JP5423185B2 - コンクリート充填形式の橋脚構造 - Google Patents

Description

本発明は、耐震性に優れる道路橋や鉄道橋などの橋脚構造に関する。

コンクリート充填鋼管は軸力や曲げに対する耐荷力が高く、変形性能に優れた部材であるが、鋼管に作用する圧縮応力によって鋼管に局部座屈が発生しやすいため、鋼管の直径と板厚との比（径厚比）において制限（上限）を設けることが多い。しかしながら、構造物の規模が大きくなると径厚比の確保が困難となるため、剛性が維持されるように鋼管端部の内部に他の部材を設置するなど種々の提案がなされている。

特許文献１は、鋼コンクリート複合構造部材に関し、鋼殻部分に局部座屈の発生がなく、規模の大小によらず適用でき、耐荷力ならびに変形性能が高く、施工が容易な複合構造部材とするため、鋼管と鋼管内に配した軸方向部材と鋼管内に充填したコンクリートとで複合構造部材を構成し、鋼管の長手方向の一部または全長には凹凸断面の波形部を形成させることが記載されている。

波形部の軸方向剛性および曲げ方向剛性は小さいため、複合構造部材は、作用する軸力ならびに曲げモーメントにほとんど抵抗せず、局部座屈の恐れがない。これらの作用力には鋼管内部に配置された軸方向鋼材とコンクリートが抵抗し、更に、コンクリートが鋼管によって外側から拘束されるため、コンクリートの圧縮強度が増加し、部材の耐荷力が増加する。

特許文献２は、コンクリートフーチングに生じる支圧破壊を防止するコンクリート充填鋼管とコンクリートフーチングの接合構造に関し、コンクリートフーチングとの接合部を構成するコンクリート充填鋼管の鋼管端面にドーナツ状の支圧補強板を施工することが記載されている。

特許文献３は、柱脚等の下部に設けられる、固定度が低く、杭体に作用する曲げモーメントが軽減されたフーチングに地中埋設鋼管杭を結合する杭頭結合構造に関し、フーチングと鋼管杭を、杭径より小さい外周部の少なくとも一部が補強部材で覆われたコンクリート充填鋼管を本体とし、その本体上下端から突出する鉄筋を有する差込部材を介して接合することが記載されている。

特開２００１−２６２７７４号公報 特開２００４−１６９４４８号公報 特開２００８−６９５１４号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明は、本体構造が部材全長に亘って２重鋼管構造となっているため、材料コストが嵩み、鋼管基部を波形加工するため加工コストも付加される。また、基部で断面が大きくなるため、一般的な充填コンクリート鋼管橋脚に比して施工スペースを多く確保しなければならない。

特許文献２記載の発明は、コンクリート充填鋼管基部に、フーチングと結合するためのアンカー鉄筋が配置されるが、アンカー鉄筋はコンクリート充填鋼管軸方向の抵抗を期待した部材で、同時に橋脚の曲げ耐力も上昇させる。

特許文献３記載の発明は、フーチングと橋脚とを不連続構造とし、内部に設置した杭頭結合構造を介して力を伝達させるため、最大曲げ耐力を超えた後の橋脚の曲げ耐力が急激に低下し、構造も複雑で、現地工事の負荷が大きい。

そこで本発明は、フーチングと橋脚の接合構造が単純で、コンクリート充填形式の鋼製橋脚において、橋脚の曲げ耐力を上昇させることなしに、最大曲げ耐力を超えた後の橋脚の曲げ耐力の急激な低下を防ぐことが可能な橋脚構造を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．内部にコンクリートが充填された鋼製橋脚の橋脚基部の充填コンクリートを拘束する拘束筋と、前記拘束筋を保持する拘束筋保持部材とを備えたコンクリート充填形式の橋脚構造であって、前記拘束筋が、前記鋼製橋脚の中心軸と同軸となるように配置された帯筋、螺旋筋、リング状部材のうちのいずれか1種で、前記拘束筋保持部材は、前記鋼製橋脚の軸方向に延伸する部材であって、該拘束筋保持部材の設置による前記鋼製橋脚の曲げ耐力の上昇量が前記鋼製橋脚の耐震設計上無視できる量となるような部材であることを特徴とするコンクリート充填形式の橋脚構造。

