JP6084472B2 - 設計支援方法、プログラムおよび設計支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄筋コンクリート構造高架橋の設計支援方法等に関する。

既設のＲＣ高架橋（Reinforced Concrete：鉄筋コンクリート）は、適宜補修や補強が行われる。例えば、補強に関しては、橋脚の三面を補強鋼板で覆い、当該補強鋼板の柱を挟んで対向する部分を橋柱ごと貫通するＰＣ鋼棒で連結・固定し、鋼板と柱との隙間並びにＰＣ鋼棒と柱との隙間に充填材を充填して、鋼板と柱とＰＣ鋼棒とを一体化する方法が知られるところである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１９６２８８号公報

しかしながら、鉄筋コンクリート構造高架橋の梁又は桁（対象横架部）に、底部に高架橋柱が結合された補強部材を宛がい、当該補強部材の両側部及び当該対象横架部に貫通ボルトを貫通させ、当該補強部材と当該対象横架部との隙間を結合材で充填する工法の設計支援を実現する手法は知られていなかった。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。

以上の課題を解決するための第１の発明は、断面Ｕ字状の補強部材と当該補強部材の底部に結合された柱とを備えた高架橋柱の前記補強部材を、鉄筋コンクリート構造高架橋の梁又は桁（以下「対象横架部」という。）に宛がい、当該補強部材の両側部及び当該対象横架部に貫通ボルトを貫通させ、当該補強部材と当該対象横架部との隙間を結合材で充填することで設置施工される前記高架橋柱の前記貫通ボルトの配置構成を設計支援するためにコンピュータが実行する設計支援方法であって、前記対象横架部と前記高架橋柱との接合部に働く想定断面力を設定する想定断面力設定ステップと、前記貫通ボルトの仮の配置構成を設定する仮設定ステップと、前記補強部材の横架方向の一端部を回転中心とした前記高架橋柱の曲げモーメントに対する前記接合部の第１の耐力と、前記接合部における軸力及びせん断力に対する第２の耐力とを、前記仮の配置構成に基づいて算定する耐力算定ステップと、前記想定断面力と、前記第１及び第２の耐力と、所与の安全係数とに基づいて、前記仮の配置構成を評価する評価ステップと、を含む設計支援方法である。

また、別形態として、断面Ｕ字状の補強部材と当該補強部材の底部に結合された柱とを備えた高架橋柱の前記補強部材を、鉄筋コンクリート構造高架橋の対象横架部に宛がい、当該補強部材の両側部及び当該対象横架部に貫通ボルトを貫通させ、当該補強部材と当該対象横架部との隙間を結合材で充填することで設置施工される前記高架橋柱の前記貫通ボルトの配置構成を設計支援する設計支援装置であって、前記対象横架部と前記高架橋柱との接合部に働く想定断面力を設定する想定断面力設定手段と、前記貫通ボルトの仮の配置構成を設定する仮設定手段と、前記補強部材の横架方向の一端部を回転中心とした前記高架橋柱の曲げモーメントに対する前記接合部の第１の耐力と、前記接合部における軸力及びせん断力に対する第２の耐力とを、前記仮の配置構成に基づいて算定する耐力算定手段と、前記想定断面力と、前記第１及び第２の耐力と、所与の安全係数とに基づいて、前記仮の配置構成を評価する評価手段と、を備えた設計支援装置を構成することができる。

第１の発明によれば、前提とする工法における貫通ボルトの配置構成を評価し設計者を支援できる。

より具体的には、第２の発明として、前記仮設定ステップが、前記貫通ボルトの数及び配置位置を前記仮の配置構成に少なくとも含めて設定するステップである、第１の発明の設計支援方法を構成すれば、より実用的な設計支援が可能になる。

第３の発明は、直径及びせん断降伏強度が異なる複数種類の貫通ボルトのうち、何れの種類を用いるかを選択するステップを更に含み、前記耐力算定ステップは、前記選択された貫通ボルトの直径及びせん断降伏強度を更に用いて、前記第１及び第２の耐力を算定するステップである、第１又は第２の発明の設計支援方法である。

第３の発明によれば、第１又は第２の発明の何れかと同様の効果が得られる。加えて、予め直径やせん断降伏強度が分っている貫通ボルト、例えば既存品の使用を前提とした設計支援が可能になる。

第４の発明は、複数の仮の配置構成について、前記仮設定ステップと、前記耐力算定ステップと、前記評価ステップとを繰り返し行わせる制御ステップと、前記評価の結果が最良の仮の配置構成を提示出力するステップと、を更に含む第１〜第３の何れかの発明の設計支援方法である。

第４の発明によれば、第１〜第３の発明の何れかと同様の効果が得られる。加えて、さまざまな配置構成の中から最良のものを提示できるので、より実用的な設計支援が可能になる。

