JP4589789B2

JP4589789B2 - 構造物及びその隅角部構造並びに柱構造

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Publication number: JP4589789B2
Application number: JP2005108709A
Authority: JP
Inventors: 径豊島; 優任高木; 雅敬木下; 哲夫木村; 宏二本間
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-04-05
Also published as: JP2006132308A

Description

本発明は、ユニットとなる鋼材を連結してなる略板状の部材を用いた構造物及びその隅角部構造並びに柱構造に関するものである。

設計の省力化、運搬・架設作業の容易化を図るため、ユニットとなる鋼材を連結して所定の板状部材を構成し、その板状部材を用いて、例えば、橋桁、柱、建築物等を製造する技術が知られている。

例えば、橋桁においては、図８に示すようなパネル型の鋼製セグメント１８をユニットとなる鋼材として構成された橋桁構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。本技術は、溶接集成もしくは冷間曲げ成形で製作されたパネル型の鋼製セグメント１８を橋軸方向と橋軸直角方向とに並べて、隣り合う鋼製セグメント１８のフランジをボルトで接合することで、逆台形の開断面箱桁３２を構成したものである。
また、鋼製橋脚の補強工法として，箱型断面鋼製橋脚の横断面の四隅を長手方向に沿って補強した橋脚が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−１５６２９１号公報特開平９−１１１７１９号公報

特許文献１に開示された技術、すなわち図８に示すような逆台形の開断面箱桁３２とする技術では、逆台形の開断面箱桁３２に負曲げが作用すると、下フランジ１２には負曲げに伴う圧縮力が作用する。この圧縮力がある力以上となると、下フランジ１２は面外方向に突然に変形するという全体的な座屈を生じ、圧縮力に抵抗できなくなる。これを防ぐためにパネル型の鋼製セグメントには、継手を兼ねる補剛部３３が設けられている。補剛部３３を設けることで、下フランジ１２に生じる座屈が補剛部３３で拘束されて面外方向に変形し難くなる点を生じ、下フランジ１２が局部的な座屈を生じ、大きな圧縮力に抵抗することができる。そして、この補剛部３３には、十分な剛性が必要となり、十分な剛性を有しないと下フランジ１２は全体的な座屈を生じ、作用する圧縮力に抵抗できなくなる。

しかし、パネル型の鋼製セグメント１８は、溶接集成や冷間曲げ成形により製作されているため、製作コストが大きくなるという課題を有している。また鋼製セグメント１８の製作に伴い、溶接集成や冷間成形による初期の曲がりが必ず生じるため、これを矯正する作業が必要になり、製作効率の点でも課題を有している。また溶接集成により降伏応力度程度の残留応力が部分的に生じることの影響により、鋼板の圧縮強度も低下するため、圧縮強度確保の点でも課題を有している。

また、鋼製セグメント１８のようにユニットとなる鋼材を連結して構成された箱桁３２は、継手部の数が多く、車両荷重等の影響で変動的に鋼製セグメント１８相互の継手部に目開きが生じて、箱桁３２の内部に雨水等が入ることが多く、一般的に箱桁３２の外部より内部の塗装仕様が低減されるため、箱桁内部の鋼材が腐食し易いという問題も有していた。すなわち、ユニットとなる鋼材を連結して構成された板状部材を使用して桁や柱または建築物等を構築する際には、その継手部（連結部とも言う）における止水性の課題も有していた。

鋼製セグメント１８の製作に既製品である形鋼を使用した場合、加工度が大幅に低減するため、製作コストの低減につながる。そして形鋼（例えば溝形構）のフランジを鋼製セグメントの補剛部を兼ねる継手として利用する場合、フランジの幅すなわち補剛部の高さは、補剛部の剛性を決める重要な因子となる。

しかし、形鋼は、製鐵所等において圧延される鋼材であるため、形鋼のフランジの幅は限られた寸法のものでしかない。特にフランジの幅が小さい形鋼を使用する場合や、要求される圧縮強度が高い場合は、補剛部としてのフランジの高さが不足するため、補剛部に必要な剛性を確保できなくなり、補剛部の剛性を向上するために、新たな補剛材を形鋼のウェブ等に溶接等で設ける必要がある。しかし新たな補剛材を設けると、鋼材を所定の寸法に切断した後、鋼材を形鋼に溶接する必要があり、作業工程が増してしまうという課題を有していた。また溶接に伴い、鋼製セグメントには初期の曲がりや残留応力といった初期不整が必ず生じる。初期の曲がりを許容値以下とするためには、矯正作業が必要となり、鋼製セグメントの加工効率化の点で課題を有していた。そしてこれらに起因して、鋼製セグメントの製作工数が増加するという課題を引き起こしていた。

