JP4651509B2 - 柱状構造物 - Google Patents

Description

本願発明は、橋梁の橋脚、通信用の塔、高架水槽の支柱、発電用風車の支柱等の柱状構造物に係り、特にコンクリートと鋼との複合構造となった柱状構造物に関するものである。

橋桁を支持する橋脚等の規模の大きい柱状構造物では、鉄筋コンクリート構造が広く採用されている。しかし、鉄筋コンクリートで高さの大きい柱状構造物を構築すると重量が極めて大きくなり、これにともなって基礎も大きなものとなる。また、大きな地震が発生したときに終局破壊に対して十分な安全性を有する構造とするためには、鉄筋量が極めて多くなり、施工が難しくなる。近年は山岳部において大規模橋梁が構築されることも多く、高い橋脚が必要となることも多い。

このような要請から鋼とコンクリートとの複合構造として橋脚等の柱状構造物を構築することが、例えば特許文献１に提案されている。
この構造物は、複数の鋼管を近接した位置に立設し、これらの鋼管を一体に結合するための拘束部材を周囲に配置する。そして、その外側にプレキャストコンクリートからなる外型枠を複数の鋼管を囲むように配置し、この外型枠と鋼管との間にコンクリートを打設して、外型枠、鋼管及び拘束部材を一体に結合した構造物とするものである。この構造物では、鋼管が内型枠として機能するとともに、プレキャストコンクリートからなる外型枠は、そのまま構造物の一部となるので型枠を取りはずす必要がなく、施工を効率化することができる。また、鉛直方向に連続する鋼管を含んでいるので、断面を小さくして十分な耐荷力を有するとともに、靱性の高い構造物とすることができる。
特開２００２−２５０００６号公報

しかしながら、上記のような柱状構造物では、次に示すような解決が望まれる課題がある。
外型枠として用いるプレキャストコンクリートは、施工の効率化を図るために、軽量で一つのパネルの面積が大きいものとする必要がある。しかし、薄くて大きいコンクリート部材は、工場等で製作するとしても製作は難しく、輸送等の取り扱いも慎重に行う必要がある。また、これらのプレキャストコンクリートからなるパネルを施工現場で所定の位置に支持し、打設するコンクリートの圧力に耐えられるように支持しなければならない。
このため、施工を十分に効率化することができない。

また、鉛直方向に連続する鋼管は、所定の長さの部材を現場に搬入し、これらを接合する必要がある。接合は一般に溶接によって行われるが、現場での溶接作業には熟練した技能者と多くの作業時間を要し、工期の短縮を阻害することになる。

さらに、このような構造物では、大きな地震によって一部に損傷が生じたときに補修することが難しく、補修に多くの費用が必要になったり、撤去して再構築することが必要となってしまう。

本願に係る発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化されたセグメントを組立てることにより、短い工期で効率よく構築することができる柱状構造物を提供すること、及びこれに加えて、大きな地震が生じたときにも大きな被害の発生を抑制し、簡単に補修することができる柱状構造物とすることである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、 近接して鉛直に立ち上げられた複数の鋼筒状体と、 これらの鋼筒状体の外側面に密着するように形成されたコンクリート部と、を有する柱状構造物であって、 高さ方向が所定の寸法となるように形成された鋼枠部材と、該鋼枠部材の側面の周方向における一部に密着して形成されたプレキャストコンクリートと、からなるセグメントを上方に積み重ねるとともに水平方向に複数を配列して形成され、 前記鋼筒状体は、前記鋼枠部材を積み重ねて形成されたものであり、 複数の前記セグメントを水平方向に配列することによって、複数の前記プレキャストコンクリートは前記柱状構造物の外周面を形成するように、隣り合う該プレキャストコンクリートが接触又は近接して平面形状がほぼ閉じた形状に配列され、複数の前記鋼枠部材を閉じた形状の内側に囲むものであり、 ほぼ閉じた形状に配列された前記プレキャストコンクリートで囲まれた内側であって、各セグメントが備える前記鋼枠部材の外側に、各セグメントのプレキャストコンクリートと鋼枠部材との双方に密着するように現場でコンクリートが打設されて、各セグメントが一体に結合されている柱状構造物を提供する。

