JP6139239B2 - 既設鋼材を利用した構造部材 - Google Patents

Description

本発明は例えば地下構造物等の新設の構造物の構築のために設置されている仮設等の既設鋼材を設置状態のまま利用し、新設鋼材との組み合わせにより構造物の一部を構成する構造部材として完成する既設鋼材を利用した構造部材に関するものである。

例えば鋼管、もしくは角形鋼管等、閉鎖形断面の鋼材とその内部に充填されるコンクリートとの合成（複合）構造で構成され、柱等として使用されるコンクリート充填型の構造部材では鋼材の内周面にコンクリートとの一体性を確保するためのリブプレートやスタッド等が突設される（特許文献１〜３参照）。リブプレートには材軸方向に作用するせん断力に対する抵抗力を増すために孔あき鋼板が使用されることもある（特許文献２）。

この他、構造部材の全長の内、特に応力状態が厳しくなる区間の内部に鋼材（鋼管）を補強するための補強鋼板が配置されることもある（特許文献４参照）。この例では閉鎖断面の鋼管を材軸に沿って分割された形の、補強鋼板付きの鋼管構成材を溶接して組み立て、組み立て後、鋼管構成材の内部にコンクリートを充填することにより構造部材が鋼管コンクリート柱として完成する。

既存構造物の耐震補強の目的では、既存の構造部材に新たな構造部材を付加し、両構造部材を一体化させる方法は多数、存在し（特許文献５参照）、例えばコンクリート造の既存の構造部材を新設の鋼材で補強する例として、構造部材に重なるように新設鋼材を添え、構造部材と新設鋼材との間にコンクリート等を充填して一体化させる方法がある（特許文献６参照）。

既存の構造部材が鋼材（鉄骨部材）である場合の構造部材の補強方法には、構造部材の断面上の内側と外側に新設の鋼材を配置し、外側の鋼材の内周側にコンクリートを充填する方法がある（特許文献７参照）。

特開平５−２４８０３６号公報（請求項３、段落００１９〜００２３、図４、図５） 特開２００６−２０７１２４号公報（請求項１、段落００１６〜００２７、図３〜図５） 特開２０１２−１４０８２４号公報（請求項１、段落００１９〜００３６、図１〜図５） 特開平７−７１０８８号公報（段落０００７〜００１１、図１〜図６） 特開平１０−１３１５１６公報（段落００２３〜００２７、図３、図４） 特開平１１−２２９６３２公報（段落００１２〜００１９、図１〜図３） 特開２０１３−４０４８６公報（段落００１８〜００３９、図４、図５）

特許文献７は既設の鋼製の構造部材（既設鋼材）を使用状態のまま利用し、この構造部材に新設の鋼材を組み合わせることで、新たな構造物の構造部材として完成させているが、ここでの方法は既設の構造部材の一部区間の補強に留まり、既設の構造部材の全長を新たな構造部材として利用している訳ではない。

また既設の構造部材（既設鋼材）が仮設構造物の一部として一時的に設置される仮設部材である場合には、完成する構造物の構造部材として存置することが可能な部位であっても、既設鋼材は撤去（回収）を前提に設置されることから、撤去作業とその後の構造部材の設置作業が重複するため、撤去作業と設置作業のいずれかが無駄になると言える。

本発明は上記背景より、既設の構造部材（既設鋼材）に新設の鋼材を組み合わせることで、既設の構造部材を全長に亘って新たな構造部材として完成させ、既設鋼材の撤去（回収）を不要にする既設鋼材を利用した構造部材を提案するものである。

請求項１に記載の発明の既設鋼材を利用した構造部材は、構造物の構築位置に設置されている既設鋼材と、この既設鋼材に組み合わせられる新設鋼材と、この新設鋼材に包囲された領域の少なくとも一部に充填されるコンクリート、もしくはモルタルを備え、
前記新設鋼材は前記既設鋼材を一方向に挟み込むように配置されながら、前記既設鋼材に組み合わせられて閉鎖形の、もしくは開放形の断面形状を形成する２本の鋼材構成材から構成され、前記コンクリート、もしくはモルタルは前記既設鋼材と前記新設鋼材の双方に付着して一体化していることを構成要件とする。

請求項１における構造物は例えば開削トンネル、暗渠等の地下（地中）構造物の他、逆打ち工法で構築される構造物の地下階部分、あるいは地上階部分等であり、主として土留め工法等で構築される仮設構造物を利用して構築される新設の構造物全般を指す。この他、構造物には既設構造物の一部を改修して新設構造物を構築する場合の新設構造物も含まれるため、既設鋼材は仮設で一時的に設置される場合と新設構造物の構築位置に既に設置されている場合がある。

既設鋼材が仮設部材の場合、既設鋼材は例えば土留め壁の支保工として使用される構造部材を指し、具体的には地中に挿入、もしくは設置される矢板、連続壁等の土留め壁の内周面に設置される腹起し、または腹起し間に架設される切梁等が既設鋼材として利用されるが、既設鋼材の種類はこれらに限られない。既設鋼材が水平材であるか鉛直材であるかは問われない。既設鋼材は仮設構造物、または既設構造物の一部として設置されながら、新設構造物の一部として取り込まれ、新設鋼材と組み合わせられることで、新設構造物の構造部材として完成する。

