JP6152975B2

JP6152975B2 - 高じん性ｒｃ梁構造

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Publication number: JP6152975B2
Application number: JP2013122075A
Authority: JP
Inventors: 輿石　正己; 正己輿石; 裕輔小野
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-06-10
Also published as: JP2014237985A

Description

本発明は、鉄筋コンクリート製の梁からなる高じん性ＲＣ梁構造に関する。

このような鉄筋コンクリート造の梁（以下、「ＲＣ梁」という）では、荷重を支持した状態での変形性能、すなわちじん性率が劣るという性質があることが知られている。すなわち、通常のＲＣ梁の曲げじん性は、変位じん性率μが５〜８程度（例えば図８ではμ＝６の一例）となっている。

ここで、通常のＲＣ梁では、図８に示すように、設計荷重時において、引張側にひび割れが生じるため、設計断面内では引張力を引張鉄筋が負担し、圧縮力は圧縮側のコンクリートが負担している。この際、圧縮域に設置した圧縮鉄筋の分担力は僅かとなっている（例えば、非特許文献１参照）。

また、図９（ａ）には、上述した通常のＲＣ梁１０を示しており、梁軸方向に沿って梁の一方面側をなす圧縮側に配置された２本の圧縮鉄筋１１と、梁軸方向に沿って梁の他方面側をなす引張側に配置された３本の引張鉄筋１２と、梁軸方向に直交する断面で圧縮鉄筋１１及び引張鉄筋１２を外側から囲む複数のフープ筋１３とを備えている。そして、圧縮鉄筋１１は、梁の圧縮側に位置する終局荷重時におけるコンクリート圧縮応力域Ｓ内に位置している。

広瀬泰之、他「ＲＣ部材の曲げ破壊靱性向上のための主鉄筋径と有効高さの関係に関する研究」、日本材料学会、２００７年５月１８日、学術講演会論文集５６、ｐ．１０−１１

しかしながら、従来のＲＣ梁構造では、図９（ｂ）に示すように、引張鉄筋の降伏後の終局荷重時においては、引張鉄筋が降伏し、中立軸Ｎ−Ｎが上昇する。そして、圧縮側ではコンクリートの応力分布が非線形領域となり、最外縁のひずみが３５００μ程度に達した時点で、ＲＣ梁は終局耐力を迎えることになる。このとき、コンクリート圧縮応力域Ｓに配置した圧縮鉄筋は、コンクリートの圧壊とともに座屈する。

さらに、曲げじん性は、通常、図８に示すような荷重−変位曲線において、荷重が最大荷重の８０％まで低下した時点における変位を降伏変位で除したものであり、通常最大荷重時にコンクリートが圧壊し、圧縮鉄筋が座屈した場合には５〜８程度となる。
このことから、より曲げじん性率の高い構造のＲＣ梁が求められており、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、降伏応力到達時における周面コンクリートの拘束により圧縮鉄筋の座屈を抑制することで、梁材としての変位じん性率を向上させることができる高じん性ＲＣ梁構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る高じん性ＲＣ梁構造では、鉄筋コンクリート製の梁からなる高じん性ＲＣ梁構造であって、梁軸方向に沿って梁の一方面側をなす圧縮側に配置された圧縮鉄筋と、梁軸方向に沿って梁の他方面側をなす引張側に配置された引張鉄筋と、前記梁軸方向に直交する断面で前記圧縮鉄筋及び引張鉄筋を外側から囲む複数のフープ筋と、を備え、前記梁は、前記引張鉄筋の降伏後の終局荷重時に、前記梁の断面における圧縮と引張の力の釣り合いを示す中立軸が圧縮側に移動し、前記梁の圧縮側においてコンクリートの応力分布が非線形領域となるとともに、前記梁の断面形状、及びコンクリート強度から決まるコンクリート圧縮応力域が形成され、前記圧縮鉄筋は、前記引張鉄筋と同等以上の材質で、かつ前記引張鉄筋の鉄筋量以上で配置されるとともに、当該梁の圧縮側に位置する前記終局荷重時における前記コンクリート圧縮応力域よりも前記引張側に位置していることを特徴としている。

