JP5919620B2 - 鋼管矢板式係船岸およびその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、港湾や河川に構築される鋼管矢板式係船岸に関し、特に鋼管矢板壁の下端側を地盤に根入れすると共に上端側をタイ材によって控え工で支持する鋼管矢板式係船岸に関するものである。

港湾や河川に構築される係船岸に関し、鋼矢板の下端側を地盤に根入れすると共に上端側をタイ材によって控え工で支持する矢板式護岸構造物がある。
このような係船岸に関しては、「港湾の施設の技術上の基準・同解説」（（社）日本港湾協会）に即して設計される。
矢板式係船岸は、当初は鋼矢板（U型、Z型など）を用いて構築されていたが、係船岸の大水深化に伴い鋼矢板では設計として成り立たない場合が出てきて、それを克服するために、鋼管杭の両サイドに継ぎ手構造を溶接した鋼管矢板が用いられるようになってきた。
鋼管矢板を用いた鋼管矢板式係船岸は、工場で製造される鋼管矢板（JIS A 5530）であるSKY400（降伏点または耐力（以下、「鋼材降伏強度」と表記する）は235N/mm²以上）、SKY490（鋼材降伏強度は315N/mm²以上）を用いて構築される。

高橋邦夫、菊池喜昭、朝木祐次、タイロット式矢板壁の力学特性の解析、港湾技研資料、No.756 1993.6

矢板式係船岸の設計法は、矢板の根入れ長はフリーアースサポート法で決定し、応力に対しては仮想ばり法が用いられている。
フリーアースサポート法とは、タイロッド取り付け点を中心として、主働土圧と受働土圧によるモーメントが釣り合うように根入れ長さを決定する方法である。
また、仮想ばり法とはタイロッド取り付け点と、海底面を支点として、地表面から海底面までの主働土圧を作用させて、発生する曲げ応力に対応できる矢板断面を決める方法である。

これらの方法は、矢板のたわみ性を十分に考慮して考案されたものであるが、矢板の剛性の違いを考慮して検討されたものではない。鋼管矢板は鋼矢板に比べて剛性が高いため、上述の設計法をそのまま適用することはできないという問題がある。
この問題を解決するため、非特許文献１に示されるように、高橋らは、矢板壁の剛性を考慮し、矢板壁の根入れ部分に関して弾性床上の梁として取り扱うRoweの方法に着目し、Roweの方法と、従来の設計法を比較検討した（非特許文献１参照）。
Roweの方法は解析的に解く必要があるため、設計実務としては利便性に欠けるものである。そこで、高橋らは、Roweの方法と従来の設計法を比較し、Roweの方法による必要根入れ長の簡易的に求める式（（１）式）、や仮想ばり法で求めた最大曲げモーメントを、Roweの方法を満足する最大曲げモーメントに補正する方法（（２）式）を提案した。
（１）式や（２）式は、現在実務で用いられている（以下、この方法をRoweの修正法という場合あり）。以下、（１）式、（２）式を説明する。

矢板壁の剛性EIとタイロッド取り付け点から海底面までの高さH_Tで決まる指標であるフレキシビリティナンバーρ（＝H_T ^４/EI）を計算し、海底地盤の地盤反力係数ｌ_hを掛け合わせた指標であるシミラリティナンバーω（＝ｌ_h×ρ）を算出する。ここに、Eは鋼管矢板のヤング率（MPa）、Iは単位幅あたりの鋼管矢板壁の断面２次モーメント（m⁴/m）である。
このωを用いて矢板の根入れ長は（１）式、最大発生モーメントは（２）式で求める。
D_F/H_T＝5.0916ω^-0.2-0.259 ・・・（１）
ここにD_F：Roweの方法による必要根入れ長
H_T：タイ材とりつけ地点から海底面までの高さ（ｍ）
M_F/M_T＝4.5647ω^-0.2＋0.1319 ・・・（２）
ここに、M_F：Roweの方法を満足する最大曲げモーメント
M_T：仮想ばり法で求めた最大曲げモーメント

