JP5053016B2 - 波形鋼板ウエブを用いた桁構造 - Google Patents

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Description

本発明は橋梁、建築物等に用いられる波形鋼板ウエブを用いた桁構造に関する。
橋梁や建築物の鈑桁や箱桁のウエブ材を長手方向に凹凸を繰り返す波形鋼板を使用したものがある。この波形鋼板ウエブ桁は、凹凸状に形成したウエブ鋼板のアコーデオン作用による長手方向の拘束軸力を小さくして、上下のPC床版に導入するプレストレスを有効に働かせることもできる。また、この波形鋼板ウエブを鈑桁や箱桁のウエブ材として用いることにより、当該ウエブ材の座屈耐力を向上させることが可能となる。従来においては、ウエブ材として波形鋼板ウエブを用いない場合には、当該ウエブ材の表面に補剛板等を取り付けることにより、座屈耐力の向上を図ろうとしていた。しかしながら、補剛板を取り付けるために作業工程が増加し、補剛板を生産、加工するための工程も増加し、施工労力の負担が増大してしまうという問題点があった。このため、施工労力を軽減しつつ座屈耐力の向上を図ることができる点においても、この波形鋼板ウエブは有用である。
このような波形鋼板ウエブ桁は、例えば図12に示すように、横断面が台形角波形等の波形形状で、縦向きに配置された傾斜面板103aとこれに接続する平行な各縦面板103bを有する波形鋼板ウエブ103の上端部に、水平に帯状鋼板からなる水平型枠材107の巾方向中間部下面が当接されて、連続した溶接により一体に固着され、前記水平型枠材107の上面には、その水平型枠材107の巾方向および長手方向に間隔をおいて多数のスタッドボルトからなるジベル111が溶接により固着され、前記多数のジベル111により結合材101が構成されている。また、前記波形鋼板ウエブ103の下端部に、水平に鋼板製の下部フランジ102の巾方向中間部が当接されて、連続した溶接により一体に固着されている。この形態の場合には、結合材101を備えた水平型枠材107と、波形鋼板ウエブ103と、鋼板製の下部フランジ102とにより鋼製鈑桁が構成されている(例えば、特許文献1参照。)。
このように構成された結合材101を備えた鋼製鈑桁が、桁巾方向に間隔をおいて平行に配置され、前記各鈑桁の水平型枠材107が型枠の一部として利用され、各水平型枠材107の両側に床版コンクリート打設用型枠112が配設されている。また、多数のジベル111からなる結合材1を埋め込むようにコンクリート118が打設されて鉄筋コンクリート製の上床版105が一体に築造されている。この形態の場合には、前記鉄筋コンクリート上床版105によって、左右に間隔をおいて配置された波形鋼板ウエブ103の上部が水平型枠材107および結合材101を介して一体化された鋼コンクリート複合桁106が形成されることになる。
このような波形鋼板ウエブに対してフランジを溶接により固着させる従来技術は、例えば特許文献2〜4においても同様に開示されている。
ところで上述の如き波形鋼板ウエブ桁は、上述したように、波形鋼板ウエブ103に対してフランジとしての水平型枠材107並びに下部フランジ102が溶接により固着されている。実際にこのような波形鋼板ウエブ103に対してフランジを溶接する際には、多大な労力を必要とし、製作コストが大幅に増大してしまう。特に波形鋼板ウエブ103は、上述のように山面と谷面が交互に連続する構成とされていることから、かかるフランジをジグザグ状に溶接する工程がはいることになり、かかる労力の負担がより増大してしまうという問題点があった。
また、波形鋼板ウエブに対してフランジを溶接により固着させる工程を導入した場合には、溶接に伴う残留応力が発生し、フランジや波形鋼板ウエブ103がこれにより変形してしまうという問題点もあった。
