JP4839197B2 - プレキャスト部材の接合構造およびプレキャスト部材 - Google Patents

Description

本発明は、土木構造物や建築構造物を構築する際に使用されるプレキャスト部材およびその接合構造に関する。

シールドトンネルの一次覆工を構成するセグメント（プレキャスト部材）の接合構造として、一方のセグメントの継手面に設けた円弧面状の凹曲面に他方のセグメントの継手面に設けた円弧面状の凸曲面を突き合せることで形成されるナックルジョイント式の接合構造（継手構造）が知られている（例えば、特許文献１乃至特許文献３参照。）。

ナックルジョイント式の接合構造は、突合部分の回転を許容する形式の接合構造であり、曲げモーメントを伝達しないヒンジに近い構造であることから、継手金物を介して結合する場合に比べて、セグメントに発生する曲げモーメントを小さくすることが可能となり、ひいては、セグメントの小断面化を図ることが可能となる。

特開２００１−２８８９９２号公報（図６） 特開平８−３２６４８８号公報 特開２００２−０１３３９３号公報（図１）

特許文献１乃至特許文献３に開示された接合構造では、突合部分の回転を許容するために、突合部分以外の継手面間にクリアランスを設ける必要があるが、このようにすると、一方のセグメントの凸曲面と他方のセグメントの凹曲面との接触部分に応力が集中することになるので、突合部分にひび割れや欠け等が発生する虞がある。また、特許文献１乃至特許文献３に開示された接合構造では、突合部分の回転量が大きくなったときに、セグメントの角部同士が接触することになるので、それ以上の回転が制限されるだけでなく、角部にひび割れや欠け等が発生する虞もある。

なお、前記した問題は、シールドトンネルの一次覆工の場合に限らず、トンネルの内空に設置される補修用の覆工、立坑、サイロなどの筒状の構造物を構成するプレキャスト部材の接合構造や、２ヒンジや３ヒンジのアーチカルバートなどを構成するプレキャスト部材の接合構造として、突合部分の回転を許容するナックルジョイント式の接合構造を採用する場合に共通して当てはまる問題である。

このような観点から、本発明は、突合部分の回転を許容する形式のプレキャスト部材の接合構造であって、突合部分にひび割れや欠け等が発生し難い構成を具備したプレキャスト部材の接合構造を提供することを第一の課題とし、この接合構造に使用されるプレキャスト部材を提供することを第二の課題とする。

前記した第一の課題を解決する本発明に係るプレキャスト部材の接合構造は、筒状コンクリート構造物の周方向に隣接する二つのプレキャスト部材の継手面同士を突き合せることで形成されるプレキャスト部材の接合構造であって、前記プレキャスト部材の周方向の端面に形成された前記継手面が、凸曲面と凹曲面とによって断面Ｓ字状に成形されており、前記継手面の断面形状は、前記筒状コンクリート構造物の軸方向に一様であり、一方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面および前記凹曲面が、それぞれ他方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面および前記凸曲面に突き合されていることを特徴とする。

本発明に係るプレキャスト部材の接合構造は、要するに、凸曲面と凹曲面とによって断面Ｓ字状に成形された継手面同士を突き合せるところに特徴がある。このようにすると、突合部分における回転が許容されることになるので、従来のナックルジョイント式の接合構造と同様に、プレキャスト部材に発生する曲げモーメントを小さくすることが可能となり、ひいては、プレキャスト部材の小断面化を図ることが可能となる。特に、本発明では、一方のプレキャスト部材の凸曲面および凹曲面を、他方のプレキャスト部材の凹曲面および凸曲面に突き合せることとしたので、突合部分での応力集中が起こり難く、したがって、突合部分にひび割れや欠け等が発生し難くなる。なお、本発明では、一方のプレキャスト部材の凸曲面および凹曲面を、他方のプレキャスト部材の凹曲面および凸曲面に突き合せているので、継手金物等を使用しなくとも、突合部分においてせん断力を伝達することができる。