近年、船舶の大型化による係船岸の大水深化や、地震などの設計外力の増加で、（２）式で算定されるM_F/M_Tが１を越えるケースが増えている。（２）式において１を越える場合は、矢板壁の剛性が高いため、従来の方法、すなわち仮想ばり法で求めた最大曲げモーメントでは不十分であることを示している。言い換えれば、M_F/M_Tが１を越えるケースでは、矢板壁のたわみ性が十分発揮されていないことになる。船舶の大型化による係船岸の大水深化や、これまでよりも耐震性能に優れることが求められるなど、必要とされる矢板壁の剛性が増大している。これにより、必要となる根入れ長も長くなっている。このことにより、鋼重が増すと共に建設コストが増大するという問題を有している。

本発明は、鋼重を低減して建設コストを抑制できる鋼管矢板式係船岸を得ることを目的とする。

上記課題を解決するために、さまざまな条件における鋼管矢板式係船岸の試計算を行った。試計算の概要を図１に示す。
鋼管矢板式係船岸は、図１に示すように、鋼管矢板の下端側を海底地盤に根入れすると共に、上端側をタイ材によって控え工で支持してなるものである。
試計算の条件は次に示すとおりである。
水深は-12m、-15mの２種類で係船岸天端は+3m、タイ材取り付け点は+1.5mで固定した。また、残留水位は無いものとした。
海底地盤は、緩い、中位、堅い、の３種類とした。せん断抵抗角と地盤反力係数ｌ_hは、「緩い」では、30°と24MN/m ³ 、「中位」では、35°と38MN/m ³ 、「堅い」では40°と58MN/m ³ とした。
鋼管矢板式係船岸の背後には裏込石を配置することにし、せん断抵抗角は40°とした。
地盤の単位体積重量は、海底地盤、裏込石とも共通で水中単位体積重量は10kN/m³、気中では18kN/m³とした。
設計震度は、レベル１地震を対象として、地域ごとの設計地震動を用いて検討地点の地盤の1次元地震応答解析結果から設計震度を求めることになっているが、本検討では0.20と0.25を対象とした。
鋼管矢板に関しては、L-T継ぎ手（L-75×75×9、T-125×9）を対象として、φ500t9〜φ1400t16（φは直径（mm）、ｔは板厚（mm））まで100mmピッチの断面を対象とした。なお、板厚は各サイズに対する最小板厚とその次に厚い板厚を用いた。
鋼材降伏強度の特性値は、SKY400は235N/mm²、SKY490は315N/mm²とした。それ以上の高強度材料については、400N/mm²、450N/mm²、500N/mm²、550N/mm²、600N/mm²、650N/mm²、700N/mm²、750N/mm²とした。仮想ばり法とRoweの修正法で求めた発生応力に構造解析係数γ_a=1.12をかけた値が、鋼材降伏強度の特性値以下になるように断面を決定した。

図２は試計算結果を分析するためのグラフであり、横軸を鋼管矢板壁の剛度を表すパラメータρ、縦軸をRoweの方法を満足する最大曲げモーメントにM_Fと仮想ばり法で求めた最大曲げモーメントM_Tの比M_F/M_Tとし、試計算結果のうち、235N/mm²、315N/mm²、450N/mm²、550N/mm²についての結果をグラフ中にプロットしたものである。
図２中に示す破線は（２）式のωに、それぞれｌ_h=24MN/m ³ 、38MN/m ³ 、58MN/m ³ を代入してρとM_F/M_Tとして曲線を引いたものである。
図２に示すように、SKY400（降伏強度235N/mm²）では、ρは26から56、M_F/M_Tは1.04〜1.40に分布し、SKY490（降伏強度315N/mm²）では、ρは49〜96、M_F/M_Tは1.04〜1.40に分布することがわかる。どちらも、M_F/M_Tが１を大きく上回るケースが多く、鋼管矢板壁の剛度が高いため、鋼管矢板壁に発生する曲げモーメントが大きくなってしまうことになる。
また、破線で示した曲線の傾きの絶対値が大きく、少々の条件の変更で、発生する曲げモーメントが大きく変化し、設計が非常に敏感であることがわかる。
現在一般に使用されている鋼管矢板の鋼種であるSKY400とSKY490を用いる限り、上記のようにM_F/M_Tが１を大きく上回り、その結果、前述したように、根入れ深さを深くしなければならず、鋼重が増えると共に建設コストが増大し、さらに設計が難しいという課題から逃れることはできない。

