JP4803791B2 - 鋼製ハイブリッド桁を用いた合成桁 - Google Patents

Description

本発明は、鋼製ハイブリッド桁とコンクリート床版または鋼コンクリート合成床版とを一体化してなる合成桁に関するものであり、特に支間長の大きい橋梁への適用に適する。

支間長１００ｍクラスの橋梁のコスト競争力においては、鋼橋は一般的にはプレストレストコンクリート橋に劣っていると考えられている。

スパンが１００ｍクラスの橋梁において選定される橋梁形式としては、鋼製橋梁の場合は鋼箱桁橋、コンクリート製橋梁の場合はプレストレストコンクリート箱桁橋が一般的であるが、鋼箱桁橋はプレストレストコンクリート箱桁橋より相対的に製作工数が多く、構造の合理化・簡素化を図る必要がある。

また、耐震性の向上に対して、今後、橋梁上部工の変形性能を向上させることによって塑性設計の導入が必要とされているが、現状において橋梁上部工には変形性能に対する規定はない。

鋼箱桁橋での構造の合理化・簡素化を進める試みとして、開断面箱桁構造や細幅箱桁構造が開発されてきたが、部材数も多く、材料費として割高な高強度鋼の使用を前提としているため、十分な合理化が図られておらず、プレストレストコンクリート箱桁よりコスト的に割高な状況である。

また、高強度鋼は、普通鋼に対して、材料調達費も大きく、鋼材中の炭素の量が多くなることから、一般に加工性、溶接性が悪くなる。このため、部材の断面として高強度鋼を多く用いた場合、コスト的に割高となることが課題である。なお、非特許文献１には、溶接性、曲げ加工性等に優れた橋梁用高性能鋼材に関する技術が記載されている。

また、鋼道路橋の設計基準として用いられている非特許文献２では、鋼桁を常に弾性範囲内に留めるように規定されていることから、高強度鋼を採用する場合、ウェブ高に対する最小板厚が大きくならざるを得ず、桁構造において断面積の大部分を占めるウェブ厚が大きくなり、十分な軽量化が図れないことが課題である。

これらのことから、高強度鋼で構成される鋼箱桁橋においては、材料費の低減、製作工数の低減、軽量化等が課題となっている。

このような高強度鋼で構成される鋼箱桁橋の材料費の低減を図る方法として、断面積の４割程度を占めるウェブに、低強度鋼を用いたハイブリッド鋼製桁を用いることが提案されている（非特許文献３等）。

しかしながら、非特許文献３等のハイブリッド桁の設計法では、ウェブの座屈強度に基づきウェブの幅厚比を制限しているが、合成桁の床版が鋼桁を拘束することで、ウェブの座屈強度が高まることを考慮していないことから、ウェブの最小板厚の規定によりウェブ厚を十分薄くすることができず、重量低減効果が図れないためメリットが少ない。
特許第３１９１５６９号公報 特開平１１−１０７２１４号公報 三木千寿、市川篤司、楠隆、川端文丸、「橋梁用高性能鋼材（BHS500、BHS700）の提案」、土木学会論文集、２００３年７月、No.738／I−64、ｐ.１−１０ 社団法人日本道路協会、「道路橋示方書（Ｉ共通編・II鋼橋編）・同解説」、平成１４年３月 社団法人日本鋼構造協会、「限界状態設計法に基づいたハイブリッド桁の設計基準（案）」、ＪＳＳＣテクニカルレポート No.53、平成１４年３月

本発明は、背景技術の項で述べた上記課題の解決を図ったものである。

具体的には引張側フランジと圧縮側フランジおよびウェブに異種強度鋼材を採用したハイブリッド鋼製桁と、鉄筋コンクリート系床版とを一体化した構造の合成桁を構成し、それにより材料費の低減と、ウェブの薄肉化による断面の軽量化、製作工数の低減（材料費の低減、製作費の低減）を図っている。

また、強度が相対的に低い部材が先行して降伏強度に達することを利用して、部材としての変形性能が向上させ、塑性変形能を期待した設計法が導入された際にも、効果的に課題を解決できるようにしている。