新設鋼材は既設鋼材の周囲には、既設鋼材を包囲するように、または挟み込むように配置され、新設鋼材に包囲された領域の少なくとも一部にコンクリート、もしくはモルタル（以下、本項目中、コンクリート等と言う）が充填されることにより構造物の構造部材を構成する。「新設鋼材に包囲された領域」とは、新設鋼材が既設鋼材を包囲するように配置される場合の新設鋼材に包囲された領域、または新設鋼材が既設鋼材を挟み込むように配置される場合の新設鋼材に挟まれた領域を言う。「少なくとも一部」とは、新設鋼材２に包囲された（挟まれた）領域の内の少なくとも一部の領域を指し、既設鋼材１を包囲する領域である場合（図９）と、既設鋼材１とは無関係に新設鋼材１に包囲された領域である場合（図１０）がある。

新設鋼材２が既設鋼材１を包囲するように配置される場合、構造部材４は図５〜図８に示すように閉鎖形の断面形状になり、新設鋼材２が既設鋼材１を挟み込むように配置される場合、構造部材４は基本的に図９に示すように開放形の断面形状になる。新設鋼材２が既設鋼材１を挟み込むように配置される場合でも、図４に示すように既設鋼材１が構造部材４の外部に露出し、新設鋼材２と共に構造部材４の外殻４０を構成するように新設鋼材２と組み合わせられる場合には、構造部材４は閉鎖形の断面形状になる。「構造部材４の外殻４０」は構造部材４の内、コンクリート３等を除外した骨格を指す。

図４〜図８、図１０に示すように新設鋼材２が既設鋼材１を包囲するように、もしくは既設鋼材１を挟み込むように配置され、新設鋼材２が単独で、もしくは既設鋼材１と共に閉鎖形の断面形状の構造部材４の外殻４０を構成する場合には、外殻４０がコンクリート３等を周囲から拘束する形になるため、構造部材４の成方向（高さ方向）と幅方向にコンクリート３等のせん断力に対する靱性を高め、コンクリート３等のせん断耐力を向上させる効果がある。

既設鋼材１と新設鋼材２、及びコンクリート３等から構成される構造部材４が閉鎖形であるか開放形であるかは、完成する構造部材４の用途、機能、もしくは構造部材４に持たせるべき断面性能等に応じて、または既設鋼材１の断面形状に応じて決められる。既設鋼材１は仮設の場合もあることから、任意の断面形状を有するため、既設鋼材１の断面形状に応じて新設鋼材２の断面形状が決められ、新設鋼材２の断面形状に応じて構造部材４の断面形状が決められる。

コンクリート３等は新設鋼材２に包囲された領域の少なくとも一部に充填され、既設鋼材１と新設鋼材２（鋼材構成材２１）に一体化することにより外力に対しては既設鋼材１と新設鋼材２と一体となって挙動し、外力に抵抗する。特に新設鋼材２が既設鋼材１に溶接、もしくはボルト接合等により接合されれば、既設鋼材１と新設鋼材２、及びコンクリート３等の３者の一体構造化の程度が強まる。

コンクリート３と並列的な関係にあるモルタルはコンクリート３中に混入される粗骨材が不在であることで、新設鋼材２の内周側にコンクリート３等との付着力を高めるための後述の補強材６が突設される場合にも、新設鋼材２の内周側への充填性がよい点で、コンクリート３に代わる材料としての有用性がある。またモルタルへの繊維混入等によりコンクリート３に劣らない程度の高い圧縮強度を得ることができることからも、コンクリート３に代わる材料としての利用可能性が高い。

構造部材４が閉鎖形の断面形状に形成される場合、構造部材４の外形（外殻４０）は図４に示すように新設鋼材２と既設鋼材１から、または図５〜図８に示すように新設鋼材２から構成されるから、既設鋼材１の一部、または新設鋼材２を構成する複数本の鋼材構成材２１の内、少なくともいずれかの鋼材構成材２１の一部にコンクリート３等を充填するための充填孔と、充填空間内の空気を排出させるための排出孔が形成される。コンクリート３等が新設鋼材２に包囲された、対象とする充填領域に充填しきったとき、コンクリート３等は排出孔から排出されるため、排出孔はコンクリート３等の充填状況を確認するための孔を兼ねる。図９に示すように構造部材４の外殻４０が開放形の断面形状に形成される場合には、鋼材構成材２１に充填孔と排出孔を形成することは必要ないが、隣接する鋼材構成材２１、２１間にコンクリート３等の充填領域を区画するためのせき板が配置され、せき板の一部、またはせき板と鋼材構成材２１との間に充填孔と排出孔が形成される。

構造部材４が閉鎖形であるか、開放形であるかを問わず、新設鋼材２を構成する鋼材構成材２１は既設鋼材１側の面において既設鋼材１の周囲に充填（打設）されるコンクリート３等に付着することによりコンクリート３等に一体化する。前記のように新設鋼材２が既設鋼材１に溶接等によって接合されることもあるが、コンクリート３等には既設鋼材１も一体化するため、既設鋼材１と新設鋼材２とコンクリート３等の３者が一体化し、構造部材４は３者が一体となった合成構造の部材として完成する。既設鋼材１が水平材であれば、構造部材４も梁や桁等の水平材として利用され、既設鋼材１が鉛直材であれば、構造部材４も柱や杭等の鉛直材として利用される。

既設鋼材１がその外周側に配置される新設鋼材２とコンクリート３等に一体化した構造の構造部材４として完成することで、外力として作用する曲げモーメントに対しては既設鋼材１と新設鋼材２が引張力を負担し、コンクリート３等が圧縮力を負担する。材軸に直交する方向のせん断力は既設鋼材１と新設鋼材２及びコンクリート３等が分担する。既設鋼材１を包囲するコンクリート３等中にはコンクリート３等自体を材軸方向に作用する引張力等に対して補強するための補強筋、または図１２−（ａ）に示すようにコンクリート３等と新設鋼材２との一体性を向上させるための連結筋７が、あるいはコンクリート３等を材軸に直交する方向のせん断力に対して拘束するための拘束筋等が配筋されることがある。コンクリート３等を材軸方向の引張力等に対して補強する補強筋はコンクリート３等中に材軸方向に配筋される。

