JP4547431B2 - コンクリート構造体 - Google Patents

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本発明は、コンクリート内に鋼材を配置させたコンクリート構造体に関する。
一般的に、鋼材とコンクリートの接触面に作用するせん断力を抑制するために、ジベル等のずれ止め、例えばアングル、スタッド、フック筋等を鋼材に溶接等で固着してその周囲を覆うようにコンクリートで固めている。これによって鋼材とコンクリートの接触面に大きなせん断力が作用してもずれ止め効果を高めるようにしている。
ところで、シールド工法に用いられるセグメントとして、例えば鋼材(スチール)とコンクリートを複合使用した合成セグメントが知られている。合成セグメントは、円弧板状の鋼殻内にコンクリートを充填して製造されている。このような合成セグメントにおいて、鋼殻とコンクリートとを一体化させてずれ止め効果を高めるためにジベル等が内部に設けられてコンクリートで覆われているものがある(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1は、板状の鋼材で囲われた円弧板状の外側鋼殻内に鋼材を設け、その鋼材の外面にずれ止め用のジベルを溶接しておき、鋼材と内側鋼殻の空間部分にコンクリートを充填するようにしたものである。
特開平7−42494号公報
しかしながら、特許文献1のセグメントでは、セグメントが地山の土圧などの荷重を受けることで曲げ応力が作用してトンネル周方向に過大な力がかかったときに、セグメント内部のコンクリートと鋼材との接触面にせん断力が働くとともに、コンクリートと鋼材とが分離する方向(つまりセグメントの厚さ方向)にせん断力による分力が発生することになる。そして、ジベルはコンクリートと鋼材との間に生じるせん断力を抑制させるものであって、前記分力を抑制するものではないことから、従来のジベルでは抵抗することができず、コンクリートと鋼材とが分離するなどして欠けや割れといった破壊が生じるという欠点があった。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、外部から過大な荷重が働いたときに、鋼材とコンクリートとの一体性を増強させることで高強度構造とすることができるコンクリート構造体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係るコンクリート構造体では、トンネル周方向に沿って略円弧状に湾曲されるとともに円弧板状をなすセグメントの内周側と外周側に配置され、トンネル周方向を軸方向とした一対の主鋼材と、一対の主鋼材同士を連結する連結部材と、一対の主鋼材のそれぞれの対向面から突出して設けられるとともに、主鋼材の軸方向に向けて傾斜するテーパ面を有するジベルとを備えていることを特徴としている。
本発明では、主鋼材のジベルにテーパ面が形成されているので、コンクリート構造体に内部の主鋼材の対向面に沿った方向の過大な力が働いたときに、ジベルのテーパ面の傾斜方向に沿ってせん断力(第1せん断力)が生じ、テーパ面とコンクリートとがその接触面で相対的にずれる力が働くことになる。そして、主鋼材の対向面とそれらの内側のコンクリート(内側コンクリート)との接触面には、せん断力(第2せん断力)が作用し、その第2せん断力の分力は内側コンクリートに対して主鋼材が離れる方向に作用している。そのため、第1せん断力が第2せん断力に対して斜め方向、すなわち前記分力と略同方向となってその分力が増大することになるが、主鋼材同士が連結部材によって連結されているので、その連結部材によって分力に抵抗させることができ、コンクリートと主鋼材とを一体化させて両者が分離して破壊されることを防ぐことができる。さらに、第1せん断力による分力を増大させることで、主鋼材同士の対向面とコンクリートとの接触面に生じるせん断力(第2せん断力)が小さくなるため、第2せん断力によって生じる主鋼材の対向面とコンクリートとの接触面のずれを抑えることができる。
また、本発明に係るコンクリート構造体では、テーパ面は、主鋼材の軸方向を含む平面内で軸方向に直交する幅方向から見て、ジベルのトンネル周方向両側に形成されていることが好ましい。