本願の請求項１に係る発明は、上下フランジと該上下フランジ間をつなぐウェブとを有し、桁軸方向に所定間隔でダイアフラムを設けた鋼製箱桁と、前記鋼製箱桁上に一体化されたコンクリート床版または鋼コンクリート合成床版とから構成される合成桁であって、前記鋼製箱桁として、引張側フランジに用いる鋼材の降伏点が、同一断面内にあり床版に固定されている圧縮側フランジおよび同一断面内にあるウェブに用いる鋼材の降伏点より相対的に高いハイブリッド鋼製箱桁を用い、前記鋼製箱桁のウェブの幅厚比ｂ／ｔ（ｂ：ウェブ高、ｔ：ウェブ厚）を、１２０≦ｂ／ｔ≦２００としたことを特徴とするものである。

鋼製桁部分は強度等の異なる鋼材どうしを組み合わせたハイブリッド鋼製桁に当たるが、非特許文献３記載の発明のようにウェブのみ低強度鋼を用いるのではなく、床版と一体化される圧縮側フランジも引張側フランジより相対的に強度の低い鋼材を用いる。圧縮側フランジとウェブは同材質としてもよいし、異なる強度、材質としてもよい。

引張側フランジと、圧縮側フランジおよびウェブの強度、材質の組み合わせは相対的なものであるが、本発明が主な対象とする支間長１００ｍクラスの橋梁の場合、引張側フランジに高強度鋼を用い、圧縮側フランジおよびウェブに普通鋼あるいは低強度鋼を用い、本発明の規定する範囲でできるだけウェブ厚を薄くし、またダイアフラムの間隔を大きくすることで、材料費や桁重量の低減によるコスト削減が図れる。

シミュレーションおよび実験においては、ウェブ厚をウェブ高の１／２００程度まで低減可能であり、その場合において鋼桁の形状保持として機能するダイアフラムの間隔をウェブ高の３倍以上程度まで広げられることを確認している。

ウェブ厚の最大値は、ウェブ高の１／１２０とする。

ウェブ厚をウェブ高の１／１２０以下としたのは、本発明の構成を橋梁に適用した場合に十分な余裕を持って設計可能な範囲であることと、従来のウェブのみを低強度とするハイブリッド鋼製桁における設計上の限界との関係で材料費や重量を含めたコスト面での優位性が得られる範囲であることによる。

本発明の鋼製ハイブリッド桁を用いた合成桁において、前記ダイアフラムの間隔はウェブ高の２倍以上とするのが良い。

ダイアフラムの間隔をウェブ高の２倍以上としたのは、本発明の構成を橋梁に適用した場合に十分な余裕を持って設計可能な範囲であることと、従来のウェブのみを低強度とするハイブリッド鋼製桁における設計上の限界との関係で材料費や重量を含めたコスト面での優位性が得られる範囲であることによる。

従来、鋼製桁とコンクリート床版または鋼コンクリート合成床版を一体化する合成桁の一般的な施工方法においては、施工途中の床版が打設される前は、鋼桁単体で自重や外力に抵抗する必要があるため、本発明の請求項１に係る発明によってウェブの薄板化を行わない場合に対して、施工時の安全性が低下するため、詳細な検討が必要であり、施工時の条件によっては、ウェブの薄板化が不可能となる。

施工時の安定性向上を確保できる条件として、圧縮側フランジおよびウェブの幅厚比が塑性限界幅厚比以下であることが必要とされる。ただし、この条件を満たさない場合でも詳細な検討を行えば、安定性を確保することができる（非特許文献２参照）。本発明では、圧縮側フランジの板厚を分厚く、かつフランジ幅を小さく（幅厚比を十分小さく）設定することで、鋼重の増大を避けながら、施工時の安定性を確保する（請求項２）。

本発明の鋼製ハイブリッド桁を用いた合成桁において、前記引張側フランジに橋梁用高性能鋼材を用いることで、より合理的で低コストな鋼桁が得られる。

一般的に、高強度鋼は、従来鋼に対して強度を高めることで溶接性や加工性が悪くなるため、製作工数が増加し、高強度鋼を用いることで断面が軽量化された場合であっても、高強度鋼採用による材料単価（単位質量当たりの単価）の上昇と製作工数の上昇を考慮すると、コスト競争力が向上しないケースも存在する。

本発明において、高強度鋼の引張側のフランジに、溶接加工性に優れた橋梁用高性能鋼材（非特許文献１参照）を採用することで、製作工数の低減を図ることができ、より好ましい。

