JP5706566B1 - Ｓｐｃ合成桁橋の設計方法およびその桁橋 - Google Patents

Abstract

【課題】桁高さを低くするために桁橋の主桁断面の圧縮側に鉄骨鋼材を埋設した場合に、鉄骨鋼材を適切に評価し合理的なＳＰＣ合成桁橋の設計方法を提供する。【解決手段】主桁２の断面において、圧縮材として鉄骨鋼材が長手方向に沿って連続的に配置されると共に、所要の位置に配置されたＰＣケーブル１５、１５ａを緊張定着することにより主桁にプレストレスが付与されるＳＰＣ合成桁橋の主桁設計方法であって、主桁の断面において、鉄骨鋼材のヤング係数（Ｅｓ）とコンクリートヤング係数（Ｅｃ）によって実ヤング係数比（ｎ＝Ｅｓ／Ｅｃ）を算定し、実ヤング係数比を用いて鉄骨鋼材の断面積（Ａｓ）をコンクリート等価断面積（Ａｃ′＝（ｎ−１）・Ａｓ）に換算し、この等価断面積（Ａｃ′）を圧縮側のコンクリート断面積増加分を付け加えて設計上のコンクリート総断面として断面諸定数を計算し、算出された断面諸定数を用いて断面応力度の照査を行う。【選択図】図９

Description

本発明は、コンクリート製主桁の断面において、圧縮側に圧縮材として鉄骨鋼材が配置されたＳＰＣ合成桁橋の主桁設計方法およびその設計方法によって設計された桁橋に関するものである。

従来のＳＰＣ合成桁橋は公知の技術として公知になっている。その公知の従来技術としては、橋台間にわたって設置された複数の主桁が幅方向に束ねられて橋桁が形成され、前記主桁は、鉄骨とコンクリートとで形成されかつ両端部の両側面に接合板が突設された桁材が長さ方向に連続的に接合されてコンクリートに埋設された内ケーブルによりプレストレスが付与され、前記主桁の各鉄骨が連続的に接合され、この連続的に接合されて一本のようになった鉄骨の両端部には各接合板を貫通して主桁の両側面に沿って配線された外ケーブルが定着され、該外ケーブルによって鉄骨にプレストレスが付与された構成の桁橋である（特許文献１）。

この桁橋によれば、主桁の鉄骨に付与されたプレストレスによって橋桁に吊上荷重が与えられたことにより、主として活荷重がキャンセルされる。また、橋桁の自重が減少するのでスパンを大きく（５０〜７０ｍ）することができるとともに、従来のピアを省くことができる。また、桁高さを小さくして桁高スパン比（桁の高さ：横幅）の限界を１／３０にすることが可能となるというものである。

特許第３７０３７６０号特許公報

しかしながら、前記公知技術では、外ケーブルによって鉄骨にプレストレスが付与されることのみに着目しており、その主桁に埋設された鉄骨に関する設計方法については検討されていないのが実情である。また、外ケーブル方式とする必要がなく、仮に、内ケーブルのみ配線された場合でも、鉄骨を適切に評価する方法について言及さえしていないのである。

更に、従来のＰＣ桁橋では、死荷重や活荷重によって発生する断面引張縁の応力度を許容応力度以内に制御するためにプレストレスを導入するが、死荷重時に多くのプレストレスを導入すると活荷重作用時に圧縮側のコンクリートが許容応力度を超過する問題があり、これに対応するためには桁高さを高くせざるを得ないことになる。

一般に引張に弱いコンクリートを補強するために、部材断面の引張側に引張材として鉄筋や鉄骨等の鋼材を入れて断面の曲げ耐力を増大させることが従来の設計方法として良く知られている。しかし、これとは全く逆の発想で、圧縮側に圧縮材として鉄骨鋼材を配置する設計思想およびこの場合に、鉄骨をどのように取り扱うかの設計方法については、従来技術としては存在しなかったのである。