また、波形鋼板ウエブに対してフランジを溶接により固着させる工程は、作業環境が精密にコントロールされた状態下で行う必要があり、しかも波形鋼板ウエブやフランジを固定するために大掛かりな設備も必要となる。このため、これらを溶接で固定するためには、実際の施工現場で行うことが困難であり、工場において実行する他無かった。しかしながら、工場において波形鋼板ウエブにフランジを固着させた後現場へと搬送する際において、波形鋼板ウエブにフランジが固着されている状態ではトラック等の運送時においてこれらが嵩張り、輸送効率を悪化させてしまうという問題点があった。このため、波形鋼板ウエブとフランジを固着せずに現場へと搬送し、現場においてこれらを溶接以外の方法で固着させる方法が従来より必要とされていた。
また、上記特許文献1〜4は、何れもフランジとして平板を利用するものであるため、桁本体で大きな断面剛性を得ることができないという問題点があった。
特開2002−250009号公報 特開2002−188120号公報 特開2000−345516号公報 特開2001−027005号公報
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、波形鋼板ウエブに対してフランジを溶接することなく、鋼製桁を製作することが可能となり、さらにフランジ自体の断面剛性を向上させることが可能な波形鋼板ウエブを用いた桁構造を提供することにある。
本発明者は、上述した課題を解決するために、波形鋼板ウエブの上端及び下端における各縦面板に対して垂直にボルト接合される垂直辺板を少なくとも有する形鋼からなるフランジと、波形鋼板ウエブの上端にボルト接合された形鋼の上部に形成された床版とを備える桁構造を発明した。
即ち、請求項1に係る発明は、床版と組み合わされる鋼桁として波形鋼板をウエブに用いた桁構造において、傾斜面板とこれに接続される互いに平行な各縦面板とを有する波形鋼板ウエブと、上記波形鋼板ウエブの上端及び下端における各縦面板に対して垂直にボルト接合される垂直辺板を少なくとも有する形鋼からなるフランジと、上記波形鋼板ウエブの上端にボルト接合された上記形鋼の上部に形成された床版とを備え、上記波形鋼板ウエブの上端に設けられた形鋼は、橋脚上部に対応する箇所においてPC鋼材の緊張によりプレストレスが導入され、及び/又は上記波形鋼板ウエブの下端に設けられた形鋼は、橋脚間中央に対応する箇所においてPC鋼材の緊張によりプレストレスが導入されていることを特徴とする。
また、請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明において、上記形鋼における垂直辺板には、上記波形鋼板ウエブにおける上記縦面板の上記ボルト接合領域が所定間隔で形成されていることを特徴とする。
また、請求項3に係る発明は、請求項1又は2に係る発明において、上記形鋼は、H形鋼であり、上記H形鋼におけるフランジを上記垂直辺板として上記縦面板に対してボルト接合させてなることを特徴とする。
また、請求項4に係る発明は、請求項1〜3のうち何れか1に係る発明において、上記波形鋼板ウエブと、上記フランジとを遮蔽するためのカバー構造が上記床版の下部において形成されていることを特徴とする。
上述の如き構成からなる本発明を適用した波形鋼板ウエブを用いた桁構造は、以下に説明する効果がある。先ず、本桁構造では、フランジとしてH形鋼を用いている。このため、桁構造1全体で断面剛性をより向上させることが可能となる。
また、ウエブとして波形鋼板ウエブを適用することにより、フランジとしてのH形鋼を曲げ抵抗部材として機能させ、波形鋼板ウエブをせん断抵抗部材として機能させることができ、設計の簡素化を図ることが可能となる。特に、この波形鋼板ウエブにおける傾斜面板は、せん断力を伝達させることができることから、鉛直力をこの波形鋼板ウエブを介して効果的に伝達させることが可能となる。
また、本発明を適用した桁構造は、波形鋼板ウエブにおける上端と下端には、フランジとしてのH形鋼をボルト接合することにより、構成している。