第５の発明は、コンピュータに、第１〜第４の何れかの発明の設計支援方法を実行させるためのプログラムである。

第５の発明によれば、第１〜第４の発明の何れかと同様の効果を、コンピュータに発現させることができる。

第１実施形態の工事の概略を説明するための図。 第１実施形態の横架部構造の構成例を示すＲＣ高架橋の部分斜視図。 第１実施形態の横架部構造の構成例を示すＲＣ高架橋の縦断面図。 第１実施形態の貫通ボルト及び締結具の構成例を示す図。 設計支援装置のハードウェアの構成例示す図。 設計支援装置の機能構成例を示す機能ブロック図。 配置構成データのデータ構成の一例を示す図。 ボルト諸元データのデータ構成の一例を示す図。 設計支援装置の処理の流れを説明するためのフローチャート。 回転中心から貫通ボルトまでの回転中心距離の例を示す図。 施工順を説明するためのフローチャート。 結合材の充填過程を説明するための図。 結合材の充填過程を説明するための図。 載荷実験と実験結果について説明するための図。 載荷実験と実験結果について説明するための図。 第２実施形態の横架部構造の構成例を示すＲＣ高架橋の縦断面図。 第２実施形態の締結具の構成例を示す図。

〔第１実施形態〕
本発明を適用した第１実施形態として、鉄道用のＲＣ高架橋の梁や桁と言った横架部を補強しつつ、隣接する既設の一対の柱（径間の両端の柱）を新規の１本の柱に付け替えることで径間を拡張する工事を例に挙げる。尚、ＲＣ高架橋は鉄道用に限らず道路用でも同様に適用できる。また、柱の交換に限らず柱の追加についても適用できる。

図１は、本実施形態における工事の概略を説明するための図である。
図１（１）に示すように、工事対象として想定される鉄道用のＲＣ高架橋２は、複数の柱４を縦梁６や横梁８で連結して基板１０を支えている。基板１０の上面には、鉄道用の軌道１２や防音フェンス１４、図示されない信号等の各種設備が適宜設置される。

そして、本実施形態では、図１（２）に示すように、第１区画と第２区画との間の柱４と、第２区画と第３区画との間の柱４との間の縦梁６を補強の対象横架部とし、当該対象横架部を補強部材２１で補強しつつ、補強部材２１を一体に支持する高架橋柱２２を設置する。そして、図１（３）に示すように、第１区画と第２区画との間の柱４と、第２区画と第３区画との間の柱４とを撤去して、第１〜第３区画をより広いＡ区画とＢ区画との２つの区画にリニューアルする。尚、補強部材２１を先に対象横架部に取り付けて高架橋柱２２を後で設置するか、高架橋柱２２を先に設置して補強部材２１を後で設置するかは何れでもよい。

［補強後の対象横架部の構造の説明］
図２は、本実施形態におけるＲＣ高架橋２の横架部構造の構成例を示す部分斜視図であって、基板１０の下面を斜め下から見上げた図に相当する。図３は、同縦断面図である。これらの図に示すように、本実施形態の補強後の横架部構造２０は、
（１）対象横架部である縦梁６を包む補強部材２１と、
（２）同部材の底部に剛結された高架橋柱２２と、
（３）同柱を支持する基礎２４（図１）と、
（４）縦梁６に貫通される貫通ボルト２５と、
（５）同貫通ボルトと螺合するとともに補強部材２１に嵌着する締結具２６と、
（６）縦梁６と補強部材２１との側端部の隙間をつめるパッキン材２７と、
（７）縦梁６と補強部材２１との隙間や、縦梁６と貫通ボルト２５との間に充填されたグラウト層２８と、を備える。
尚、貫通ボルト２５の本数や配置位置は図の例に限らず、縦梁６の寸法や補強部材２１の長さに応じて適宜設定されるものとする。

補強部材２１は、撤去対象となる柱４の径間に渡る縦梁６を補強する断面Ｕ形状の部材であって、補強対象の縦梁６の外側を覆うように宛がわれる。
補強部材２１は、例えば鋼板で作られる鋼製である。具体的には、両側部と底部とを別々に用意しておいて現場で鋼板を溶接して組み立てる。或いは、予め組み立てておいて現場にて対象とする縦梁６の下からはめ込むとしても良い。尚、補強部材２１の外周部には適宜強度確保のためのリブを備えることができる。よって、補強部材２１の形状は、リブ等を含まずに見た場合、概ね上向きに開口した「Ｕ形状」と言い表すことができる。

尚、ここで言う「Ｕ形状」とは、補強対象の縦梁６の突出面に沿って覆う形状を示す意味であり、アルファベット文字「Ｕ」そのものの形状に限定されるものではなく、補強対象の縦梁６の断面形状に応じた自由度を含む意味である。例えば、「Ｕ」の左右に相当する部位も直線に限らず弧状であるとしても良い。その場合、断面Ｃ字状とも言える。また、「Ｕ」の左右に相当する部位と底辺部位との接続部分を直角として、例えば片仮名の「コ」の開口部を上向きにした形状であっても良いのは勿論である。

補強部材２１の内寸は、補強対象の縦梁６の側面及び底面からグラウトの流動性に応じて決定される側部間隙Ｄ１と底部間隙Ｄ２を有するように設定される。例えば、「Ｊ１４ロート試験」による流下時間が６〜１０秒の流動性を有するグラウトを用いることとし、側部間隙Ｄ１及び底部間隙Ｄ２を略２０ｍｍとする。

高架橋柱２２は、例えば、ＣＦＴ（Concrete Filled Steel Tube：コンクリート充填鋼管）により形成される。本実施形態では補強部材２１と高架橋柱２２とは剛結される。補強部材２１と高架橋柱２２との間に適宜、連結部２３（支承部）を設けた結合構造としても良い。