そこで、本発明は、桁高さを低くするために桁橋の主桁断面の圧縮側に鉄骨鋼材を埋設配置する場合には、その鉄骨鋼材を適正に評価し合理的な主桁設計方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する具体的手段として、本発明に係る第１の発明は、橋台または橋脚上に設置された複数のコンクリート製主桁が所要の間隔に並列され、主桁と主桁との間に現場打ちコンクリートによる桁間床板および横桁で一体的に連結され、前記主桁の断面において、圧縮側に圧縮材として鉄骨鋼材が長手方向（橋軸方向）に沿って連続的に配置されると共に、所要の位置にＰＣケーブルが配置され、該ＰＣケーブルをポストテンション方式またはプレテンション方式で緊張定着することにより主桁にプレストレスが付与されるＳＰＣ合成桁橋の主桁設計方法であって、前記主桁の断面において、鉄骨鋼材のヤング係数（Ｅｓ）とコンクリートヤング係数（Ｅｃ）によって実ヤング係数比（ｎ＝Ｅｓ／Ｅｃ）を算定し、該実ヤング係数比を用いて鉄骨鋼材の断面積（Ａｓ）をコンクリート等価断面積（Ａｃ′ ＝（ｎ−１）・Ａｓ）に換算し、該コンクリート等価断面積（Ａｃ′）を圧縮側のコンクリート断面積増加分とし、かつ、該コンクリート等価断面積の図心位置を、鉄骨鋼材の図心位置と等しいとして断面に付け加えて設計上のコンクリート総断面として断面諸定数を計算し、上記算出された断面諸定数を用いて断面応力度の照査を行うことを特徴とするＳＰＣ合成桁橋の設計方法を提供するものである。

また、本発明に係る第２の発明は、前記ＳＰＣ合成桁橋の設計方法によって設計されて構築されたＳＰＣ合成桁橋を提供するものである。

本発明に係るＳＰＣ合成桁橋の設計方法およびその設計方法によって設計されて構築されたＳＰＣ合成桁橋によれば、従来の鉄骨鋼材を引張材として鉄骨強度を利用してコンクリートの引張側に配置してコンクリートを補強する設計方法とは全く逆の発想で、圧縮材として鉄骨鋼材の断面積をコンクリートの等価断面積に換算して取り扱うようにすることにより、その鉄骨鋼材を適正に評価し、合理的な主桁設計を行うことができるため、圧縮側コンクリートの見かけの断面積が大きくなり、一般のＰＣ桁よりも大きなプレストレス（Ｐ）を導入することができると共に、換算断面により中立軸の位置が上昇し断面性能が大幅に改善され、ＰＣケーブルの偏心量（ｅ）が大きくなることによって、ＰＣケーブルによる曲げモーメント（Ｍ＝Ｐ×ｅ）が大きくなる。
従って、同じスパンであれば桁高さを低くすることができ、同じ桁高さではスパンを長くすることができる。桁高さを低くして桁自重を軽減し、軽量化が図れると共に、スパンが大きくなるから、従来のピアを省くことができ、経済的に設計することができるという優れた効果を奏する。

本発明に係るＳＰＣ合成桁橋の設計方法で設計される桁橋の側面図である。 同ＳＰＣ合成桁橋に係る主桁の配列状況を略示的に示す説明図である。 同ＳＰＣ合成桁橋に係る中間横桁の形成状況を略示的に示す説明図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面で１つの主桁を示す拡大断面図であり、（ａ）は第１の実施例を示し、（ｂ）は第２の実施例を示すものである。 図１のＢ−Ｂ線に沿う断面で第１実施例の１つの主桁を示す拡大断面図である。 図１のＣ−Ｃ線に沿う断面で第１実施例の一つの主桁の端部を示す拡大断面図である。 図１のＤ部を拡大して示した一部側面図である。 本設計法に係る主桁断面における断面諸定数計算断面を用いて設計法の原理を示す説明図である。 同設計法に基づき、従来技術（鉄骨無し）と本願発明が対象とする第１及び２実施例の桁橋とを対比して示した模式図である。 本設計法によるＳＰＣ合成桁橋の主桁に係る計算例の断面寸法を示した詳細図である。