本発明においては、一方の前記プレキャスト部材の前記継手面および他方の前記プレキャスト部材の前記継手面のそれぞれにおいて、前記凸曲面および前記凹曲面を連続させ、前記凸曲面と前記凹曲面の境界における前記凸曲面の接線および前記凹曲面の接線を一致させることが望ましい。このようにすると、凸曲面と凹曲面とが滑らかに連なることになるので、突合部分にひび割れや欠け等が発生し難くなる。

本発明においては、前記凸曲面および前記凹曲面を円弧面とし、一方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面および前記凹曲面を、それぞれ他方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面および前記凸曲面に面接触させることが望ましい。このようにすると、突合部分における回転を許容しつつ、継手面同士の接触面積を増大させることが可能となるので、応力がより広範囲に分散し、突合部分にひび割れや欠け等がより一層発生し難くなる。

なお、継手面の寸法等に特に制限はないが、他方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面の半径を、一方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面の半径と同一にするとともに、他方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面の半径を、一方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面の半径と同一にすることが望ましく、より好適には、前記凸曲面の半径および前記凹曲面の半径を前記プレキャスト部材の厚さ寸法の１／２と等しくすることが望ましい。

前記した第二の課題を解決する本発明に係るプレキャスト部材は、筒状コンクリート構造物を構成するプレキャスト部材であって、周方向の端面に、隣接する他のプレキャスト部材の周方向の端面に突き合わされる継手面が形成されており、前記継手面は、凸曲面と凹曲面とによって断面Ｓ字状に成形されており、前記継手面の断面形状は、前記筒状コンクリート構造物の軸方向に一様であることを特徴とする。

本発明に係るプレキャスト部材によれば、これと同様の構成を具備する他のプレキャスト部材の継手面に突き合せることで、突合部分にひび割れや欠け等が発生し難い接合構造を得ることが可能となる。

本発明に係るプレキャスト部材の接合構造によれば、突合部分にひび割れや欠け等が発し難くなる。また、本発明に係るプレキャスト部材によれば、これと同様の構成を具備する他のプレキャスト部材に突き合せることで、突合部分にひび割れや欠け等が発生し難い接合構造を得ることが可能となる。

本発明に係るプレキャスト部材およびその接合構造を実施するための最良の形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態に係るプレキャスト部材は、図１に示すように、円筒状のコンクリート構造物であるセグメントリングＲを構成するシールドトンネル用のセグメント１である。なお、図示は省略するが、複数のセグメントリングＲをトンネル軸方向（図１では紙面垂直方向）に連設すると、シールドトンネルの一次覆工が形成される。

セグメント１は、鉄筋コンクリート製であり、円筒を複数個（本実施形態では七つ）に等分割した形態を呈している。すなわち、セグメント１は、図２に示すように、平面視した形状が矩形形状を呈しており、トンネル軸方向から見た形状が円弧状を呈している。より詳細に説明すると、セグメント１は、図３の（ａ）にも示すように、周方向の端面である一対の継手面１１，１２と、セグメントリングＲ（図１参照）の外周面となる円弧面状の外面１３と、セグメントリングＲの内周面となる円弧面状の内面１４と、トンネル軸方向の端面である側面１５とを備えている。なお、一対の継手面１１，１２を区別する場合には、それぞれ「第一継手面１１」および「第二継手面１２」と称する。また、外面１３および内面１４と同心の円弧面であって外面１３および内面１４の中央に位置する円弧面を「中心面１６」と称する。

第一継手面１１は、隣接する他のセグメント１の第二継手面１２に突き合わされる部位であり、図３の（ｂ）にも示すように、凸曲面１１ａと凹曲面１１ｂとによって断面Ｓ字状に成形されている。なお、第一継手面１１の断面形状は、セグメント幅方向に一様である。