既設鋼材１がその断面形状を維持したまま、全長に亘って構造部材４の一部として利用されることで、既設鋼材１が仮設部材である場合に、既設鋼材１の撤去（回収）を要することなく、既設鋼材１を有効利用することが可能になり、撤去作業が不要になるか、仮設部材撤去後の新設構造部材の設置作業が不要になるため、構造物５を構築する上での作業能率が向上し、工期の短縮化が図られる。

コンクリート３等は既設鋼材１と新設鋼材２に付着することによりそれぞれに一体化するが、新設鋼材２のコンクリート３等との付着力はコンクリート３等に接触する表面積が大きい程、大きくなるから、コンクリート３等との一体化の効果を高める上では、新設鋼材２にコンクリート３等との一体性を確保する補強材６が突設されることが有効である（請求項４）。

補強材６は新設鋼材２を構成する少なくともいずれかの鋼材構成材２１の既設鋼材１側の面の少なくとも一部に、鋼材構成材２１の材軸方向に沿って突設される。「鋼材構成材２１の材軸方向に沿って突設される」とは、補強材６が鋼材構成材２１の材軸方向に連続した長さを持つ板状、もしくは棒状等の形状である場合には、補強材６の材軸方向（長さ方向）が鋼材構成材２１の材軸方向（長さ方向）を向いて鋼材構成材２１に溶接、ボルト接合等により突設されることを言い、鋼材構成材２１の材軸方向に連続する場合と断続的に配置される場合がある。補強材２１が板状等でないボルト状等の場合には、補強材６の材軸方向が鋼材構成材２１の材軸方向に直交等、交差する方向を向き、鋼材構成材２１の材軸方向の領域（範囲）内に複数、突設されることを言う。補強材６が板状等でない形状にはボルト状の他、板状の部材をある長さで切断した形状、ブロック状等がある。

既設鋼材１自体の周囲（表面）には、新設鋼材２内に充填されるコンクリート３等との一体性を高めるための格別な処理は施されていないことがあるため、請求項４では新設鋼材２にコンクリート３等との一体性を高めるための補強材６が突設されることで、新設鋼材２が既設鋼材１に溶接等により接合された場合に、間接的に既設鋼材１とコンクリート３等との一体化の効果が増す。例えば既設鋼材１に、コンクリート３等との間に材軸方向のずれを生じさせようとする引張力が作用したとき、引張力が既設鋼材１とコンクリート３等との付着力を超えれば、コンクリート３等が既設鋼材１から分離しようとするが、補強材６を介して新設鋼材２とコンクリート３等との一体性が確保された上で、新設鋼材２と既設鋼材１との一体性も確保されることで、コンクリート３等の新設鋼材２と既設鋼材１からの分離は回避され易くなるため、構造部材４は既設鋼材１と新設鋼材２及びコンクリート３等が一体となった構造として外力に抵抗できることになる。

補強材６はコンクリート３等との一体性を確保できる機能を発揮できれば、形態は問われず、前記した例えば新設鋼材２の材軸方向を向く板状、もしくは棒状等の他、材軸方向に交差する方向を向くボルト状等の形態がある。いずれの形態でも、補強材６が新設鋼材２の鋼材構成材２１の材軸方向に沿って突設されることで、補強材６の表面に生ずる付着力が新設鋼材２とコンクリート３等を材軸方向に分離させようとする引張力に対して抵抗する。補強材６として例えば孔あき鋼板を使用した場合には、鋼板両面におけるコンクリートとの付着力に加え、孔内に存在する柱状のコンクリートの外周面と孔の内周面との間に作用する支圧力と、孔内のコンクリート両端面におけるせん断抵抗力が鋼板とコンクリートとの間に作用するせん断力に対する抵抗力として付加されることになり、せん断力に対する抵抗力が増大する利点がある。

コンクリート３等は図１１、図１２に示すように新設鋼材２を外周側から包囲する領域にも充填されることがあり（請求項５）、この場合、コンクリート３等が新設鋼材２を周囲から包囲することで、新設鋼材２が耐火被覆されることになるため、構造部材４の耐火性能が確保される。新設鋼材２を包囲する領域に充填されるコンクリート３等は新設鋼材２の外周側に配置されるせき板の一部に形成される充填孔から充填されることになるが、前記のように既設鋼材１、または鋼材構成材２１に充填孔が形成されていれば、コンクリート３等は新設鋼材２の外周側への充填と同時に新設鋼材２の内周側へも充填される。

前記のようにコンクリート３等が充填される新設鋼材２の内周側にはコンクリート３等を補強するための補強筋、またはコンクリート３等と新設鋼材２との一体性を高めるための連結筋７が配筋されることがあるが、補強筋８は図１２−（ｂ）に示すように新設鋼材２の外周側のコンクリート３等中にも配筋されることがある（請求項６）。新設鋼材２の外周側のコンクリート３等中に配筋される補強筋８は新設鋼材２を周回する状態に配筋されることで、コンクリート３等に周方向に作用する引張力に対する補強要素になるため、コンクリート３等のひび割れを防止し、コンクリート３等の新設鋼材２からの剥離を防止し、新設鋼材２外周側のコンクリート３等と外殻４０との一体性を高める働きをする。