図４は、貫通ボルト２５及び締結具２６の構成例を示す図である。
貫通ボルト２５は、例えばＰＣ鋼棒の両端に雄ネジ部２５ａを形成して作られる。本実施形態の仕様では、例えば直径１１ｍｍとされる。補強部材２１の側部及び補強対象の縦梁６には、それぞれ横方向の貫通孔２１ｈ及び貫通孔６ｈが設けられており、貫通ボルト２５は両貫通孔に挿通される（図３）。

縦梁６の貫通孔６ｈの直径は、貫通ボルト２５との間に、グラウトの流動性に応じて決定されるボルト外周間隙Ｄ３を有するように設定される。補強対象の縦梁６が上記の如く寸法で「Ｊ１４ロート試験」による流下時間が６〜１０秒の流動性を有するグラウトを用いる場合には、ボルト外周間隙Ｄ３は貫通孔６ｈの直径と貫通ボルト２５の直径との差が側部間隙Ｄ１や底部間隙Ｄ２の約１．５倍以上となるように設定される。好適な一例としては、貫通孔６ｈの直径を「貫通ボルト２５の直径＋３０（ｍｍ）以上」としたり、「貫通ボルト２５の直径＋３０〜４０（ｍｍ）」とする例が考えられる。

締結具２６は、例えば鋼材で作られた１ピース構造で、補強部材２１の貫通孔２１ｈと嵌着する嵌合部２６ａと、当該締結具の締め込み工具に対応する形状（例えば、レンチ用の六角形など）を有した締め込み操作部２６ｂと、貫通ボルト２５の雄ネジ部２５ａと螺合する雌ねじ部２６ｃとを有する（図４）。

締め込み方向に沿った嵌合部２６ａの長さは、例えば貫通孔２１ｈでの補強部材２１の肉厚の２／３以上であり、補強部材２１の肉厚と側部間隙Ｄ１との合計未満の長さとすると好適である。
また、嵌合部２６ａと補強部材２１の貫通孔２１ｈとの隙間は、充填されるグラウトが漏れ出ることなく、且つ貫通ボルト２５に締結具２６をねじ込み可能で、且つ貫通孔２１ｈの径方向にガタツキが生じない程度に設定するものとする。尚、締結具６は、嵌合部２６ａと締め込み操作部２６ｂとが一体の１ピース構造が好適である。

パッキン材２７（図２）は、例えばウレタン樹脂などの弾性体であって、補強対象の縦梁６の側面と補強部材２１の内側面との隙間、及び補強対象の縦梁６の下面と補強部材２１の底面との隙間に詰め込まれ、グラウトがそれらの隙間から漏れないようにする。尚、パッキン材２７に代えて木枠などを補強部材２１の外側から仮止めする構成としてもよい。

補強対象の縦梁６と補強部材２１との隙間に充填されたグラウトが硬化し、グラウト層２８が形成されると、縦梁６と補強部材２１と貫通ボルト２５とは剛結される。すなわち、図３に添えられた拡大図に示すように、縦梁６からグラウト層２８を介して貫通ボルト２５へ力Ｆ１が伝達されるようになり、貫通ボルト２５から締結具２６の嵌合部２６ａを介して補強部材２１へ力Ｆ２が伝達されるようになる。すなわち、力の伝達ロスの無い優れた補強が実現される。

［設計支援装置及び設計法の説明］
次に、貫通ボルト２５の本数、径、配置の設計法について説明する。
本実施形態では、設計支援装置１１００を用いて貫通ボルト２５の本数、径、配置の設計をする。図５は、設計支援装置１１００のハードウェアの構成例を示す図である。本実施形態の設計支援装置１１００は、いわゆるコンピュータであって、本体装置１１０１と、キーボード１１０６と、タッチパネル１１０８とを備える。本体装置１１０１には制御基板１１５０が内蔵されている。そして、制御基板１１５０は、ＣＰＵ１１５１、ＩＣメモリ１１５２やハードディスクなどの記憶媒体、キーボード１１０６やタッチパネル１１０８などとのデータの入出力を制御するインタフェースＩＣ１１５３、などを備える。

図６は、設計支援装置１１００の機能構成例を示すブロック図である。
設計支援装置１１００は、操作入力部１００と、処理部２００と、画像表示部３６０と、記憶部５００とを備える。

操作入力部１００は、オペレータによって為された各種の操作入力に応じて操作入力信号を処理部２００に出力する。図５のキーボード１１０６、タッチパネル１１０８がこれに該当する。

処理部２００は、例えばＣＰＵやＧＰＵ等のマイクロプロセッサや、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、ＩＣメモリなどの電子部品によって実現され、操作入力部１００や記憶部５００を含む各機能部との間でデータの入出力制御を行う。そして、所定のプログラムやデータ、操作入力部１００からの操作入力信号、各種データに基づいて各種の演算処理を実行して設計支援装置１１００の動作を制御する。図５の制御基板１１５０がこれに該当する。そして、本実施形態における処理部２００は、想定断面力設定部２０２と、仮設定部２０４と、耐力算定部２０６と、評価部２０８と、画像生成部２６０と、を備える。