この柱状構造物では、セグメントを上方に積み上げるとともに、水平方向にも複数のセグメントを組み合わせて形成されるので、一つのセグメントの重量を小さく抑えることができる。したがって、高さ及び規模が大きくなっても大きな揚重設備を必要とすることなく、短い工期で効率よく構築することができる。

また、複数の鋼筒状体は、それぞれがセグメントを上方に継ぎ足して形成されており、上下のセグメントの接合を鋼筒状体毎に調整しておこなうことができ、各鋼筒状体毎に正確な施工が可能となる。そして、このように接合された複数の鋼筒状体は一体に結合され、大きな耐荷力を有するものとなる。
一方、鋼筒状体を形成する鋼枠部材に密着するように形成されているプレキャストコンクリートによってこの柱状構造物の外周面が形成されるので、型枠工事を現場で行うことなく、又は最小限にとどめて、鋼とコンクリートとの複合構造を効率よく形成することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の柱状構造物において、 前記プレキャストコンクリートに埋め込まれ、一部が該プレキャストコンクリートから突出している鉄筋を互いに重ね合わせ、これらの鉄筋を現場で打設するコンクリートに埋め込むことによって、前記プレキャストコンクリートが互いに結合されているものとする。

この柱状構造物では、水平方向に複数のセグメントを配列したときに、鋼枠部材と密着するように形成されたプレキャストコンクリートが、構造物の外周面を全周にわたって形成する。したがって、外周面はプレキャストコンクリートによって効率よく良好な外観に仕上げられる。そして、各セグメントのプレキャストコンクリートを鉄筋で連結することにより、これらのプレキャストコンクリート及びこれらに埋め込まれた鉄筋によって構造物の外周部を囲むように連結され、各セグメントすなわち複数の鋼筒状体を一体に結合することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の柱状構造物において、 前記鋼枠部材の外側面には突出部材が固着されており、該突出部材は、前記現場で打設されたコンクリートに埋め込まれ、一体となっているものとする。

上記のように隣接するセグメント間にコンクリートが打設されていることにより、鋼枠部材を上下方向に接合して形成された鋼筒状体は水平方向の変位が有効に拘束され、セグメント間のコンクリートと一体となって荷重を支持する複合構造となる。そして、上記コンクリートが、鋼枠部材の外側面に設けられた突出部材を埋め込むように打設されていることにより、コンクリートと鋼筒状体とが強固に一体となって、大きな曲げモーメント及びせん断力に対して抵抗する構造となる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の柱状構造物において、 前記鋼筒状体の内側には、鉛直方向に緊張材が配置され、引張力が導入された状態で異なるセグメントに両端部が定着されており、 該引張力によって、上下に積み上げられたセグメント間の水平な接合面に圧縮応力が導入されているものとする。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の柱状構造物において、 上下に接触するセグメントは、鋼枠部材の内側に着脱が可能に取り付けられた連結部材によって互いに連結され、 該連結部材は、セグメント間の接触面が荷重の作用によって離隔した後に、塑性変形を生じるものとする。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の柱状構造物において、 前記連結部材は、軟鋼、低降伏点鋼、銅、アルミニウム、鉛及びこれらを含む合金の少なくとも一つの材料で形成された部分を、少なくとも一部に含むものとする。

セグメント間の水平な接合面に圧縮応力が導入されていることにより、この柱状構造物に曲げモーメントが作用したときの引張側においても、接合面に引張応力が生じるのを抑制することができる。したがって、上下に積層されたセグメントを互いに溶接等で接合しなくても、鋼枠部材の接合面が突き合わされた状態が維持され、曲げモーメントに抵抗することができる。