このため、フランジをあくまで溶接することなく波形鋼板ウエブに取り付けることが可能となる。これにより、溶接に伴う多大な労力を必要とすることが無くなり、製作コストを低減させることができ、工期の短縮化も実現可能となる。特に波形鋼板ウエブ、上述したように山面と谷面が交互に連続する構成とされているが、溶接工程を省略可能な本発明では、かかる波形鋼板ウエブに沿ってフランジをジグザグ状に溶接する必要も無くなり、労力の負担をより軽減させることが可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態として、橋梁に用いられる波形鋼板ウエブを用いた桁構造について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明を適用した桁構造1の斜視図を、また図2は、桁構造1の正面図を示している。
この桁構造1は、横断面が台形角波形等の波形形状で構成される波形鋼板ウエブ3と、波形鋼板ウエブ3の上端及び下端にボルト接合されるH形鋼4a、4bからなるフランジ5と、波形鋼板ウエブ3の上端にボルト接合されたH形鋼4aの上部に形成された床版6とを備えている。
波形鋼板ウエブ3は、長手方向に山面及び谷面が交互に連続して形成されている。即ち、この波形鋼板ウエブ3は、図3(a),(b)に示すように、縦向きに配置された傾斜面板3aとこれに接続する平行な各縦面板3bを有する。このような波形鋼板ウエブ3は、トラック等で搬送可能な長さのブロックに分割されて構成されている。波形鋼板ウエブ3を互いに長手方向へと接続する際には、図3(a)に示すように、傾斜面板3aを互いに接合するようにしてもよいし、図3(b)に示すように縦面板3bを互いに接合するようにしてもよい。実際にこれら波形鋼板ウエブ3を互いに接続する際には、ボルト32とナット31を互いに螺着させることにより実行するようにしてもよい。
このとき、波形鋼板ウエブ3は後述するように、その縦面板3bにおいてH形鋼4が接合されることから、実際に傾斜面板3aにおいてボルト32とナット31による螺着を行うこととなればクリアランスが小さくなり、ボルト32又はナット31がH形鋼4と接触してしまう虞もある。このため、図3(b)に示すように、端面板3bにおいて、ボルト32とナット31による螺着をH形鋼4とともに行うことが望ましい。
なお、波形鋼板ウエブ3を互いに長手方向へと接続する方法として、波形鋼板ウエブ3の端面どうしを溶接接合する方法もある。
波形鋼板ウエブ3は、局部座屈に対する合理的形状として、傾斜面板3aのパネル幅と縦面板3bのパネル幅とが略同一とされている形状が望ましい。このとき、パネル幅は、例えば300mm程度で構成されていてもよい。また、山面を構成する縦面板3bと、谷面を構成する縦面板3bとの間隔や、傾斜面板3aの角度はいかなるものであってもよいが、特に上記間隔については、後述するボルトとナットの螺着容易性を考慮して、作業員の手が入る程度の大きさで構成されていることが望ましく、例えば150mm程度であってもよい。また、波形鋼板ウエブ3の波高を必要以上に小さくすると、ウエブの横方向剛性が低下し、床版6に発生する横方向の正の曲げモーメントが大きくなってしまう等の不都合も生じることから、かかる点を考慮に入れた合理的形状とされている必要もある。
図4は、ウエブ14aとフランジ14bとからなるH形鋼4が波形鋼板ウエブ3上端に取り付けられた状態を示す斜視図であり、図5は、その平面図を示している。H形鋼4における何れが一方のフランジ14bが、垂直辺板として縦面板3bに対して取り付けられている。
上述したように波形鋼板ウエブ3は長手方向に山面及び谷面が交互に連続して形成されていることから、これに対してH形鋼4を接触させると、平面としての山面又は谷面(縦面板3b)が長手方向に周期的に接触することになる。このような状態の下で、実際にこの縦面板3bをこのフランジ14bに対して取り付ける際には複数のボルト41、ナット42により螺着されることになる。なお、波形鋼板ウエブ3の下端においても同様にこのH形鋼4のフランジがボルト接合されている。その結果、この波形鋼板ウエブ3における上端と下端には、H形鋼4が両側においてボルト接合された状態となる。
また、H形鋼4におけるフランジ14bからみたときには、当該フランジ14bには波形鋼板ウエブ3における縦面板3bのボルト接合領域が所定間隔で形成されている。このため、フランジ14bと所定間隔で長手方向に向けて設けられた端面板3bとからなるいわゆるフィーレンディール構造で構成されているものと考えることもできる。即ち、構造的にはフィーレンディール構造類似の作用効果を奏する場合もある。