(1) 引張側フランジに、同一断面内にある圧縮側フランジおよびウェブより相対的に降伏点が高い鋼材を用いることで、圧縮側フランジおよびウェブには普通鋼等の低強度材料を採用することができるため、耐荷性能を大幅に落とすことなく材料費を低減することができる。

(2) 箱桁の場合、一般的に断面積の約４割程度を占めるウェブの板厚を十分薄板化することができるため、大幅な重量軽減、材料費の低減が図れる。

(3) ダイアフラム間隔を広げることで、部材数の削減につながり、製作工数の低減が図れる。

(4) 圧縮側フランジに幅厚比の小さい（分厚く、幅が小さい）鋼材を用いることで、合成桁として構成されるまでの施工時において、ウェブ薄板化による安定性の低下を防ぎ、経済性、施工の安全性が向上する。

(5) 高強度鋼として既知の橋梁用高性能鋼材を用いた場合には、溶接・加工性が向上し、製作工数の低減に寄与する。

図１および図２は、本発明の合成桁を概念的に示したものであり、鋼箱桁部分は、圧縮側フランジ１、ウェブ２、引張側フランジ３、およびダイアフラム４からなる。なお、実際には、通常、この他、フランジ補剛部材、ウェブ補剛部材、横リブ等が設けられる。

この圧縮側フランジ１、ウェブ２を相対的に低強度材料の鋼材、引張側フランジ３を相対的に高強度材料の鋼材として、ハイブリッド鋼製桁を構成し、その上に鉄筋コンクリート系のコンクリート床版または鋼コンクリート合成床版５を、圧縮側フランジ１の上面に設けたずれ止め６等によって合成させることで、合成桁を構成する。

ダイアフラム４は、断面決定上、所定の間隔内で設置することが、強度および変形の拘束上、必要となる。

ウェブ２は、鋼製桁に関する既往の基準（非特許文献２）によれば、所定の幅厚比（板幅／板厚）以上であることが、断面設計上必要であるが、圧縮側フランジ１を床版５と圧縮側フランジ１の上面に設けたずれ止め６等によって合成させることによって、ウェブ２の板厚を薄く（幅厚比を大きく）設定することができる。

なお、この既往の基準は、圧縮側フランジ１、ウェブ２、および引張側フランジ３が同一材質である場合に限って、その性能を保証しているが、所定の目標強度に対して、本発明では引張側フランジ３のみを高強度化するにも関わらず、床版５と合成させることで、圧縮側フランジ１、ウェブ２、および引張側フランジ３のすべてを高強度化した場合の所定の目標強度に対して、ほぼ同程度の強度（約９０％以上）に設定できる。

さらに、ウェブ２の幅厚比を通常より小さく、ダイアフラム４の間隔を通常より大きく設定できることから、材料費の低減、部材数の削減、軽量化、製作工数の低減を効果的に行うことができる。

図３は、実橋鋼箱桁を対象に試設計検討を行った構造断面に対し、約１／４スケールで静的な曲げ載荷実験を行い、その結果とＦＥＭ解析によるシミュレーションの結果を対比し、構造の妥当性を検討したグラフである。

実験は、引張側フランジのみ高強度（高強度鋼として溶接・加工性に優れた橋梁用高性能鋼材（ここでは、ＹＰ５００と呼ぶ）を使用、圧縮側フランジおよびウェブはＳＭ４９０Ｙを使用）、薄板ウェブ（ｂ_w／ｔ_w＝１４２）、ダイアフラム間隔大（α＝ａ／ｂ_w＝３．０）、ＲＣ床版との合成構造に関して、目標値以上の耐荷力を有することを実験的に確認した。

図３において、ＲＣ合成桁実験値の無次元強度は、約１．３程度であり、降伏強度（Ｍ_y）以上の終局強度があることがわかる（図中、Ｃで示す）。また、実験結果を再現したＦＥＭ解析結果では、無次元強度は実験結果（図中、Ｄで示す）より低めの値となり、実験結果を安全側に評価する指標となる。

そこで、本解析結果を基本として、ウェブ厚を変化させて、解析基本ケース（ウェブ幅厚比ｂ_w／ｔ_w＝１４２）に対して，ウェブ厚をさらに薄くした場合に、無次元強度がどの程度変化するかを幅厚比ｂ_w／ｔ_w＝１８０、ｂ_w／ｔ_w＝２００の２ケース（図中、Ａ、Ｂで示す）についてシミュレーションした。