構造物の構築位置に設置されている既設鋼材と、既設鋼材に組み合わせられる新設鋼材と、新設鋼材に包囲された領域の少なくとも一部に充填されるコンクリート、もしくはモルタルから構造部材が構成され、コンクリート、もしくはモルタルが既設鋼材と新設鋼材の双方に付着し、それぞれに一体化して構造部材が完成するため、既設鋼材をその断面形状を維持したまま、全長に亘って構造部材の一部として利用することができる。

この結果、既設鋼材が仮設部材である場合に、既設鋼材の撤去（回収）を要することなく、既設鋼材を有効利用することが可能になり、既設鋼材の撤去作業、または仮設部材撤去後の新設構造部材の設置作業が不要になるため、構造物を構築する上での作業能率が向上し、工期の短縮化を図ることが可能になる。

地下構造物が土留め壁内に構築された開削トンネルで、既設鋼材が切梁である場合に、既設鋼材を利用して構造部材を完成させる場合の例を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）の拡大図、（ｃ）は（ｂ）に示す既設鋼材から構造部材を完成させた様子を示した縦断面図である。 構造物がコンクリート造の下部構造と鉄骨造の上部構造とに区分されている場合に、下部構造と上部構造の境界に架設された水平材を既設鋼材として利用した場合の例を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）の既設鋼材から構造部材を完成させた様子を示した縦断面図である。 構造物が複数層に亘る鉄骨造である場合に、下層側の下部構造と上層側の上部構造の境界に架設された水平材を既設鋼材として利用した場合の例を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）の既設鋼材から構造部材を完成させた様子を示した縦断面図である。 （ａ）は既設鋼材が並列するプレートからなる場合に、既設鋼材と共に閉鎖断面形状を形成する２本の鋼材構成材からなる新設鋼材を、既設鋼材を挟み込むように既設鋼材に組み合わせて構造部材を完成させる場合の例を示した材軸方向の断面図、（ｂ）は既設鋼材と新設鋼材を組み合わせたときの構造部材の断面形状を示した材軸方向の断面図である。 （ａ）は既設鋼材が並列するプレートからなる場合に、既設鋼材を包囲する形状の２本の鋼材構成材からなる新設鋼材を既設鋼材に組み合わせて閉鎖断面形状の構造部材を完成させる場合の例を示した材軸方向の断面図、（ｂ）は既設鋼材と新設鋼材を組み合わせたときの構造部材の断面形状を示した材軸方向の断面図である。 （ａ）は既設鋼材が並列するプレートからなる場合に、既設鋼材を包囲する他の形状の２本の鋼材構成材からなる新設鋼材を既設鋼材に組み合わせて閉鎖断面形状の構造部材を完成させる場合の例を示した材軸方向の断面図、（ｂ）は既設鋼材と新設鋼材を組み合わせたときの構造部材の断面形状を示した材軸方向の断面図である。 （ａ）は既設鋼材がＨ形鋼である場合に、既設鋼材を包囲する形状の２本の鋼材構成材からなる新設鋼材を既設鋼材に組み合わせて閉鎖断面形状の構造部材を完成させる場合の例を示した材軸方向の断面図、（ｂ）は既設鋼材と新設鋼材を組み合わせたときの構造部材の断面形状を示した材軸方向の断面図である。 （ａ）は既設鋼材がＨ形鋼である場合に、既設鋼材を包囲する他の形状の２本の鋼材構成材からなる新設鋼材を既設鋼材に組み合わせて閉鎖断面形状の構造部材を完成させる場合の例を示した材軸方向の断面図、（ｂ）は既設鋼材と新設鋼材を組み合わせたときの構造部材の断面形状を示した材軸方向の断面図である。 （ａ）は既設鋼材がＨ形鋼である場合に、既設鋼材を挟み込むプレート状の２本の鋼材構成材からなる新設鋼材を既設鋼材に組み合わせて開放断面形状の構造部材を完成させる場合の例を示した材軸方向の断面図、（ｂ）は既設鋼材と新設鋼材を組み合わせたときの構造部材の断面形状を示した材軸方向の断面図である。 新設鋼材に包囲された領域である閉鎖断面形状の構造部材の内部にコンクリート等を充填した様子を示した断面図である。 新設鋼材を包囲する領域である閉鎖断面形状の構造部材の外部にもコンクリート等を充填した様子を示した断面図である。 （ａ）は図１１における構造部材内のコンクリート等中に連結筋を配筋した様子を示した断面図、（ｂ）は図１１における構造部材外のコンクリート等中に補強筋を配筋した様子を示した断面図である。 （ａ）は既設鋼材を包囲する形状の新設鋼材（鋼材構成材）に新設鋼材の外周側から内周側へコンクリート等を充填するための開口（孔）を形成した場合の既設鋼材との組み合わせ状態を示した側面図、（ｂ）は新設鋼材を既設鋼材の外周に配置した様子を示した側面図である。 （ａ）は既設鋼材を包囲する形状の新設鋼材（鋼材構成材）に新設鋼材の外周側から内周側へコンクリート等を充填するための他の開口（孔）を形成した場合の既設鋼材との組み合わせ状態を示した側面図、（ｂ）は新設鋼材を既設鋼材の外周に配置した様子を示した側面図である。