凸曲面１１ａは、隣接する他のセグメント１側に凸な曲面であり、本実施形態では、中心面１６よりも外面１３側に形成されている。本実施形態の凸曲面１１ａは、円弧面であり、この円弧面の中心Ｐ_ａは、中心面１６と同心の円弧面であって外面１３および中心面１６の中央に位置する円弧面１７上に位置している。また、凸曲面１１ａの半径ｒ_ａは、外面１３と中心面１６の離隔距離ｄ（＝セグメント厚さ寸法Ｄの１／２）と等しくなっている。

凹曲面１１ｂは、隣接する他のセグメント１側に凹な曲面であり、本実施形態では、中心面１６よりも内面１４側に形成されている。本実施形態の凹曲面１１ｂは、円弧面であり、この円弧面の中心Ｐ_ｂは、中心面１６と同心の円弧面であって内面１４および中心面１６の中央に位置する円弧面１８上に位置している。また、凹曲面１１ｂの半径ｒ_ｂは、外面１３と中心面１６の離隔距離ｄ（＝セグメント厚さ寸法Ｄの１／２）と等しくなっている。つまり、凹曲面１１ｂの半径ｒ_ｂは、凸曲面１１ａの半径ｒ_ａと同一である。

本実施形態においては、凸曲面１１ａおよび凹曲面１１ｂが連続して形成されていて、凸曲面１１ａおよび凹曲面１１ｂの境界（すなわち、第一継手面１１の変極点）Ｓにおける凸曲面１１ａの接線（接触平面）Ｔ_ａと凹曲面１１ｂの接線（接触平面）Ｔ_ｂが一致している。つまり、凸曲面１１ａおよび凹曲面１１ｂは、滑らかに連なっている。なお、凸曲面１１ａと凹曲面１１ｂの境界Ｓは、本実施形態では、中心面１６上に位置している。

第二継手面１２は、図３の（ｃ）に示すように、隣接する他のセグメント１の第一継手面１１に突き合わされる部位であり、凸曲面１２ａと凹曲面１２ｂとによって断面Ｓ字状に成形されている。なお、第二継手面１２の断面形状も、セグメント幅方向に一様である。

凸曲面１２ａは、隣接する他のセグメント１の凹曲面１１ｂに突き合わされる部位であり、第一継手面１１の凸曲面１１ａとは反対に、中心面１６よりも内面１４側に形成されているが、凸曲面１２ａの形状は、第一継手面１１の凸曲面１１ａと同一である。つまり、凸曲面１２ａの半径ｒ_ａ´は、第一継手面１１の凸曲面１１ａの半径ｒ_ａ（図３の（ｂ）参照）と同一であり、さらには、第一継手面１１の凹曲面１１ｂの半径ｒ_ｂ（図３の（ｂ）参照）と同一である。

凹曲面１２ｂは、隣接する他のセグメント１の凸曲面１１ａに突き合わされる部位であり、第一継手面１１の凹曲面１１ｂとは反対に、中心面１６よりも外面１３側に形成されているが、凹曲面１２ｂの形状は、第一継手面１１の凹曲面１１ｂと同一である。つまり、凹曲面１２ｂの半径ｒ_ｂ´は、第一継手面１１の凹曲面１１ａの半径ｒ_ｂ（図３の（ｂ）参照）と同一であり、さらには、第一継手面１１の凸曲面１１ａの半径ｒ_ａ（図３の（ｂ）参照）と同一である。

なお、第一継手面１１の内面１４側の隅角部（凹曲面１１ｂの内面１４側の縁部）および第二継手面１２の外面１３側の隅角部（凹曲面１２ｂの外面１３側の縁部）は、曲面状に面取りされている。

次に、セグメント１，１の断面Ｓ字状の継手面１１，１２を突き合せることで形成されるプレキャスト部材の接合構造（以下、「接合構造」という。）を詳細に説明する。

本実施形態に係る接合構造は、図４の（ａ）に示すように、一方のセグメント１の第一継手面１１に含まれる凸曲面１１ａおよび凹曲面１１ｂを、それぞれ他方のセグメント１の第二継手面１２に含まれる凹曲面１２ｂおよび凸曲面１２ａに突き合せることで形成される。