想定断面力設定部２０２は、対象横架部（本実施形態では縦梁６）と高架橋柱２２との接合部、すなわち補強部材２１及び貫通ボルト２５に働く想定断面力の設定に係る制御をする。想定断面力としては、補強後のＲＣ高架橋２に想定される限界荷重条件から求められる設計曲げモーメント、設計せん断力、設計軸力、が少なくとも含まれる。具体的には、画像表示部３６０にそれらの想定断面力を入力させる入力画面を表示させて、オペレータが操作入力部１００から入力したそれらの値を記憶部５００に一時記憶させる。

仮設定部２０４は、貫通ボルト２５の仮の配置構成の設定に係る制御をする。本実施形態では、記憶部５００に予め記憶されている配置構成データ５１０（貫通ボルト２５を挿通させる位置座標を格納する。図７参照。）を参照して設定する。なお、画像表示部３６０に配置構成のデータを入力させる入力画面を表示させ、オペレータが操作入力した値を記憶部５００に一時記憶させる構成も可能である。

耐力算定部２０６は、補強部材２１の横架方向（本実施形態では縦梁６の長手方向）の一端部を回転中心とした高架橋柱２２の曲げモーメントに対する接合部の第１の耐力と、接合部における軸力及びせん断力に対する第２の耐力とを、仮設定部２０４により設定された仮の配置構成に基づいて算定する。

評価部２０８は、想定断面力と、第１及び第２の耐力と、所与の安全係数とに基づいて、仮の配置構成を評価する。本実施形態では、後述する所定の算出式に従って評価値を算出し、仮の配置構成の識別情報とともに対応づけて記憶部５００の評価値データ５３０に格納する。

画像生成部２６０は、例えば、ＧＰＵ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などのプロセッサ、ビデオ信号ＩＣ、フレームバッファ等の描画フレーム用ＩＣメモリ等によって実現される表示画面の画像信号を生成し、画像表示部３６０へ出力する。

画像表示部３６０は、画像生成部２６０から入力される画像信号に基づいて入力画面などの各種画像を表示する。例えば、フラットパネルディスプレイ、ブラウン管（ＣＲＴ）、プロジェクター、ヘッドマウントディスプレイといった画像表示装置によって実現できる。本実施形態では、図５のタッチパネル１１０８がこれに該当する。

記憶部５００は、処理部２００に設計支援装置１１００を統合的に制御させるための諸機能を実現するためのシステムプログラムや、設計支援に必要なプログラム、各種データ等を記憶する。また、処理部２００の作業領域として用いられ、処理部２００が各種プログラムに従って実行した演算結果や操作入力部１００から入力される入力データ等を一時的に記憶する。こうした機能は、例えばＲＡＭやＲＯＭなどのＩＣメモリ、ハードディスク等の磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなどの光学ディスクなどによって実現される。図５の制御基板１１５０が搭載するＩＣメモリ１１５２やハードディスクなどの情報記憶媒体がこれに該当する。

本実施形態の記憶部５００は、システムプログラム５０１と、設計支援プログラム５０２とを記憶している。
システムプログラム５０１は、設計支援装置１１００のコンピュータとしての入出力の基本機能を実現するためのプログラムである。
設計支援プログラム５０２は、処理部２００が読み出して実行することによって想定断面力設定部２０２と、仮設定部２０４と、耐力算定部２０６と、評価部２０８と、画像生成部２６０としての機能を実現させるためのアプリケーションソフトウェアであるが、システムプログラム５０１の一部として組み込まれた構成であっても良い。

また、記憶部５００は、配置構成データ５１０と、ボルト諸元データ５２０とを予め記憶し、設計支援の実行に伴って評価値データ５３０を記憶する。勿論、記憶部５００には、設計支援の演算処理に必要なその他のデータも適宜記憶することができる。

配置構成データ５１０は、例えば図７に示すように、配置構成ＩＤ５１２と対応づけて貫通ボルトの合計の本数５１４と、配置される貫通ボルト２５それぞれの配置位置座標値を格納した配置位置座標リスト５１６とを対応づけて格納する。
補強対象の縦梁６の内部には何本もの鉄筋が配筋されており、鉄筋を切って貫通孔６ｈを設けることは強度低下を招くためにできない。よって、貫通ボルト２５を配置可能な位置は、補強対象の縦梁６の配筋から必然的に求められる。配置構成は、必然的に求められる配置可能な位置の組み合わせとなる。

ボルト諸元データ５２０は、例えば図８に示すように、規格ＩＤ５２２と対応づけて、直径５２４と、断面積５２６と、設計せん断降伏強度５２８とを格納する。
貫通ボルト２５は、工費削減と入手のし易さから、既存の規格品のボルトを用いるのが好ましいと言える。よって、ボルト諸元データ５２０に格納される直径５２４、断面積５２６、設計せん断降伏強度５２８は、既存の規格値となる。勿論、規格外の専用設計も許容されるならば、それらの数値も当該データに含めておくとよい。

図９は、設計支援装置１１００の設計支援に係る処理の流れを説明するためのフローチャートである。ここで説明する処理は、処理部２００が設計支援プログラム５０２を実行することにより実現される。