図１−（ａ）〜（ｃ）は構造物５の構築位置に設置されている既設鋼材１を利用し、既設鋼材１に新設鋼材２を組み合わせて構造物５の構造部材４を完成させる要領の例を示している。構造部材４は基本的に既設鋼材１と、既設鋼材１に組み合わせられる新設鋼材２と、新設鋼材２に包囲された領域の少なくとも一部に充填されるコンクリート３、もしくはモルタル（以下、コンクリート３等）から構成される。新設鋼材２は既設鋼材１を周囲から包囲しながら、もしくは既設鋼材２を一方向に挟み込みながら、既設鋼材１に組み合わせられて閉鎖形の、もしくは開放形の断面形状を形成する複数本の鋼材構成材２１、２１から構成され、コンクリート３等が既設鋼材１と新設鋼材２の双方に付着してそれぞれに一体化する。

図１−（ａ）は構造物５となる地下構造物が土留め壁内に構築された開削トンネルであり、既設鋼材１が開削トンネルを構築するための土留め壁間に架設された切梁である場合に、既設鋼材１を利用して構造部材４を完成させる場合の例を示している。開削トンネルは例えば並列するシールドトンネル等の隣接構造物間等に跨って構築される。図１−（ｂ）は（ａ）における既設鋼材１の部分を拡大した様子を示し、既設鋼材１を上下から挟み込むように２本の鋼材構成材２１、２１を既設鋼材１に組み合わせる様子を示している。（ｃ）は既設鋼材１と新設鋼材２から構造部材４を完成させた様子を示している。

図１は既設鋼材１が構造物５である開削トンネルの側壁５ａ、５ａ間に水平材として架設されている場合の例を示しているが、既設鋼材１は鉛直材の場合もある。図１の例では既設鋼材１は新設鋼材２と組み合わせられ、構造部材４を構成したとき、構造物５の一部である梁（桁）として、またはスラブ（床版）の一部として、あるいは側壁５ａ、５ａ間の間隔を保持する間隔保持材として完成する。

図２は（ａ）に示すように構造物５が複数層（複数階）の建物であり、下層側の下部構造５１が鉄筋コンクリート造で、下部構造５１に支持される上層側の上部構造５２が鉄骨造である場合において、既設鋼材１が上部構造の梁、またはスラブを構成し得る位置に架設されている場合に、（ｂ）に示すように既設鋼材１をそのまま利用し、構造部材４を梁（桁）、またはスラブとして完成させた場合の例を示す。

図３は（ａ）に示すように構造物５が鉄骨造の複数層の建物である場合に、既設鋼材１が下層階と上層階の境界の梁、またはスラブを構成し得る位置に架設されている場合に、（ｂ）に示すように既設鋼材１をそのまま利用し、構造部材４を梁（桁）、またはスラブとして完成させた場合の例を示す。梁の全長が断面積との対比で短い場合には、構造部材４は構造部材４が跨る構造物の柱間、または壁間の間隔を保持する間隔保持材として機能することもある。

図４は（ａ）に示すように既設鋼材１が構造部材４の幅方向（水平方向）に間隔を置いて並列する、鉛直方向を向く２枚のプレート１ａ、１ａからなる場合に、（ｂ）に示すように新設鋼材２を構成する鋼材構成材２１として水平方向を向き、既設鋼材１と共に閉鎖断面形状を形成するプレート２ａを使用し、２枚の鋼材構成材２１、２１（プレート２ａ、２ａ）を既設鋼材１に組み合わせて箱形断面形状の構造部材４の外殻４０を形成した場合の例を示す。図４〜図６では既設鋼材１が水平方向に並列する２枚のプレート１ａ、１ａから構成されているが、既設鋼材１の構成（形態）と断面形状は任意である。新設鋼材２が２本の鋼材構成材２１、２１から構成されるが、既設鋼材１を水平方向に挟み込むように鋼材構成材２１が既設鋼材１に組み合わせられる場合もある。

図４に示す鋼材構成材２１は構造部材４の幅方向に平行な（水平な）プレート２ａと、その既設鋼材１側の面に突設される後述の補強材６から構成されており、プレート２ａの端部、もしくは端面は既設鋼材１のプレート１ａの端面、もしくは端部に突き合わせられ、基本的には両者が溶接、もしくはボルト等により互いに接合される。この場合、プレート２ａがプレート１ａに接合されることにより新設鋼材２が既設鋼材１に接合され、箱形断面の構造部材４の外殻４０が形成される。但し、コンクリート３等が新設鋼材２と既設鋼材１のそれぞれに付着して一体化することで、コンクリート３等を介して間接的に新設鋼材２と既設鋼材１が接合されることになるため、必ずしも新設鋼材２は既設鋼材１に直接、接合される必要はない。

コンクリート３等は新設鋼材２に包囲された領域の少なくとも一部に充填されるが、図４の例では既設鋼材１（プレート１ａ）が構造部材４の外殻４０の一部になっていることから、コンクリート３等は図１０に示すように新設鋼材２の２枚の鋼材構成材２１、２１（プレート２ａ、２ａ）と既設鋼材１の２枚のプレート１ａ、１ａで区画された領域の全体に充填され、構造部材４はコンクリート３等が鋼管内に密実に充填された鋼管（鋼板）コンクリート造として完成する。コンクリート３等は鋼材構成材２１（プレート２ａ）、または既設鋼材１（プレート１ａ）の一部に形成された充填孔から充填され、他のいずれかの一部に形成された排出孔から排出される。

