JP5618674B2 - 鉄道橋合成構造および合成化工法 - Google Patents

Description

本発明は、既設の鋼鉄道橋の鋼桁部にコンクリート床版を合成して補強する鉄道橋合成構造および合成化工法に関する。

鋼鉄道橋は、老朽化すると、腐食の進行による耐荷力の低下や、構造に起因する応力集中部などの疲労耐久性の低下が問題となり、鉄道車両の繰り返し荷重により崩壊の可能性まで考慮しなければならない。ある鉄道路線においては、１００年以上も前に建設された鉄道橋が多く残されているため、特に鋼鉄道橋の老朽化が問題となっている。
また、長年の間に路線に沿って都市化が進んだり人々の環境に対する要求が変化したりして、既設の鉄道橋においても騒音対策が重要な問題になってきた。

従来、老朽化した鋼鉄道橋の寿命を延長させるために、鋼桁を取り替える方法や、複合構造化工法が行われていた。図１０は、これまでに提案された鉄道橋の合成桁化工法を図示したものである。しかし、たとえば、図１０に示した合成桁化工法であっても、（１）準備作業においてレールの切断をし、（２）撤去作業により軌道を撤去し、（３）床版設置作業で工場生産した床版を持ち込んで鋼桁上に設置して、調整し接合する。さらに、（４）床版の上に軌道を設置して復旧し完成する。このように、従来の工法では、軌道を一旦撤去したり、軌道の位置を調整したりする必要があって、長時間に亘って鉄道橋上の車両の運行を停止させる必要があった。このため、鋼鉄道橋の延命化工事も容易には実施できなかった。

これに対して、たとえば特許文献１に、図１１に示すようなＩ型鋼桁を用いた鋼鉄道橋について、車両の運行停止をできるだけ避けるようにして、鋼桁の交換工事をする方法が開示されている。開示方法は、既設桁より外側に仮設桁を設けて、線路床を仮設桁で側方から支持するようにしてから既設桁を取り除き、そこに新しい鋼桁を設けて既設の線路床との隙間に充填コンクリートや充填バラストを充填して線路床を支持するようにする。なお、仮設桁は新設桁の一部として使用するため仮設桁の撤去を行う必要がない。

しかし、特許文献１の開示方法であっても、線路床を既設桁から仮設桁に受け替えする必要があり、この工程では車両の運行を休止する必要がある。また、仮設桁や新設桁の製作に長い時間が必要で、全体の工事期間も長くなる。
なお、車両の運行を停止させることなく、既設の鋼桁を撤去して新しい鋼桁と取り替える方法を開示する文献は見出せなかった。

また、既設の鋼鉄道橋に適用できる騒音抑制方法として、特許文献１で開示された受け替え方法においても、軌道の下に形成される隙間に消音用の充填バラストを設置することが記載されている。ただし、充填バラストの消音効果の程度については記載がない。

さらに、特許文献２には、既設の鋼鉄道橋にも使用できる遮音マットが開示されている。特許文献２に開示された遮音マットは、液状イソプレンゴムなど不凍性の粘性液状体が封入されたもので、鋼床版の上に積載されるバラストを介してレールを支持する軌道構造において、バラストと鋼床版の間に設けるものである。

レール側で発生して鋼床版側に伝播してくる音や振動のエネルギーは、粘性液状体で吸収され熱エネルギーとなって放出されるので、鋼鉄道橋で発生する騒音が軽減する。
この方法は、鋼鉄道橋のバラストを入れ替えるときに、最下層に遮音マットを導入すればよいので、比較的短い線路閉鎖時間を取ればよい。ただし、特許文献２には、遮音マットの消音効果や寿命についての具体的な開示がない。

鋼鉄道橋の騒音抑制については、ゴム系制振材を取り付ける方法、厚さ１５０ｍｍ以上の被覆コンクリートを取り付ける方法など、他にも種々の工法が提案されているが、いずれも、既設の鋼鉄道橋に適用する場合に、列車の運行を妨げないようにすることが難しい。なお、これらの工法でも十分な騒音抑制効果を得ることは難しい。

特開２００２−１９４７０４号公報 特開２００８−２０８５３０号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、既設の鋼鉄道橋について、鋼桁とコンクリート床版を合成した合成桁を列車の運行を妨げずに形成できる鉄道橋合成構造であって、鋼鉄道橋の寿命を延長させ、かつ騒音の抑制をすることができる鉄道橋合成構造を提供することであり、また、その構造を形成する鉄道橋合成桁化工法を提供することである。