本発明によれば以下の効果が得られ産業上極めて有用である。
１．曲げ耐力を上昇させることなしに、最大曲げ耐力を超えた後の橋脚の曲げ耐力の急激な低下を防ぐことができる。
２．１により、橋脚の耐震性が上昇する。
３．橋脚断面を大きくすることなく、拘束筋により充填コンクリートを拘束するだけで、最大曲げ耐力を超えた後の橋脚の曲げ耐力の急激な低下を防ぐことができる。
４．強度部材を付加させることなく、最大曲げ耐力を超えた後の橋脚の曲げ耐力の急激な低下を防ぐことができるため、強度・応力に関する設計手法を変更する必要がない。
５．拘束筋を予め組み立てて拘束筋群の状態にしておき、現場で鋼製橋脚内に設置することで、施工性が低下しない。
６．荷重の繰返しに伴う橋脚軸方向の縮み増大を防ぐことができる。
７．３．４．５により、簡便かつ経済的に、橋脚の耐震性を向上させることができる。

本発明の適用に好適な橋脚基礎構造の概略図。 本発明の適用に好適な橋脚基礎構造の概略図。 本発明の一実施例。 本発明の他の実施例。 本発明の他の実施例。 本発明の他の実施例。 本発明の他の実施例。 図３のＢ−Ｂ断面図。 本発明の他の実施例を説明する径方向断面図。 図７のＢ−Ｂ断面図。 本発明の他の実施例を説明する径方向断面図。 鋼製橋脚基部の鋼板が降伏するときの作用曲げモーメントと抵抗曲げモーメントの関係を示す図。 拘束筋設置有無による橋脚断面の曲げモーメントと曲率骨格曲線との関係の差異を示す図。

本発明は、コンクリート充填形式の鋼製橋脚（以下、コンクリート充填鋼製橋脚）の基部内部に、充填コンクリートを拘束する拘束筋を、拘束筋の設置、保持にのみ必要とされる拘束筋保持部材とともに設けることを特徴とする。その設置、保持にのみ必要とは、橋脚の耐震設計上無視できることを意味する。以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

図１，２は本発明の適用に好適な橋脚基礎構造の概略構造を示し、これらの図において１は杭、２は内部にコンクリートを充填して鋼製橋脚となる鋼管、３は鋼管２とフーチングＦを接合する外鋼管、４は外鋼管３の内部を満たす充填コンクリート（以下、コンクリート）を示す。

図１は鋼製橋脚となる鋼管２をフーチングＦへ直接接合する場合で、杭１に支持されたフーチングＦにコンクリートが充填された鋼製橋脚となる鋼管２が接合されている。図２は１柱１杭基礎への接合の場合で、杭１とコンクリートが充填された鋼製橋脚となる鋼管２が、両者より大径で、コンクリート４が充填された外鋼管３を介して接合されている。杭１とコンクリートが充填された鋼製橋脚となる鋼管２は、外鋼管３の内部で外鋼管３と同軸で間隔を設けながら直列に配置されている。

本発明に係る鋼製橋梁は、図１，２の鋼管２の基部において、その内部にコンクリート４を拘束する拘束筋を配置する。以下、図面を用いて拘束筋の配置形態を具体的に説明する。図３〜図７は本発明の実施例に係る鋼製橋梁の軸方向断面を示し、これらの図において、Ａ−Ａ線は、図１および図２のＡ−Ａ線に対応し、フーチングＦの上端面を示す。

図３は拘束筋として帯筋５を用いた場合を示し、鋼管２の基部に帯筋５を鋼管２の中心軸と同軸となるように多段配置することでコンクリート４を補強したもので、施工時、帯筋５は拘束筋保持部材６で形状保持されている。

拘束筋保持部材６は、鋼管２の軸方向に延伸する部材であって、拘束筋保持部材６の設置による鋼製橋脚の曲げ耐力の上昇量が、鋼製橋脚の耐震設計上無視できる量となるような部材である。

帯筋５は、フーチングＦの鉄筋組を行い、その延長上に、フーチングＦの直上から橋脚の中心軸と同軸に少なくとも局部座屈が生じる区間を超える位置まで多段に設置する。

帯筋５を所定の位置に所定の間隔で設置するために、拘束筋保持部材６を用いて、帯筋５を結束させた鉄筋籠を形成設置する。少なくとも局部座屈が生じる区間を超える位置とは、例えば１柱式の橋脚の場合、局部座屈発生を想定する位置が橋脚基部であるため、基部から鋼管橋脚の外径の１倍の高さまでとなる。その他の場合は、予め、計算により求めておく。