他方、図２に示すように、SKY490の鋼材降伏強度の特性値（315N/mm²）よりも降伏強度が大きい鋼管矢板を用いた場合（450N/mm²、550N/mm²）を見ると、450N/mm²では、ρは94から256、M_F/M_Tは0.80〜1.11に分布し、550N/mm²では、ρは154から279、M_F/M_Tは0.79〜1.02に分布することがわかる。
したがって、鋼材降伏強度の特性値が315N/mm²より大きい鋼管矢板（ここでは、例として450N/mm²と550N/mm²）を用いることでM_F/M_Tが従来材に比べて大幅に小さくなり、鋼重を減らすことができ、建設コストが増大を抑制できる。また、図２のグラフから分かるように、破線で示した曲線の傾きの絶対値が小さく、少々の条件変更では、発生する曲げモーメントの変化が小さく、設計に対して鈍感であることがわかる。
こように、鋼材降伏強度の特性値が、少なくとも315N/mm²よりも大きい鋼管矢板を用いることが有効であるとの知見を得た。

さらに、ρを用いて、ρの領域として地盤反力係数ｌ_hとの関係で表現することを以下のように考えた。
図２において、ｌ_h＝24MN/m ³ の曲線上にあり、水深-15mで鋼材降伏強度の特性値が315N/mm²の場合における図中最も右にある▲のρの値はρ=82であり、ｌ_h＝58MN/m ³ の曲線上にあり、水深-15mで鋼材降伏強度の特性値が315N/mm²の場合における図中最も右にある▲のρの値はρ=96である。
これらからρをl_hの1次関数として（l_h，ρ）が（24，82）と（58，96）の２点を通る線として設定した。つまり、直線の傾きは、（96-82）/（58-24)=7/17＝0.412となり、ρ切片は、82-7/17×24＝72.1176＝72.118となる。
したがって、鋼材降伏強度の特性値が、315N/mm²よりも大きい鋼管矢板を用いることは、下記の（３）式で表現することができる。
ρ（＝H_T ⁴/EI）＞0.412ｌ_h＋72.118 ・・・（３）式
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下の構成を備えてなるものである。

（１）本発明に係る鋼管矢板式係船岸は、下端側を地盤に根入れすると共に上端側をタイ材によって控え工で支持する鋼管矢板式係船岸であって、鋼管矢板壁の剛度を表すパラメータρ（＝H_T ⁴/EI）が下式を満たすことを特徴とするものである。
ρ（＝H_T ⁴/EI）＞0.412ｌ_h＋72.118
但し、H_T：海底面からタイ材取り付け位置までの高さ（ｍ）
E：鋼管矢板のヤング率（MPa）
I：単位幅あたりの鋼管矢板壁の断面２次モーメント（m⁴/m）
ｌ_h：地盤反力係数（MN/m ³ ）

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記鋼管矢板の設計で用いることができる鋼材降伏強度の特性値を400〜700N/mm²とすることを特徴とするものである。
（３）本発明に係る鋼管矢板式係船岸の設計方法は、下端側を地盤に根入れすると共に上端側をタイ材によって控え工で支持する鋼管矢板式係船岸の設計方法であって、
鋼管矢板壁の剛度を表すパラメータρ（＝H_T ⁴/EI）が下式を満たすように設定することを特徴とするものである。
ρ（＝H_T ⁴/EI）＞0.412ｌ_h＋72.118
但し、H_T：海底面からタイ材取り付け位置までの高さ（ｍ）
E：鋼管矢板のヤング率（MPa）
I：単位幅あたりの鋼管矢板壁の断面２次モーメント（m⁴/m）
ｌ_h：地盤反力係数（MN/m ³ ）
（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記鋼管矢板の設計で用いることができる鋼材降伏強度の特性値を400〜700N/mm²とすることを特徴とするものである。