本発明は、Ｉ型鋼桁など下フランジを持った鋼桁を有する鉄道橋に対して、鋼桁にゴムラテックスモルタルを吹付けして被覆し、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）パネルの端部を鋼桁の下フランジに固定して底板とし、鋼桁とＦＲＰパネルで囲まれた空間に速硬軽量コンクリートを打設して、鋼・コンクリート合成桁を形成することを特徴とする鉄道橋合成桁化技術である。
すなわち、本発明の鉄道橋合成構造は、下フランジを持った鋼桁を有する鉄道橋において、ゴムラテックスモルタルを被覆した鋼桁と、ＦＲＰパネルの端部を下フランジに固定して形成した底板と、上記鋼桁と上記底板で囲まれた空間に速硬軽量コンクリートを打設して形成されたコンクリート床版とを備えることにより、鋼・コンクリート合成桁を形成したことを特徴とする。
固化した速硬軽量コンクリートの中に、格子状の鉄筋が配置されていてもよい。

速硬軽量コンクリートは、軽量骨材を主要骨材として形成される軽量コンクリートに速硬材を加えたものである。発明者らの使用した速硬軽量コンクリートは、固化後の単位容積質量が約２ｋｇ／ｌと軽く、圧縮強度が、たとえば、２８日経過した時点における５７Ｎ／ｍｍ^２の値に対して、施工後２４時間で約５０％、１２時間後で約４０％、４時間後でも約３０％と、急速に硬化することが分かった。

ゴムラテックスモルタルは、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）混和材を混入したモルタルで、薄く吹付けることが可能で被覆材として利用でき、また施工も簡単である。ゴムラテックスモルタルは、鋼材とコンクリートの両方に対して強い付着力を有するので、鋼桁を被覆するゴムラテックスモルタルは、鋼桁に囲まれた空間の内部で固化する速硬軽量コンクリートと固着して、鋼とコンクリートの合成を強固なものとする。こうした鋼とコンクリートの合成により、コンクリート床版と主桁の鋼桁が一体となって荷重に抵抗する鋼・コンクリート合成桁橋を形成する。

また、ゴムラテックスモルタルで被覆した鋼材は、振動や音の発生を抑制して、騒音を低減させる効果を有する。さらに、耐透水性、耐衝撃性、耐候性に優れ、コンクリートとの境界部や枕木の下などにおける鋼材の腐食を防止する。また、防食塗料などを施す必要が無いので、塗料の塗り替えを省略し、維持管理コストを低減することができる。
さらに、本発明の構成では、騒音の発生源となる鋼桁がコンクリート床版と一体化するため、音や振動を発生させるのにより大きなエネルギーを要し、また、発生する音波の周波数が低下するので、騒音レベルが一層低下する。

ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）パネルは、並設したＦＲＰチャンネルをチャンネルのフランジ同士で接着することによりパネルに形成したものであることが好ましい。ＦＲＰチャンネルは、鋼桁で囲まれた空間に容易に挿入することができ、簡単に接着して固化前のコンクリートが漏れないような底板にすることができる。
また、ＦＲＰチャンネルは、そのフランジの部分に穴を開けたり溝床面に突起を形成したりしたものであることが好ましい。これらの穴や突起により、硬化した速硬軽量コンクリートの外形に突起や凹みを形成させて、フランジ部や溝床面の凹凸と係合させることにより、ＦＲＰパネルと速硬軽量コンクリートとが互いにずれないようにすることができる。

ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）とは、繊維を合成樹脂の中に入れて強度を向上させた複合材である。合成樹脂を強化するための強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維等が挙げられる。また、繊維を入れる合成樹脂（マトリックス樹脂ともいう）としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。なお、好ましい組み合わせは、強化繊維としてガラス繊維、合成樹脂として不飽和ポリエステル樹脂である。

また、本発明の鉄道橋合成桁化工法は、下フランジを持った鋼桁を備えた鉄道橋に対して、鋼桁にゴムラテックスモルタルを塗布する工程と、ＦＲＰチャンネルを軌道下の鋼桁に囲まれた空間に取り込んで並設し、チャンネルのフランジ同士を接合し、端部を鋼桁の下フランジに固定して底板とする工程と、鋼桁と底板で囲まれた空間に速硬軽量コンクリートを満たして固化させる工程とを備え、鋼桁に囲まれたコンクリート床版を形成して鋼・コンクリート合成桁を得る合成桁化工法である。鋼桁と底板で囲まれた空間に格子状の鉄筋を配置する工程を含んでもよい。