すなわち、鋼製セグメントの加工を効率化するため、形鋼を用いているにも関わらず、新たな補剛材を設ける加工が必要となるという大きな課題を有していた。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて提案されるものである。その目的は、形鋼を用いて形成したユニットとなる鋼材を連結して所定の板状部材を構成し、その板状部材を用いて、例えば、橋桁、柱、建築物等を製造する際の板状部材の補剛構造として、補剛部の剛性を比較的容易に向上することができ、板状部材の初期曲がりの矯正作業が不要又は低減できて製作効率が高く、溶接による板状部材の圧縮強度の低下を防止でき、さらに止水構造をも比較的容易に設けることが可能で、製作工数も低減することができる板状部材の補剛構造およびその構造を備えた柱構造を提供することにある。
また、特許文献２に開示された技術は、既存橋脚の耐震補強を目的とした構造で、アングル状の鋼材を橋脚の横断面の四隅に配設する必要があり、部材数や製作工数が増加してしまうという問題を有しており、本発明は、前記問題の解決可能な構造物及びその隅角部構造並びに柱構造も提供する。

上記の課題を解決するために、発明者等が鋭意検討した結果、ユニットとなる鋼材に継手部となるフランジを有する形鋼を使用し、その継手間に補剛材の脚部を挟んでボルト接合して板状部材とすることで、解決できることを見出した。

この継手部となるフランジも板状部材の補剛の役割を果たし、継手間に挟む平鋼や形鋼などの補剛材と合わせて、板状部材の剛性を大きく高めることができる。
また、フランジを有する形鋼をユニットの鋼材として用いる結果、従来のような溶接集成や冷間成形に伴う初期曲がりの矯正作業も不要となり、板状部材の製作効率を向上することができる。
更に、ボルト接合とすることで、従来のような溶接による板状部材の圧縮強度の低下を防止できる。
そしてこの板状部材を使用して、橋桁、柱、建築物等を構築できる。

ところで、形鋼のフランジをユニットとなる鋼板の補剛部を兼ねる継手として利用する場合、フランジの幅すなわち補剛部の高さは、補剛部の剛性を決める重要な因子となる。しかし形鋼は、圧延された形鋼のフランジの幅は限られた寸法のものでしかなく、フランジの幅が小さい場合、補剛部としての高さが低くなるため、必要な剛性を確保できなくなる。これを防ぎ補剛部の剛性を向上するために、新たな補剛材として、形鋼のフランジ高さ（幅）よりも高い、平鋼又は形鋼を両フランジ間に挟んで更なる剛性向上を図っている。

また、継手部における止水性についても、継手部の長手方向へ渡って簡易的な止水溝を形成し、その止水溝に止水材を設けるだけで、大きく止水性を向上できるものである。
その課題解決手段の特徴は以下の通りである。

本第１発明は、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する構造物の隅角部構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、端部側に配置されている形鋼のフランジを長手方向に切断除去した端部同士を相互に溶接により連結している、または断面がコの字状又はＩ字状の形鋼に替えて断面がL字状の形鋼として端部同士を相互に溶接により連結していることを特徴とする。

本第２発明は、隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造であって、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有すると共に、隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、端部側に配置されている形鋼のフランジを長手方向に切断除去した端部同士を相互に溶接により連結している、または断面がコの字状又はＩ字状の形鋼に替えて断面がL字状の形鋼として端部同士を相互に溶接により連結していることを特徴とする。

本第３発明は、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する構造物の隅角部構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとを互いに接するように配置して接合する、または隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとをフィラーを介して互いに接するように配置して接合することを特徴とする。

本第４発明は、隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造であって、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有すると共に、隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとを互いに接するように配置して接合する、または隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとをフィラーを介して互いに接するように配置して接合することを特徴とする。

本第５発明は、隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造であって、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する柱構造において、前記柱の各側面の中央部に位置する板状部材を構成する形鋼のうち少なくとも１つを、該板状部材よりも降伏点が低いパネル又はブレースのいずれかに替えて配置することを特徴とする。

本第６発明は、第１発明又は第３発明の隅角部構造を備えた構造物において、前記構造物の各側面の板状部材は、隣り合う形鋼相互を連結してなる板状部材の補剛構造を備え、その補剛構造は、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合していることを特徴とする。

本第７発明は、第２発明、第４発明又は第５発明のいずれかの柱構造において、柱の各側面の板状部材は、隣り合う形鋼相互を連結してなる板状部材の補剛構造を備え、その補剛構造は、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合していることを特徴とする。
本第８発明は、第６発明の構造物において、前記断面がコの字形状の形鋼が溝形鋼であることを特徴とする。
本第９発明は、第７発明の柱構造において、前記断面がコの字形状の形鋼が溝形鋼であることを特徴とする。
本第１０発明は、第６発明又は第８発明の構造物において、前記補剛材における隣り合うフランジの間に挟まれている部分の両面又は各フランジの補剛材側の面のいずれかの長手方向にわたって止水溝を有し、該止水溝に止水材が設けられていることを特徴とする。
本第１１発明は、第７発明又は第９発明の柱構造において、前記補剛材における隣り合うフランジの間に挟まれている部分の両面又は各フランジの補剛材側の面のいずれかの長手方向にわたって止水溝を有し、該止水溝に止水材が設けられていることを特徴とする。
尚、本発明の「低降伏点鋼」とは、降伏点が１００Ｎ/ｍｍ^２〜２２５Ｎ/ｍｍ^２と低く、伸び性能が４０％以上が保証された鋼材のことであり、例えば、（社）鋼材倶楽部で定めるＬＹ１００やＬＹ２２５に相当する鋼材のことを言う。
また、本発明の「柱の各側面の中央部に位置する板状部材を構成する形鋼」とは、各側面の両端間（両隅角部間）の中央に存在する形鋼（但し、補剛材を除く）のことであり、中央が形鋼ではなく補剛材である場合は、当該補剛材を挟んでいる２つの形鋼を言う。