図４はまた、鋼材構成材２１（プレート２ａ）の既設鋼材１側の面の少なくとも一部に、コンクリート３等中に埋設され、コンクリート３等との一体性を確保する補強材６が鋼材構成材２１の材軸方向に沿って突設されている場合の例を示している。補強材６は新設鋼材２とコンクリート３等との一体化を図り、構造部材４の材軸方向に作用し、新設鋼材２とコンクリート３等を分離させようとするせん断力に対する抵抗力を新設鋼材２に付与する目的で新設鋼材２に突設されるため、構造部材４の内周側となる鋼材構成材２１の面に、鋼材構成材２１の幅方向の中央部に１枚、もしくは幅方向に間隔を置いて複数枚、配置される。補強材６はコンクリート３等中に埋設される必要があるため、補強材６の両面側にコンクリート３等が回り込むよう、既設鋼材１（プレート１ａ）の内周側の面と補強材６との間には距離が確保される。

図４は補強材６としてプレート、フラットバー等の形鋼を使用し、補強材６を鋼材構成材２１に溶接により突設しているが、補強材６の種類と鋼材構成材２１への接合方法は問われず、補強材６には山形鋼、溝形鋼、鉄筋（異形鉄筋）、スタッド等の鋼材も使用される。補強材６はコンクリート３等中に埋設されることで、構造部材４の材軸方向のせん断力に対しては主に付着力と支圧力により抵抗する。プレート、鉄筋等のようにせん断力の作用方向と材軸方向が一致するように補強材６が配置される場合は、補強材６は材軸方向に連続的に、または断続的に配置される。スタッドの場合、補強材６は鋼材構成材２１の材軸方向に間隔を置き、軸が新設鋼材２の材軸方向に直交する方向等、交差する方向を向いて配置される。この場合、補強材６は鋼材構成材２１の幅方向に複数、配列（並列）することもある。

補強材６には孔あき鋼板も使用される。孔あき鋼板はプレートと同様に軸が鋼材構成材２１の材軸方向を向き、連続的に、または断続的に配置される。孔あき鋼板が使用される場合には、鋼板両面におけるコンクリートとの付着力に加え、孔内に存在する柱状のコンクリートの外周面と孔の内周面との間に作用する支圧力と、孔内のコンクリート両端面におけるせん断抵抗力が鋼板とコンクリートとの間に作用するせん断力に対する抵抗力として付加され、構造部材４の材軸方向に作用するせん断力に対する抵抗力が増大する利点がある。

図５、図６は新設鋼材２の鋼材構成材２１、２１に既設鋼材１を周囲から包囲する形状と寸法を与え、新設鋼材２が既設鋼材１に組み合わせられたときに、各図の（ｂ）に示すように新設鋼材２（鋼材構成材２１）が閉鎖形の断面形状の構造部材４の外殻４０を形成する場合の例を示す。この例では新設鋼材２を構成する２本の鋼材構成材２１、２１が既設鋼材１を上下から挟み込むように突き合わせられることで、鋼材構成材２１、２１が既設鋼材１を周囲から包囲し、鋼材構成材２１、２１の突き合わせ部分が互いに溶接等されることにより互いに接合され、構造部材４の外殻４０を形成する。図５、図６の例でもコンクリート３等は基本的に鋼材構成材２１、２１に囲まれた領域に充填されるが、特に２本の鋼材構成材２１、２１に囲まれた領域が仕切り板等で区画される場合には、その区画された領域にのみ充填されることもある。

図５は（ａ）に示すように図４におけるいずれか一方の鋼材構成材２１（プレート２ａ）の幅方向両側に、既設鋼材１のプレート１ａと平行な（プレート２ａに垂直な）、鉛直方向を向くプレート２ｂ、２ｂを溶接し、（ｂ）に示すように一方の鋼材構成材２１が他方の鋼材構成材２１（プレート２ａ）に組み合わせられたときに、プレート２ｂが他方の鋼材構成材２１（プレート２ａ）に突き当たる長さをプレート２ｂに与えた形に相当する。プレート２ｂ、２ｂは既設鋼材１（プレート１ａ）の外周側に位置し、既設鋼材１はプレート２ｂに内接するか、プレート２ｂとの間に距離が確保される。鋼材構成材２１のプレート２ｂが既設鋼材１（プレート１ａ）に外接し、溶接等により接合される場合には、プレート２ｂがプレート１ａの板厚を増し、剛性を高める働きをするため、既設鋼材１が構造部材４の一部として外力に対する抵抗要素になるときに、既設鋼材１の変形に対する安定性が高まる利点がある。

図５〜図８に示すように新設鋼材２を構成する複数本の鋼材構成材２１、２１が互いに突き合わせられることにより既設鋼材１を包囲する場合、鋼材構成材２１の既設鋼材１側の面にコンクリート３等が充填されることで、各鋼材構成材２１がコンクリート３等に一体化するため、分離している鋼材構成材２１、２１はコンクリート３等を介して間接的に一体化した状態になる。このため、互いに突き合わせられる鋼材構成材２１、２１同士は必ずしも接合される必要はないが、両鋼材構成材２１、２１を互いに接合する場合には、一方の鋼材構成材２１のプレート２ｂの端面を他方の鋼材構成材２１（プレート２ａ）の端部に突き合わせ、両者を溶接することにより、または両者間に金物を渡し、ボルトを挿通させることにより両鋼材構成材２１、２１が接合される。

