JP5668252B2 - 鋼上部工とコンクリート柱の結合構造 - Google Patents

Description

本発明は、高架構造物、橋梁などに用いる鋼上部工とコンクリート柱の結合構造に関する。

一般に、鋼上部工とコンクリート橋脚を組み合わせる場合、コンクリート橋脚上に支承を配置した構造が採用される。このため、ラーメン構造にはならず、鋼上部工とコンクリート橋脚とにより構成される桁構造となる。この構造の場合、鋼上部工とコンクリート柱との間においてモーメントの伝達がないため、コンクリート柱基部におけるモーメントが大きくなり、また、支承が耐震性能上、耐久性能上の弱点になりやすい。

また、Ｔ型橋脚では、梁と柱が、鋼梁と鋼柱、コンクリート梁とコンクリート柱などのように、同種の部材の組み合わせになり、鋼梁とコンクリート柱を組み合わせた構造は一般的に採用されていない。鋼梁と鋼柱の組み合わせの場合、鋼柱と基礎はアンカーフレームによる接合が必要で施工が煩雑になる。また、この場合、圧縮軸力が卓越する柱を鋼製とするためには、断面内に配置する鋼材量が多くなり、非常に高価となる。コンクリート梁とコンクリート柱の組み合わせの場合は、場所打ち施工となるため、施工期間が長く、また、型枠、支保工、足場が必要で、占有する施工スペースが大きくなる。都市内高架橋などの場合、橋下が供用道路である場合が多く、このような場合、長期間の交通規制が必要となる。

これに対して、近年、鋼製の上部構造とコンクリート柱とを結合するためのさまざまな構造形式が提案されている。本願出願人においても、この種の結合構造を、特許文献１により提案している。この文献１の構造は鋼製の箱桁と脚柱との結合構造であり、この構造では、脚柱は鉄筋及びＰＣ鋼棒の挿通孔を有する複数の筒状プレキャストブロックが積み重ねられて、挿通穴にそれぞれ鉄筋及びＰＣ鋼棒が挿通されるとともにグラウト材が注入されて構築され、鋼製の箱桁は下面に鋼製環状体が設けられ、この鋼製環状体が脚柱の上端に嵌合されて、脚柱の上端からＰＣ鋼棒が箱桁の所定箇所に挿通され、このＰＣ鋼棒の上端が箱桁に定着具により定着される。このようにしてＰＣ構造の脚柱と鋼製の箱桁との結合部の構造信頼性を高め、比較的短い工期で施工できるようにしている。

特開２００８−２５２２１公報

しかしながら、この特許文献１の鋼製の上部構造とコンクリート柱との結合構造においては、鋼製の箱桁と脚柱が鉄筋及びＰＣ鋼棒により一体化されることから、箱桁とコンクリート柱との間で所期の円滑な力の伝達を実現することが難しく、本願出願人は、この文献１の結合構造において、さらに、鋼製の上部構造とコンクリート柱との間で所期の円滑な力の伝達を図ることを目的として、鋭意研究を続けた結果、鋼製の略筒状体からなる鋼製キャップを用いた、鋼製の上部構造とコンクリート柱を剛結合するための新たな継手構造を見出し、本発明を創案するに至った。

上記目的を達成するために、本発明は、鋼材により製作された上部工とコンクリート柱とを結合する鋼上部工とコンクリート柱の結合構造において、前記上部工の下面に、鋼製の略筒状体からなり、内面に凹凸形状を有する鋼製キャップを備え、前記コンクリート柱の上部結合端の外面に凹凸形状が形成されて、前記上部工の鋼製キャップが前記コンクリート柱の上部結合端に嵌合されるとともに、前記鋼製キャップと前記コンクリート柱の上部結合端との間に隙間充填材が充填されて、前記上部工の鋼製キャップ、及び前記鋼製キャップの内面と前記コンクリート柱の上部結合端の外面との間に当該各面の凹凸形状によりずれ止めされて密着される前記隙間充填材からなるピアキャップ継手により、前記上部工と前記コンクリート柱とを一体的に剛結合する形式を取り、この場合、柱径が３．０ｍ以下のコンクリート柱を適用対象とし、前記コンクリート柱の前記鋼製キャップへの差込長を前記コンクリート柱の柱径の少なくとも０．７８倍、前記鋼製キャップと前記コンクリート柱との隙間をおよそ４０ｍｍとし、前記隙間充填材に設計基準強度が６０Ｎ／ｍｍ ² 以上の高性能無収縮グラウト材を用いる、ことを要旨とする。
この場合、鋼製キャップの凹凸形状は、複数の鋼材が前記鋼製キャップの内周面にその円周方向に向けてリング状に、前記鋼製キャップの内周面の上部から下部まで所定の間隔で並列に取り付けられて構成され、コンクリート柱の上部結合端の外面の凹凸形状は、複数の突起が前記コンクリート柱の外面にその円周方向に向けて連続的に、前記鋼製キャップへの差込長さの範囲の上端から下端まで断面波形に形成されて構成されることが好ましい。
また、ピアキャップ継手の終局曲げ耐力は次式、