本発明では、ジベルにおける断面視左右両側にテーパ面が形成されているので、その左右いずれの方向から作用する力に対応してテーパ面に沿った方向のせん断力(第1せん断力)を発生させることができる。
また、本発明に係るコンクリート構造体では、ジベルは、主鋼材の軸方向に直交する幅方向に延びるとともに、主鋼材の軸方向に所定間隔をもって複数配置されていることが好ましい。
本発明では、主鋼材の対向面に沿った方向の力が働いたときに、その力を複数のテーパ面によって対応することができるため、テーパ面に沿った方向のせん断力(第1せん断力)がより一層増大され、それに伴って第2せん断力をより小さくすることができる。
本発明のコンクリート構造体によれば、コンクリート構造体に内部の主鋼材の対向面に沿った方向の過大な力が働いたときに、ジベルのテーパ面の傾斜方向に沿って生じるせん断力(第1せん断力)によって、主鋼材同士がそれらの内側のコンクリートから離れる方向に作用する力(分力)が増大されるとともに、主鋼材同士を連結する連結部材によって前記分力に抵抗させることができることから、コンクリートと主鋼材との一体性が増強され、主鋼材21がコンクリートと分離して破壊されることを防ぐことができ、高強度化を図ることができる。しかも、第1せん断力による分力を増大させることによって、主鋼材同士の対向面とコンクリートとの接触面に生じるせん断力(第2せん断力)が小さくなるため、第2せん断力によって生じる接触面のずれを抑え、せん断破壊の発生を防ぐことができる。
以下、本発明に係るコンクリート構造体の第一の実施の形態について、図1乃至図5に基づいて説明する。
図1は本発明の第一の実施の形態によるセグメントの一部破断斜視図、図2は図1に示すセグメントの縦断面図、図3は図1に示すセグメントのA−A線断面図、図4は主鋼材に固定したジベルの配置状態を示す平面図、図5はジベルと連結部材の作用を説明するための要部拡大図である。
図1乃至図3は本発明の第一の実施の形態によるセグメント1(コンクリート構造体)を示す。このセグメント1は、例えばシールド工法によって掘削されたトンネルの内周壁に沿って設置されるトンネル覆工体(筒状壁体)を形成するものであり、コンクリート3内に鋼材2を配置させて略円弧板状に湾曲されたSRC(Steel frame Reinforced Concrete)造のセグメントである。
そして、図1に示すように、セグメント1の短辺側(トンネルの軸方向に沿う辺側)の側面である接合端面11、11には、トンネル周方向を連結するためのセグメント間継手6が設けられ、このセグメント間継手6は雄型継手部(図示省略)と雌型継手部6aとを有している。また、長辺側(トンネルの周方向に沿う辺側)の側面である主桁面12には、トンネル軸方向の連結のためのリング間継手7の雄部7aが複数個設けられ、対向する主桁面12には雄部7aが嵌合する図示しない雌部が設けられている。
図2及び図3に示すように、鋼材2は、トンネル周方向に沿って略円弧状に湾曲されるとともに円弧板状をなすセグメント1の内周側と外周側に配置される一対の主鋼材21A、21Bと、一対の主鋼材21A、21B同士を連結する連結部材22、22、…と、一対の主鋼材21A、21Bのそれぞれの対向面21a、21bに一体に設けられたジベル5、5、…とを備えている。
主鋼材21A、21Bは、例えばスチールなどの材料からなり、トンネルの地山側に寄った外周面側に配置されるものを符号21Aとし、同じく内空側に寄った内周面側に配置されるものを符号21Bとする。そして、一対の主鋼材21A、21Bの組み合わせは、トンネル軸方向に所定間隔をもって略平行に複数設けられている。
連結部材22は、長方形の平板状をなし、その長辺方向の両端部が互いに対向する一対の主鋼材21A、21Bの内側に連結され、主鋼材21A、21Bの長手方向に所定間隔をもって複数配置されている。
図4及び図5に示すように、ジベル5は、鋼材からなり、トンネル周方向(或いは、主鋼材21A、21Bの軸方向)に向けて傾斜するテーパ面5a、5bを有するとともに、主鋼材21A、21Bのそれぞれの対向面21a、21bより突出した状態で主鋼材21A、21Bに一体的に設けられている。ジベル5のテーパ面5a、5bは、断面視で左右両側に形成されている。なお、ジベル5と主鋼材21A、21Bとは、一体成型されたもの、或いは溶接などの固着手段によって固定されたものを採用することができる。