そして、これらの上下に接触する鋼枠部材は、連結部材によって結合しておくことにより、大きな曲げモーメントが作用してセグメントの接合面の圧縮応力が消滅したときに、接合面が離隔するのを該連結部材によって抑制することができる。また、この連結部材が塑性変形を許容するものであることにより、地震動によって繰り返し大きな曲げモーメントが作用して破壊に至るまでに震動エネルギーを吸収し、震動を減衰させる。したがって、柱状構造物の終局破壊に対する安全性が向上する。また、上記連結部材の塑性変形によって終局破壊が回避された構造物は、変形がセグメントの接合部分に集中しており、上記連結部材の交換によって容易に初期の状態を回復することができる。

上記連結部材としては、破壊までの塑性変形量が大きい部材が望ましく、請求項８に列記する材料を含むものが望ましい。また、連結部材は、例えば連結ボルトとして、鋼枠部材に設けられたブラケットをこの連結ボルトで結合するものや板状片を上下の鋼枠部材に小ボルト等によって固着するものであってもよい。そして、上記連結ボルト又は板状片は、全部を上記のような大きな塑性変形を生じる材料で形成しても良いし、一部にこれらの材料を用いて、この部分で塑性変形を生じさせるものであってもよい。

以上説明したように、本願発明に係る柱状構造物では、小型化されたプレキャストセグメントを組み立てることによって大規模の柱状構造物を構築することができ、大きな揚重設備が不要となる。また、現場においてコンクリートを打設するための型枠を不要又は極めて少ない面積に抑えることができ、構築作業を効率よく行うことが可能となる。また、鋼とコンクリートとの複合構造とするとともに、セグメントを緊張材と連結部材によって接合することによって現場における鋼部材の溶接作業を大幅に低減することができる。さらに、終局的な破壊に至るまでに大きな塑性変形を生じる構造となって終局破壊に対する安全性が向上するとともに、塑性変形の生じる位置が限定され、大規模地震等による過大な荷重が作用した後の復旧が容易となる。

以下、本願発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、山間部に架設された橋梁を示す概略側面図であり、桁を支持する橋脚が本願発明の一実施形態である柱状構造物となっている。
この橋梁は、山間部の深い谷に架設され、橋脚１が高くなっている。この橋脚は支持地盤上に形成されたコンクリートのフーチング２上に立設され、上部はコンクリートからなる箱形断面の桁３と一体に結合されており、ラーメン構造としてこの桁を支持するものとなっている。

図２は、上記橋脚の平断面図であり、図３は、その一部拡大図である。
この橋脚１は、鉛直方向に軸線を有する複数の鋼筒状体を含むものとなっており、複数の鋼筒状体１１のそれぞれは周囲をコンクリートによって被覆され、このコンクリート部１２によって上記複数の鋼筒状体１１が一体に結合された柱状構造物を構成している。そして、鋼筒状体１１の内側はそれぞれ中空部となっており、この空間内に鉛直方向の緊張材１３が配置されている。

上記鋼筒状体１１は、断面形状が矩形となっており、上下方向に貫通する鋼枠部材を上下に積み上げることによって形成されている。積み上げられた鋼枠部材の相互間の接触面は、正確な水平面となるように切削加工され、互いに突き合わせるように当接されている。そして、上記緊張材１３に導入された引張力によってこれらの接触面に圧縮応力が作用するものとなっている。したがって、これらの鋼枠部材の接合面には溶接による接合がされておらず、緊張材１３による圧縮応力によって一体に結合されている。

上記コンクリート部１２は、配列された複数の鋼筒状体１１の全体を囲み、柱状構造物の周面を形成する部分が、それぞれの鋼筒状体１１の側面と密着する複数のプレキャストコンクリート１２ａによって形成されている。このプレキャストコンクリート１２ａは、工場等において鋼筒状体１１を構成する鋼枠部材と一体となるように形成されたものであり、鋼枠部材２１とともにセグメントＳとして現場に搬入され、現場において結合されたものである。
一方、上記プレキャストコンクリート１２ａが配列された部分の内側で、鋼枠部材の間は、上記セグメントが配列された後に現場でコンクリート１２ｂが打設されている。