Ｍｕ：ピアキャップ継手の終局曲げ耐力（Ｎ・ｍｍ）
ｌａ：コンクリート柱のせん断スパン（ｍｍ）
Ｎ ：コンクリート柱に作用する軸力（Ｎ）
Ｐ ：コンクリート柱の支圧力の合力（Ｎ）
Ｌ ：コンクリート柱の鋼製キャップへの差込み長さ（ｍｍ）
ｄ ：コンクリート柱の外径（ｍｍ）
ｃ ：コンクリート柱と鋼製キャップとの間の隙間充填材による粘着力（Ｎ／ｍｍ²）
Φ ：コンクリート柱の内部摩擦角（ｒａｄ）
により算定され、レベル２地震時以外の荷重では、前記ピアキャップ継手に作用する曲げモーメントが前記終局曲げ耐力の１／３以下となるようにし、レベル２地震時の荷重では、前記ピアキャップ継手に作用する曲げモーメントが前記終局曲げ耐力の１／２以下となるようにすることが好ましい。
なお、鋼上部工は、橋梁上部工、Ｔ型橋脚における横梁部を含むものである。ここで、橋梁上部工とは、鋼床版形式の箱桁橋を含む鋼製の箱桁橋、橋脚位置に箱桁構造の鋼横梁を有する鈑桁橋を含むものである。
また、コンクリート柱は、場所打ちコンクリート構造の柱、プレキャストブロック構造の柱を含むものである。

本発明の鋼上部工とコンクリート柱の結合構造によれば、上記のピアキャップ継手の構造により、上部工とコンクリート柱とを一体的に剛結合するので、上部工とコンクリート柱との間で所期の円滑な力の伝達を実現することができる、という本願独自の格別な効果を奏する。
また、この結合構造では、従来の一般的な技術との対比において、さらに次のような顕著な効果を奏する。
（１）鋼上部工とコンクリート橋脚の組み合わせを採用する際に、両者の剛結合が可能になる。これにより、鋼上部工とコンクリート柱との間においてモーメントの伝達があり、コンクリート柱基部におけるモーメントが小さくなって、経済的な設計が可能である。また、支承を不要とし、耐震性、耐久性を向上させることができる。
（２）Ｔ型橋脚においても鋼製の横梁とコンクリート柱の組み合わせを採用することが可能となる。これにより、柱と基礎との接合においてアンカーフレームが不要になる。また、圧縮軸力が卓越する柱において、圧縮軸力に有利なコンクリート断面が採用でき、経済的な設計が可能になる。また、横梁の現地施工において、一括架設が可能であり、また、型枠、支保工を不要として、施工期間を短縮することができ、占有する施工スペースを小さくすることができる。都市内高架橋などの場合、橋下が供用道路である場合が多いが、このような場合でも、短期間（例えば一昼夜）の交通規制で施工が可能である。

本発明の一実施の形態における鋼上部工とコンクリート柱の結合構造の構成を示す断面図 同結合構造の要部を示す断面図 本発明のまた別の実施の形態における鋼上部工とコンクリート柱の結合構造の構成を示す図

次に、この発明を実施するための形態について図を用いて説明する。図１に鋼上部工とコンクリート柱の結合構造を示している。図１に示すように、この結合構造は、鋼材により製作された上部工１と、コンクリート柱２とを備え、これら鋼上部工１とコンクリート柱２が、ピアキャップ継手３により、一体的に剛結合される。このピアキャップ継手３を用いた結合構造では、（１）柱径が３．０ｍ以下のコンクリート柱、（２）せん断スパンが柱径以上となるコンクリート柱を適用対象とする。

