JP6208994B2

JP6208994B2 - コンクリート構造物およびコンクリート構造物の復旧方法

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Publication number: JP6208994B2
Application number: JP2013137690A
Authority: JP
Inventors: 小林　薫; 薫小林; 尚美佐々木
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: JP2015010415A

Description

本発明は、コンクリート製の柱や梁を備えるコンクリート構造物、およびこのコンクリート構造物が損傷した際の復旧方法に関する。

コンクリート製の柱や梁を備えるコンクリート構造物の一つにラーメン高架橋（以下、高架橋）がある。高架橋は、地中に設けられるフーチング、杭、地中梁等からなる基礎、基礎の上に立てられた複数の柱、柱と柱の間に設けられる梁、複数の柱の上に跨って架設される橋桁等で構成される。
また、このような高架橋において、柱を長くし、橋桁を高い位置に架設する場合には、柱の中間部と隣り合う柱の中間部との間に中層梁を架設するようにしている（特許文献１参照）。

特開２００４−３１７１号公報

しかしながら、このような構造物は、通常、中層梁等の構造物上部に設けられる梁に損傷が生じないよう設計されているため、コンクリート構造物に過度に大きな地震動が作用すると、多くの場合、柱が先に損傷してしまう。柱が損傷してしまうと、構造物上部を支持する力が著しく低下するので、最悪の場合、高架橋全体の倒壊に繋がる虞も出てくる。高架橋が倒壊してしまうと、高架橋を復旧し、その高架橋の上を通る鉄道やその下をくぐる道路等の通行を再開するまでに長い時間を要することとなってしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、コンクリート製の柱と梁からなるラーメン構造を有するコンクリート構造物において、全体が倒壊してしまうのを防ぐとともに、損傷した場合の復旧を容易にすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、地面に所定間隔を空けて複数立設されたコンクリート製の柱と、前記柱と、前記柱と隣り合う柱との間に設けられたコンクリート製の梁と、からなるラーメン構造を有するコンクリート構造物であって、前記梁は、コンクリート内に、前記柱から、前記柱と隣り合う柱へと配設された主鉄筋と、前記コンクリートよりも引張強度が高い材料で形成され、前記主鉄筋に沿って配設され、かつ表面がなだらかな芯部とを備え、前記コンクリートにひび割れが生じた時点で、前記芯部と前記コンクリートとの付着が切れるようになっていることを特徴とする。

このようにすれば、梁に応力が作用すると芯部とコンクリートとの付着が切れるので、梁は地震のエネルギーを周辺部のコンクリートと主鉄筋とで構成される鉄筋コンクリート部だけで吸収するようになる。このため、過度に大きな地震動が作用した場合に、柱よりも先に梁のコンクリート部が損傷し、梁が変形するようになる。これにより、コンクリート構造物の固有周期が長くなり、コンクリート構造物が共振するのを防ぐことが出来る。一方、梁の変形がある大きさまで達したところで、引張強度の大きい芯部が応力を受け持つようになるため、梁の耐力の低下が食い止められるようになる。その結果、この梁に接合される柱の変位が大きくなるのを防ぐことができる。つまり、コンクリート構造物が、免震構造を備えるコンクリート構造物に近い挙動を示すようになる。その結果、梁に破壊が生じた後に、この梁を構成要素とするコンクリート構造物全体が倒壊してしまうのを防ぐことができる。

なお、望ましくは、上記発明において、前記梁は、前記柱の中間部と、前記柱と隣り合う柱の中間部との間、および／または前記柱の下部と、前記柱と隣り合う柱の下部との間に設けられるようにするとよい。
このようにすれば、長周期の揺れの影響を受け易い、柱の長いコンクリート構造物に対しても、効果的な免震性能を発揮することが出来る。

また、望ましくは、上記発明において、前記柱は、第１の柱と、前記第１の柱から所定の方向に所定距離離間して立設された第２の柱と、前記第１の柱および前記第２の柱から、前記所定の方向と直交する方向に所定距離離間して順次立設された複数の第３の柱からなり、各柱の上に、前記所定の方向と直交する方向に沿って延びるように架設された橋桁を備え、前記梁が、前記第１の柱と前記第２の柱との間に設けられたものとするとよい。
一般に、橋桁の延設方向と直交する方向に立設される柱は少ないので、コンクリート構造物はこの方向に揺れ易くなり、この方向に沿って設けられる梁は破壊され易くなるが、このようにすれば、破壊後の梁の耐力の低下が食い止められるので、梁の両端に接合される柱の、橋桁の延設方向と直交する方向への変位が過大になるのを抑えることができる。

また、上記課題を解決するため、本発明は、地面に所定間隔を空けて複数立設されたコンクリート製の柱と、前記柱と、前記柱と隣り合う柱との間に設けられたコンクリート製の梁と、からなるラーメン構造を有するコンクリート構造物の復旧方法において、前記梁が損傷し、かつ、損傷した梁が、前記コンクリート内に前記コンクリートよりも引張強度が高い材料で形成され、前記主鉄筋に沿って配設され、かつ表面がなだらかな芯部を備え、前記コンクリートにひび割れが生じた時点で、前記芯部と前記コンクリートとの付着が切れるようになっているものであった場合に、前記損傷した梁のコンクリートを破砕して前記芯部を露出させ、前記損傷した梁の、前記コンクリートを除去した箇所にコンクリートを補填して、前記芯部を取り替えることなく修復することを特徴とする。