上記鋼枠部材２１とプレキャストコンクリート１２ａからなるセグメントＳは、図４に示すように、所定の高さを有する一つの鋼枠部材２１とこの側面に密着するように形成されたプレキャストコンクリート１２ａによって構成されている。プレキャストコンクリート１２ａは、これらのセグメントＳを結合して橋脚を形成するときに、その外周面となる部分のみに形成され、鋼枠部材２１の外側面に固着されたスタッドジベル等を埋め込んで、この鋼枠部材２１と強固に一体となるように形成されている。また、鋼枠部材２１のプレキャストコンクリートが密着していない外側面にも、所定の間隔でスタッドジベル２１ａが設けられており、現場で打設されるコンクリート１２ｂと密着して強固に一体化できるものとなっている。
なお、上記スタッドジベルに代えて、フープ状の棒鋼、鋼プレート等、鋼枠部材２１から突出して、この鋼枠部材２１とコンクリートとを一体に結合することができるものであれば、他の様々な形態のものを用いることができる。

プレキャストコンクリート１２ａの周方向の接合端すなわち鉛直方向の端縁には、このプレキャストコンクリート１２ａ内に埋め込まれた鉄筋１４がフープ状に閉じた形状で突出している。このフープ状の鉄筋１４は上下方向に所定の間隔で突き出しており、隣接するように配置されたセグメントＳのプレキャストコンクリート１２ａから同様に突き出したフープ状の鉄筋１４と接合されるものとなっている。接合は、図３に示すように、接合する双方のセグメントＳから突き出したフープ状の鉄筋１４を重ね合わせ、双方のフープ内に鉛直方向の鉄筋１５を挿通して、これらを埋め込むように現場でコンクリート１２ｂを打設する。このようにプレキャストコンクリート１２ａを接合することにより、水平方向に配置された複数のセグメントＳが結合されている。

セグメントＳを鉛直方向に接合する接合面すなわち水平な接合面は、図５に示すように、正確に切削加工されている鋼枠部材２１の端面が互いに当接されるものとなっており、その外側に形成されたプレキャストコンクリート１２ａは、間隙をおいて上下に対向するものとなっている。そして、橋脚の外周面に近い部分にシール材１６が挟み込まれ、その内側に充填された膨張性グラウト材１７又は無収縮モルタル等によって圧縮応力が伝達されるものとなっている。

上記のように、上下に積み上げられたセグメントＳは、連結ボルト２２によって互いに結合されている。この連結ボルト２２は、鋼枠部材２１の内側に設けられたブラケット２１ｂに係止され、鋼枠部材２１を結合するものとなっている。連結ボルト２２は、軟鋼又は低降伏点鋼によって形成されており、破断までに大きな塑性変形を生じるものである。そして、このボルトは、図５に示すように、ブラケット２１ｂに対して両側にナットを螺合して係止されており、引張力によって塑性変形が生じた後に、ブラケット間の変形量が減少したときには圧縮変形が生じるようになっている。

なお、上記連結ボルトに代えて、図６に示すように、上下に積層されたセグメントＳの双方に金属プレート３１の両端をそれぞれ小ボルト３２によって固定し、これを連結部材として用いても良い。上記金属プレート３１は、軟鋼、低降伏点鋼の他、銅、アルミニウム、鉛等、大きな塑性変形を許容する材料を採用することができる。