本発明によれば、SKY490の鋼材降伏強度の特性値（315N/mm²）よりも降伏強度が大きい鋼管矢板を用いることになるので、鋼管矢板壁に用いる鋼材重量を低減することができ、建設コストを抑制できる。また、タイ材や控え工へ作用する荷重が減少するため、両者の鋼材重量低減にもつながる。

本発明に係る鋼管矢板式係船岸を想到するための試計算の条件を説明する説明図である。 試計算結果を分析するためのグラフである。 -12m水深の鋼管矢板式係船岸の鋼材降伏強度の特性値と使用鋼材重量の低減率の関係を示すグラフである。 -15m水深の鋼管矢板式係船岸の鋼材降伏強度の特性値と使用鋼材重量の低減率の関係を示すグラフである。

本発明においては、SKY490の鋼材降伏強度の特性値（315N/mm²）よりも降伏強度が大きい鋼管矢板を用い、M_F/M_Tの値を最大でも1.1程度までとして、ρとの関係でM_F/M_Tの変化が小さい領域で合理的な設計を行うことで、鋼材使用重量を減らし、建設コストを低減できる。

以下においては、好適な鋼材降伏強度の特性値の範囲について説明する。
好適な鋼材降伏強度の特性値の範囲を求めるに際して、前述した図１に示す鋼管矢板式係船岸について、前述したのと同様に、さまざまな条件における鋼管矢板式係船岸の試計算を行った。
試計算の条件を再掲すると以下の通りである。

水深は-12m、-15mの２種類で係船岸天端は+3m、タイ材取り付け点は+1.5mで固定した。
海底地盤は、緩い、中位、堅い、の３種類とした。せん断抵抗角と地盤反力係数ｌ_hは、「緩い」では、30°と24MN/m ³ 、「中位」では、35°と38MN/m ³ 、「堅い」では40°と58MN/m ³ とした。
鋼管矢板式係船岸の背後には裏込石を配置することにし、せん断抵抗角は40°とした。
地盤の単位体積重量は、海底地盤、裏込石とも共通で水中単位体積重量は10kN/m³、気中では18kN/m³とした。
設計震度は、レベル１地震を対象として、地域ごとの設計地震動を用いて検討地点の地盤の1次元地震応答解析結果から設計震度を求めることになっているが、本検討では0.20と0.25を対象とした。
鋼管矢板に関しては、L-T継ぎ手（L-75×75×9、T-125×9）を対象として、φ500t9〜φ1400t16（φは直径（mm）、ｔは板厚（mm））まで100mmピッチの断面を対象とした。
鋼材降伏強度の特性値は、SKY400は235N/mm²、SKY490は315N/mm²とした。それ以上の高強度材料については、400N/mm²、450N/mm²、500N/mm²、550N/mm²、600N/mm²、650N/mm²、700N/mm²、750N/mm²とした。仮想ばり法とRoweの修正法で求めた発生応力に構造解析係数γ_a=1.12をかけた値が、鋼材降伏強度の特性値以下になるように断面を決定した。

結果を、表１、表２に示す。表１は水深-12mの場合であり、表２は水深-15mの場合である。各表においては、「海底地盤条件」、「設計震度」、「水深」、「鋼材降伏強度の特性値（N/mm²）」、「決定した鋼管矢板断面」、「ρ（m³/MN）」、「M_F/M_T」、「鋼管矢板長さ(m)」、「鋼重(t/m)」、「発生応力度の設計用値γ_aσ」を示している。