まず、処理部２００は、想定断面力を含む設計条件を設定する条件設定処理を実行する（ステップＳ２）。具体的には、設計条件として（１）補強対象の縦梁６の断面諸元と、（２）柱と梁の接合部に働く想定断面力として設計曲げモーメントＭd・設計せん断力Ｖd・設計軸力Ｎd、（３）安全係数γb、を入力するための入力画面を表示する。そして、入力されたそれらのデータを、記憶部５００に記憶させる。

次に、処理部２００は、貫通ボルト２５の配置構成それぞれについてループＡの処理を実行する（ステップＳ１０〜Ｓ４０）。本実施形態では、配置構成データ５１０の配置構成ＩＤ５１２が示す配置構成毎に実行される。

ループＡにおいて、処理部２００は処理対象配置構成に応じて補強部材２１の寸法を算出し（ステップＳ１２）、補強部材２１の回転中心位置と、各貫通ボルトの回転中心距離Ｌｉ（ｉ＝貫通ボルトの識別番号）とを算出する（ステップＳ１４）。
補強部材２１の側面寸法（補強部材２１の側面の高さと、補強対象の縦梁６の長手方向の長さ）は、処理対象の配置構成における最も外側の貫通ボルト２５の配置位置から更に高さ方向あるいは梁長手方向外側に所定の長さを確保することとして決定する。
回転中心距離Ｌｉは、例えば図１０に示すように、高架橋柱２２に対して補強対象の縦梁６の長手方向に荷重Ｗが作用し、補強部材２１の底面の一端を回転中心３０として補強部材２１が回転すると想定して算出する。尚、図１０では貫通ボルト２５の数が５本の例を示しているが、実際には、ループ処理対象となる配置構成に従う。

次に、選択可能な貫通ボルト２５の規格毎にループＢを実行する（ステップＳ２０）。
ループＢでは、まず各貫通ボルト２５について、曲げモーメントに抗する抵抗力すなわち曲げ耐力を次式（１）で算出する（ステップＳ２２）。
曲げ耐力Ｐi＝Ｐmax×（Ｌi／Ｌmax） ・・・式（１）
（但し、ｉ＝規格の識別番号、Ｐmax＝ｆs×Ａi）
そして、全ての貫通ボルト２５の抵抗力に基づいて補強部材２１が取り付けられる接合部全体の曲げ耐力を次式（２）で算出する（ステップＳ２４）。
全体曲げ耐力Ｍud＝ΣＰi・Ｌi／γb ・・・式（２）

次に、各貫通ボルト２５について、作用する軸力と、当該軸力に基づくせん断力に対する抵抗力、すなわちせん断耐力を次式（３）で算出する（ステップＳ２６）。
せん断耐力Ｑi＝ｆs×Ａi ・・・式（３）

そして、全ての貫通ボルト２５のせん断耐力に基づいて補強部材２１が取り付けられる接合部全体のせん断耐力を次式（４）で算出する（ステップＳ２８）。
全体せん断耐力Ｖud＝ΣＱi／γb ・・・式（４）

次に、接合部全体の耐力に基づいて次式（５）で評価値ｋｉを算出し、当該算出した評価値ｋｉに、ループＡの処理対象となっている配置構成ＩＤ５１２と、ループＢの処理対象となっている規格ＩＤ５２２とを対応づけて評価指標データ５３０に追加格納し（ステップＳ３０）、ループＢを終了する（ステップＳ３２）。
評価値ｋｉ＝γb｛（Ｍd／Ｍud）+（SQRT[Ｎd²+Ｖd²]／Ｖud）｝ ・・・式（５）

そして、選択可能なボルトの諸元全てについてループＢを実行したならば、現在処理対象としている貫通ボルト２５の配置構成についてのループＡの処理を終了する（ステップＳ４０）。

配置構成データ５１０の配置構成ＩＤ５１２に対応する全ての配置構成についてステップＳ１２〜Ｓ１４及びループＢを実行したならば、処理部２００は次に、評価値データ５３０に格納されている各評価値を降順にソートして、評価値ｋiと、貫通ボルト２５の配置構成ＩＤ５１２と、貫通ボルト２５の規格ＩＤ５２２とを対応づけて画面表示する（ステップＳ４２）。最良の配置構成が最上位に提示出力されることとなる。設計者は、この画面表示の結果を参照して、強度要件とコストとを両立する選択肢を適宜選択することができる。

［施工順の説明］
次に、施工順について説明する。尚、各工程に係る足場等の設置については説明を省略する。図１１は本実施形態における施工順を説明するためのフローチャートである。
まず、補強対象の縦梁６（本実施形態における鉄筋コンクリート構造高架橋の対象横架部）に貫通孔６ｈを設ける（ステップＴ２：開孔ステップ）。次いで、補強対象の縦梁６に補強部材２１を宛がう（ステップＴ４：仮配置ステップ）。この時、補強部材２１に予め設けられている貫通孔２１ｈと梁の貫通孔６ｈとが略同軸上に開口するように位置合わせする。

次に、補強部材２１の両側部及び補強対象の縦梁６の貫通孔６ｈに貫通ボルト２５を貫通させ、挿通された貫通ボルト２５の両端に締結具２６を螺合して締付け固定する（ステップＴ６：ボルト設置ステップ）。この時、締結具２６の嵌合部２６ａが補強部材２１の貫通孔２１ｈに嵌着するようにする。