なお、底板を形成する工程は、ＦＲＰチャンネルを軌道下に取り込んでは、既にセットされたＦＲＰチャンネルと新しく取り込んだＦＲＰチャンネルのフランジ同士を接合してＦＲＰパネルを形成する工程と、形成されたＦＲＰパネルの端部を鋼桁の下フランジ上面に接合して底板にする工程に分けてもよい。
ＦＲＰチャンネルのフランジ同士および鋼桁の下フランジとＦＲＰパネル端部は、接着剤を使用して接合しても良い。また、チャンネルのフランジ同士の接合を助けるために、埋殺バネ金具あるいはステープルを用いることができる。さらに、ＦＲＰパネルの端部と下フランジの接合を助けるために埋殺Ｌ型部材を用いても良い。
また、鉄筋は、鋼桁に囲まれた領域に持ち込むことができる大きさに形成された格子状部材を、当該領域に持ち込んで、ＦＲＰチャンネルのフランジの上、あるいはその上方に配置するようにしても良い。

本発明の鉄道橋合成構造は、鉄道橋の鋼桁をゴムラテックスモルタルで覆うので、鋼部材において特にコンクリートとの境界部などに高い防食効果を持ち、特別なずれ止め構造を備えないでもコンクリート床版との一体化が促進され、また、ゴムラテックスモルタル自体の効果と鋼・コンクリート合成桁化の効果により鉄道橋の騒音を軽減することができる。なお、ゴムラテックスモルタルを処置した鋼桁は塗装が不要で、定期的な塗料の塗り直しが要らないので、維持管理コストの低減にもなる。

さらに、本発明の鉄道橋合成構造は、コンクリート床版の底をＦＲＰパネルで形成するため、鋼板の型枠を利用した合成床版の場合と比較して軽量になり、死荷重増分量が低減する。また、ＦＲＰパネルは、運搬、現地調整などが容易であり、現場施工性が良好である。また、ＦＲＰパネルは腐食の心配がなく塗装が不要なので、維持管理コストが低減する。

さらに、速硬軽量コンクリートによるコンクリート床版を形成するため、鋼鉄道橋の剛性、耐荷力、耐久性が向上する。また、軽量コンクリートを使用するため、死荷重増分量を低減する。さらに、鋼鉄道橋で発生する構造物音や車両音や転動音などの騒音を低減することができる。
なお、格子状の鉄筋は、コンクリートのひび割れ防止に大きな効果がある。

また、本発明の鉄道橋合成桁化工法によれば、既設の鋼桁は、ゴムラテックスモルタルを吹付けて被覆した上で、鋼・コンクリート合成桁の部材としてそのまま利用されるから、線路の位置を移動させずに施工することができる。したがって、施工後の軌道調整が不要になり、高い施工効率を得ることができる。また、線路下における工事は、既存の耐荷力を維持したまま施工され、列車の運行を妨げない。さらに、速硬軽量コンクリートを用いて短時間で硬化させるので、鉄道工事における夜間の線路閉鎖時間の間に必要な工事を完了することができる。つまり、夜間など列車の運行を妨げない期間に施工して、鋼鉄道橋の寿命延長と騒音抑制化を達成することができる。

本発明の１実施例に係る鉄道橋合成構造を示す断面図である。 本実施例の鉄道橋合成構造の内部構造を説明する一部断面平面図である。 本実施例の鉄道橋合成構造に使用されるＦＲＰ型枠の斜視図である。 本実施例の鉄道橋合成構造の端部を拡大して表示する断面図である。 本実施例の合成桁化工法を説明する流れ図である。 本実施例における合成桁化の効果を支間中央のたわみ量から説明するグラフである。 本実施例における合成桁化の効果を下フランジの歪みで説明するグラフである。 本実施例における合成桁化の効果を上フランジの歪みで説明するグラフである。 本実施例における合成桁化による騒音抑制効果を説明するグラフである。 従来の既設鋼橋の合成桁化工法の例を示す手順図である。 既設の鋼鉄道橋を表す断面図である。

以下、実施例を用いて本発明の鉄道橋合成構造および合成桁化工法について詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例の鉄道橋合成構造を説明する断面図、図２は本実施例の鉄道橋合成構造の内部構造を説明する一部断面平面図、図３は本実施例に使用する型枠の構成を説明する斜視図、図４は本実施例の鉄道橋合成構造の端部を表示する断面図、図５は本実施例の鉄道橋合成桁化工法を説明する工程図である。
また、図６〜９は、本実施例の鉄道橋合成桁化工法の効果を示すグラフである。