本発明に係るＳＰＣ合成桁橋の設計方法および同設計方法で設計される桁橋について、図示の実施の形態に基づいて詳しく説明する。ＳＰＣ合成桁橋の設計方法で設計される桁橋の基本構成は、まず、図１〜図３に示すように、両側の橋台１間に設置された１３本の主桁２が現場打ちコンクリートによる桁間床板３および中間横桁４と端横桁２０とで一体的に連結されるものである。前記主桁２において、プレキャストセグメント方式とＰＣケーブル圧着接合の組み合わせによって形成されるものとし、長手方向（端軸方向）に鉄骨鋼材１３とＰＣケーブル６が配設され、複数（具体的には５つ）のプレキャストセグメント２ａがＰＣケーブル６を主桁２の両端部及び継目２３の断面で緊張定着して一体的に形成され、かつ、前記中間横桁４及び端横桁２０を横締めケーブル５で緊張して形成された単純桁橋７を構成するものである。なお、桁橋７の上面には橋面舗装８がなされると共に、中央分離帯９が形成され、両側面には地覆１０と歩道１１が設けられている。端横桁の形成状況は、中間横桁と略同じであるため図示は省略する。

次に、図４〜図７に基づいて設置される主桁２について説明する。図４（ａ）に示すように、第１の実施例では、各主桁２はＩ型断面でその上面側（圧縮側）に、スタッドボルト１２を有する２枚重ね（２重鋼板）の鉄骨鋼材１３が左右一対で埋設配置されると共に、その両側に内ケーブル１４が挿通配設され、主桁２の下面側（引張側）に、複数本の内ケーブル１５と１８が挿通配設される。また、図４（ｂ）に示すように、第２の実施例では、主桁２の上面側（圧縮側）の鉄骨鋼材１３は、スタッドボルト１２を有する一対のＬ字形の鋼材が使用されること、及び下面側（引張側）には複数本の内ケーブル１５の他に、外ケーブル１５ａが配設された実施例を含むことを明確にしたものである。なお、いずれのケーブルも主桁２に圧縮プレストレスを付与する点では共通する。また、主桁はプレキャストセグメント方式として形成された場合には、継目２３の口開き止めとして圧縮側にもＰＣケーブル１４を配置することが望ましいが、現場打ち方式や主桁を１本ものとする場合には、配置は不要となる。以下、主として、第１実施例について説明するが第２実施例でも同様である。

図５は中間横桁４に直行する継目２３における主桁２の断面を示すもので、各プレキャストセグメント２ａ内に埋設配置された鉄骨鋼材１３の端部に、例えば、溶接等の手段でエンドプレート１６が一体的に設けられ、橋軸方向に隣接するプレキャストセグメント２ａのエンドプレート１６同士を剪断キー１７により複数箇所で連結固定し、その後に現場打ちコンクリートにより桁間床板３および中間横桁４を打設して一体化するものである。また、この継目２３の主桁断面においては、曲げ応力が小さくなり経済的に設計するために、主桁２の中央断面で配置された６本の内ケーブルの中に、内ケーブル１８を主桁の端部まで延ばす必要がなく中間継目２３に定着具１９で緊張定着させることとした。

図６は、桁橋７の両端部における主桁２の端部断面を示すものであり、該端部断面には、各主桁２に挿通配設された内ケーブル１４の定着具２１と、内ケーブル１５の定着具２２とを配置し、該定着具２１、２２に内ケーブル１４、１５の各端部を緊張定着させて単純桁橋７が構成されるのである。

また、図７に示すように、中間横桁４に直交する継目２３の部分は、前記したように隣接するプレキャストセグメント２ａの内部に埋設配置した鉄骨鋼材１３の端部に設けたエンドプレート１６同士を剪断キー１７により連結固定して一連に繋ぎ合わせるのであり、実質的に桁橋径間全体に渡って鉄骨鋼材１３が主桁２の長さ方向（橋軸方向）に沿って連続状態に配設されると共に、スタッドボルト１２により主桁２と一体的に配設されるのである。

更に、橋台１の上部に載置される主桁２の端部においては、曲げ応力がほとんど生じない部位であるから、鉄骨鋼材の配置は不要としてもよい。また、主桁断面の配筋については、圧縮部を含めて一般的の行われているとおりに配筋することは云うまでもなく、図示を省略しただけのものである。但し、圧縮側に配置された軸方向の鉄筋は、乾燥収縮やクリープ変形等によるひび割れを防止する引張材の役割を果たすために圧縮材としての等価断面積に換算する対象とはしない。