表に示されたものの中から考察すると、例えば、表２に示す水深-15ｍの場合において、地盤条件が「中位」、設計震度が0.2の場合、鋼管矢板断面、M_F/M_Tおよび鋼重は、SKY400（鋼材降伏強度の特性値：235N/mm²）では、それぞれφ1200t16、1.15、11.47(t/m)である。また、同条件において、SKY490（鋼材降伏強度の特性値：315N/mm²）では、鋼管矢板断面、M_F/M_Tおよび鋼重は、それぞれφ1000t14、1.05、9.32(t/m)である。
これらに対して、鋼材降伏強度の特性値を400N/mm²とした場合には、鋼管矢板断面、M_F/M_Tおよび鋼重は、それぞれφ800t12、0.938、7.33(t/m)となる。
使用鋼材重量についてみると、SKY400を1.0とすると、SKY490では0.81、鋼材降伏強度の特性値を400N/mm²とすると0.64となる。
このように、鋼材降伏強度の特性値を400N/mm²とすると大幅に使用鋼材重量を低減することがでる。

上記の考察の一例と同様に、好適な鋼材降伏強度の特性値を調べるため、鋼材降伏強度の特性値とSKY400に対する使用鋼材重量の低減率の関係を整理した。
図３は整理の結果を示すグラフであり、-12m水深の係船岸について、縦軸がSKY400に対する使用鋼材重量の鋼重比を示し、横軸が鋼材降伏強度の特性値を示している。また、図４は、-15m水深の係船岸について、縦軸がSKY400に対する使用鋼材重量の低減率を示し、横軸が鋼材降伏強度の特性値を示している。
図３、図４にグラフにおいては、各降伏強度について6ケース（表１、２における「Case1」,「Case1M」,「Case1D」,「Case1-25」,「Case1M-25」,「Case1D-25」）の計算を行いその平均値をプロットしたものである。

図３に示されるように、-12m水深では、400N/mm²でほぼ低減率が収束していることがわかる。これ以上大きな鋼材降伏強度の特性値を用いて、鋼管矢板の直径を小さくしても、単位幅あたりの鋼材使用重量に大きな差がなくなってくるためである。
一方、-15m水深では、700N/mm²まで鋼材降伏強度の特性値を上げていく効果が現れている。したがって、両者の結果から、好適な鋼材降伏強度の特性値は400N/mm²〜700N/mm²の間にあることがわかる。

以上のように、本発明によれば、鋼重を確実に低減でき、さらに合理的な範囲も明確になった。これにより、鋼管矢板壁に用いる鋼材重量を低減することが出来、タイ材や控え工へ作用する荷重が減少するため、両者の鋼材重量低減にもつながる。

１ 鋼管矢板式係船岸
３ 鋼管矢板
５ 地盤
７ タイ材
９ 控え工

Claims (4)

1. 下端側を地盤に根入れすると共に上端側をタイ材によって控え工で支持する鋼管矢板式係船岸であって、
   鋼管矢板壁の剛度を表すパラメータρ（＝H_T ⁴/EI）が下式を満たすことを特徴とする鋼管矢板式係船岸。
   ρ（＝H_T ⁴/EI）＞0.412ｌ_h＋72.118
   但し、H_T：海底面からタイ材取り付け位置までの高さ（ｍ）
   E：鋼管矢板のヤング率（MPa）
   I：単位幅あたりの鋼管矢板壁の断面２次モーメント（m⁴/m）
   ｌ_h：地盤反力係数（MN/m ³ ）
2. 前記鋼管矢板の設計で用いることができる鋼材降伏強度の特性値を400〜700N/mm²とすることを特徴とする請求項１記載の鋼管矢板式係船岸。
3. 下端側を地盤に根入れすると共に上端側をタイ材によって控え工で支持する鋼管矢板式係船岸の設計方法であって、
   鋼管矢板壁の剛度を表すパラメータρ（＝H_T ⁴/EI）が下式を満たすように設定することを特徴とする鋼管矢板式係船岸の設計方法。
   ρ（＝H_T ⁴/EI）＞0.412ｌ_h＋72.118
   但し、H_T：海底面からタイ材取り付け位置までの高さ（ｍ）
   E：鋼管矢板のヤング率（MPa）
   I：単位幅あたりの鋼管矢板壁の断面２次モーメント（m⁴/m）
   ｌ_h：地盤反力係数（MN/m ³ ）
4. 前記鋼管矢板の設計で用いることができる鋼材降伏強度の特性値を400〜700N/mm²とすることを特徴とする請求項３記載の鋼管矢板式係船岸の設計方法。
   

Images