鋼枠部材２１の接合面に圧縮応力を導入する緊張材１３は、図７に示すように、鋼枠部材２１の内側に設けられた鋼ブラケット２１ｃに、引張力が導入された状態で端部が定着されている。そして、一つの緊張材１３の配置範囲が鉛直方向に積み上げられた複数のセグメントにわたるように、両端の定着位置が異なるセグメントに設定されている。つまり、例えば下端が３段目のセグメントＳ₃に定着された緊張材は、４段目より上部のセグメント、例えば６段目のセグメントＳ₆に定着され、これらの間の接合面に圧縮応力を導入するものとなっている。そして、これらの緊張材１３は、鋼枠部材２１の内側に複数が配置され、これらは互いに定着するセグメントＳを上下に異なるものとして、全ての接合面に所定の圧縮応力が導入されている。
また、一部の緊張材は、下端部がフーチング２に埋め込んで定着されており、上端は一段目より上部のセグメントに定着され、引張力を導入することによって最下段のセグメントＳ₁とフーチング２との間にも所定の圧縮力が導入されている。

上記のような橋脚の構築は、次のように行うことができる。
フーチング２が形成された上に、工場等で形成された図４に示す複数のセグメントＳを配列し、プレキャストコンクリート１２ａを橋脚の周面に沿って水平方向に連結する。このとき、セグメントＳは、高さが所定の寸法に分割され、水平方向にも複数に分割されているので、それぞれのセグメントＳの重量を小さく抑えることができ、大型の揚重設備を設けなくても容易にセグメントＳを配置することができる。そして、図８に示すように、同様に複数段のセグメントＳを積み上げ、それぞれのプレキャストコンクリート１２ａを水平方向に連結する。また、これとともに上下に接するセグメント間は連結ボルト２２によって結合し、プレキャストコンクリート１２ａの接合面には膨張性グラウト材１７を充填する。

複数段のセグメントＳが積層されると、鋼枠部材２１の内側に配置された緊張材１３をジャッキによって緊張し、鋼枠部材２１の接合面に圧縮応力を導入して一体に挙動する鋼筒状体１１とする。したがって、現場での溶接作業は不要となっており、現場での作業を効率よく行うことができる。
その後、鋼枠部材２１の間に、これらの外側面と密接し、植設されたスタッドジベル２１ａを埋め込むようにコンクリートを打設する。これにより、鉛直方向に鋼枠部材２１が連続して形成された複数の鋼筒状体２１が、プレキャストコンクリート１２ａともに一体に結合される。このとき、現場でコンクリートを打設する範囲は、プレキャストコンクリート１２ａ及び鋼枠部材２１によって囲まれた範囲であり、型枠は不要となっている。したがって、型枠の組み立て、脱型を行う作業がなく、効率の良い作業が可能となる。

上記のような工程を繰り返して上方に橋脚を構築し、所定の高さの橋脚とすることができる。

上記のように構築された橋脚１は、鋼とコンクリートとの複合構造となり、荷重が鋼とコンクリートとによって分担される。そして、曲げモーメントによる引張応力が作用しても、鋼筒状体１１は、鋼枠部材の接合面の圧縮応力によって連続した部材として挙動し、十分な剛性が維持される。また、地震時等の大きな曲げモーメントによって鋼枠部材２１間の圧縮応力が消滅した後は、連結ボルト２２が双方の鋼枠部材２１間の間隙が拡大するのを抑制する。さらに、大きな曲げモーメントが繰り返し作用して終局的な破壊が生じるまでには、連結ボルト２２は塑性変形を生じて地震動のエネルギーを吸収し、構造物の揺れを減衰させる。したがって、橋脚の終局破壊に対する安全性が向上する。
また、終局的な破壊が抑制された構造物は、変形がセグメントＳの接合部、つまり連結ボルト２２の塑性変形によって生じており、連結ボルト２２の交換によって、容易に初期の状態に復帰させることができる。

以上に説明した橋脚は、図２に示すように、配列されたセグメント間の全ての空間を埋めるように現場でコンクリートを打設するものであったが、断面が大きい橋脚５１では、図９に示すように、橋脚の周面に沿って複数のセグメントを配列し、その内側には型枠４２を設けて中空部４１を設けてもよい。この中空部４１を設けるための型枠４２は、鋼等によって形成し、打設するコンクリートと一体にするものであってもよいし、脱型するものであってもよい。