図６は（ａ）に示すように図５における一方の鋼材構成材２１に一体化しているプレート２ｂ、２ｂをその幅方向（構造部材４の成方向（鉛直方向））に２分割し、分割されたプレート２ｂ、２ｂを各鋼材構成材２１に溶接した形に相当する。対になる鋼材構成材２１、２１を接合する場合、両鋼材構成材２１、２１は、各鋼材構成材２１に一体化し、互いに突き合わせられるプレート２ｂ、２ｂが互いに溶接されることにより、または両プレート２ｂ、２ｂに継手プレートを跨設し、継手プレートとプレート２ｂを貫通するボルトを挿通させることにより互いに接合される。図５、図６では（ｂ）に示すように鋼材構成材２１のプレート２ｂが既設鋼材１のプレート１ａに外接しているが、プレート２ｂとプレート１ａとの間には間隔が確保され、コンクリート３等が入り込むこともある。プレート２ｂがプレート１ａに外接する場合、両プレート２ｂ、１ａは互いに溶接等により接合される場合と、単に接触した状態になる場合がある。

図７、図８は（ａ）に示すように既設鋼材１が１本のＨ形鋼からなり、新設鋼材２を構成する各鋼材構成材２１が図６の例と同様に構造部材４の幅方向に平行な（水平な）プレート２ａとその幅方向両側に垂直に一体化したプレート２ｂ、２ｂからなる場合に、（ｂ）に示すように既設鋼材１を上下から挟み込み、既設鋼材１を包囲するように新設鋼材２を構成する２本の鋼材構成材２１、２１を既設鋼材１の周囲に配置した場合の例を示す。図７、図８共、プレート２ａの既設鋼材１側の面に補強材６が突設されている場合であるが、図７は２本の鋼材構成材２１、２１の各プレート２ａ（の既設鋼材１側の面）が既設鋼材１のフランジに接触した状態で、両鋼材構成材２１、２１のプレート２ｂ、２ｂを突き合わせた場合、図８は鋼材構成材２１のプレート２ａが既設鋼材１のフランジとの間にクリアランスを確保した状態で、両鋼材構成材２１、２１のプレート２ｂ、２ｂを突き合わせた場合である。既設鋼材１は複数本のＨ形鋼からなる場合もある。

図７、図８の例でも対になる２本の鋼材構成材２１、２１を接合する場合、両鋼材構成材２１、２１は、構造部材４の成方向（高さ方向）を向くプレート２ｂ、２ｂが互いに突き合わせられ、溶接等されることにより互いに接合され、構造部材４の外殻４０を形成する。図７の例では既設鋼材１のフランジに鋼材構成材２１のプレート２ａが重なることで、プレート２ａが既設鋼材１のフランジに溶接等により接合された場合に、既設鋼材１のフランジの板厚を増すことになるため、既設鋼材１のフランジの剛性を増し、変形（局部変形を含む）に対する安定性を高める働きをする。図８の例ではコンクリート３等が既設鋼材１を完全に被覆することで、既設鋼材１の変形（局部変形を含む）がコンクリート３等に拘束されるため、プレート２ａが既設鋼材１に重ならなくても既設鋼材１を変形に対して安定させ易くなる。

鋼材構成材２１のプレート２ａに補強材６が突設される図７、図８の場合、鋼材構成材２１、２１が互いに組み合わせられたときに、補強材６と既設鋼材１との間には各図の（ｂ）に示すように補強材６が既設鋼材１に接触せず、新設鋼材２の内部に充填されるコンクリート３等の回り込み（充填性）を阻害しない程度のクリアランスが確保される。

図９は既設鋼材１がＨ形鋼であり、新設鋼材２を構成する各鋼材構成材２１が構造部材４の幅方向に平行なプレート２ａとプレート２ａの既設鋼材１側に突設された補強材６からなる場合に、新設鋼材２を構成する２本の鋼材構成材２１、２１が既設鋼材１を高さ方向（鉛直方向）に挟み込むように鋼材構成材２１、２１を既設鋼材２の周囲に配置し、（ｂ）に示すように既設鋼材１と新設鋼材２からなる構造部材４の外殻４０を開放形の断面形状に形成した場合の例を示す。図９の例は図７の例におけるプレート２ａの幅方向両側のプレート２ｂ、２ｂを不在にした形に相当する。

図９の例では構造部材４の外殻４０が開放形の断面形状になるが、構造部材４は鋼材とコンクリート３等の合成構造で完成するため、２本の鋼材構成材２１、２１に挟まれた領域の少なくとも一部の領域にコンクリート３等が充填される。少なくとも既設鋼材１が完全に埋設されるように鋼材構成材２１、２１間にコンクリート３等が充填される場合には、コンクリート３等を介して既設鋼材１と新設鋼材２の一体化が図られるため、既設鋼材１と新設鋼材２は必ずしも直接には接合される必要がない。図９でも（ｂ）に示すように鋼材構成材２１が既設鋼材１に接触しているが、鋼材構成材２１と既設鋼材１との間にはクリアランスが確保されることもある。

図１０は図４に示す構造部材４の外殻４０の内部にコンクリート３等を充填した様子を示す。構造部材４の外殻４０の内部全体にコンクリート３等を充填する場合は、図６〜図８の例も図１０と同様になる。構造部材４の外殻４０の内部にコンクリート３等を充填する場合には、前記のように既設鋼材１（プレート１ａ）、または新設鋼材２（プレート２ａ、２ｂ）の一部に充填孔が形成され、他のいずれかの一部に排出孔が形成され、コンクリート３等は排出孔から排出されることで、構造部材４の内部に密実に充填されたことが確認される。