次に、前記ＳＰＣ合成桁橋の主桁に関する設計方法について図８〜図１０に基づいて説明する。
（1）設計方針
道路橋示方書に準拠して部材の照査を行う。
（2）主桁断面形状
一例として図８に示す。
（3）使用材料
使用材料の一例を下記に示す（本発明の設計法に関係する部分のみ示す）。
コンクリート σck＝50Ｎ/ｍｍ²
鉄骨鋼材 ＳＳ400
（4）設計計算に用いる物理定数
コンクリートのヤング係数 Ｅc＝33000 Ｎ/ｍｍ²
鉄骨鋼材のヤング係数 Ｅs＝200000 Ｎ/ｍｍ²
（5）本発明の設計法によって断面諸定数の計算
1）実ヤング係数比の算出
ｎ＝Ｅs/Ec
2）鉄骨鋼材の断面積をコンクリート等価断面積に換算
Ａｃ′＝（ｎ−1）・Ａｓ
3）等価断面積を圧縮側のコンクリート断面積増加分として断面に追加して設計上のコンクリート総断面として断面諸定数を計算する。
但し、等価断面積の図心位置は鉄骨鋼材の図心位置と等しいとする。
断面積 Ａ＝ΣＡi＋Ａｃ′（図示例では、i＝1、2、3・・・・7）
図心位置 ｙc′＝｛Σ（Ａi・ｙ）+Ａｃ′・ｙ｝/Ａ
（桁上縁から中立軸までの距離）
ｙc＝（Ｈ−ｙc′）
（桁下縁から中立軸までの距離）
断面２次モーメント
Ｉc＝Σ（Ａi・ｙ²）+Ａｃ・ｙ² + ΣＩ₀i − Ａ・ｙc′²
断面係数
上縁 Ｚｃ′＝Ｉc /ｙｃ′
下縁 Ｚｃ ＝Ｉc /ｙｃ
ここに、Ａｓ ：鉄骨鋼材の断面積
Ａc′：コンクリート等価断面積
ｎ ：実ヤング係数比
Ｈ ：桁高
4）以後、上記算出された断面諸定数を用い、従来と同様な設計手順で断面応力度の照査を行う。

以上より、本発明の設計方法は、コンクリート総断面諸定数を求める際に、鉄骨鋼材を圧縮等価断面積として断面に付け加えて設計上のコンクリート総断面として断面諸定数を計算し、該算定された総断面諸定数を用いて断面応力度の照査を行う方法である。コンクリート総断面諸定数を求めた後の設計手順と設計方法については、従来通り道路橋示方書に準拠して部材断面の応力度照査を行うこととする。

図９に示すように、従来のＰＣ桁橋に比べ、鉄骨鋼材をコンクリートに換算することにより、コンクリートの見かけの断面積が大きくなり、大きいプレストレス量（Ｐ）が導入することが可能となると共に、中立軸（断面図心）の位置が上昇することに伴いＰＣケーブル（内、外）の偏心量（ｅ）が大きくなり、ＰＣケーブルによる曲げモーメント（Ｍ＝Ｐ×ｅ）が大きくなる。ようするに、断面性能が大幅に向上されることにより、桁高を低くすること、または、スパンを長くすることが可能になり、合理的且つ経済的に設計することができる。なお、図９では、内、外ケーブルとも配置された第２の実施例を示したが、本設計法は、外ケーブルの配置有無に関係なく適用できることはいうまでもない。

以下、設計計算例として図１０に示した断面寸法詳細に基づいて計算した結果を下記表１に示す。また、比較するために鉄骨のない主桁の計算結果を下記表２に示す。

表１と表２との比較より、鉄骨なしの場合に比べ鉄骨ありの場合は、
中立軸 0.95−0.83＝0.12ｍ、（上昇）
コンクリート全断面積 1.09/0.89＝1.22 （増加）
断面2次モーメント 0.39/0.32＝1.22 （増加）
上記比較のように、本発明の設計法で鉄骨鋼材を主桁の断面圧縮側に埋設配置することで中立軸が120ｍｍ上昇し、圧縮側コンクリートの見かけの断面積の増加に伴いコンクリート全断面積と共に、断面２次モーメントが２０％以上大きくなり、断面性能が大幅に改善されたことが証明されたのである。