鋼上部工１は橋梁上部工で、この場合、鋼床版形式の箱桁１０が採用される。この鋼床版形式の箱桁１０は工場で製作され、上部のフラットな鋼床版１１と、その鋼床版１１の下の桁部１２とにより構成される。鋼床版１１は上面の両側方に地覆（図示省略）と防護柵（図示省略）が固定される。そして、この鋼床版１１の上面に舗装が施されて道路が形成される。桁部１２は鋼製で、鋼床版１１の下面に垂直方向に延びる両側のウェブ１２１と、これらウェブ１２１の下端間に水平に延びる下フランジ１２２とを備える。

この箱桁１０の桁部１２に、ピアキャップ継手３を形成するための鋼製キャップ３０が工場の製作により併せて設けられる。この鋼製キャップ３０は鋼製の略筒状体からなり、箱桁１０に一体的に形成される。この場合、鋼製キャップ３０は、コンクリート柱２の上部接合端２０上に嵌合可能に所定の高さ及び径を有する略円筒形に、上部側の一部が箱桁１０の桁部１２の中央に下フランジ１２２の下面から差し込まれて一体的に形成される。また、この場合、鋼製キャップ３０をコンクリート柱２の上部接合端２０から抜けにくくするために、鋼製キャップ３０へのコンクリート柱２の差込長に適宜の寸法を確保することが必要で、この場合、この差込長はコンクリート柱２の柱径の少なくとも０．７８倍とすることが好ましい。したがって、鋼製キャップ３０の高さはこのコンクリート柱２の差込長に基づいて適宜決定される。また、鋼製キャップ３０をコンクリート柱２の上部接合端２０から抜けにくくするため、併せて、鋼製キャップ３０とコンクリート柱２との一体化を図るため、鋼製キャップ３０とコンクリート柱２との隙間を可及的に狭くすることが望ましく、また、施工誤差及び隙間充填材の充填性を考慮して、この隙間を４０ｍｍ程度とすることが好ましい。したがって、鋼製キャップ３０の径はコンクリート柱２の径とこの鋼製キャップ３０とコンクリート柱２の隙間を考慮して適宜決定される。また、この鋼製キャップ３０は内面に凹凸形状３１が形成される。この場合、凹凸形状３１は、図２に示すように、複数の鋼材（この場合、丸鋼）３１１がそれぞれ鋼製キャップ３０の内周面にその円周方向に向けてリング状に、（鋼製キャップ３０の内周面の）上部から下部まで所定の間隔で並列に溶接により取付けられて構成される。この場合、鋼材（丸鋼）３１１は直径９ｍｍとし、１００ｍｍ間隔で設置することを基本とする。

コンクリート柱２は橋脚で、この場合、場所打ちコンクリートが採用される。また、この場合、コンクリート柱２に用いるコンクリートの設計基準強度は５０Ｎ／ｍｍ²以上とすることが好ましい。また、このコンクリート柱２の上部に鋼製キャップ３０を接合するため、上部接合端２０の外面に凹凸形状２１が併せて形成される。この場合、凹凸形状２１は、図２に示すように、コンクリート柱２上部の鋼製キャップ３０への差込長の範囲の外周面に複数の突起２１１がコンクリート柱２の円周方向に向けて連続的に当該差込長の範囲の上端から下端まで断面波形に形成されて構成される。この場合、突起２１１の形状寸法は底辺が２０ｍｍ、高さが１０ｍｍの三角形を原則とし、そのピッチは２５ｍｍを原則とする。

このようにして上部工１及びコンクリート柱２が形成され、上部工１の鋼製キャップ３０がコンクリート柱２の上部結合端２０に嵌合され、鋼製キャップ３０とコンクリート柱２の上部結合端２０との間に隙間充填材４が充填されて、鋼製キャップ３０が隙間充填材４を介してコンクリート柱２の上部結合端２０に接合される。この鋼製キャップ３０とコンクリート柱２との接合では、鋼製キャップ３０と隙間充填材４の付着強度、及びコンクリート柱２と隙間充填材４の付着強度を高めるため、隙間充填材４に高性能無収縮グラウト材が採用される。この場合、隙間充填材４の設計基準強度は６０Ｎ／ｍｍ²以上とし、また、隙間充填材４の仕様として、ブリーディング率は０．０％、膨張収縮率は＋０．４〜＋０．６％とすることが好ましい。これにより、鋼製キャップ３０、及び鋼製キャップ３０の内面とコンクリート柱２の上部結合端２０の外面との間に各面の凹凸形状３１、２１によりずれ止めされて密着される隙間充填材４が、上部工１とコンクリート柱２とを一体的に剛結合するピアキャップ継手３となし、このような継手形式により、上部工１とコンクリート柱２が一体化される。