本実施例の鉄道橋合成構造は、図１１に示したような、フランジを有し、横桁で連結した鋼主桁の上に枕木を渡し枕木の上にレールを敷いて形成される既設の鋼鉄道橋に対して、鋼桁にゴムラテックスモルタルを塗布した上で、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製のチャンネルを底板として主桁と横桁に囲まれた空間に速硬軽量コンクリートを打設してコンクリート床版を形成することにより、図１に示すような鋼・コンクリート合成桁を構成させたものである。
また、本実施例の鉄道橋合成構造は、本発明の１実施例に係る合成桁化工法により車両の運行を妨げずに形成することができ、合成桁化構造の特性とゴムラテックスモルタルの特性とに基づいて耐用年数を大幅に増大し、騒音を大きく抑制することができる。

図１は、本実施例の鉄道橋合成構造を軌道軸に垂直な面で切った断面を示す断面図である。断面の背景に、横桁２が表現されている。
既設の軌道支持構造は、１対の鋼製の主桁１を跨いで枕木３が載置され、枕木３の上に１対のレール６が固定されるものである。１対の主桁１の間には適宜の間隔で鋼製の横桁２が設けられていて、安定な鋼桁支持構造が形成されている。主桁１には、下端に下フランジ４、上端に上フランジ５が形成されている。

本実施例の鉄道橋合成構造は、主桁１と横桁２で形成された鋼桁の露出表面に厚さ３〜７ｍｍのゴムラテックスモルタル１１の被覆が形成され、主桁１の下フランジ４の間にＦＲＰ製の型枠１２が渡され、主桁１と横桁２の鋼桁に囲まれ型枠１２が底板になった空間に速硬軽量コンクリートが打設され、速硬軽量コンクリート１４が生成してコンクリート床版が形成されることにより、構成される。速硬軽量コンクリート１４の中に鉄筋１３が埋設されていてもよい。

本実施例の鉄道橋合成構造では、横桁２が速硬軽量コンクリート１４の軌道軸方向の側面を規制する型枠の役割を持つ場合もある。既設の鋼桁にコンクリート型枠になるような横桁２がない場合は、軌道軸方向の端面に別途、永久型枠あるいは暫定型枠を当ててコンクリートを打設する必要がある。

図２は、本実施例に係る鉄道橋合成構造の１例における内部構造を説明する平面図である。図２の左部分は網鉄筋の部分までコンクリートを剥がした状態を、また図の右部分はさらにＦＲＰ型枠のフランジの上面までコンクリートを剥がした状態を表示している。

図２に示したものは、実際に使われていた鋼鉄道橋の鋼桁を取り外したものを試験体として利用し本発明の合成桁化構造を形成したもので、本発明の実施可能性と効果を確認する試験や測定の便宜のために使用したものである。
試験体は、主桁１の間隔約１．５ｍ、軌道軸方向の支間長約３．７ｍで、横桁２により軌道軸方向に３つの部分に仕切られている。また、主桁１の高さ約３２５ｍｍ、主桁１の鋼板の厚さ約１５ｍｍ、主桁１の上フランジ５の幅１３５ｍｍ、下フランジ４の幅約１５５ｍｍである。

図中の型枠１２は、複数のＦＲＰ製チャンネル２０を主桁１の間に渡してチャンネル２０の端面を主桁１の下フランジ４の上面に接着し、さらに互いにチャンネル２０のフランジ同士を接着することでパネル化して、底板とするものである。
ＦＲＰ製チャンネル２０は、繊維強化プラスチックで形成されたチャンネルで、軽量で強いばかりでなく、防錆塗装を必要としないので、施工や保守における経済性も優れる。特に、ガラス繊維強化プラスチックは、軽く、強く、腐食せず、また、引抜き成型が可能なため、チャンネルの製造が容易などの利点がある。
チャンネル２０は、取り扱いと製造の容易さを考慮して、できるだけ形状と寸法を統一することが好ましい。本実施例では、基本の形状を、幅３１０ｍｍ、長さ１４４５ｍｍ、フランジ２１の高さ９０ｍｍとし、現場の状況に従って他の寸法のものを加えるようにしたが、チャンネル２０の形状は適宜決めて良いことは言うまでもない。