橋桁、柱、建築物等を製造する際に、設計の省力化、運搬・架設作業の容易化を図るため、ユニットとなる鋼材を連結して所定の板状部材を構成し、その板状部材を用いて構築する技術において、本発明では、ユニットとなる鋼材にフランジを有する形鋼を使用し、隣り合う形鋼のフランジ間に平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材を挟んでボルト接合することで、補剛部の剛性を容易に向上することができ、板状部材の初期曲がりの矯正作業が不要又は低減できて製作効率が高く、従来のような溶接による板状部材の圧縮強度の低下を防止できるという優れた効果を奏する。

さらに、形鋼同士の接合部分において、補剛材の両面又は形鋼のフランジの補剛材側に長手方向に渡って止水溝を設け、その止水溝に止水材を設けることで、止水構造をも比較的容易に設けることが可能で、止水のための加工作業も低減することができるという効果も付与することができる。
また、隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造において、該柱の各側面の板状部材を、前記の板状部材の補剛構造を備えた構造とされ、かつ該隅角部における隣り合う板状部材は、端部側に配置されている形鋼のフランジを長手方向に切断除去した端部相互が溶接により連結されている柱構造とされている。
なおフランジを切断除去しなくても、山形鋼といった断面がＬ字状の形鋼を使用してもよい。
あるいは隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造において、該柱の各側面の板状部材を前記の板状部材の補剛構造を備えた構造とされ、かつ該隅角部における隣り合う板状部材は、隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとを互いに接するように配置し、または隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとをフィラーを介して互いに接するように配置して接合することにより、隅角部の強度と剛性を向上することができる。
例えば、柱構造である橋脚には、地震時に橋脚の水平方向に地震力が生じる。この地震力により橋脚の隅角部には応力が集中するが、一方の形鋼のフランジと他方の形鋼のウェブを互いに隣接させることで、板厚を大きくすることができ、隅角部の強度と剛性を向上し、柱構造の隅角部を損傷し難い構造とすることができる。
また、柱構造の該隅角部に、その一部を柱構造の断面方向に折り曲げた形鋼を使用することもでき、この場合、隅角部における溶接作業を割愛することができる。
また柱構造の各側面の板状部材を構成する形鋼のせん断強度に比べ、小さなせん断強度を有するパネルを、該形鋼に隣接するように柱構造の各側面の板状部材の中央付近に配置する。もしくは低降伏点鋼からなる一ないし複数のブレース材を柱構造の各側面の板状部材の中央付近に配し、隣接する形鋼に接合する。これらの効果として、地震時の損傷を他の形鋼に比べせん断強度が低いパネル、もしくはブレースに集約することができ、柱構造における地震時の損傷をこれらの部材に集約することができる。

本発明の補剛構造における補剛材は、形鋼を連結した板状部材に圧縮力が作用する場合、板状部材を補剛し、圧縮強度を高めるために設置されるものである。道路橋等においては曲げや圧縮力が作用する橋桁や橋脚のフランジやウェブに設けられる。

補剛材に必要な剛性は、板状部材の圧縮強度を必要強度以上に確保でき、この補剛材が固着される位置を基点に鋼材に局部的な座屈を生じさせ、圧縮強度を向上できるように決定される。

本発明は、この補剛材として平鋼又は形鋼を隣接する形鋼のフランジの間に設け、これらをボルト接合により組立てることにより、溶接作業等を伴うことなく、形鋼を用いて形成した鋼製板状部材の圧縮強度を向上できるものである。

以下、本発明の実施形態を、図１〜図７ならびに図９〜図1７を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態の１例を示す拡大斜視図である。
この実施形態における補剛構造１は、ユニットとなる鋼材を連結して所定の板状部材を構成するにあたって、長手方向に間隔をおいて多数のボルト孔を備えたフランジ３を有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼２（図では溝形鋼）を、各フランジ３同士が隣り合うように配置すると共に、このフランジ３と隣り合うフランジ３との間に、基端側となる脚部に長手方向に間隔をおいて多数のボルト孔を備えた平鋼又は形鋼からなる補剛材４（図では平鋼）を挟み、これらをボルト・ナットによるボルト接合５して板状部材とすることで構成される。
尚、溝形鋼のフランジ３の内側面に傾斜がある場合は、この傾斜部の面を補剛材４が挟まれている側のフランジ３の面と平行になるように切削するか、補剛材４が挟まれている側のフランジ３の面と平行になるように傾斜を有するあて板をフランジ３の内側面に押し当ててボルト・ナットによりボルト接合することができる。