本発明では、ＲＣ梁における圧縮側コンクリートの曲げ破壊時において、圧縮破壊までは引張鉄筋とコンクリートとが梁断面内で釣り合った状態となる。そして、圧縮側コンクリートの曲げ破壊時の圧縮破壊後には、終局荷重時におけるコンクリート圧縮応力域よりも引張側（断面内側）に圧縮鉄筋が位置するため、圧縮鉄筋が降伏応力に達しても周面コンクリートの拘束により座屈しない状態となり、引張鉄筋と圧縮鉄筋が釣り合い、曲げじん性が増加する。さらに、ＲＣ梁の曲げ変形が進行すると、引張鉄筋と圧縮鉄筋のそれぞれがひずみ硬化域に入ることから、従来のＲＣ梁の曲げ耐力よりも高い耐力が得られることになる。
そのため、本発明の高じん性ＲＣ梁構造を、例えば設計外力を上回る可能性のあるロックシェッドや防波堤などに適用することにより、従来のＲＣ構造物よりも高耐力な構造を実現することができる。

また、本発明に係る高じん性ＲＣ梁構造では、圧縮鉄筋の強度および延性は、引張鉄筋以上であることが好ましい。

この場合には、圧縮鉄筋が降伏応力に達しても周面コンクリートの拘束によりより一層座屈し難い状態とすることができ、これによりＲＣ梁の耐力をさらに向上させることができる。

本発明の高じん性ＲＣ梁構造によれば、圧縮鉄筋を引張鉄筋の同鉄筋量以上とするとともに終局時の圧縮側におけるコンクリート圧縮応力域の引張側に配置することにより、降伏応力到達時における周面コンクリートの拘束によって圧縮鉄筋の座屈を抑制することができ、梁材としての変位じん性率を向上させることができる。

本発明の実施の形態によるＲＣ梁の構成を示す側断面図である。図１に示すＡ−Ａ線断面図であって、ＲＣ梁の水平断面図である。図１に示すＢ−Ｂ線断面図であって、ＲＣ梁の縦断面図である。図１に示すＣ−Ｃ線断面図であって、ＲＣ梁の縦断面図である。ＲＣ梁の作用を説明するための図であって、（ａ）はＲＣ梁の断面図、（ｂ）はピーク時の力の釣合いを示す図、（ｃ）はポストピーク域の力の釣合いを示す図である。実施例の試験結果による荷重変位の関係を示す図である。実施例の試験結果による計測位置と鉛直荷重の関係を示す図である。従来のＲＣ梁の荷重変位曲線を示す図である。従来のＲＣ梁の作用を説明するための図であって、（ａ）はＲＣ梁の断面図、（ｂ）はピーク時の力の釣合いを示す図である。

以下、本発明の実施の形態による高じん性ＲＣ梁構造について、図面に基づいて説明する。

図１乃至図４に示すように、本実施の形態による高じん性ＲＣ梁構造は、鉄筋コンクリート製の梁（以下、ＲＣ梁１という）であって、例えば隣り合う鉄筋コンクリート造の柱（図示省略）同士の間に架構されている。

ＲＣ梁１は、梁軸方向Ｘに沿って梁の一方面側をなす圧縮側（上側Ｙ１）に配置された複数（図２で３本）の圧縮鉄筋２と、梁軸方向Ｘに沿って梁の他方面側をなす引張側（下側Ｙ２）に配置された複数（図２で３本）の引張鉄筋３と、梁軸Ｘ方向に直交する断面で前記圧縮鉄筋２及び引張鉄筋３を外側から囲み、梁軸方向Ｘに沿って所定間隔をあけて配筋された複数のフープ筋４とを備え、これら圧縮鉄筋２、引張鉄筋３、及びフープ筋４がコンクリート５に埋設された構成となっている。

図１〜図４に示すＲＣ梁１は、梁軸方向Ｘの両端部１ａを有している。圧縮鉄筋２と引張鉄筋３はそれぞれ上下方向に対向するように配置されており、上下に対応する圧縮鉄筋２と引張鉄筋３との各端部同士が上下方向に向けて各々９０°で折り曲げられて定着されている。なお、ＲＣ梁１は、両端が上述した柱等に接合される構成の場合には、その両端部の接合構造は圧縮鉄筋２と引張鉄筋３を別々に定着する構造に限定されず、例えば上記の柱内まで延長して定着してもよい。

圧縮鉄筋２は、引張鉄筋３と同数（各３本）の鉄筋本数（鉄筋量）で配置されるとともに、ＲＣ梁１の圧縮側（上側Ｙ１）に位置する終局荷重時におけるコンクリート圧縮応力域Ｓよりも引張側（下側Ｙ２）に配置されている。そして、圧縮鉄筋２と引張鉄筋３とは、同材質で同径（例えば２５ｍｍ：Ｄ２５）の部材が用いられ、鉄筋自体の延性も同等となっている。