また、本願に係る発明の実施形態として橋脚のみを説明したが、通信用の塔、高架水槽の支柱、発電用風車の支柱等についても同様の構造を採用することができる。

本願発明の一実施形態である柱状構造物を橋脚として用いた橋梁の概略側面図である。 図１に示す橋脚の平断面図である。 図１に示す橋脚の一部を示す拡大断面図である。 図１に示す橋脚を構築するのに用いられるセグメントの概略斜視図である。 図４に示すセグメントの接合部を示す立断面図である。 セグメントを結合する連結部材の他の例を示す立断面図である。 鋼筒状体の内側に配置された緊張材を示す立断面図である。 セグメントを組み立てる状態を示す概略斜視図である。 本願発明の他の実施形態である橋脚の平断面図である。

１：橋脚、 ２：フーチング、 ３：桁、
１１：鋼筒状体、 １２：コンクリート部、 １２ａ：プレキャストコンクリート、 １２ｂ：現場打ちのコンクリート、 １３：緊張材、 １４：鉄筋、 １５：鉛直方向の鉄筋、 １６：シール部材、 １７：膨張性グラウト材、
２１：鋼枠部材、 ２１ａ：スタッドジベル、 ２１ｂ：鋼ブラケット、 ２１ｃ：緊張材用の鋼ブラケット、 ２２：連結ボルト、
３１：連結部材（鋼プレート）、 ３２：小ボルト、
４１：中空部、 ４２：型枠、 ５１：橋脚

Claims (6)

1. 近接して鉛直に立ち上げられた複数の鋼筒状体と、
   これらの鋼筒状体の外側面に密着するように形成されたコンクリート部と、を有する柱状構造物であって、
   高さ方向が所定の寸法となるように形成された鋼枠部材と、該鋼枠部材の側面の周方向における一部に密着して形成されたプレキャストコンクリートと、からなるセグメントを上方に積み重ねるとともに水平方向に複数を配列して形成され、
   前記鋼筒状体は、前記鋼枠部材を積み重ねて形成されたものであり、
   複数の前記セグメントを水平方向に配列することによって、複数の前記プレキャストコンクリートは前記柱状構造物の外周面を形成するように、隣り合う該プレキャストコンクリートが接触又は近接して平面形状がほぼ閉じた形状に配列され、複数の前記鋼枠部材を閉じた形状の内側に囲むものであり、
   ほぼ閉じた形状に配列された前記プレキャストコンクリートで囲まれた内側であって、各セグメントが備える前記鋼枠部材の外側に、各セグメントのプレキャストコンクリートと鋼枠部材との双方に密着するように現場でコンクリートが打設されて、各セグメントが一体に結合されていることを特徴とする柱状構造物。
2. 前記プレキャストコンクリートに埋め込まれ、一部が該プレキャストコンクリートから突出している鉄筋を互いに重ね合わせ、これらの鉄筋を現場で打設するコンクリートに埋め込むことによって、前記プレキャストコンクリートが互いに結合されていることを特徴とする請求項１に記載の柱状構造物。
3. 前記鋼枠部材の外側面には突出部材が固着されており、
   該突出部材は、前記現場で打設されたコンクリートに埋め込まれ、一体となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の柱状構造物。
4. 前記鋼筒状体の内側には、鉛直方向に緊張材が配置され、引張力が導入された状態で異なるセグメントに両端部が定着されており、
   該引張力によって、上下に積み上げられたセグメント間の水平な接合面に圧縮応力が導入されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の柱状構造物。
5. 上下に接触するセグメントは、鋼枠部材の内側に着脱が可能に取り付けられた連結部材によって互いに連結され、
   該連結部材は、セグメント間の接触面が荷重の作用によって離隔した後に、塑性変形を生じるものであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の柱状構造物。
6. 前記連結部材は、軟鋼、低降伏点鋼、銅、アルミニウム、鉛及びこれらを含む合金の少なくとも一つの材料で形成された部分を、少なくとも一部に含むことを特徴とする請求項５に記載の柱状構造物。

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