補剛構造１は、図１に矢印で示す方向の圧縮力２６が作用する形鋼２を用いて形成した鋼板３５に全体的な座屈が生じることを防止するために設けられる構造である。

形鋼２はフランジ３を有し断面がコの字状又はＩ字状であれば良く、フランジ３を形鋼の両側に有するため、連結が可能になる。溝形鋼やＨ形鋼が、これらの形鋼に相当する。尚、連結して構成する板状部材の端部や、板状部材を用いて構築する構造物の角部等には、山形鋼等の断面がＬ字状の形鋼を用いることもできる。

特に、溝形鋼は、フランジ３がウェブ面に対して片面側にのみ突出しており、その背面側は突出部が無いため、連結後の背面側が略平面となり、構造物の表面として使用する場合に望ましい。

中でもウェブ３４の幅が広い傾向にある溝形鋼を使用することが、板状部材の連結数を抑えることができ、更に望ましい。

なお、熱間圧延された溝形鋼の板厚は概ね３ｍｍ以上である。
また、本実施形態においては、形鋼２のフランジ３の間に補剛材４の脚部が挟まれている部分においては、補剛材４の脚部の両面に、形鋼の長手方向に渡って止水溝６を設けている。止水溝６は、図１のようなＶ型の断面形状に限らず、Ｕ型や凹型でも良い。この止水溝６の中に止水材を設けることで、本実施形態の補剛構造で構造体を構築した際に、構造体の内部に雨水等が流入することを防ぐことができる。止水材としては、断面が円形状を有するゴムや、特殊ウレタン樹脂等からなる水膨張性の止水材等が使用できる。

止水溝６は、補剛材４の両面に設ける代わりに、形鋼２のフランジ３における補剛材４側の面に長手方向に渡って設けても構わない。

平鋼からなる補剛材４の巾方向一端側を脚部とし、その脚部の両面又はフランジ３に止水溝６を設ける方法としては、切削加工やアークエアーガウジングにより設けることができるし、さらに加工度を低減するためには専用のロールを用いて圧延により止水溝６を形成することもできる。なお製作性を向上するためには、形鋼に比べて寸法が小さい平鋼の方がハンドリングし易いため平鋼からなる補剛材４に止水溝６を設けることが好ましい。

このような補剛構造１をもつ板状部材２５は、形鋼２のフランジ３部分にて連結するため、形鋼２の幅方向には、形鋼２のフランジ３を連結することで幅の拡張が容易である。
対して、形鋼２の長手方向に連結が必要な場合には、例えば図１に示すような、形鋼２の長手方向端部にボルト孔２８を設け、長手方向に隣接する形鋼２の長手方向端部にも同様のボルト孔２８を設けて、隣接する形鋼同士を跨ぐようにボルト孔を有する平鋼を渡してボルト接合することで連結可能である（図示せず）。この際、ボルト孔を有する平鋼は形鋼２の補剛材４が存在する面側に設けると、反対面側の板状部材に段差が生じないため好ましいが、強度が不足する場合は、形鋼２の両面側にボルト孔を有する平鋼を設けても良い。ボルト接合のため、施工性に優れた連結方法である。尚、長手方向の連結部により強度が必要な場合等では、長手方向の端部同士を溶接により連結することも可能である。

補剛材４の作用効果について図２を用いて説明する。図２は、本発明の補剛構造に圧縮力が作用した際の、座屈状況を破線で示す図である。図２における破線は局部的な座屈７を示しているが、形鋼２に矢印で示す方向の圧縮力２６が作用した場合、圧縮力２６がある一定の値を超えると作用する方向と直角の方向、すなわち形鋼２の面外の方向に形鋼２を用いて形成した板状部材２５が突然に変形する。形鋼２の局部的な座屈７は、必要な剛性を確保した補剛構造１を設けることで、板状部材２５の幅方向（または長手方向）について、破線で示す補剛構造１（または横リブ１９）を節とした座屈波形を形成できる。なお横リブ１９は、圧縮力２６が作用する形鋼を用いて形成した板状部材２５の圧縮強度（２６方向の圧縮に対する強度）を高めるために設ける構造である。

図３は、ユニットとなる鋼材を連結した板状部材ではなく、従来の橋構造や建築構造等に使用される１枚ものの鋼板２７に圧縮力２６が作用した際の、座屈状況を破線で示す図である。鋼板２７の幅と長さそして板厚は、圧縮力が作用する形鋼を用いて形成した板状部材２５と同じであり、図２に示す形鋼２のフランジ３や平鋼等の補剛材４ならびに横リブ９は設けていない。鋼板２７に圧縮力２６が作用した場合、圧縮力２６がある一定の値を超えると、鋼板２７は圧縮力２６が作用する方向と直角の方向、すなわち面外の方向に変形する。座屈の基点となるような形鋼２のフランジ３や平鋼等の補剛材４ならびに横リブ９がないため、鋼板２７の４辺を基点として全体的な座屈８を生じる。そしてこの変形は、図２の変形に比べ小さい圧縮力により生じる。すなわち図３における鋼板２７の圧縮強度は、圧縮力が作用する形鋼２を用いて形成した板状部材２５の圧縮強度に比べて小さい。