鉄筋籠を形成した後、フーチングＦのコンクリート打設を行い、鋼管２を仮設し、鋼管２の内部にコンクリート４を充填する。

帯筋５は、曲げ力および軸力に対し抵抗せず、せん断力にのみ抵抗する部材であり、曲げ破壊が支配的な長柱においては耐荷力上昇に寄与しない。

コンクリート充填鋼製橋脚が曲げ破壊する場合、引張側コンクリートがひび割れ、鋼管引張側が最外縁から鋼管中心に向かって徐々に降伏し、圧縮側最外縁コンクリートの圧壊に伴い鋼管圧縮側が局部座屈する過程を経る。

その結果、鋼管２による拘束力を失ったコンクリート４は地震動等の繰返し荷重により割裂・砂利化し、コンクリート充填鋼製橋脚は軸方向の抵抗力を失いながら急激に耐力が低下する。

図示したように帯筋５を設置すると基部のコンクリート４が補強され、特に、帯筋５の内側となるコンクリート４は、鋼製橋脚が局部座屈した後も上下の健全なコンクリートと拘束筋により拘束され三軸圧縮効果が保持されるため、帯筋５の外側のコンクリート４の圧壊に引き摺られることもなく、繰返し荷重による砂利化が防止される。軸力に抵抗できる健全なコンクリート断面が保持されれば、荷重の繰返しに伴う軸方向縮みが増大しないため、鋼製橋脚の局部座屈の進展も抑制される。

なお、本発明の橋脚構造は、従来のコンクリート充填形式の鋼製橋脚に設置されているような、鋼製橋脚の曲げ耐力の上昇量が鋼製橋脚の耐震設計上、無視し得ない量となる軸方向筋は備えていない。

図４はコンクリート充填鋼製橋脚２の基部におけるコンクリート４を帯筋５に替えて螺旋筋７により補強した場合を示し、螺旋筋７は拘束筋保持部材６で形状保持されている。

螺旋筋７は、拘束効果を発現させるため、一端はフーチングＦ内、他端は橋脚２の内部において、いずれも地震時に割裂あるいは圧壊しない位置となるコンクリート４に定着させる。

図５は螺旋筋７を用いる他の形態を示し、複数本（図では２本）の螺旋筋７を始点が異なるように組合わせてコンクリート４を補強した場合を示す。

図６は螺旋筋７を用いる他の形態を示し、複数本（図では２本）の螺旋筋７を周方向に多重（図では２重）に組み合わせてコンクリート４を補強した場合を示す。図５、６において複数本の螺旋筋７は、拘束効果を発現させるため、いずれも一端はフーチングＦの内部、他端は橋脚２の内部において地震時に割裂あるいは圧壊しない位置となるコンクリート４に定着させる。

フーチングＦの内部、橋脚２の内部で地震時に割裂あるいは圧壊しない位置は、例えば１柱式の橋脚の場合、局部座屈発生を想定する位置が橋脚基部であるため、基部から鋼管橋脚外径の１倍の高さに必要定着長分の高さを加えた位置である。

図７はコンクリート充填鋼製橋脚２の基部におけるコンクリート４を帯筋５（螺旋筋７）に替えてリング状部材（以下、鋼製リングと記す）８で補強した場合を示し、鋼製リング８は拘束筋保持部材６で上下間で間隙を有して、鋼製リング８と鋼管２の中心軸が同軸となるように形状保持されている。

鋼製リング８は、橋脚２より小径で、その外周壁と橋脚２の内周壁間にコンクリート４が充填される寸法の鋼管を輪切りにしたものとする。帯筋５、螺旋筋７は鋼材、炭素繊維、ＦＲＰ、ＧＦＲＰ、アラミド繊維等のコンクリートを拘束できる強度を持つ材質であればよい。リング状部材８も同様に鋼に限定されない。図３〜７においてフーチングＦ内における、図３では帯筋５、図４〜６では螺旋筋７、図７では鋼製リング８の配置は省略した。

なお、本発明では、拘束筋保持部材６は、橋脚の耐震設計上設計因子とならないように、図３では帯筋５、図４〜６では螺旋筋７、図８では鋼製リング８の形状保持にのみ必要とされる量を使用することとする。

すなわち、拘束筋保持部材６は、帯筋５、螺旋筋７、鋼製リング８の位置決めのために設置する。材質は鉄筋に拘らず、コンクリート打設に耐え得れば、木やプラスチックであっても差し支えない。拘束筋保持部材６は帯筋５などを所定の位置に設置するために必要な最低限の量（本数）に止めるか、あるいは鋼管２のヤング係数よりも小さい材料を用いて、できる限り軸方向の抵抗に寄与しないようにする。