次に、補強部材２１の側面開口部にパッキン材２７を挿入し、補強部材２１の一側部、底部及び他側部それぞれと、補強対象の縦梁６との間の隙間に結合材（本実施形態ではグラウト）を一側部側から片押し方式（本実施形態では上部からの流し込みによる自然落下による）で充填させる（ステップＴ８：充填ステップ）。尚、流し入れる位置は、補強部材２１の長手方向（縦梁６の方向）の中央一箇所としてもよいし、長手方向に等間隔に配置された複数位置から流し入れるとしてもよい。
次に、グラウトを硬化させる（ステップＴ１０：硬化ステップ）。グラウトが硬化すると、グラウト層２８により補強対象の縦梁６と補強部材２１とが剛結され工事完了となる。

図１２〜図１３は、充填ステップにおけるグラウトの流入状況の例を時系列に示す図である。図１２（１）に示すように、グラウト９（図柱の網掛け部分）は、補強部材２１の左上部より流し入れられるものとする。グラウト９の流動特性並びに各間隙（側部間隙Ｄ１、底部間隙Ｄ２及びボルト外周間隙Ｄ３）の設定により、グラウト９は補強部材２１の左方内面に沿って左方（一側面側）の側部間隙Ｄ１を流下し、底部間隙Ｄ２の左端位置Ｇ１から徐々にグラウトが充填され始める。

グラウト９は、底部間隙Ｄ２を右方向に向かって徐々に流れ込みつつも、その流動性の低さゆえに左方の側部間隙Ｄ１に沿っても溜まり始める。そして、図１２（２）に示すように、左方の側部間隙Ｄ１のグラウト９の上部が、やがて下段の貫通孔６の左開口位置Ｇ２に達すると、グラウト９はボルト外周間隙Ｄ３にも流れ込むようになる。底部間隙Ｄ２に流れ込んだグラウト９はやがて右端位置Ｇ３に達し、そこから右方（他側面側）の側部間隙Ｄ１内を上へと徐々に満ちてゆく。そして、やがては下段の貫通孔６ｈの右開口位置Ｇ４に達する。

しかし、本実施形態ではボルト外周間隙Ｄ３は底部間隙Ｄ２よりも大きく設定されているので、図１３（３）に示すように、底部間隙Ｄ２を経由したグラウト９が右方開口位置Ｇ４に到達するよりも、ボルト外周外周間隙Ｄ３を満たしたグラウト９が右開口位置Ｇ４に達する方が早くなる。別の見方をすれば、下段の貫通孔６ｈ内の空気を押し出したグラウト９が、右端位置Ｇ３から右開口位置Ｇ４へ上昇してくるグラウト９に合流する格好となる。従って、図１３（４）に示すように、下段の貫通孔６ｈ内にはグラウト９が「片押し」により充満することとなる。

ここで、下段の貫通孔６ｈ内の空気を押し出したグラウト９が右開口位置Ｇ４へ達するタイミングで、底部間隙Ｄ２を経由するグラウト９が側部間隙Ｄ１の右端位置Ｇ３に達していることも重要である。達していない状態、例えば底部間隙Ｄ２の左右の真ん中辺りまでしか達していなければ、下段の貫通孔６ｈから溢れ出たグラウト９が右方の側部間隙Ｄ１を流下し、右端位置Ｇ３から底部間隙Ｄ２へ流入することになる。こうなると、左端位置Ｇ１から来たグラウト９と底部間隙Ｄ２の中で合流することになり、底部間隙Ｄ２から気泡が十分抜けきれない現象が起こり得、強度不足が生じ得るという問題がある。

さて、下部の貫通孔６ｈを通ったグラウト９が右開口位置Ｇ４に達する頃には、左方の側部間隙Ｄ１ではグラウト９が上段の貫通孔６ｈの左開口部位置Ｇ５に達し、上段の貫通孔６ｈにもグラウト９が流れ込み始める。上段の貫通孔６ｈへ流れ込んだグラウト９が、同貫通孔の右開口部Ｇ６に達するタイミングは、右方開口位置Ｇ４から右方側部間隙Ｄ１を上昇するグラウト９よりも早くなるように設定されている。よって、上段の貫通孔６ｈについてもグラウト９が「片押し」により充満することとなる。

グラウト９の注入は、右方の側部間隙Ｄ１の上端まで充満するまで続けられる。グラウト９が硬化すれば、最終的には図３で示した状態となり、グラウト層２８が形成されて縦梁６と補強部材２１とは極めて強く剛結される。

［載荷実験の説明］
図１４は、本実施形態における補強後の横架部の載荷実験の結果を示す図である。
載荷実験では、図１４（１）に示すように、実物大の仮梁６’を作製してこれを補強対象の横架部と見立て、上述したのと同様にして補強部材２１ほか一式を取り付けた。但し、実験室の空間制限から高架橋柱２２は実際よりも短い。そして、補強された仮梁６’を天地逆さまにして試験装置に固定し、高架橋柱２２に梁の長手方向と直交する方向にアクチュエータで交番荷重（荷重方向が反転するようにして繰返し作用される荷重）を加えて補強部材２１の変位を計測した。段階的に荷重を増しながら繰返し計測した結果からは、図１４（２）のグラフが得られた。載荷実験の結果、本実施形態による補強部材２１と補強対象の横架部との接合部分では良好に力が伝達されており、それにより柱・梁接合部が十分な耐力を有していることが分った。