図４は、本発明の補剛構造を橋桁に適用した例を示した斜視図である。
形鋼２として溝形鋼を使用し、補剛材４として平鋼を用いて板状部材２５を形成し、この板状部材２５により、橋桁３６を構築している。この実施形態における橋桁３６は、逆台形型の開断面箱桁１０の上端部にコンクリート床版あるいは合成床版もしくは鋼製床版といった床版１１が構築されている。開断面箱桁１０は形鋼２を橋軸方向と橋軸直角方向にボルト接合５により接合することで、桁の下フランジ１２と桁のウェブ１３ならびに桁の上フランジ１４を有した逆台形型の開断面の箱断面形状が構築されている。形鋼同士を接合する継手は、形鋼のフランジ３であり、橋軸直角方向に隣接する形鋼２のフランジ３の間に平鋼からなる補剛材４の脚部を介在させるように設けて、これらをボルト接合５することで、形鋼２への溶接といった作業を要することなく、必要な剛性を確保することができる。

また、平鋼の補剛材４のかわりにＣＴ形鋼や山形鋼さらにＨ形鋼といった形鋼を設けていてもよい。なお橋軸方向の数ｍ間隔には中間ダイヤフラム１５を設置し、桁の断面剛性を確保することもできる。なお、形鋼２は、製鐵所等において圧延された既製品であるため、溶接集成や冷間曲げ成形は不要となり、板状部材２５の製作効率を向上することができる。また桁の上フランジ１４は鋼板により構築されている。

図５は、本発明の補剛構造を適用した、溝形鋼の形鋼２の間に平鋼の補剛材４を設けて構成した逆台形の開断面箱桁の断面を示すもので、特に、箱桁の長手方向において複数の板状部材を連結した際の、隣接した板状部材のボルト孔を有する端部同士をボルト孔を有する平鋼にて連結した連結部の断面を示している。なお下フランジ１２の下に破線で示す波形は、下フランジ１２の座屈波形である。３径間連続橋の支点付近の橋桁において負曲げが作用する場合、桁の下フランジ１２には負曲げに伴う圧縮力が作用する。この圧縮力に対して形鋼２を用いて形成した鋼板３５が面外方向に変形する、すなわち図５の下部に破線で示すような全体的な座屈９を生じることを防ぐために、平鋼からなる補剛材４を形鋼２の間に設けて補剛する。これにより形鋼２を用いて形成した鋼板３５は、図５の下部に破線で示すような補剛構造１を端とした局部的な座屈８を生じる。全体的な座屈９を生じる場合に比べ、形鋼２を用いて形成した鋼板３５は、とても大きな圧縮力に抵抗することができる。また鋼板３５を橋軸方向に接続するためには、添接板３０とボルト２１を用いて接続することができる。

図６は、本発明の補剛構造における補剛材に形鋼を使用した例で、図６（ａ）は、隣接する形鋼２のフランジ３間に断面Ｔ字状のＣＴ形鋼１６からなる補剛材４の脚部を設けた補剛構造の拡大図である。また、図６（ｂ）は、隣接する形鋼２の間に山形鋼１７の一辺からなる脚部３９を補剛材４として設けた補剛構造１の拡大図である。ＣＴ形鋼１６や山形鋼１７からなる補剛材４は脚部３９を取り付けた場合に、脚部３９の反対側をフランジ４０として機能させることができる部分を有しているため、平鋼を補剛材４として用いる場合に比べ剛性が高く、ＣＴ形鋼１６や山形鋼１７からなる補剛材４を使用した場合は、平鋼を補剛材４として用いる場合に比べ、板状部材２５の圧縮に対する補剛部の剛性を大きくすることができる。

図７（ａ）は、本発明の補剛構造を適用した柱構造を示す斜視図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の１側面の板状部材２５の拡大斜視図である。本構造においては、隅角部４１を有し、長手方向に直角な断面（柱の高さ方向の垂直断面）が矩形の柱構造において、該柱の各側面の板状部材２５は、３つの形鋼２（図では溝形鋼）を、各形鋼２のフランジ３同士が隣り合うように配設すると共に、隣り合うフランジ３の間に平鋼の補剛材４の脚部３９を挟んでボルト・ナットによるボルト接合５している。隅角部４１における隣り合う板状部材２５は、端部側に配置されている形鋼２のフランジ３を長手方向に切断除去した端部相互が溶接Ｗにより連結されているものである。端部側に配置されている形鋼２は、フランジ３を切断除去しなくても、片側のみフランジ３を有していない山形鋼等のＬ字状の形鋼を用いてもよい。本構造は、圧縮力が作用する橋脚又は建築構造用の柱として適用できるものである。