本実施形態では、凸曲面１１ａ，１２ａおよび凹曲面１１ｂ，１２ｂが円弧面であり、かつ、一方のセグメント１の凸曲面１１ａの半径と当該凸曲面１１ａに突き合わされる他方のセグメント１の凹曲面１２ｂの半径とが同一で、一方のセグメント１の凹曲面１１ｂの半径と当該凹曲面１１ｂに突き合わされる他方のセグメント１の凸曲面１２ａの半径とが同一であることから、一方のセグメント１の第一継手面１１と他方のセグメント１の第二継手面１２とを突き合せると、一方のセグメント１の凸曲面１１ａと他方のセグメント１の凹曲面１２ｂとが面接触し、一方のセグメント１の凹曲面１１ｂと他方のセグメント１の凸曲面１２ａとを面接触することになる。

なお、本実施形態においては、第一継手面１１の内面１４側の隅角部および第二継手面１２の外面１３側の隅角部が面取りされていることから、一方のセグメント１の第一継手面１１と他方のセグメント１の第二継手面１２とを突き合せると、セグメント１，１の外面１３側および内面側１４のそれぞれに、セグメント幅方向に沿って断面略三角形状の目地（溝）１ａが形成されることになる。

ちなみに、図１に示すセグメントリングＲを構築するには、複数のセグメント１，１，…を順次連設すればよいが、最後に組み付けるセグメント１については、トンネル軸方向（図１では紙面垂直方向）から挿入する必要がある。

以上のように構成された接合構造においては、セグメント１，１に対して図４の（ｂ）に示すようなモーメント（正曲げ）が作用する場合には、内面１４側に位置する凹曲面１１ｂと凸曲面１２ａとが互いに摺動回転しつつ、外面１３側に位置する凸曲面１１ａと凹曲面１２ｂとが離間し、図４の（ｃ）に示すようなモーメント（負曲げ）が作用する場合には、外面１３側に位置する凸曲面１１ａと凹曲面１２ｂとが互いに摺動回転しつつ、内面１４側に位置する凹曲面１１ｂと凸曲面１２ａとは離間する。つまり、本実施形態に係る接合構造によれば、正曲げの場合も負曲げの場合もセグメント１，１の突合部分における回転が許容されることになるので、従来のナックルジョイント式の接合構造と同様に、セグメント１に発生する曲げモーメントを小さくすることが可能となり、ひいては、セグメント１の小断面化を図ることが可能となる。また、本実施形態に係る接合構造によれば、セグメント１，１の角部同士が接触することがないので、正曲げの場合も負曲げの場合も突合部分が無理なく回転する。つまり、本実施形態に係る接合構造によれば、回転が制限されることがないので、従来のナックルジョイント式の接合構造よりも、ヒンジに近い構造となる。さらに、一方のセグメント１の凸曲面１１ａおよび凹曲面１１ｂを、他方のセグメント１の凹曲面１２ｂおよび凸曲面１２ａに突き合せているので、継手金物等を使用しなくとも、突合部分においてセグメント厚さ方向（内外方向）のせん断力を伝達することができる。なお、本実施形態に係る接合構造によれば、せん断力の作用方向に係らず、せん断力を伝達することができるが、とりわけ本実施形態においては、セグメント厚さ方向の中央に凸曲面１１ａ（１２ａ）と凹曲面１１ｂ（１２ｂ）の境界を設け、かつ、凸曲面１１ａ（１２ａ）と凹曲面１１ｂ（１２ｂ）の半径を等しくしているので、正のせん断力に対しても負のせん断力に対しても、同等の性能を有することとなる。