ここで波形鋼板ウエブ3の両側に形成されたH形鋼4間において、この波形鋼板ウエブ3を構成する上下方向に延長された縦面板3bが互いに交互に設けられていることになる。
ここでH形鋼4におけるフランジ14bに対する縦面板3bの鉛直方向の取り付け位置は、図4に示すように、フランジ14bの上端と、縦面板3bの上端とが略同一高さとなるように、調整されていてもよい。また、H形鋼4におけるフランジ14bの上端が、端面板3bの上端よりも低くなる位置で固定されていてもよいし、H形鋼4におけるフランジ14bの上端が、端面板3bの上端よりも高くなる位置で固定されていてもよい。
なお、床版がコンクリート系床版の場合、このH形鋼4bにおけるウエブ14aには、図6に示すように、多数のジベル16が立設される。
床版6は、このジベル16が立設されたウエブ14aに結合されている。この床版6の表面にはアスファルト舗装7が被覆されている。床版6は、コンクリートを上記ジベル16間に埋め込むようにして打設することにより形成され、内部に鉄筋が配設されて、いわゆる鉄筋コンクリート製の上床版とされる。
上述の如き構成からなる桁構造1は、以下に説明する効果がある。先ず、桁構造1では、フランジ5としてH形鋼4を用いている。このため、桁構造1全体で断面剛性をより向上させることが可能となる。
また、ウエブとして波形鋼板ウエブ3を適用することにより、フランジ5としてのH形鋼4を曲げ抵抗部材として機能させ、波形鋼板ウエブ3をせん断抵抗部材として機能させることができ、設計の簡素化を図ることが可能となる。特に、この波形鋼板ウエブ3における傾斜面板3aは、せん断力を伝達させることができることから、鉛直力をこの波形鋼板ウエブ3を介して効果的に伝達させることが可能となる。
また、本発明を適用した桁構造1は、波形鋼板ウエブ3における上端と下端には、フランジ5としてのH形鋼4をボルト接合することにより、構成している。
このため、フランジ5をあくまで溶接することなく波形鋼板ウエブ3に取り付けることが可能となる。これにより、溶接に伴う多大な労力を必要とすることが無くなり、製作コストを低減させることができ、工期の短縮化も実現可能となる。特に波形鋼板ウエブ3、上述したように山面と谷面が交互に連続する構成とされているが、溶接工程を省略可能な本発明では、かかる波形鋼板ウエブ3に沿ってフランジ5をジグザグ状に溶接する必要も無くなり、労力の負担をより軽減させることが可能となる。
また、フランジ5をあくまで溶接することなく波形鋼板ウエブ3に取り付けることが可能な本発明では、溶接にともなる残留応力が発生することも無くなり、これに伴ってフランジ5や波形鋼板ウエブ3が変形してしまうのを防止することが可能となる。即ち、フランジ5を取り付ける際において溶接工程を省略可能な本発明では、製造時における品質管理の観点からも有利性を確保することが可能となる。
また、フランジ5をあくまで溶接することなく、ボルト接合により波形鋼板ウエブ3に取り付けることが可能な本発明では、実際の施工現場においてフランジ5と波形鋼板ウエブ3とを容易に接合することができる。このため、波形鋼板ウエブ3とフランジ5としてのH形鋼4を固着せずに現場へと搬送し、現場においてこれらを互いにボルト接合することで容易に施工することが可能となる。即ち、波形鋼板ウエブ3とH形鋼4とを予め固着させることなく現場へ搬送することが可能となり、輸送効率を向上させることが可能となる。
なお、上述した形態においては、フランジ5としてH形鋼4を用いる場合を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではない。このH形鋼4の代替として、例えば溝形鋼、山形鋼、L形鋼等をフランジ5として適用するようにしてもよく、またいかなる形鋼を適用するようにしてもよい。但し、縦面板3bに対して取り付け可能な垂直辺板が設けられていることが必須となる。