平鋼からなる補剛材４を隣り合う形鋼２のフランジ３の間に設けることで、形鋼２を用いて形成した板状部材２５の圧縮強度を向上することができる。

図９は、本発明の補剛構造を適用した、Ｉ字状の形鋼であるＨ形鋼３１を複数個、配設して形成した板状部材２５の断面を示す。この板状部材２５は前述した箱断面形状の橋桁や橋脚等のフランジやウェブに使用することができる。Ｈ形鋼３１のフランジ３の幅が狭い場合、圧縮力が作用する板状部材２５の補剛材として機能できないため、補剛材４（この場合平鋼）を設けることで、板状部材２５を補剛することができる。なお、隣り合うＨ形鋼３１のフランジ３相互間に、平鋼からなる補剛材４の脚部３９を介在させて、また、Ｈ形鋼３１のフランジ３幅方向に２列のボルト孔を部材長手方向に間隔をおいて設けると共に、脚部３９に２列にボルト孔を部材長手方向に設け、各Ｈ形鋼３１のフランジ３と脚部３９とに渡って配設されたボルト・ナットによりボルト接合５されている。また、この形態では、各Ｈ形鋼３１のフランジ３に１列または間隔をおいて平行に２列等の複数列に止水溝を設けるか、平鋼等の補剛材４の脚部３９に１列または間隔をおいて平行に２列等の複数列に止水溝を設け、止水溝に止水材を配置して、ボルト接合５すればよい。

図１０は、本発明の補剛構造を適用した柱構造の隅角部における別の実施形態を示した斜視図である。隅角部４１において隣接する一方の形鋼２（図では溝形鋼）のフランジ４２と他方の形鋼２’のウェブ４３を重ね合わせてボルト接合４４した実施例である。互いにボルト接合することにより、地震時に応力が集中する柱構造の隅角部において、板厚を増加して耐力を向上することができるとともに、一方の形鋼２のフランジ４２とウェブ３４は連続しているため、応力を円滑に分担することができる。

図１１は，図１０における隅角部４１を拡大した構造を示す。形鋼の端部は製作の都合上、Ｒ形状４５となっていることが多いため、Ｒ形状を切削して直角に加工してもよいし、一辺は，一方のフランジ４２と他方のウェブ４３を離間してボルト接合４４（ボルトは省略した）し、他辺はＲ形状４５に対面する部分を避けるように傾斜させて切断したフィラー４６（詰め板）を設けてボルト接合することもできる。なお図１０、１１はボルト・ナットによるボルト接合４４を用いた構造を示すが、接合方式として、ボルト接合を用いなくても、溶接接合もしくはリベット接合であってもよい。

図１４は、本発明の柱構造の隅角部において、その一部を柱構造の断面方向に折り曲げた形鋼４９を使用することを特徴とする柱構造である。曲げ加工方法として、冷間曲げ加工であっても熱間曲げ加工であってもよい。
また、柱構造の別の実施形態として、各側面の中央部に位置する板状部材を構成する形鋼のうち少なくとも１つを、該板状部材よりも降伏点が低いパネル又はブレースのいずれかに替えて配置する。
例えば、図１２は，本発明の補剛構造を適用した柱構造において、前記柱構造の各側面の板状部材２５を構成する形鋼４７の降伏点応力に比べ、小さな降伏点応力を有するパネル１枚５１を、柱の側面の中央部に位置する板状部材を構成する形鋼２に替えて中央部に配置した柱構造を示す斜視図である。
ここでいう中央部に位置する板状部材２５を構成する形鋼とは、各側面の両端間（両隅角部間）の中央に存在する形鋼のことであり、中央が形鋼ではなく補剛材である場合は、当該補剛材を挟んでいる２つの形鋼を言う。
一方の形鋼４７の降伏点応力に比べ、小さな降伏点応力を有するパネル５１を、形鋼４７に隣接するように板状部材の中央付近に配置する。この結果、地震時に柱構造に生じるせん断力に対して、降伏点応力（せん断強度）が低いパネル５１が、形鋼４７に先んじて降伏することができる。すなわち柱構造の損傷を強度の低い鋼材に集約することができ、地震時の柱構造の損傷を制御することができる。また補剛構造１を有することにより、大きな圧縮力にも抵抗することができる。
なおパネル５１は低降伏点鋼（降伏点が１００Ｎ/ｍｍ^２レベルもしくは２２５Ｎ/ｍｍ^２と低く、また降伏点のばらつき範囲も非常に狭く、伸び性能は５０％以上もしくは４０％以上が保証された鋼材）を用いた鋼板であり、パネル５１と補剛構造１は、山形鋼５４を用いてボルト接合することにより接合できる。