また、図１５は荷重方向を仮想梁６’の長手方向とした場合の第２の載荷実験の結果を示す図である。図１５（１）に示すように、先の載荷実験と同様に実験体を準備し、高架橋柱２２に梁の長手方向にアクチュエータで交番荷重を加えて補強部材２１の変位を計測した。但し、当該実験では最終的に破壊に至るまで荷重を高めていった。計測した結果からは、図１５（２）のグラフが得られた。設計上は、１９０（ｋＮ）が想定降伏荷重であるが、想定降伏荷重以上の領域でも残留歪みを残しつつも破壊には至らず、３０８（ｋＮ）で貫通ボルト２５が破断するに至った。第２の載荷実験の結果からも、荷重の方向は異なれども、同様に補強部材２１と補強対象の横架部との間では良好に力が伝達されており、柱・梁接合部が十分な耐力を有していることが分った。

このように、本実施形態によれば、底部間隙Ｄ２を通って他側部側に回り込むグラウト（結合材）が、貫通ボルト２５を挿通する対象横架部（縦梁６）の貫通孔６ｈの他側部側の開口部に達するより先に、当該貫通孔６ｈを通ったグラウトが他側部側の開口部に達するように設定されているので、対象横架部（縦梁６）の貫通孔６内に気泡すなわち未充填部分が残り難く、高い充填度を実現できる。また、方押し方式の自然流下でグラウトを充填さえすれば良いので、充填圧を高める装置なども不要であり、工数もコストも少なくできる。

また、補強対象部の対象横架部（本実施形態では縦梁６）から貫通ボルト２５への力の伝達は、貫通孔６ｈに充填された結合材を介して行われ、更に貫通ボルト２５から補強部材２１への力の伝達は、締結具２６を介して行われる。従って、対象横架部と貫通ボルト２５と補強部材２１とをより強固に剛結できる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明を適用した第２実施形態について説明する。本実施形態は基本的には第１実施形態と同様に実現されるが、貫通ボルト２５と補強部材２１との力の伝達に係る構成が異なる。尚、以降では、第１実施形態との差異について主に述べることとし、第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付与して説明を省略するものとする。

図１６は、本実施形態における補強後の対象横架部の縦断面図である。本実施形態の補強後の対象横架部は、補強部材２１と、高架橋柱２２と、基礎２４と、貫通ボルト２５と、締結具２６Ｂと、グラウト層２８と、を備えた構造となる。

図１７は、本実施形態における締結具２６Ｂの構成例を示す図である。締結具２６Ｂは当該締結具の締め込み工具に対応する形状（例えば、レンチ用の六角形など）を有した締め込み操作部２６ｂと、貫通ボルト２５の雄ネジ部２５ａと螺合する雌ねじ部２６ｃと、補強部材２１の貫通孔２１ｈの直径より大きい座金部２６ｄとを有する。尚、本実施形態では、締結具２６Ｂは、締め込み操作部２６ｂと座金部２６ｄとが一体の１ピース構造とするが、両者を別々の部品とする２ピース構造でもよい。

本実施形態における側部間隙Ｄ１、底部間隙Ｄ２、及びボルト外周間隙Ｄ３へのグラウト（結合材）の充填過程は、第１実施形態と同様である（図１２，図１３参照）。本実施形態では、図１６に示すように、貫通ボルト２５に締結具２６Ｂを螺合させると、補強部材２１の貫通孔２１ｈの内側部分（勿論、そこには貫通ボルト２５が通っている）が側部間隙Ｄ１に連なる空間となり、グラウトの充填過程で当該空間にもグラウトが充満される。すなわち、図１６の拡大図に示すように、縦梁６からグラウト層２８を介して貫通ボルト２５へ力Ｆ１が伝達されるようになり、貫通ボルト２５から貫通孔２１ｈ内のグラウト層２８の部分を介して補強部材２１へ力Ｆ２が伝達されるようになる。

〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明の形態がこれらに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない限りに於いて適宜構成用の追加・省略・変更を施すことができる。

例えば、上記実施形態では、上下２段に貫通ボルト２５を挿通させ、それぞれに対応する縦梁６の貫通孔６ｈの径は同じとしたが、図１２〜図１３で示したようなグラウトの充填が実現できるならば、互いに異なる径であっても良い。同様のことは、左右の側部間隙Ｄ１の値についても言える。また、側部間隙Ｄ１も上から下まで同じ幅としたが、例えば、下が広くて上に向かう程狭くなると言った具合に上下で間隙の大きさが異なるとしてもよい。

また、上述した各実施形態では、補強対象とする横架部を縦梁６として例示したが、横梁８とすることもできる。また梁に限らず、桁に適用することもできる。また、既設柱２本に対して高架橋柱１本を置き代えるのはなく、既設柱１本に対して高架橋柱１本を置き代えるとしてもよい。