その結果、２ケースとも解析基本ケースと同程度の無次元強度（Ｍ／Ｍ_y ＝１．１５程度）が得られた。このことから、ウェブを実験で実施したものより薄くしたケースにおいても、合成桁としての曲げ強度の低下はほとんどみられないことがわかる。

すなわち、本発明の効果として、ウェブ厚をウェブ高の２００分の１程度まで薄くして軽量化を図ることが可能であることが確認された。

図４(a)は、圧縮側フランジ（上フランジ）を低材質化することに関し、圧縮側のフランジの強度を変化させた場合の曲げ強度を比較したシミュレーション結果を示したものである。図４(b)はシミュレーションに用いたモデルの断面であり、板厚は３ケースすべて同じである。

この圧縮側フランジを低材質化した場合の曲げ強度のＦＥＭ解析結果データを表１に示す。

一般的にハイブリッド桁は、上下フランジは同材質が原則であり，かつウェブはフランジより低材質であるが、コンクリート系床版と合成した合成桁においては、図４(a)のケース１、ケース２、ケース３で曲げ耐力の比は最大で２％程度であることがわかる。

このことから、圧縮フランジを通常桁（ケース２：降伏強度５００ＭＰａ）に対して，低材質化（ＳＭ４００：降伏強度＝２３５ＭＰａ）することで，必要な曲げ強度に対する鋼材材料費を大きく低減できることがわかる。

図５は、床版部分が通常の鉄筋コンクリート床版の場合と、床版部分を図１のようなコンクリートが上下の鋼殻で挟まれるサンドイッチ床版（鋼コンクリート合成床版）とした場合について行った静的な曲げ載荷実験の結果を示したものである。あわせて、実験で用いた鋼材・コンクリートの実強度、初期変形を反映した鉄筋コンクリート床版合成桁のＦＥＭ解析の結果も同図中に示す。

実験の結果、床版にサンドイッチ床版を用いた合成桁は、鉄筋コンクリート床版を用いた合成桁に対して、曲げ変形性能が約３割程度向上する結果となり、サンドイッチ床版を用いることで、曲げ変形性能が向上し、より発明の効果が大きくなることが確認された。なお、実験結果の両ケースともＦＥＭ解析での無次元曲率以上となっており、設計で想定する変形性能以上は確保されていることが、図５より分かる。

本発明の合成桁の実施形態を概念的に示した斜視図である。 本発明の合成桁の寸法関係等を概念的に示した図である。 実橋鋼箱桁に対する約１／４スケールでの静的な曲げ載荷実験とＦＥＭ解析によるシミュレーションの結果を対比したグラフである。 (a)は、圧縮側フランジを低材質化することに関し、圧縮側のフランジの強度を変化させた場合の曲げ強度を比較したシミュレーション結果を示すグラフ、(b)はシミュレーションに用いたモデルの断面図である。 本発明の合成桁において、床版部分が通常の鉄筋コンクリート床版の場合と、サンドイッチ床版とした場合についての静的な曲げ載荷実験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１…圧縮側フランジ、２…ウェブ、３…引張側フランジ、４…ダイアフラム、５…床版、６…ずれ止め、７…コンクリート

Claims (2)

1. 上下フランジと該上下フランジ間をつなぐウェブとを有し、桁軸方向に所定間隔でダイアフラムを設けた鋼製箱桁と、前記鋼製箱桁上に一体化されたコンクリート床版または鋼コンクリート合成床版とから構成される合成桁であって、前記鋼製箱桁として、引張側フランジに用いる鋼材の降伏点が、同一断面内にあり床版に固定されている圧縮側フランジおよび同一断面内にあるウェブに用いる鋼材の降伏点より相対的に高いハイブリッド鋼製箱桁を用い、前記鋼製箱桁のウェブの幅厚比ｂ／ｔ（ｂ：ウェブ高、ｔ：ウェブ厚）を、１２０≦ｂ／ｔ≦２００としたことを特徴とする鋼製ハイブリッド桁を用いた合成桁。
2. 前記圧縮側フランジの幅厚比が塑性限界幅厚比以下であることを特徴とする請求項１記載の鋼製ハイブリッド桁を用いた合成桁。

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