図３は、型枠１２の端部を拡大して示す斜視図である。軌道軸に垂直な方向に並設されたチャンネル２０は、フランジ２１同士を型枠用接着剤２４で接着して連続化し、パネルを構成する。
現場における接着は、型枠用接着剤２４が固まりチャンネルのフランジ２１同士が接合するまで接着部分がずれたりしないようにするため、埋殺バネ金具２５やステープル２６で接着部分を固定しておくことが好ましい。埋殺バネ金具２５やステープル２６は、接着固定後も外さず、速硬軽量コンクリート中に埋め込んでおけばよい。

チャンネル２０のフランジ２１には貫通孔２２が設けられ、底の内面には升目に設けた筋状の突起２３が存在してもよい。固化した速硬軽量コンクリート１４の表面には、この型枠の内側の面をなぞった形状が形成される。したがって、固化後の速硬軽量コンクリート１４の表面凹凸と型枠１２の表面凹凸は係合して位置がずれないようになる。
なお、フランジ２１の貫通孔２２は、隣のチャンネル２０のフランジの孔と同じ位置に配置して、フランジ２１が接着されるときに、接着されたフランジ同士で貫通孔２２の一部が連通して、フランジ２１で仕切られた速鋼軽量コンクリート１４が貫通孔２２の部分で連続するようにしても良い。

図４は、鉄道橋合成構造の端部を拡大して表示する断面図である。
チャンネル２０の端面下面が主桁１の下フランジ４の上面に接着剤２７で接着され固定されて、型枠１２が主桁１と横桁で囲まれた空間の底板となる。なお、型枠１２を主桁１の下フランジ４に設置し、接着剤２７が固まるまでずれないように保持するためのＬ型部材２８が使われていてもよい。Ｌ型部材２８は、接着固定後も外す必要はなく、速硬軽量コンクリート中に埋め込んでおけばよい。

鉄筋１３は、たとえば、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの格子に組んだ鉄筋で、速硬軽量コンクリート１４の中に埋め込まれて、コンクリートのひび割れを防止する。コンクリート打設時に主桁１と横桁の鋼桁で囲まれた空間のコンクリート内に埋設される位置に配置する必要があるため、鋼主桁間の下開口から搬入できる大きさに分割して搬入しても良い。また、現場で鉄筋１３を格子に組んでも良い。

速硬軽量コンクリート１４は、たとえば、深さ２００ｍｍ程度打設される。
速硬軽量コンクリートを使うことにより、たとえば夜間の鉄道車両運行休止時間内で十分に固まるので、強度不足でコンクリートが崩壊することを恐れて車両の運行を停止するなどの必要が無い。また、通常のコンクリートより軽量なので、床版の死荷重増分量が低減する。

本実施例の鉄道橋合成構造によれば、鋼桁に施されたゴムラテックスモルタルの効果により鋼部材の防食性能が向上し、また、速硬軽量コンクリートで形成された鉄筋コンクリート床版と鋼桁が一体化して剛性が強化されるので、鋼鉄道橋の残存寿命が長期化する。さらに、ゴムラテックスモルタルで被覆した質量等の効果により振動と音のエネルギーが吸収される上、剛性の高い鋼・コンクリート合成桁が形成されるため、騒音の抑制性能が向上する。さらに、ゴムラテックスモルタルを被覆した鋼桁や床版下のＦＲＰ製型枠は、塗料による塗装が要らないので、維持管理コストが低減する。

上記の鉄道橋合成構造を形成するための本実施例の鉄道橋合成桁化工法では、図５の工程図に示したように、初めに、既設の鋼桁に対してケレン作業を行う（Ｓ１）。ケレン作業では、ディスクサンダーなどを用いて、主桁１と横桁２の鋼桁に付いた塗装、錆、汚れなどを除去する。また、ゴムラテックスモルタルの付着をよくするために、鋼桁の表面にまんべんなく目荒らしする作業を含んでも良い。ケレン作業は、昼間の十分明るいときに、車両の運行の合間を縫って行うことができる。

次に、鋼桁表面に被覆材としてゴムラテックスモルタルを施工する（Ｓ２）。ゴムラテックスモルタル１１は、厚さ５ｍｍを目標とし３〜７ｍｍの厚さに管理するように、吹き付け施工を行うことが好ましい。
ゴムラテックスモルタルは、たとえば、セメント、砂、混和剤からなるゴムラテックスパウダー１７５７ｋｇ／ｍ^３とＳＢＲ（スチレンブタジェンゴム）エマルジョン２６４ｋｇ／ｍ^３を配合したものである。あるいは、たとえば、ポルトランドセメントの重量１に対して、４号珪砂１．５、ゴムラテックス（ＳＢＲ混和材）０．３５、収縮防止剤０．０２の配合で得ることができる。
施工中に鋼桁が振動すると、一旦付着したゴムラテックスモルタルが落剥する可能性があるので、夜間の運行休止時間中に施工することが好ましい。吹き付け条件を調整することにより、ゴムラテックスモルタルの施工は短時間で完了させることができる。