また、ジベル5は、断面視台形状をなし、平行する二辺のうち長さの長い底辺(下底)が主鋼材21A、21Bの対向面21a、21bに固着してなり、主鋼材21の幅方向にわたって延びるとともに、主鋼材21の長手方向に所定間隔をもって一方のテーパ面5a(5b)を同一方向に向けた状態で複数が配列されている(図4参照)。
さらに正確には、主鋼材21の幅方向略中央部で分離された状態となっている。つまり、この分離されている位置は、連結部材22の一端が固着する箇所となっている。なお、主鋼材21の対向面21a、21bに対するテーパ面5a、5bの傾斜角度は、任意に設定することができるが本第一の実施の形態では対向面21a、21bに対して略45度となっている。
次に、上述したように構成されるセグメント1の作用について図面に基づいて説明する。
図5に示すように、セグメント1がトンネル内に設置された状態において、例えば地山の土圧などの荷重によってセグメント1に曲げ応力が作用して、トンネル周方向に沿った方向(矢印P1方向)の過大な力が働いたときに、主鋼材21A、21Bのジベル5にテーパ面5aが形成されているので、このテーパ面5aにおいて前記力P1はテーパ面5aに沿った方向(矢印E1方向)となるとともに、ジベル5のテーパ面5aの傾斜方向に沿ってせん断力(第1せん断力τ1)が生じる。つまり、テーパ面5aとコンクリート3とがその接触面で相対的にずれる力が働くことになる。
そして、主鋼材21A、21Bの対向面21a、21bとそれらの内側のコンクリート3(内側コンクリート)との接触面には、せん断力(第2せん断力τ2)が作用し、その第2せん断力τ2の分力F1、F2は内側コンクリート3に対して主鋼材21A、21Bが離れる方向に作用している。そのため、第1せん断力τ1が第2せん断力τ2に対して斜め方向、すなわち前記分力F1、F2と略同方向となってその分力F1、F2が増大することになるが、主鋼材21A、21B同士が連結部材22、22、…によって連結されているので、その連結部材22、22、…によって分力F1、F2に抵抗させることができ、コンクリート3と主鋼材21A、21Bとを一体化させて両者3、21が分離して破壊されることを防ぐことができる。
さらに、ジベル5のテーパ面5aに沿った方向の第1せん断力τ1による分力F1、F2を増大させることで、主鋼材21A、21B同士の対向面21a、21bとそれらの内側のコンクリート3との接触面に生じるせん断力、つまり図5に示す矢印E2方向に働く力に対するせん断力(第2せん断力τ2)が小さくなることから、第2せん断力τ2によって生じるコンクリート3と主鋼材21A、21Bの対向面21a、21bとの接触面のずれを抑えることができる。
また、セグメント1が受けるトンネル周方向に沿った方向の力が、矢印P1方向と反対の矢印P2方向に働いた場合には、上述したジベル5の符号5aのテーパ面とは反対側のテーパ面5bによって、上記と同様の作用により対応することができる。
上述した本第一の実施の形態によるコンクリート構造体では、セグメント1に内部の主鋼材21A、21Bの対向面21a、21bに沿った方向の過大な力が働いたときに、ジベル5のテーパ面5a(5b)の傾斜方向に沿って生じる第1せん断力τ1によって、主鋼材21A、21B同士がそれらの内側のコンクリート3から離れる方向に作用する分力F1、F2が増大されるとともに、主鋼材21A、21B同士を連結する連結部材22によって前記分力F1、F2に抵抗させることができることから、コンクリート3と主鋼材21A、21Bとの一体性が増強され、主鋼材21A、21Bがコンクリート3と分離して破壊されることを防ぐことができ、高強度化を図ることができる。
しかも、第1せん断力τ1による分力F1、F2を増大させることによって、主鋼材21A、21B同士の対向面21a、21bとそれらの内側のコンクリート3との接触面に生じる第2せん断力τ2が小さくなるため、第2せん断力τ2によって生じる前記接触面のずれを抑え、せん断破壊の発生を防ぐことができる。
次に、本発明の第二及び第三の実施の形態及び第一の実施の形態の変形例について、図6乃至図8などに基づいて説明するが、上述の第一の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第一の実施の形態と異なる構成について説明する。