また、上記実施形態では高架橋柱２２を設けた構造としたが、柱が不要な場合、すなわち梁や桁の補強のみが目的の場合には、高架橋柱２２を省略することが可能である。

また、グラウト材は、コストや補強強度等に応じて、セメント（モルタル）系、ガラス系、合成樹脂等の中から選択することができる。

２…ＲＣ高架橋
４…柱（既設）
６…縦梁
８…横梁
９…グラウト（結合材）
１０…基板
１２…軌道
１４…防音フェンス
２０…横架部構造
２１…補強部材
２２…高架橋柱
２３…連結部
２４…基礎
２５…貫通ボルト
２６…締結具
２６ａ…嵌合部
２６ｂ…締め込み操作部
２６ｃ…雌ねじ部
２６ｄ…座金部
２７…パッキン材
２８…グラウト層
１００…操作入力部
２００…処理部２００
２０２…想定断面力設定部
２０４…仮設定部
２０６…耐力算定部
２０８…評価部
５００…記憶部
５０２…設計支援プログラム
５１０…配置構成データ
５２０…ボルト諸元データ
５３０…評価値データ
１１００…設計支援装置
１１５０…制御基板

Claims (6)

1. 断面Ｕ字状の補強部材と当該補強部材の底部に結合された柱とを備えた高架橋柱の前記補強部材を、鉄筋コンクリート構造高架橋の梁又は桁（以下「対象横架部」という。）に宛がい、当該補強部材の両側部及び当該対象横架部に貫通ボルトを貫通させ、当該補強部材と当該対象横架部との隙間に片押し方式で結合材を充填することで設置施工される前記高架橋柱の前記貫通ボルトの配置構成を設計支援するためにコンピュータが実行する設計支援方法であって、
   前記対象横架部の断面諸元を設定するステップと、
   前記対象横架部と前記高架橋柱との接合部に働く想定断面力を設定する想定断面力設定ステップと、
   前記貫通ボルトの直径を含む前記貫通ボルトの仮の配置構成を設定する仮設定ステップと、
   前記仮の配置構成に対して、前記対象横架部と前記補強部材との間の側部間隙および底部間隙（以下包括して「間隙Ｄ」という）と、前記貫通ボルトが前記対象横架部を貫通する貫通孔の所与の直径と前記貫通ボルトの直径との差ΔＤとの関係が、間隙Ｄ×１．５≦差ΔＤ、となる前記補強部材の寸法を設定するステップと、
   前記仮の配置構成に対して設定された前記寸法による前記補強部材の横架方向の一端部を回転中心とした前記高架橋柱の曲げモーメントに対する前記接合部の第１の耐力と、前記接合部における軸力及びせん断力に対する第２の耐力とを、前記仮の配置構成および前記寸法に基づいて算定する耐力算定ステップと、
   前記想定断面力と、前記第１及び第２の耐力と、所与の安全係数とに基づいて、前記仮の配置構成を評価する評価ステップと、
   を含む設計支援方法。
2. 前記仮設定ステップは、前記貫通ボルトの数及び配置位置を前記仮の配置構成に少なくとも含めて設定するステップである、
   請求項１に記載の設計支援方法。
3. 直径及びせん断降伏強度が異なる複数種類の貫通ボルトのうち、何れの種類を用いるかを選択するステップを更に含み、
   前記耐力算定ステップは、前記選択された貫通ボルトの直径及びせん断降伏強度を更に用いて、前記第１及び第２の耐力を算定するステップである、
   請求項１又は２に記載の設計支援方法。
4. 複数の仮の配置構成について、前記仮設定ステップと、前記耐力算定ステップと、前記評価ステップとを繰り返し行わせる制御ステップと、
   前記評価の結果が最良の仮の配置構成を提示出力するステップと、
   を更に含む請求項１〜３の何れか一項に記載の設計支援方法。
5. コンピュータに、請求項１〜４の何れか一項に記載の設計支援方法を実行させるためのプログラム。
6. 断面Ｕ字状の補強部材と当該補強部材の底部に結合された柱とを備えた高架橋柱の前記補強部材を、鉄筋コンクリート構造高架橋の対象横架部に宛がい、当該補強部材の両側部及び当該対象横架部に貫通ボルトを貫通させ、当該補強部材と当該対象横架部との隙間に片押し方式で結合材を充填することで設置施工される前記高架橋柱の前記貫通ボルトの配置構成を設計支援する設計支援装置であって、
   前記対象横架部の断面諸元を設定する手段と、
   前記対象横架部と前記高架橋柱との接合部に働く想定断面力を設定する想定断面力設定手段と、
   前記貫通ボルトの直径を含む前記貫通ボルトの仮の配置構成を設定する仮設定手段と、
   前記仮の配置構成に対して、前記対象横架部と前記補強部材との間の側部間隙および底部間隙（以下包括して「間隙Ｄ」という）と、前記貫通ボルトが前記対象横架部を貫通する貫通孔の所与の直径と前記貫通ボルトの直径との差ΔＤとの関係が、間隙Ｄ×１．５≦差ΔＤ、となる前記補強部材の寸法を設定する寸法設定手段と、
   前記仮の配置構成に対して設定された前記寸法による前記補強部材の横架方向の一端部を回転中心とした前記高架橋柱の曲げモーメントに対する前記接合部の第１の耐力と、前記接合部における軸力及びせん断力に対する第２の耐力とを、前記仮の配置構成および前記寸法に基づいて算定する耐力算定手段と、
   前記想定断面力と、前記第１及び第２の耐力と、所与の安全係数とに基づいて、前記仮の配置構成を評価する評価手段と、
   を備えた設計支援装置。

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