また、本実施形態においては、図４の（ａ）に示すように、一方のセグメント１の凸曲面１１ａおよび凹曲面１１ｂを、それぞれ他方のセグメント１の凹曲面１２ｂおよび凸曲面１２ａに面接触させているので、継手面１１，１２の接触面積が増大することになる。継手面１１，１２の接触面積が増大すると、突合部分に発生する応力が広範囲に分散することになるので、突合部分にひび割れや欠け等が発生し難くなる。特に本実施形態では、継手面１１（１２）を凸曲面１１ａ（１２ａ）と凹曲面１１ｂ（１２ｂ）とで形成するとともに、凹曲面１１ｂ（１２ｂ）の縁部を曲面状に面取りすることで、継手面１１（１２）から鋭角な部位を無くしたので、組立が容易になるとともに、セグメント１にひび割れや欠け等が発生し難くなる。

なお、前記した継手面１１，１２の形態は、適宜変更しても差し支えない。
例えば、本実施形態では、凸曲面１１ａ，１２ａおよび凹曲面１１ｂ，１２ｂをそれぞれ円弧面とした場合を例示したが、これに限定されることはなく、図示は省略するが、楕円面や放物面にしても差し支えない。

また、本実施形態では、一方のセグメント１の凸曲面１１ａの半径と当該凸曲面１１ａに突き合わされる他方のセグメント１の凹曲面１２ｂの半径とを等しくするとともに、一方のセグメント１の凹曲面１１ｂの半径と当該凹曲面１１ｂに突き合わされる他方のセグメント１の凸曲面１２ａの半径とを等しくした場合を例示したが、これに限定されることはなく、図示は省略するが、一方のセグメント１の凸曲面１１ａの半径を、当該凸曲面１１ａに突き合わされる他方のセグメント１の凹曲面１２ｂの半径より小さくするとともに、一方のセグメント１の凹曲面１１ｂの半径を、当該凹曲面１１ｂに突き合わされる他方のセグメント１の凸曲面１２ａの半径より大きくしてもよい。

また、本実施形態では、継手面１１（１２）において凸曲面１１ａ（１２ａ）と凹曲面１１ｂ（１２ｂ）を連続させ、継手面１１（１２）の全部を曲面とした場合を例示したが、これに限定されることはなく、図５に示すように、継手面１１（１２）において、凸曲面１１ａ（１２ａ）と凹曲面１１ｂ（１２ｂ）との間に、平面１１ｃ（１２ｃ）を介在させても差し支えない。

なお、セグメントリングＲの周囲からの反力（地盤反力など）が期待できない場合や、セグメントリングＲの変形を抑制したい場合には、セグメントリングＲの周方向にプレストレス（軸圧縮力）を導入するとよい。プレストレスの導入方法に特に制限はないが、例えば、図６に示すように、セグメントリングＲの内周に沿って配置したＰＣ鋼材３１を緊張すればよい。この場合、ＰＣ鋼材３１は、各セグメント１の内面１４に設けたアイボルトなどのリング部材３２に挿通するとよい。この他、図示は省略するが、セグメントリングＲの外周に沿って配置したＰＣ鋼材を緊張することで、セグメントリングＲの周方向にプレストレスを導入してもよいし、セグメント１に埋設したシースにＰＣ鋼材を挿通し、このＰＣ鋼材を緊張することで、セグメントリングＲの周方向にプレストレスを導入してもよい。

セグメントリングＲを組み立てる際にセグメント１，１同士を仮接合する必要がある場合には、図７の（ａ）に示すように、斜めボルト４１を用いてセグメント１，１を連結するとよい。具体的には、図７の（ｂ）に示すように、一方のセグメント１の内面１４に設けた凹部４２から第一継手面１１に至る挿通孔４３に斜めボルト４１を挿通し、他方のセグメント１の第二継手面１２に設けた雌ネジ４４に螺合すればよい。なお、セグメントリングＲを閉合した後に、斜めボルト４１を撤去することが望ましいが、突合部分の回転を阻害しない場合には残置してもよい。