図6は本発明の第二の実施の形態によるセグメントのジベルの構造を示す図であって、図5に対応する図である。
図6に示すように、第二の実施の形態によるセグメント1Aのジベル5Aは、第一の実施の形態における断面視台形状(図5参照)のジベル5の形状に代えて、断面視三角形状をなしている。つまり、本ジベル5Aは、三角形状の二辺がトンネル周方向(主鋼材21A、21Bの軸方向)に対して傾斜するテーパ面5c、5dを形成させている。
このような構成をなす第二の実施の形態では、トンネル周方向に力P1がかかるとき、断面視三角形状のジベル5Aのテーパ面5c、5dに沿った方向に第1せん断力τ1が発生し、この第1せん断力τ1によって作用する分力F1、F2を連結部材22によって抵抗させることができ、コンクリート3と主鋼材21A、21Bとの一体性を確保することが可能となることから、上述した第一の実施の形態と同様にコンクリート3と主鋼材21A、21Bとが分離して破壊されることを防ぐことができ、高強度化を図ることができる。
次に、図7は本発明の第三の実施の形態によるプレキャスト床版を示す図であって、(a)は図3に対応する断面図、(b)はその縦断面図である。
第一及び第二の実施の形態ではコンクリート構造体としてシールドトンネルに構築されるセグメント1、1A(図1、図6参照)としているが、図7に示す第三の実施の形態では、セグメント1、1Aに代えて橋梁、道路等に採用され、工場などで製造されるプレキャスト床版1Bとしている。
図7(a)及び(b)に示すように、本プレキャスト床版1Bは、平面視略長方形の箱形状をなし、長辺方向の端面を接合端面13、13とし、その接合端面13、13に備えた図示しない継手によって隣接するプレキャスト床版に接合される構成となっている。そして、プレキャスト床版1Bは、コンクリート3内にプレキャスト床版1Bの短手方向に延びる上下一対の主鋼材21A、21Bが設けられている。主鋼材21A、21B同士は、第一及び第二の実施の形態と同様の連結部材22によって連結されている。ここで、本プレキャスト床版1Bでは、一対の主鋼材21A、21Bの組み合わせが、短手方向に所定間隔をもって4つ配置されている。そして、主鋼材21A、21Bの対向面21a、21bには、第一の実施の形態と同様の断面視略台形状のテーパ面5a、5bを有するジベル5が設けられている。
第三の実施の形態によるプレキャスト床版1Bでは、例えば設置された上部を車両が走行したときに曲げ応力が作用し、内部の主鋼材21A、21Bに沿った方向(つまりプレキャスト床版1Bの短手方向)に力が働いたときに、ジベル5のテーパ面5a、5bに沿って第1せん断力τ1(図5参照)が生じることから、上述した第一及び第二の実施の形態と同様の作用、効果が得られ、コンクリート3と主鋼材21A、21Bとが分離して破壊されることを防ぎ、高強度化を図ることができる。
次に、図8は本第一の実施の形態の変形例によるセグメントを示す縦断面図であって、図2に対応する図である。
図8に示す変形例では、上述した第一の実施の形態で主鋼材21A、21B同士の対向面21a、21bのみに備えたジベル5、5、…に加えて、各主鋼材21A、21Bの対向面21a、21bと反対の面(外方面21c、21d)に第2ジベル6、6、…を備えた構成となっている。この第2ジベル6の形状は、ジベル5と同形状をなし、鋼材からなり、トンネル周方向(或いは、主鋼材21A、21Bの軸方向)に向けて傾斜するテーパ面6a、6bを有するとともに、主鋼材21A、21Bのそれぞれの外方面21c、21dより突出した状態で主鋼材21A、21Bに一体的に設けられている。
本変形例では、主鋼材の対向面側に設けたジベル5は、第一の実施の形態と同様にコンクリート3と主鋼材21A、21Bとの一体性を増強させ、主鋼材21A、21Bがコンクリート3と分離して破壊されることを防ぐことができる。さらに、主鋼材21A、21Bに第2ジベル6を設けたことで、例えばセグメント1に外力が作用したときに、セグメント1のコンクリート3にかかる力の向きを第2ジベル6のテーパ面6a、6bに沿う方向に分散させることができるので、セグメント表面に生じるひび割れを分散させることができる。