また、このピアキャップ継手３による上部工１とコンクリート柱２の結合構造においては、完成後の荷重、施工時の荷重及びレベル２地震時の荷重に対して降伏することなく、剛結合を保つために、レベル２地震時以外の荷重では、ピアキャップ継手３に作用する曲げモーメントが終局曲げ耐力の３分の１以下となるように設計することとし、レベル２地震時の荷重では、ピアキャップ継手３に作用する曲げモーメントが終局曲げ耐力の２分の１以下となるように設計することとする。そこで、この結合構造では、ピアキャップ継手３の終局曲げ耐力を次式により算定するものとする。

Ｍｕ：ピアキャップ継手の終局曲げ耐力（Ｎ・ｍｍ）
ｌａ：コンクリート柱のせん断スパン（ｍｍ）
Ｎ ：コンクリート柱に作用する軸力（Ｎ）
Ｐ ：コンクリート柱の支圧力の合力（Ｎ）
Ｌ ：コンクリート柱の鋼製キャップへの差込み長さ（ｍｍ）
ｄ ：コンクリート柱の外径（ｍｍ）
ｃ ：コンクリート柱と鋼製キャップとの間の隙間充填材による粘着力（Ｎ／ｍｍ²）
Φ ：コンクリート柱の内部摩擦角（ｒａｄ）

このようにして上部工１とコンクリート柱２はピアキャップ継手３を介して一体的に剛結合され、この強固で安全な剛結合構造により、常時荷重に対しても地震時荷重に対しても充分に耐え、上部工１とコンクリート柱２との間で所期の円滑な力の伝達が実現される。

以上説明したように、この鋼上部工１とコンクリート柱２の結合構造によれば、鋼製キャップ３０、及び鋼製キャップ３０の内面とコンクリート柱２の上部結合端２０の外面との間に各面の凹凸形状３１、２１によりずれ止めされて密着される隙間充填材（高性能無収縮グラウト材）４からなる所定の強度を有するピアキャップ継手３により、鋼上部工１とコンクリート柱２とを一体的に剛結合するので、鋼上部工１とコンクリート柱２との間で所期の円滑な力の伝達を図ることができる。したがって、従来、鋼上部工とコンクリート橋脚を組み合わせる場合に、コンクリート橋脚上に支承を配置した構造が採用されていたが、鋼上部工とコンクリート橋脚の組み合わせを採用する際に、このピアキャップ継手３を用いることにより、両者の剛結合が可能となる。そして、このピアキャップ継手３により、鋼上部工とコンクリート柱との間においてモーメントの伝達がなされ、コンクリート柱基部におけるモーメントが小さくなるので、経済的な設計が可能である。また、支承を不要とし、耐震性、耐久性を共に向上させることができる。また、この結合構造では、コンクリート柱２に鋼製キャップ３０を被せて隙間充填材４を注入するだけで、コンクリート柱２と鋼上部工１とを剛結合することができるので、従来の支承構造を有する桁橋などに比べて作業時間を大幅に短縮することができる。

なお、上記実施の形態では、鋼上部工１として橋梁上部工のうち鋼床版形式の箱桁１０を例示し、橋梁上部工１とコンクリート柱２とをピアキャップ継手３により結合する構造について説明したが、この鋼上部工１には橋梁上部工の他にＴ型橋脚における横梁部を含み、Ｔ型橋脚においても、図３に示すように、ピアキャップ継手３を用いることで鋼製横梁５とコンクリート柱６の組み合わせを採用することが可能となる。これにより、柱と基礎との接合においてアンカーフレームが不要になる。また、圧縮軸力が卓越する柱において、圧縮軸力に有利なコンクリート断面が採用でき、経済的な設計が可能になる。また、梁施工では、一括架設が可能であり、また、型枠、支保工を不要として、施工期間を短縮することができ、占有する施工スペースを小さくすることができる。都市内高架橋などの場合、橋下が供用道路である場合が多いが、このような場合でも、短期間（例えば一昼夜）の交通規制で施工が可能である。