以上、単純桁橋を実施例として図示して説明したが、これに限ることなく、本発明の設計法は、連続桁橋や斜張橋等にも適用できる。
また、図示の詳細は省略するが、第２の実施例で示されたように、内ケーブルと併せて外ケーブルも配置してもよい。主桁断面は、Ｉ型、Ｔ型または箱型のいずれとしてもよい。鉄骨鋼材の断面形状と構成については、図４（ａ）と図８に示した上下２枚の鋼板重ねとしてもよいし、図４（ｂ）に示したＬ形としてもよくて特に限定しないので、主桁断面形状に合わせて適宜に配置することが望ましい。主桁の施工法としては、現場製作とし、例えば、主桁を１本ものとして現場ヤードで製作してから橋台に移動して設置することも可能である。その場合は、プレテンション方式で主桁にプレストレスを与えることができる。即ち、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で、桁橋の構成は種々の変更が自在に行い得るものとする。

本発明に係るＳＰＣ合成桁橋の設計方法は、橋台または橋脚上に設置された複数のコンクリート製主桁が所要の間隔に並列され、主桁と主桁との間に現場打ちコンクリートによる桁間床板および横桁で一体的に連結され、前記主桁の断面において、圧縮側に圧縮材として鉄骨鋼材が長手方向（橋軸方向）に沿って連続的に配置されると共に、所要の位置にＰＣケーブルが配置され、該ＰＣケーブルをポストテンション方式またはプレテンション方式で緊張定着することにより主桁にプレストレスが付与されるＳＰＣ合成桁橋の主桁設計方法であって、前記主桁の断面において、鉄骨鋼材のヤング係数（Ｅｓ）とコンクリートヤング係数（Ｅｃ）によって実ヤング係数比（ｎ＝Ｅｓ／Ｅｃ）を算定し、該実ヤング係数比を用いて鉄骨鋼材の断面積（Ａｓ）をコンクリート等価断面積（Ａｃ′ ＝（ｎ−１）・Ａｓ）に換算し、該コンクリート等価断面積（Ａｃ′）を圧縮側のコンクリート断面積増加分として断面に付け加えて設計上のコンクリート総断面として断面諸定数を計算し、上記算出された断面諸定数を用いて断面応力度の照査を行うことができるので、単純桁橋のみならず連続桁橋や斜張橋等にも広く適用できる。

１ 橋台
２ 主桁
２ａ プレキャストセグメント
３ 桁間床板
４ 中間横桁
５ 横締めケーブル
６ ＰＣケーブル
７ 単純桁橋
８ 橋面舗装
９ 中央分離帯
１０ 地覆
１１ 歩道
１２ スタッドボルト
１３ 鉄骨鋼材
１４、１５、１８ 内ケーブル
１５ａ 外ケーブル
１６ エンドプレート
１７ 剪断キー
１９、２１、２２ 定着具
２０ 端横桁
２３ 継目

Claims (2)

1. 橋台または橋脚上に設置された複数のコンクリート製主桁が所要の間隔に並列され、主桁と主桁との間に現場打ちコンクリートによる桁間床板および横桁で一体的に連結され、前記主桁の断面において、圧縮側に圧縮材として鉄骨鋼材が長手方向（橋軸方向）に沿って連続的に配置されると共に、所要の位置にＰＣケーブルが配置され、該ＰＣケーブルをポストテンション方式またはプレテンション方式で緊張定着することにより主桁にプレストレスが付与されるＳＰＣ合成桁橋の主桁設計方法であって、
   前記主桁の断面において、鉄骨鋼材のヤング係数（Ｅｓ）とコンクリートヤング係数（Ｅｃ）によって実ヤング係数比（ｎ＝Ｅｓ／Ｅｃ）を算定し、
   該実ヤング係数比を用いて鉄骨鋼材の断面積（Ａｓ）をコンクリート等価断面積（Ａｃ′ ＝（ｎ−１）・Ａｓ）に換算し、
   該コンクリート等価断面積（Ａｃ′）を圧縮側のコンクリート断面積増加分とし、かつ、該コンクリート等価断面積の図心位置を、鉄骨鋼材の図心位置と等しいとして断面に付け加えて設計上のコンクリート総断面として断面諸定数を計算し、
   上記算出された断面諸定数を用いて断面応力度の照査を行うこと
   を特徴とするＳＰＣ合成桁橋の設計方法。
2. 請求項１の設計方法によって設計されて構築されたＳＰＣ合成桁橋。

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