なお、前記した実施形態では、プレキャスト部材がシールドトンネル用のセグメント１である場合を例示したが、本発明に係るプレキャスト部材の用途等を限定する趣旨ではない。図示は省略するが、前記したセグメント１およびその接合構造と同様の構成を、トンネルの内空に設置される補修用の覆工、立坑、サイロなどの筒状の構造物を構成するプレキャスト部材（セグメントやライナー）およびその接合構造に適用することもできるし、２ヒンジ構造や３ヒンジ構造のアーチカルバートを構成するプレキャスト部材およびその接合構造に適用することもできる。

また、前記した実施形態では、円筒を複数個に等分割した形態のプレキャスト部材（セグメント１）を例示したが、プレキャスト部材の形態を限定する趣旨ではない。断面楕円状のリングを複数個に分割した形態のプレキャスト部材や平板状を呈するプレキャスト部材であっても、断面Ｓ字状を呈する継手面同士を突き合せることで、前記した実施形態のものと同様の作用効果を奏する接合構造を得ることができる。

本発明の実施形態に係るプレキャスト部材を具備する構造物を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るプレキャスト部材を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係るプレキャスト部材を示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図、（ｃ）は（ａ）のＣ部拡大図である。 本発明の実施形態に係るプレキャスト部材の接合構造を説明するための拡大正面図であって、（ａ）は継手面同士を突き合わせた状態を示す図、（ｂ）および（ｃ）は突合部分が回転した状態を示す模式図である。 継手面の変形例を示す拡大正面図である。 プレキャスト部材間にプレストレスを導入する方法を説明するための模式的な正面図である。 （ａ）はプレキャスト部材同士を仮接合する方法を説明するための模式的な拡大断面図、（ｂ）は（ａ）の分解図である。 継手面の参考例を説明するための斜視図である。

符号の説明

１ セグメント（プレキャスト部材）
１１，１２ 継手面
１１ａ，１２ａ 凸曲面
１１ｂ，１２ｂ 凹曲面

Claims (6)

1. 筒状コンクリート構造物の周方向に隣接する二つのプレキャスト部材の継手面同士を突き合せることで形成されるプレキャスト部材の接合構造であって、
   前記プレキャスト部材の周方向の端面に形成された前記継手面が、凸曲面と凹曲面とによって断面Ｓ字状に成形されており、
   前記継手面の断面形状は、前記筒状コンクリート構造物の軸方向に一様であり、
   一方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面および前記凹曲面が、それぞれ他方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面および前記凸曲面に突き合されていることを特徴とするプレキャスト部材の接合構造。
2. 一方の前記プレキャスト部材の前記継手面および他方の前記プレキャスト部材の前記継手面のそれぞれにおいて、前記凸曲面および前記凹曲面を連続させ、前記凸曲面と前記凹曲面の境界における前記凸曲面の接線および前記凹曲面の接線を一致させたことを特徴とする請求項１に記載のプレキャスト部材の接合構造。
3. 前記凸曲面および前記凹曲面が、それぞれ円弧面であり、
   一方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面および前記凹曲面が、それぞれ他方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面および前記凸曲面に面接触することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプレキャスト部材の接合構造。
4. 他方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面の半径が、一方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面の半径と同一であり、
   他方の前記プレキャスト部材の前記凸曲面の半径が、一方の前記プレキャスト部材の前記凹曲面の半径と同一であることを特徴とする請求項３に記載のプレキャスト部材の接合構造。
5. 前記凸曲面の半径および前記凹曲面の半径が、それぞれ前記プレキャスト部材の厚さ寸法の１／２と等しいことを特徴とする請求項３に記載のプレキャスト部材の接合構造。
6. 筒状コンクリート構造物を構成するプレキャスト部材であって、
   周方向の端面に、隣接する他のプレキャスト部材の周方向の端面に突き合わされる継手面が形成されており、前記継手面は、凸曲面と凹曲面とによって断面Ｓ字状に成形されており、
   前記継手面の断面形状は、前記筒状コンクリート構造物の軸方向に一様であることを特徴とするプレキャスト部材。

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