以上、本発明によるコンクリート構造体の第一乃至第三の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本第一及び第二の実施の形態ではセグメント1、1A、第三の実施の形態ではプレキャスト床版1Bをコンクリート構造体としているが、これらに限定されることはなく、例えばSRC造をなす建築構造物の梁材や柱材などとして使用されるコンクリート構造体であってもかまわない。
また、セグメント1、1Aやプレキャスト床版1Bのように予め工場などで製作されるコンクリート製品であることに限定されることはなく、現場でコンクリート打設して構築されるSRC造のコンクリート構造体であってもよい。要は、コンクリート内部に複数の鋼材が配置され、それらの鋼材の対向面にテーパ面を有するジベルが設けられていればよいのである。
また、主鋼材21、連結部材22等の配置、形状、箇所数に限定されることはなく、コンクリート構造体の大きさ、形状、使用用途等の条件に応じて任意に設定することができる。例えば、連結部材22として本第一乃至第三の実施の形態では平板形状としているが、この形状に限定されることはなく、例えば棒状の部材や、ウエブを略三角形状に配列してなるラチスを主鋼材21の長手方向に配列したものであってもかまわない。また、コンクリート構造物のセグメントの別の形態として、例えば第一の実施の形態でセグメント1内の外周側に配置される主鋼材21Aをコンクリート3の外周面に面一となるように配置し、その主鋼材21Aの側面に接続するようにセグメント1の外面にスキンプレートを設ける構成のセグメントであってもかまわない。そして、そのときの内周側の主鋼材21Bの対向面21bと反対側の面には、上述した変形例に示した第2ジベル6を設けるようにしてもよい。
さらにまた、ジベル5の断面形状は、第一及び第三の実施の形態では略台形状、第二の実施の形態では略三角形状としているがこれらの形状に限定されることはなく、主鋼材21の対向面から突出するジベルの一部に主鋼材の軸方向に向けて傾斜するテーパ面が形成されていればよいのである。そして、ジベル5のテーパ面の傾斜角度は、とくに制限されることはない。
本発明の第一の実施の形態によるセグメントの一部破断斜視図である。 図1に示すセグメントの縦断面図である。 図1に示すセグメントのA−A線断面図である。 主鋼材に固定したジベルの配置状態を示す平面図である。 ジベルと連結部材の作用を説明するための要部拡大図である。 本発明の第二の実施の形態によるセグメントのジベルの構造を示す図であって、図5に対応する図である。 本発明の第三の実施の形態によるプレキャスト床版を示す図であって、(a)は図3に対応する断面図、(b)はその縦断面図である。 本第一の実施の形態の変形例によるセグメントを示す縦断面図であって、図2に対応する図である。
符号の説明
1、 1A セグメント(コンクリート構造体)
1B プレキャスト床版(コンクリート構造体)
2 鋼材
21、21A、21B 主鋼材
21a、21b 対向面
3 コンクリート
5、5A ジベル
5a、5b、5c、5d テーパ面

Claims (3)

  1. トンネル周方向に沿って略円弧状に湾曲されるとともに円弧板状をなすセグメントの内周側と外周側に配置され、トンネル周方向を軸方向とした一対の主鋼材と、
    一対の前記主鋼材同士を連結する連結部材と、
    一対の前記主鋼材のそれぞれの対向面から突出して設けられるとともに、前記主鋼材の軸方向に向けて傾斜するテーパ面を有するジベルと、
    を備えていることを特徴とするコンクリート構造体。
  2. 前記テーパ面は、前記主鋼材の軸方向を含む平面内で前記軸方向に直交する幅方向から見て、前記ジベルの前記トンネル周方向両側に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のコンクリート構造体。
  3. 前記ジベルは、前記主鋼材の軸方向に直交する幅方向に延びるとともに、前記主鋼材の軸方向に所定間隔をもって複数配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のコンクリート構造体。
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