図１３は、図１２におけるパネル５１を板状部材２５の中央部に２枚設置した柱構造を示す斜視図である。パネル５１は１ないし２枚に限らず、中央部に隣接する複数枚設置してもよい。
また、各側面全てにパネル５１を設けなくても良く、少なくとも１つの側面に１枚設置されていれば良い。

図１６は、低降伏点鋼からなる３組のブレース４８を柱構造の各側面の板状部材２５の中央付近に設置し、隣接する形鋼（補剛材４）に接合することを特徴とする柱構造を示す斜視図である。１組のブレース４８は、形鋼２の間において対角方向に２本の構造材５４を配置したものであり、設置するブレースの組数は一ないし複数であってもよいが、地震時に生じる水平力に効果的に抵抗するためには、１組のブレース４８の高さ寸法５５と幅寸法５６を同一程度にすることが望ましい。またブレース４８は形鋼（補剛材４）と溶接接合により取り付けることが好ましい。

図１７に示す構造は、図１６と同じくブレース４８を用いた構造を示すが、ブレースの拘束位置を橋脚断面の隅角部４９ならびに形鋼２のフランジ３および補剛材４に設けた孔５０とすることで、圧縮力に対するブレース８の拘束効果を高める構造である。

図１５にブレース材の断面を示す。地震時に橋脚にせん断力が生じると、ブレース材４８には、引張力ならびに圧縮力が作用する。引張力に対しては低降伏点鋼を用いることで変形性能を高めることができ、圧縮力に対してはその外周に設置された拘束材５３により、低降伏点鋼５２の座屈変形を防止することができる。なお拘束材５３は鋼管を用い、低降伏点鋼５２と拘束材５３は一体化させない構造とすることができる。なお拘束材５３と形鋼（補剛材４を含む）の接続は、溶接接合するまたは添接板を用いてボルト接合あるいはリベット接合する方法であっても、いずれの形式であってもよい。

図１８は、本発明の補剛構造を適用した柱構造の隅角部における別の実施形態を示した斜視図である。冷間曲げ成形された形鋼５７を用いた図であり、製作効率が熱間曲げ成形と同様に良好な場合、冷間曲げ成形を用いてもよい。

［実施例１］
本発明を適用し、形鋼２として溝形鋼を５枚用いて形成した板状部材２５（図２における３枚の形鋼２を５枚とした構造）の圧縮強度を数値解析により確認した。板状部材２５の板幅と板厚の比である幅厚比を１００、縦横比を１（４辺単純支持）と仮定し、相対する２辺に向かい合う方向に圧縮応力を一様に負荷する条件で、計算した結果、溝形鋼のフランジ高さが溝形鋼の幅寸法の２０％以下程度と低い場合、鋼材の降伏強度以下（降伏強度の７割程度の応力）で板状部材には座屈が生じてしまう。しかし溝形鋼のフランジ高さの３倍程度の平鋼からなる補剛材４を隣り合う形鋼２の互いのフランジの間に１枚ずつ合計４枚挟むことで、降伏強度程度の圧縮強度を確保することができる。

本発明により、圧縮強度の確保が図れることが明確になった。そして平鋼をボルト接合により接続できるため溶接作業等が不要となり、製作効率を向上することができ、さらに止水材を設けることもできることより、止水性をも大幅に向上することができる。

本発明の実施形態の１例を示す拡大斜視図である。本発明の補剛構造に圧縮力が作用した際の、座屈状況を示す図である。従来の橋構造や建築構造等に使用される１枚ものの鋼板に圧縮力が作用した際の、座屈状況を示す図である。本発明の補剛構造を橋桁に適用した例を示した斜視図である。溝形鋼の形鋼の間に平鋼の補剛材を設けて構成した逆台形の開断面箱桁の断面を示した図である。（ａ）本発明に係る、隣接する形鋼のフランジの間にＣＴ形鋼を設け、これらをボルト接合により組立てた補剛構造の拡大断面図である。（ｂ）本発明に係る、隣接する形鋼のフランジの間に山形鋼を設け、これらをボルト接合により組立てた補剛構造の拡大断面図である。（ａ）本発明に係る、補剛構造を用いた柱構造を示す斜視図である。（ｂ）は（ａ）の拡大斜視図である。従来のパネル型の鋼製セグメントで構成された橋桁構造を示す斜視図である。Ｉ字状の形鋼であるＨ形鋼を複数個、配設して形成した板状部材の断面図である。本発明の補剛構造を適用した柱構造の隅角部における別の実施形態を示した斜視図である。図１０における隅角部を拡大した斜視図である。本発明の補剛構造を適用した柱構造において、前記柱構造の各側面の板状部材を構成する形鋼のせん断強度に比べ、小さなせん断強度を有するパネル１枚を、該形鋼に隣接するように柱構造の各側面の板状部材の中央付近に配置することを特徴とする柱構造を示す斜視図である。本発明の補剛構造を適用した柱構造において、前記柱構造の各側面の板状部材を構成する形鋼のせん断強度に比べ、小さなせん断強度を有するパネル２枚を、該形鋼に隣接するように柱構造の各側面の板状部材の中央付近に配置することを特徴とする柱構造を示す斜視図である。本発明の柱構造の隅角部において、その一部を柱構造の断面方向に折り曲げた形鋼を使用することを特徴とする柱構造を示す斜視図である。本発明の柱構造の隅角部において、その一部を柱構造の断面方向に折り曲げた形鋼を使用することを特徴とする柱構造を示す斜視図である。低降伏点鋼からなる３組のブレースを柱構造の各側面の板状部材の中央付近に設置し、隣接する形鋼に接合することを特徴とする柱構造を示す斜視図である。ブレースの拘束位置を橋脚断面の隅角部ならびに形鋼のフランジに設けた孔とすることで、圧縮力に対するブレースの拘束効果を高める構造である。本発明の補剛構造を適用した柱構造の隅角部における別の実施形態を示した斜視図である。