ここで、コンクリート圧縮応力域Ｓは、ＲＣ梁１の断面形状（大きさ）、コンクリート強度から決まる。そのため、圧縮鉄筋２の断面内の位置は、ＲＣ梁１に応じて計算、解析等によって求められたコンクリート圧縮応力域Ｓに基づいて決定されることになる。

フープ筋４は、例えば柱の帯鉄筋と同様に引張鉄筋３と圧縮鉄筋２を取り囲む形状をなし、梁軸方向Ｘの全体にわたって配筋されている。なお、フープ筋４は、例えば鉄筋径１３ｍｍ（Ｄ１３）の部材が用いられ、圧縮鉄筋２の座屈防止を補助する機能を有している。

なお、圧縮鉄筋２、引張鉄筋３、及びフープ筋４の本数は、ＲＣ梁１の断面形状に応じて、曲げ耐力およびせん断耐力に基づいて適宜決定される。

次に、上述した高じん性ＲＣ梁構造の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態のＲＣ梁１では、圧縮側コンクリートの圧縮破壊（ピーク時）までは、引張鉄筋３とコンクリート圧縮応力域Ｓと圧縮鉄筋２の和が梁断面内で釣り合った状態となる。すなわち、図５（ｂ）に示すピーク時の力の釣り合い図のように、圧縮鉄筋２の位置で作用する全応力Ｃ（＝σｓ’×Ａｓ）及び設計圧縮強度σｃｋの０．８５倍×０．８ｘ×ｂが引張鉄筋３の位置で作用する全応力Ｔ（＝σｓｙ×Ａｓ）と釣り合っている。ここで、ｘはコンクリート圧縮応力域Ｓの上縁から中立軸Ｎ−Ｎまでの距離、ｂはＲＣ梁１の断面幅、σｓ’は鉄筋の圧縮応力、σｓｙは鉄筋の降伏応力、Ａｓは鉄筋の全断面積（３本分）である。

そして、圧縮側コンクリートの圧縮破壊後には、終局荷重時におけるコンクリート圧縮応力域Ｓよりも引張側（断面内側）に圧縮鉄筋２が位置するため、圧縮鉄筋２が降伏応力に達しても周面コンクリートの拘束により座屈しない状態となり、引張鉄筋３と圧縮鉄筋２が釣り合い、曲げじん性が増加する。さらに、ＲＣ梁１の曲げ変形が進行すると、引張鉄筋３と圧縮鉄筋２のそれぞれがひずみ硬化域に入ることから、従来のＲＣ梁の曲げ耐力よりも高い耐力が得られることになる。

すなわち、図５（ｃ）に示すポストピーク域の力の釣り合い図のように、圧縮鉄筋２の位置で作用する全圧縮力Ｃ（＝σｓｙ×Ａｓ）のみで引張鉄筋３の位置で作用する全引張力Ｔ（＝σｓｙ×Ａｓ）と釣り合っている。なお、図５（ｃ）において、符号ｄ’は圧縮側の全応力Ｃと引張側の全応力Ｔのそれぞれが作用する位置同士の距離を示しており、その距離ｄ’の中心に中立軸Ｎ−Ｎが位置している。

そのため、本実施の形態のＲＣ梁１を、例えば設計外力を上回る可能性のあるロックシェッドや防波堤などに適用することにより、従来のＲＣ構造物よりも高靱性かつ高耐力な構造を実現することができる。

また、本実施の形態では、圧縮鉄筋２の延性が引張鉄筋３以上の部材であることから、圧縮鉄筋２が降伏応力に達しても周面コンクリートの拘束によりより一層座屈し難い状態とすることができ、これによりＲＣ梁１の耐力をさらに向上させることができる。

上述のように本実施の形態による高じん性ＲＣ梁構造では、圧縮鉄筋２を引張鉄筋３の同鉄筋量以上とするとともに終局時の圧縮側におけるコンクリート圧縮応力域Ｓの下側Ｙ２に配置することにより、降伏応力到達時における周面コンクリートの拘束によって圧縮鉄筋２の座屈を抑制することができ、梁材としての変位じん性率を向上させることができる。

次に、上述した実施の形態による高じん性ＲＣ梁構造の効果を裏付けるための実施例について、以下説明する。

（実施例）
本実施例は、上述したＲＣ梁１（図１参照）と同様の構成の試験体を使用し、載荷試験を行って、上記実施の形態のＲＣ梁１の耐力を評価した。
試験体のＲＣ梁は、図１に示すように、梁軸方向Ｘの長さ寸法が５ｍ、梁断面が高さ６００ｍｍ×幅４００ｍｍで、コンクリート設計基準強度σｃｋが２７Ｎ／ｍｍ^２であり、梁軸方向Ｘに沿って所定間隔をあけてひずみゲージを貼り付けたものである。試験体の鉄筋は、圧縮鉄筋及び引張鉄筋がともに鉄筋径２５ｍｍ（Ｄ２５）で３本ずつ設けられ、複数のフープ筋は鉄筋径１３ｍｍ（Ｄ１３）である。