次に、主桁１と横桁２の鋼桁で囲まれた空間に、型枠１２を設置して底板とする（Ｓ３）。
型枠１２は、図２に示すように、主桁間隔を埋める長さを有する複数のチャンネル２０を並設して互いにフランジ２１同士を接着してパネルの形に構成される。
互いに接着される前のチャンネル２０は、たとえば、幅３１０ｍｍ、フランジ高さ９５ｍｍ、長さ１４５０ｍｍ程度、厚さ５ｍｍの寸法を持つＦＲＰチャンネルで、主桁１と横桁２で囲まれた空間の底の開口、あるいは枕木３の設置された上側の開口から挿入することができる。

図４に示すように、チャンネル２０の端部は主桁１の下フランジ４に接着剤２７により固定されて、型枠１２が形成するパネルが主桁１と横桁２で囲まれた空間の底板となる。
この型枠設置作業（Ｓ３）は、チャンネル等を桁下面より搬入するなど軌道側への干渉を制限すれば、昼間の間合い作業とすることができる。また、夜間の車両運行が途切れた時間帯に行えば、高い作業性を得ることができる。

次に、型枠１２の上にコンクリートのひび割れなどを防止する網鉄筋１３を設置する（Ｓ４）。網鉄筋１３は、図２に表示したように、たとえば１５０ｍｍ×１５０ｍｍの格子状に形成される。網鉄筋の設置作業（Ｓ４）は、型枠設置作業（Ｓ３）と同様、昼間の間合い作業としても、夜間作業としてもよい。

また、網鉄筋１３は、単鉄筋をＦＲＰ型枠上に搬入してから、格子に組んでも良い。なお、網鉄筋１３を桁上面から搬入することを避ける場合は、型枠設置作業Ｓ３が完了する前に桁下面から搬入すればよい。
網鉄筋１３は、型枠１２を設置する前に、枕木３などを利用して上から吊して配置するなど、施工上の工夫が期待される。
主桁間隔約１．５ｍ、支間長約３．７ｍのＩ型鋼桁を対象とした、型枠設置作業（Ｓ３）と網鉄筋設置作業（Ｓ４）は、合わせてほぼ１時間で完了した。

さらに、型枠に施した接着剤が硬化して、主桁１間で形状が安定した後に、速硬軽量コンクリートを打設する（Ｓ５）。速硬軽量コンクリート１４は、たとえば厚さ約２０ｃｍになるように打設すればよい。

速硬軽量コンクリート１４は、軽量骨材を主要骨材として形成される軽量コンクリートに速硬材を加えたもので、たとえば、コンクリート１ｍ^３当たり、水１８３ｋｇ、普通セメント３４１ｋｇ、速硬材１４６ｋｇ、細骨材（山砂）５３８ｋｇ、細骨材（砕砂）２４１ｋｇ、軽量骨材４４０ｋｇの配合に若干の遅延剤を加えて構成される。こうして生成された軽量コンクリートは、固化後の単位容積質量が約２ｋｇ／ｌと、普通のコンクリートが約２．３ｋｇ／ｌであるのと比較して軽い。また、圧縮強度は、２８日経過した時点において５７Ｎ／ｍｍ^２の値を持つが、施工後２４時間に３１．６Ｎ／ｍｍ^２で２８日経過後の値に対して約５０％、１２時間後に２４．１Ｎ／ｍｍ^２で約４０％、４時間後でも１７．７Ｎ／ｍｍ^２で約３０％と、急速に硬化することが確認された。

このように、速硬軽量コンクリートは１時間程度で施工を終了させることができる。したがって、夜間の運行休止時間内で十分、適度な強度を有する軽量コンクリートとすることができる。
こうして、鉄筋入り軽量コンクリートで形成されたコンクリート床版と既設のＩ型鋼桁が合成された、鋼・コンクリート合成桁を有する鋼鉄道橋が構成される。