図１２は、鋼製橋脚基部（Ｂ−Ｂ断面）の鋼板（または鋼管）が降伏するときの作用曲げモーメントと抵抗曲げモーメントの関係を示したものであり、拘束筋保持部材６の軸方向抵抗力が大きいと、拘束筋保持部材上方で抵抗曲げモーメントが作用曲げモーメントよりも小さくなり、鋼製橋脚基部の鋼板（鋼管）の降伏以前に、拘束筋保持部材上縁の断面が降伏することを示している。

その結果、変形性能が低下し、橋脚の耐震性が低下する。また、橋脚の曲げ耐力が上昇すると、基礎構造は、橋脚以上の耐力が要求されるため、耐力を上げる必要が生じるため、基礎の鉄筋量が増える、あるいは大型化に繋がり、不経済な構造となる。

図１３は、拘束筋設置有無による橋脚断面の曲げモーメントと曲率骨格曲線との関係の差異を示したものであり、拘束筋設置有無により最大曲げモーメントが作用した後の挙動が異なり、拘束筋を設置した場合は、橋脚の曲げ耐力の急激な低下を防ぐことができる。

本発明では、更に、帯筋５や鋼製リング８による拘束を径方向に多重に行うことが可能である。鋼管２に充填したコンクリート４の損傷が段階的にくい止められ、より変形性能が向上し、高い耐震性能が得られる。

図８は帯筋５を１重配置した図３のＢ−Ｂ断面図を示し、図９は帯筋５を径方向に２重配置した場合の鋼管２の径方向断面図を示す。図１０は図７のＢ−Ｂ断面図を示し、図１１は鋼製リング８を径方向に２重配置した場合の鋼管２の径方向断面図を示す。

上述したように本発明は構成されるので、コンクリート充填形式の鋼製橋脚において、橋脚の曲げ耐力を上昇させることなしに、最大曲げ耐力を超えた後の橋脚の曲げ耐力の急激な低下を防ぐことが可能である。

また、橋脚基部の充填コンクリートを帯筋などで補強することにより、鋼製橋脚鋼板が局部座屈した後の充填コンクリートの損傷ならびに鋼製橋脚鋼板の局部座屈の進展を防止し、橋脚の曲げ耐力の急激な低下を防止し、橋脚の変形性能を向上させることが可能である。

さらに、軸方向鉄筋量が多い場合、１．軸方向鉄筋設置区間の曲げ耐力が上昇し、軸方向筋上縁において曲げ破壊が生じ、橋脚の地震エネルギー吸収性能がかえって低下し、２．橋脚の曲げ耐力が上昇すると、基礎構造は、橋脚以上の耐力が要求されるため、耐力を上げる必要が生じるため、基礎の鉄筋量が増える、あるいは大型化に繋がり、不経済な構造となることが抑制される。

図３〜図７に示した鋼製（鋼管）橋脚構造の寸法の具体的一例を示せば、次の通りである。鋼管２は外径１．０ｍで板厚１９ｍｍとする。拘束筋としては、帯鉄筋５および螺旋鉄筋７はＤ１３で外径Ｒ０．７ｍの輪が形成されるよう曲げ加工し、拘束筋保持部材６はＤ１０の鉄筋とし、拘束筋の円周方向等間隔に４本配置し、拘束筋の橋軸方向間隔が０．１５ｍになるように帯筋５あるいは螺旋筋７と拘束筋保持部材とを結束したものを用いる。拘束筋として鋼製リング８を用いる場合には、外径０．７ｍ、板厚９ｍｍの鋼管を高さ５０ｍｍに切断し、橋軸方向間隔が０．２ｍになるように鋼製リング８と拘束筋保持部材６とを結束する。

１ 杭
２ 鋼管
３ 外鋼管
４ コンクリート
５ 帯筋
６ 拘束筋保持部材
７ 螺旋筋
８ 鋼製リング
Ｆ フーチング

Claims (1)

1. 内部にコンクリートが充填された鋼製橋脚の橋脚基部の充填コンクリートを拘束する拘束筋と、前記拘束筋を保持する拘束筋保持部材とを備えたコンクリート充填形式の橋脚構造であって、前記拘束筋が、前記鋼製橋脚の中心軸と同軸となるように配置された帯筋、螺旋筋、リング状部材のうちのいずれか1種で、前記拘束筋保持部材は、前記鋼製橋脚の軸方向に延伸する部材であって、該拘束筋保持部材の設置による前記鋼製橋脚の曲げ耐力の上昇量が前記鋼製橋脚の耐震設計上無視できる量となるような部材であることを特徴とするコンクリート充填形式の橋脚構造。

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