試験方法は、梁軸方向Ｘの中心Ｃから両端に５００ｍｍの位置で上方から載荷し、梁軸方向Ｘの所定位置（ひずみゲージの貼り付け位置）における鉛直変位（ｍｍ）を測定する曲げ試験とした。
図６は、試験結果であって、荷重−変位曲線を示している。図６のδｙは引張鉄筋の降伏時の梁軸方向Ｘの中心Ｃにおける鉛直変位であって、例えば図中の「８δｙ」は引張鉄筋の降伏時の変位の８倍であることを示している。

図６によれば、降伏荷重が２８０ｋＮとなり、圧縮側コンクリートの圧縮破壊時には降伏変位の８倍（８δｙ）となる。そして、圧縮破壊後も、従来のように試験体が終局耐力を迎える状態（図８参照）にはならず、荷重の増加と共に変位も増加し、最大荷重が３９４ｋＮに達し、このときの変位は、降伏変位の３８倍（３８δｙ）となった。したがって、本実施例によれば、圧縮鉄筋が座屈しない場合の曲げじん性は３８以上であり、概ね通常のＲＣ梁の５倍程度のじん性率を確認できた。
これは、圧縮側コンクリートの圧縮破壊後において、圧縮鉄筋２が降伏応力に達しても周面コンクリートの拘束により座屈しない状態となり、引張鉄筋３と圧縮鉄筋２が釣り合い、曲げじん性が増加することによるものといえる。

また、図７は、試験体の計測位置（図１に示す梁軸方向Ｘの中心Ｃからの距離（ｍｍ））と鉛直変位（ｍｍ）との関係を示している。この結果によると、３８δｙまでの荷重を加えても、左右対称の波形を示しており、試験体のＲＣ梁は、鉛直変位の増加しても急激な圧壊をせずに、大きな曲げじん性を維持していることが確認できる。

以上、本発明による高じん性ＲＣ梁構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では、圧縮鉄筋２が引張鉄筋３と同じ材質で、かつ同じ鉄筋量、すなわち同じ本数（３本ずつ）で配置された構成としているが、これに限定されることはない。要は、圧縮鉄筋２が引張鉄筋３の鉄筋量以上で配置されていれば良いのであって、例えば引張鉄筋３が３本配置されている場合に、圧縮鉄筋２を４本に設定することも可能である。

また、フープ筋４の本数、梁軸方向Ｘの配置間隔などの構成は適宜設定することが可能であり、またＲＣ梁１の断面形状（大きさ）についてもとくに制限されることはない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ＲＣ梁（高じん性ＲＣ梁構造）
２圧縮鉄筋
３引張鉄筋
４フープ筋
５コンクリート
Ｓコンクリート圧縮応力域
Ｘ梁軸方向
Ｙ１上側（圧縮側）
Ｙ２下側（引張側）

Claims

鉄筋コンクリート製の梁からなる高じん性ＲＣ梁構造であって、
梁軸方向に沿って梁の一方面側をなす圧縮側に配置された圧縮鉄筋と、
梁軸方向に沿って梁の他方面側をなす引張側に配置された引張鉄筋と、
前記梁軸方向に直交する断面で前記圧縮鉄筋及び引張鉄筋を外側から囲む複数のフープ筋と、
を備え、
前記梁は、前記引張鉄筋の降伏後の終局荷重時に、前記梁の断面における圧縮と引張の力の釣り合いを示す中立軸が圧縮側に移動し、前記梁の圧縮側においてコンクリートの応力分布が非線形領域となるとともに、前記梁の断面形状、及びコンクリート強度から決まるコンクリート圧縮応力域が形成され、
前記圧縮鉄筋は、前記引張鉄筋と同等以上の材質で、かつ前記引張鉄筋の鉄筋量以上で配置されるとともに、当該梁の圧縮側に位置する前記終局荷重時における前記コンクリート圧縮応力域よりも前記引張側に位置していることを特徴とする高じん性ＲＣ梁構造。
前記圧縮鉄筋の強度および延性は、前記引張鉄筋以上であることを特徴とする請求項１に記載の高じん性ＲＣ梁構造。