なお、本実施例の合成桁化工法によれば、既設のＩ型鋼桁は、合成桁化が完了するまでレールを固定した枕木３を既設の状態で支持し続けて、合成桁化が完了した後は、鋼・コンクリート合成桁の構成要素として組み込まれる。したがって、特別の場合を除いて、工事のため車両の運行を停止する必要が無く、鋼鉄道橋の改良工事が容易に実施できる。

図６から図８は、本実施例の鉄道橋合成構造の剛性に係る性能を確認した結果を表すグラフである。ここで実施した試験は、図２の鋼桁について鋼・コンクリート合成桁化の前後における歪みあるいは変位を比較する載荷試験である。合成桁化した鋼桁試験体の支間中央を挟んで８００ｍｍの間隔で載荷梁を渡して、その上に１個約１．６７ｔのコンクリートブロックを１個から３個まで載せて、各所の歪みを測定することにより、剛性を確認した。
なお、図６〜８のグラフにおいて、合成後の理論値は、コンクリート床版を全幅有効で完全合成できたとして得た値である。

図６は、本実施例の鉄道橋合成構造における剛性の向上を確認するもので、支間中央のたわみ量を測定した結果を、縦軸に荷重をとり横軸に支間中間の鉛直変位をとったグラフ上に示している。
結果は、理論値と実測値が良く一致しており、合成桁化した後の変位は鋼桁のみの場合に比較して、約１．３倍の剛性向上を果たしている。

図７と図８は、図６の測定と同時に主桁１の下フランジ４の下面と上フランジ５の下面における歪みを測定した結果をそれぞれ示している。
図７によると、下フランジ４においても、合成桁化により剛性が増大することが分かる。ただし、荷重が大きくなると、下フランジ４の剛性の増加量が相対的に低下する傾向が見られる。
また、図８によると、支間中央のたわみや下フランジ４の歪みほど顕著でないものの、上フランジ５でも合成桁化による剛性向上の傾向が確認できる。

こうした結果から、コンクリート床版１４を形成することにより桁全体の剛性を向上させることが分かる。剛性が向上すれば、耐荷力が向上するばかりでなく、鋼桁に生ずる応力振幅を小さくすることができるため、疲労損傷の抑制、すなわち構造物の長寿命化が可能になる。本実施例の鉄道橋合成構造は、桁の剛性を向上させることにより、鋼桁の余寿命を２倍以上増加させることが期待できる。
さらに、上記試験における計測結果を検討すると、鋼・コンクリート合成桁化により、横桁方向の剛性が向上して応力集中が緩和し各桁の応力が均一化して、剛性値増大による効果以上の延命化が可能になることが分かった。

本実施例の鉄道橋合成構造は、図１に示すように、既設の鋼鉄道橋に対して鋼桁にゴムラテックスモルタル１１を被覆しコンクリート床版１４を設置して、両者の結合を強固にし、いわゆる複合構造化をすることにより、低騒音化も達成することができる。
本実施例の鉄道橋合成構造の騒音抑制効果を確認するため、実際に使用されていたＩ型鋼桁について本実施例の鉄道橋合成桁化工法により形成した合成桁化構造、すなわち図２に示した試験体の鋼桁を対象として、模擬的に騒音の減衰状況を測定した。

試験は、試験用鋼桁のスパン中央位置に加速度計とマイクを設置し、打撃力センサー付きのハンマーで上フランジのスパン中央位置を打撃したときの測定器出力を入力して解析するハンマー衝撃試験であり、主に構造物音の減衰状況の把握に利用することができる。
図９は、桁腹板中央に設けた加速度計の出力をＦＦＴ（高速フーリエ変換）分析器で解析した結果を示す。縦軸に１／３オクトーブバンド内の騒音レベル（ｄＢ）、横軸に１／３オクトーブバンドの中心周波数（Ｈｚ）を示す。鋼鉄道橋の構造物音は１２５〜２０００Ｈｚで卓越するので、グラフの横軸はこの範囲を中心に示すように選択した。
オールパス（ＡＰ）値も、１２５〜２０００Ｈｚの範囲内で算出している。
図９には、鋼・コンクリート合成桁化前の鋼桁についての測定値と合成桁化後の鋼桁についての測定値を比較できるように示している。

図９を見ると、合成桁化後では、騒音レベルが合成桁化前と比較して各周波数領域において５〜３５ｄＢ程度低下する傾向が見られ、ＡＰ値も約１５ｄＢの低減効果が読み取れる。本発明の発明者らによる試験では、ゴムラテックスモルタル被覆のみでは、５〜１０ｄＢの低減効果しか得られなかったところから、本実施例の合成桁化は鋼腹板とコンクリート床版の合成効果があり、ゴムラテックスモルタル被覆だけの場合と比べて、騒音の減少に大きな寄与をしていることが分かる。