図１１、図１２−（ａ）、（ｂ）は図４、または図１０に示す構造部材４の外殻４０の外部にもコンクリート３等を充填した様子を示す。この場合、外殻４０の外部には外殻４０の外周面との間に距離を置き、一部にコンクリート３等の充填のための充填孔と排出孔を有するせき板が配置され、コンクリート３等は充填孔から注入され、排出孔から排出されることで、外殻４０の外部に充填される。充填孔と排出孔は新設鋼材２（鋼材構成材２１）の一部にも形成され、コンクリート３等は外殻４０の外部と同時に外殻４０の内部にも充填される。図１１、図１２の例では既設鋼材１と新設鋼材２を含む外殻４０全体がコンクリート３等で包囲された状態になるため、外殻４０に対する耐火被覆が不要になる利点がある。

図１２−（ａ）はまた、外殻４０の内部のコンクリート３等中にコンクリート３等と新設鋼材２との一体性を確保するための連結筋７を配筋した様子を、（ｂ）は外殻４０の外部のコンクリート３等中に、コンクリート３等に周方向に作用する引張力に対してコンクリート３等を補強するための補強筋８を配筋した様子を示す。補強筋８はコンクリート３等に作用する材軸方向の引張力に対する補強のために、外殻４０の内部、または外部に構造部材４の材軸方向に配筋されることもある。

図１２−（ａ）の例では新設鋼材２の内周側に補強材６が突設されていることで、構造部材４の材軸方向に作用する、新設鋼材２（外殻４０）とコンクリート３等を分離させようとする引張力（せん断力）に対しては補強材６が抵抗することができるが、連結筋７が補強材６を厚さ方向に貫通して配筋されていることで、新設鋼材２とコンクリート３等と分離させようとする引張力に対する靱性が向上する。（ｂ）の例では構造部材４の外殻４０の外周に充填されたコンクリート３等に周方向に作用する引張力に対して補強筋８が抵抗するため、外殻４０外周側のコンクリート３等のひび割れ及び剥落に対する安全性が向上する。

図１２−（ａ）、（ｂ）のいずれの例においても、外殻４０外周側のコンクリート３等と外殻４０との材軸方向の分離に対する安全性向上のために、新設鋼材２（鋼材構成材２１）の補強材６は外殻４０の外周側に突設され、外殻４０外部のコンクリート３等中に埋設されることもある。

図１３、図１４は図６〜図８に示すような、既設鋼材１を包囲する形状の新設鋼材２（鋼材構成材２１）に、新設鋼材２の外周側から内周側へコンクリート３等を充填するための、充填孔及び排出孔としての開口２ｃを形成した場合の既設鋼材１との組み合わせ例を示す。図１３は図６〜図８における対になる鋼材構成材２１、２１の各プレート２ｂ、２ｂの突き合わせ面側が開放した溝形（櫛形）の形状に開口２ｃを形成した場合、図１４は各プレート２ｂ、２ｂに開口２ｃとして孔を形成した場合である。

図１３、図１４の例では鋼材構成材２１のプレート２ｂに多数の開口２ｃが形成されていることで、コンクリート３等の充填位置が任意に選択可能である他、複数の位置から同時に充填することも可能になる利点がある。

１……既設鋼材、１ａ……プレート、
２……新設鋼材、２１……鋼材構成材、２ａ……プレート、２ｂ……プレート、２ｃ……開口、
３……コンクリート、
４……構造部材、４０……外殻、
５……構造物、５ａ……側壁、５１……下部構造、５２……上部構造、
６……補強材、７……連結筋、８……補強筋。

Claims (6)

1. 構造物の構築位置に設置されている既設鋼材と、この既設鋼材に組み合わせられる新設鋼材と、この新設鋼材に包囲された領域の少なくとも一部に充填されるコンクリート、もしくはモルタルを備え、
   前記新設鋼材は前記既設鋼材を一方向に挟み込むように配置されながら、前記既設鋼材に組み合わせられて閉鎖形の、もしくは開放形の断面形状を形成する２本の鋼材構成材から構成され、
   前記コンクリート、もしくはモルタルは前記既設鋼材と前記新設鋼材の双方に付着して一体化していることを特徴とする既設鋼材を利用した構造部材。
2. 前記鋼材構成材は前記既設鋼材に重なっていることを特徴とする請求項１に記載の既設鋼材を利用した構造部材。
3. 前記鋼材構成材は前記既設鋼材と共に箱形断面の構造部材の外殻を形成していることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載の既設鋼材を利用した構造部材。
4. 少なくともいずれかの前記鋼材構成材の前記既設鋼材側の面の少なくとも一部に、前記コンクリート、もしくはモルタル中に埋設され、前記コンクリート、もしくはモルタルとの一体性を確保する補強材が前記鋼材構成材の材軸方向に沿って突設されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の既設鋼材を利用した構造部材。
5. 前記コンクリート、もしくはモルタルは前記新設鋼材を外周側から包囲する領域にも充填されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の既設鋼材を利用した構造部材。
6. 構造物の構築位置に設置されている既設鋼材と、この既設鋼材に組み合わせられる新設鋼材と、この新設鋼材に包囲された領域の少なくとも一部に充填されるコンクリート、もしくはモルタルを備え、
   前記新設鋼材は前記既設鋼材を周囲から包囲しながら、もしくは前記既設鋼材を挟み込みながら、前記既設鋼材に組み合わせられて閉鎖形の、もしくは開放形の断面形状を形成する複数本の鋼材構成材から構成され、この各鋼材構成材は前記既設鋼材側の面において 前記コンクリート、もしくはモルタルに付着して一体化し、
   前記コンクリート、もしくはモルタルは前記新設鋼材を外周側から包囲する領域にも充填され、前記新設鋼材を包囲する領域に充填された前記コンクリート、もしくはモルタル中に、前記新設鋼材を周回する状態に補強筋が配筋されていることを特徴とする既設鋼材を利用した構造部材。

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