符号の説明

１補剛構造
２、２’ 形鋼
３形鋼のフランジ
４平鋼又は形鋼からなる補剛材
５ボルト接合
６止水溝
７局部的な座屈
８局部的な座屈
９全体的な座屈
１０開断面箱桁
１１床版
１２桁の下フランジ
１３桁のウェブ
１４桁の上フランジ
１５中間ダイヤフラム
１６ＣＴ形鋼
１７山形鋼
１８鋼製セグメント
１９横リブ
２１ボルト
２５板状部材
２６圧縮力
２７鋼板
２８ボルト孔
３０添接板
３１Ｈ形鋼
３２開断面箱桁
３４ウェブ
３３補剛部
３５鋼板
３６橋桁
３７ウェブ
３８フランジ
３９脚部
４０フランジ
４１隅角部
４２一方の形鋼のフランジ
４３他方の形鋼のウェブ
４４ボルト接合
４５Ｒ形状
４６フィラー
４７形鋼
４８ブレース
４９断面方向に折り曲げた形鋼
５０形鋼のフランジに設けた孔
５１パネル
５２低降伏点鋼
５３拘束材
５４構造材
５５１組のブレースの高さ寸法
５６１組のブレースの幅寸法
５７冷間曲げ成形された形鋼

Claims

フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する構造物の隅角部構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、端部側に配置されている形鋼のフランジを長手方向に切断除去した端部同士を相互に溶接により連結している、または断面がコの字状又はＩ字状の形鋼に替えて断面がL字状の形鋼として端部同士を相互に溶接により連結していることを特徴とする構造物の隅角部構造。
隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造であって、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する柱構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、端部側に配置されている形鋼のフランジを長手方向に切断除去した端部同士を相互に溶接により連結している、または断面がコの字状又はＩ字状の形鋼に替えて断面がL字状の形鋼として端部同士を相互に溶接により連結していることを特徴とする柱構造。
フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する構造物の隅角部構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとを互いに接するように配置して接合する、または隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとをフィラーを介して互いに接するように配置して接合することを特徴とする構造物の隅角部構造。
隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造であって、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する柱構造において、該隅角部における隣り合う板状部材は、隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとを互いに接するように配置して接合する、または隣接する一方の形鋼のフランジと、他方の形鋼のウェブとをフィラーを介して互いに接するように配置して接合することを特徴とする柱構造。
隅角部を有し、柱長手方向に直角な断面が多角形の柱構造であって、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合した板状部材の補剛構造を有する柱構造において、前記柱の各側面の中央部に位置する板状部材を構成する形鋼のうち少なくとも１つを、該板状部材よりも降伏点が低いパネル又はブレースのいずれかに替えて配置することを特徴とする柱構造。
請求項１又は３に記載の隅角部構造を備えた構造物において、前記構造物の各側面の板状部材は、隣り合う形鋼相互を連結してなる板状部材の補剛構造を備え、その補剛構造は、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合していることを特徴とする構造物。
柱の各側面の板状部材は、隣り合う形鋼相互を連結してなる板状部材の補剛構造を備え、その補剛構造は、フランジを有し断面がコの字状又はＩ字状の複数の形鋼を、各形鋼のフランジ同士が隣り合うように配置すると共に、隣り合うフランジの間に、平鋼又は前記形鋼とは別個の形鋼からなる補剛材の脚部を挟んでボルト接合していることを特徴とする請求項２、４又は５のいずれか１項に記載の柱構造。
前記断面がコの字形状の形鋼が溝形鋼であることを特徴とする請求項６に記載の構造物。
前記断面がコの字形状の形鋼が溝形鋼であることを特徴とする請求項７に記載の柱構造。
前記補剛材における隣り合うフランジの間に挟まれている部分の両面又は各フランジの補剛材側の面のいずれかの長手方向にわたって止水溝を有し、該止水溝に止水材が設けられていることを特徴とする請求項６又は８記載の構造物。
前記補剛材における隣り合うフランジの間に挟まれている部分の両面又は各フランジの補剛材側の面のいずれかの長手方向にわたって止水溝を有し、該止水溝に止水材が設けられていることを特徴とする請求項７又は９記載の柱構造。