このように、本実施例の合成桁化構造では、鋼橋の構造物音に係る騒音対策として十分に大きい効果をもたらすことが分かる。また、鋼桁の底にコンクリート床版を形成するため、鋼桁が開床式である場合は、床版による消音効果もあるため、転動音、車両音などの騒音を軽減する効果が大きい。
なお、上記説明において、各種成分についてその組成例、各種処理おいてその手順例を挙げているが、これらは具体的に実施した例の一部を参考例として挙げたものに過ぎず、特許請求の範囲の記載に対して成分や処理を制限的に規定するものでないことは言うまでもない。

本発明の鉄道橋合成構造および合成桁化工法は、既設の鉄道橋の鋼桁に適用することにより、鋼鉄道橋の剛性を向上させて橋の残存寿命を延長させ、鋼部分の腐食劣化を防止して塗装工事や補修工事などを節約しかつ運転費用の節減をもたらし、車両運行中の工事が可能なので工事日程の自由と工事費用の減縮を可能にし、しかも、鋼橋に生じる騒音を抑制して、沿道の住人の生活環境を害しないようにすることができる。
したがって、本発明の鉄道橋合成構造および合成桁化工法は、既設の鋼鉄道橋の改修をするときに、十分に活用されるべきものである。

１ 鋼主桁
２ 横桁
３ 枕木
４ 下フランジ
５ 上フランジ
６ レール
１１ ゴムラテックスモルタル
１２ 型枠
１３ 網鉄筋
１４ 速硬軽量コンクリート
２０ チャンネル
２１ フランジ
２２ 丸孔
２３ 突起
２４ 型枠用接着剤
２５ 埋殺バネ金具
２６ ステープル
２７ 接着剤
２８ Ｌ型部材

Claims (9)

1. 横桁と下フランジを持った主桁とを備えた鋼桁の上に渡した枕木の上にレールを敷いた鋼鉄道橋において、ゴムラテックスモルタルで被覆した前記鋼桁と、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）パネルの端部を前記フランジに固定して形成した底板と、前記鋼桁と前記底板で囲まれた枡形の空間に所定の深さで速硬軽量コンクリートを打設して形成されたコンクリート床版とを備えることにより、鋼・コンクリート合成桁を形成した鉄道橋合成構造。
2. 前記空間の底板はコンクリート型枠で形成される、請求項１記載の鉄道橋合成構造。
3. 前記ＦＲＰパネルは、並設したＦＲＰチャンネルをチャンネルのフランジ同士で接着してパネルに形成したことを特徴とする、請求項１または２記載の鉄道橋合成構造。
4. 前記ＦＲＰは、強化繊維としてガラス繊維を用いた、請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄道橋合成構造。
5. 前記ＦＲＰは、ガラス繊維により強化した不飽和ポリエステル樹脂である、請求項４記載の鉄道橋合成構造。
6. 前記ＦＲＰパネルの端部は前記下フランジの上面に固定される、請求項１から５のいずれか１項に記載の鉄道橋合成構造。
7. 横桁と下フランジを持った主桁とを備えた鋼桁の上に渡した枕木の上にレールを敷いた鋼鉄道橋に対して、該鋼桁をゴムラテックスモルタルで被覆する工程と、ＦＲＰチャンネルを前記鋼桁に囲まれた空間に取り込み、該ＦＲＰチャンネルを並設してチャンネルのフランジ同士を接合し、該ＦＲＰチャンネルの端部を前記下フランジに固定して底板とする工程と、前記鋼桁と前記底板で囲まれた枡形の空間に所定の深さで速硬軽量コンクリートを打設する工程とを備え、鋼桁に囲まれたコンクリート床版を形成することにより、鋼・コンクリート合成桁を形成する鉄道橋合成化工法。
   
   
8. 前記チャンネルのフランジ同士を接着剤で接合すると共に、接合を助けるために埋殺バネ金具またはステープルを用いて前記チャンネルのフランジ同士を圧着することを特徴とする、請求項７記載の鉄道橋合成化工法。
9. 前記ＦＲＰチャンネルの端部を接着剤で前記下フランジに固定すると共に、固定の補助のためにＬ型部材を用いて前記ＦＲＰチャンネルの端部を前記下フランジに固定することを特徴とする、請求項７または８に記載の鉄道橋合成化工法。

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