また本発明は、実際にクレーン等を利用してコンクリート桁を構築する際においても好適となる。先ず波形鋼板ウエブ3の谷面に接合するためのH形鋼4a、4bを張出し固定する。次にこの張出し固定されたH形鋼4a、4bに対して波形鋼板ウエブ3の谷面をボルト接合する。このとき、予め張出し固定されたH形鋼4a、4bをいわゆる支保工として利用することが可能となる。最後に波形鋼板ウエブ3の山面に対してH形鋼4a、4bをボルト接合する。このとき、波形鋼板ウエブ3をいわゆる支保工として利用することが可能となる。
このような接合方法では、H形鋼4や波形鋼板ウエブ3を別々にクレーンにより吊り上げるため、クレーンにより吊り上げるべき材料の重量を低減することができ、ひいては小型のクレーンによっても施工を実現することが可能となる。
また、本発明においては、例えば図7に示すように、波形鋼板ウエブ3と、フランジ5としてのH形鋼4とを遮蔽するためのカバー構造19が床版6の下部において形成されていてもよい。
このカバー構造19は、例えばチタン合金等からなる板で構成されている。このようなカバー構造19を設けることにより、波形鋼板ウエブ3やH形鋼4への防食効果に加え、美装機能、遮音機能を発揮させることも可能となり、更に足場、防護工機能をも発揮させることが可能となる。
なお、上述した実施の形態においては、あくまで橋梁に用いられる波形鋼板ウエブを用いた桁構造1を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものは無く、例えば重量物を載置するための梁等を備える建築物に対して適用するようにしてもよいことは勿論である。
また本発明を適用した桁構造1において、互いに橋軸方向に隣接するH形鋼4は、図8に示すように添接板52を介してボルト51により接合されていてもよい。これにより、橋梁の上を走行する移動体により桁構造1に対して曲げモーメントが負荷された場合においても、この添接板52を介したボルト接合により対抗することができる。しかし、移動体の重量が大きい場合には、この曲げモーメントが大きくなり、これに対抗するために、ボルト51の数を増加させなければならないケースも生じる。
図9は、実際にこの橋梁に負荷される曲げモーメントについて示している。桁構造1を橋軸方向に連結することにより橋梁54が構成されることになるが、この橋梁54において、上述の如き曲げモーメントが負荷される結果、橋脚55上部に対応する箇所Aにおいて、上に凸となるような変形モードとなり、また橋脚間中央に対応する箇所Bにおいて下に凸となるような変形モードとなる。
ここで、箇所Aでは、上側において引張りが卓越することになることから、当該箇所近傍においてH形鋼4を橋軸方向にボルト接合しなければならない場合には、その引張りが卓越する上側のボルト本数を増加させる必要が出てくる。特に橋脚55の間隔が広くなるにつれて曲げモーメントは大きくなり、ボルト51の設置本数が数十本も必要となる場合もある。このため、箇所Aにおいて図10(a)に示すように、波形鋼板ウエブ3の上端にボルト接合されるH形鋼4aにPC鋼材58を配設し、これを予め緊張させることによりプレストレスを導入する。このPC鋼材58の緊張によるプレストレスの導入により、H形鋼4aに圧縮軸力を予め負荷することができる。その結果、このプレストレスによる圧縮軸力が、曲げモーメントに基づく引張軸力を打ち消すことができることから、当該引張軸力自体を軽減することができ、ボルトの設置本数を減らすことが可能となる。
同様に箇所Bでは、下側において引張りが卓越することになることから、当該箇所近傍においてH形鋼4を橋軸方向にボルト接合しなければならない場合には、その引張りが卓越する下側のボルト本数を増加させる必要が生じ、橋梁支間が長くなればその分ボルト51の設置必要本数も増加する。このため、箇所Bにおいて図10(b)に示すように、波形鋼板ウエブ3の下端にボルト接合されるH形鋼4bにPC鋼材58を配設し、これを予め緊張させることによりプレストレスを導入する。このPC鋼材58の緊張によるプレストレスの導入により、H形鋼4bに圧縮軸力を予め負荷することができる。その結果、このプレストレスによる圧縮軸力が、曲げモーメントに基づく引張軸力を打ち消すことができることから、当該引張軸力自体を軽減することができ、ボルトの設置本数を減らすことが可能となる。
