４ 表面
１５ 亀裂
２０ ＰＣ緊張材
２１ 定着具
２１ａ アンカーディスク
２１ｂ ウエッジ
２２ アフターボンドＰＣ鋼材
２３ エポキシ外ケーブル
２４ 塩害対策用防食ケーブル
３０ ＰＣ斜張橋

Claims (2)

1. ＰＣ緊張材に導入した緊張力をコンクリート構造体に伝達してそのコンクリート構造体にストレスを付与するＰＣ緊張材定着用荷重伝達部品であって、
   片側の端面がコンクリート構造体に対する荷重伝達面として使用される、基本形状が円、楕円、又は多角形をなす支圧板を有し、前記支圧板の中心部にＰＣ緊張材を挿通する穴を有し、この支圧板の中心対称位置の周縁に、へこみ量が両端部から中央部に向って増加する凹部を備えたことを特徴とするＰＣ緊張材定着用荷重伝達部品。
2. 請求項１に記載の荷重伝達部品と、その荷重伝達部品の前記支圧板に貫通させたＰＣ緊張材を把持する定着ヘッドとを備える定着具を用いて緊張力を導入したＰＣ緊張材を所要位置に定着させ、前記支圧板の前記凹部を備えた縁をコンクリート構造体の薄肉部の表面に対応する側に配置し、この状態で前記ＰＣ緊張材からの荷重を前記支圧板から受圧部に伝えて緊張材定着部間のコンクリートにストレスを付与したプレストレストコンクリート構造体。

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