また、上記実施の形態では、コンクリート柱２を場所打ちコンクリート構造の柱として例示したが、プレキャストブロック構造の柱でもよく、鋼上部工とプレキャストブロック構造の柱とをピアキャップ継手を用いて同様に結合することができ、このようにしても上記実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

１ 鋼上部工
１０ 鋼床版形式の箱桁
１１ 鋼床版
１２ 桁部
１２１ ウェブ
１２２ 下フランジ
２ コンクリート柱
２０ 上部接合端
２１ 凹凸形状
２１１ 突起
３ ピアキャップ継手
３０ 鋼製キャップ
３１ 凹凸形状
３１１ 鋼材（丸鋼）
４ 隙間充填材（高性能無収縮グラウト材）
５ 鋼製横梁
６ コンクリート柱

Claims (3)

1. 鋼材により製作された上部工とコンクリート柱とを結合する鋼上部工とコンクリート柱の結合構造において、
   前記上部工の下面に、鋼製の略筒状体からなり、内面に凹凸形状を有する鋼製キャップを備え、
   前記コンクリート柱の上部結合端の外面に凹凸形状が形成されて、
   前記上部工の鋼製キャップが前記コンクリート柱の上部結合端に嵌合されるとともに、前記鋼製キャップと前記コンクリート柱の上部結合端との間に隙間充填材が充填されて、
   前記上部工の鋼製キャップ、及び前記鋼製キャップの内面と前記コンクリート柱の上部結合端の外面との間に当該各面の凹凸形状によりずれ止めされて密着される前記隙間充填材からなるピアキャップ継手により、前記上部工と前記コンクリート柱とを一体的に剛結合する形式を取り、
   この場合、
   柱径が３．０ｍ以下のコンクリート柱を適用対象とし、
   前記コンクリート柱の前記鋼製キャップへの差込長を前記コンクリート柱の柱径の少なくとも０．７８倍、前記鋼製キャップと前記コンクリート柱との隙間をおよそ４０ｍｍとし、
   前記隙間充填材に設計基準強度が６０Ｎ／ｍｍ ² 以上の高性能無収縮グラウト材を用いる、
   ことを特徴とする鋼上部工とコンクリート柱の結合構造。
2. 鋼製キャップの凹凸形状は、複数の鋼材が前記鋼製キャップの内周面にその円周方向に向けてリング状に、前記鋼製キャップの内周面の上部から下部まで所定の間隔で並列に取り付けられて構成され、コンクリート柱の凹凸形状は、複数の突起が前記コンクリート柱の上部結合端の外面にその円周方向に向けて連続的に、前記鋼製キャップへの差込長の範囲の上端から下端まで断面波形に形成されて構成される請求項１に記載の鋼上部工とコンクリート柱の結合構造。
3. ピアキャップ継手の終局曲げ耐力は次式、
   

   

   Ｍｕ：ピアキャップ継手の終局曲げ耐力（Ｎ・ｍｍ）
   ｌａ：コンクリート柱のせん断スパン（ｍｍ）
   Ｎ ：コンクリート柱に作用する軸力（Ｎ）
   Ｐ ：コンクリート柱の支圧力の合力（Ｎ）
   Ｌ ：コンクリート柱の鋼製キャップへの差込み長さ（ｍｍ）
   ｄ ：コンクリート柱の外径（ｍｍ）
   ｃ ：コンクリート柱と鋼製キャップとの間の隙間充填材による粘着力（Ｎ／ｍｍ²）
   Φ ：コンクリート柱の内部摩擦角（ｒａｄ）
   により算定され、レベル２地震時以外の荷重では、前記ピアキャップ継手に作用する曲げモーメントが前記終局曲げ耐力の３分の１以下となるようにし、レベル２地震時の荷重では、前記ピアキャップ継手に作用する曲げモーメントが前記終局曲げ耐力の２分の１以下となるようにする請求項１又は２に記載の鋼上部工とコンクリート柱の結合構造。

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