なお、H形鋼4の橋軸方向の連結位置は、曲げモーメントが理論上最も大きくなる箇所A、箇所Bを避け、図9に示すように、箇所A、箇所B間の中間領域Cにおいて割り当てられる場合が多い。本発明においては、この曲げモーメントが理論上最大となる箇所A,箇所Bにおいて当該曲げモーメントを小さくすることが可能となり、これに伴って中間領域Cにおける曲げモーメントも小さくすることができる。その結果、この中間領域Cにおける、橋軸方向に隣接するH形鋼4間のボルト接合本数を少なく抑えることが可能となる。
なお、PC鋼材58によるプレストレスの導入は、箇所A,箇所Bともに実行するようにしてもよいし、箇所A,箇所Bの何れかに対して実行するようにしてもよい。
さらに上述した形態では、あくまで所定長さのPC鋼材58を、箇所A,箇所Bのみに焦点を当てて配設する場合について説明をしたが、かかる場合に限定されるものではない。例えば図11に示すように、箇所A、箇所Bに配設するPC鋼材58を互いに連結させた状態で構成するようにしてもよい。その結果、箇所A、箇所Bの中間領域CにおいてもPC鋼材58の緊張によるプレストレスを導入することが可能となり、当該中間領域C自体の曲げモーメントを直接的に軽減することが可能となり、ボルト接合本数を更に少なくすることが可能となる。
本発明を適用した桁構造の斜視図である。 本発明を適用した桁構造の正面図である。 長手方向に山面及び谷面が交互に連続して形成した波形鋼板ウエブの正面図である。 ウエブとフランジとからなるH形鋼が波形鋼板ウエブ上端に取り付けられた状態を示す斜視図である。 ウエブとフランジとからなるH形鋼が波形鋼板ウエブ上端に取り付けられた状態を示す平面図である。 H形鋼におけるウエブに多数のジベルを立設させた例を示す図である。 波形鋼板ウエブと、H形鋼とを遮蔽するためのカバー構造をコンクリート床版の下部において形成させた例を示す図である。 互いに橋軸方向に隣接するH形鋼を添接板を介してボルトにより接合する例を示す図である。 橋梁に負荷される曲げモーメントについて示す図である。 箇所A、BについてPC鋼材を介してプレストレスを導入する例を示す図である。 箇所A、箇所Bに配設するPC鋼材を互いに連結させた状態で構成する例を示す図である。 従来技術について説明するための図である。
符号の説明
1 桁構造
3 波形鋼板ウエブ
4 H形鋼
5 フランジ
6 床版

Claims (4)

  1. 床版と組み合わされる鋼桁として波形鋼板をウエブに用いた桁構造において、
    傾斜面板とこれに接続される互いに平行な各縦面板とを有する波形鋼板ウエブと、
    上記波形鋼板ウエブの上端及び下端における各縦面板に対して垂直にボルト接合される垂直辺板を少なくとも有する形鋼からなるフランジと、
    上記波形鋼板ウエブの上端にボルト接合された上記形鋼の上部に形成された床版とを備え
    上記波形鋼板ウエブの上端に設けられた形鋼は、橋脚上部に対応する箇所においてPC鋼材の緊張によりプレストレスが導入され、
    及び/又は上記波形鋼板ウエブの下端に設けられた形鋼は、橋脚間中央に対応する箇所においてPC鋼材の緊張によりプレストレスが導入されていること
    を特徴とする波形鋼板ウエブを用いた桁構造。
  2. 上記形鋼における垂直辺板には、上記波形鋼板ウエブにおける上記縦面板の上記ボルト接合領域が所定間隔で形成されていること
    を特徴とする請求項1記載の波形鋼板ウエブを用いた桁構造。
  3. 上記形鋼は、H形鋼であり、
    上記H形鋼におけるフランジを上記垂直辺板として上記縦面板に対してボルト接合させてなること
    を特徴とする請求項1又は2に記載の波形鋼板ウエブを用いた桁構造。
  4. 上記波形鋼板ウエブと、上記フランジとを遮蔽するためのカバー構造が上記床版の下部において形成されていること
    を特徴とする請求項1〜3のうち何れか1項記載の波形鋼板ウエブを用いた桁構造。
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