このようにすれば、損傷した梁は芯部によって過度の変形を抑えられており、芯部やコンクリート内の鉄筋は、損傷しない、或いは継続して使用できる程度の損傷にとどまる。このため、損傷箇所のコンクリートをはつり、損傷した梁の周囲に型枠を組み、コンクリートを流し込むだけで、梁を容易に修復することができる。その結果、コンクリート構造物が損傷した場合の復旧を容易にすることができる。
また、芯部や鉄筋は再利用できるので、全く新規に梁を製造する場合に比べ、梁取替えの手間やコストを低減することができる。

本発明によれば、コンクリート製の柱と梁からなるラーメン構造を有するコンクリート構造物において、全体が倒壊してしまうのを防ぐとともに、損傷した場合の復旧を容易にすることができる。

本発明の実施形態に係るコンクリート構造物の斜視図である。図１のコンクリート構造物を構成する梁を、一部のコンクリートを切り取って示した図であり、（ａ）は主鉄筋の配設方向に沿って切り取ったときのもの、（ｂ）はせん断補強鉄筋の配設方向に沿って切り取ったときのものである。図２の梁に作用させた荷重とこの部材の変位（変形）量の関係を示すグラフである。図１のコンクリート構造物の梁が損傷した場合の復旧方法を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

〔コンクリート構造物の構造〕
まず、本実施形態のコンクリート構造物である、鉄道用ラーメン高架橋（以下、高架橋１０）の構造について説明する。
高架橋１０は、図１に示すように、地中に設けられるフーチング１、フーチング１から下方に延設された杭２、フーチング１と隣り合うフーチング１との間に設けられた地中梁３、各フーチング１から上方へと立設された複数の柱４、複数の柱４の上に跨って架設された上層部５、柱４の中間部と隣り合う柱４の中間部との間に設けられた中層梁６等からなる。

上層部５は、橋桁、防音壁等からなり、これらは何れも鉄筋コンクリートで従来と同様に形成されている。また、橋桁の上には、橋桁の延設方向に沿って軌道（図示省略）が敷設されている。
柱４は、上層部５の延設方向に沿って２列に並ぶように複数立設されている。例えば図１の最も手前に図示された柱４（Ａ）を本実施形態における第１の柱とすると、柱４（Ａ）から上層部５の幅方向（所定の方向）に所定間隔離間して立設された柱４（Ｂ）が第２の柱、柱４（Ａ）および柱４（Ｂ）から上層部５の延設方向（所定の方向と直交する方向）に所定間隔離間して複数立設された柱４（Ｃ）が第３の柱ということになる。

地中梁３および中層梁６は基本的に同様の構造である。以下、中層梁６を例にして説明する。中層梁６は、図２に示すように、芯部６１、芯部６１の周囲に設けられる鉄筋コンクリート部（以下、ＲＣ部６２）からなる。

芯部６１は、結合材６１１、および砂利（骨材）６１２により、ＲＣ部６２内部の空間を充填するように角柱状に形成されている。本実施形態で用いている結合材６１１は、エポキシ樹脂等の硬化剤を用いて硬化させる樹脂、熱硬化性樹脂（レジン）、高靭性セメント複合材料等である。固化した結合材６１１は、コンクリート６２１に比べて引張強度が高く、コンクリート６２１との付着強度（コンクリート中の対象物を引き抜くのに要した力や押し抜くのに要した力の最大値を、コンクリートと対象物とが接触する面積で除した値）が、鋼材（後述する主鉄筋２２やせん断補強鉄筋２３）とコンクリート６２１との付着強度に比べて低くなっている。

ＲＣ部６２は、コンクリート６２１で角柱状に形成され、内部には、主鉄筋６２２とせん断補強鉄筋６２３がそれぞれ複数配設されている。
主鉄筋６２２は、図２（ａ）に示すように、芯部６１の上方および下方、すなわち、ＲＣ部６２の上部および下部に、中層梁６の長手方向に沿って複数本配設されている。各主鉄筋６２２は、図２（ｂ）に示すように、ＲＣ部６２の上面および下面に沿って一列に並べて配設されている。また、各主鉄筋６２２の一端は一方の柱４に定着し、他端は他方の柱４に定着している。

せん断補強鉄筋６２３は、図２（ｂ）に示すように、中層梁６の、主鉄筋６２２の配設方向と直交する方向に切断した断面の矩形よりも、コンクリート６２１のかぶりの分だけ一回り小さい矩形環状に形成され、全ての主鉄筋６２２と芯部６１が内側を通るように等間隔に複数配設されている。なお、中層梁６のせん断補強鉄筋６２３の配設数は、従来の鉄筋コンクリート部材が必要とした数よりも少なくなっている。これは、芯部６１によって中層梁６のせん断応力に対する耐力が高められているためである。以下、主鉄筋６２２とせん断補強鉄筋６２３とを区別しない場合には、鉄筋６２２，６２３と表記する。

〔梁の荷重変位特性〕
次に、上記中層梁６の荷重変位特性について説明する。
まず、中層梁６の両端部を図示しない測定装置の台に乗せ、中層梁６の上面中央部に下向きの荷重をかけていき、中層梁６中央部の下方への変位（変形）量を測定した。そのときの荷重と変位の関係をグラフにしたものが図３である。

図３に示すように、中層梁６の中央部に大きさＰ１の荷重が作用すると、コンクリート６２１の下部にひび割れが生じ、中層梁６の中央部がＤ１だけ下方に変位する。すると、芯部６１とコンクリート６２１との付着が切れる。これ以降、最大荷重Ｐ２に達するまでは、荷重が大きくなるにつれて変位も大きくなっていき、最大荷重Ｐ２に達したところで、ＲＣ部６２のコンクリート６２１が曲げ破壊またはせん断破壊する。このとき、芯部６１とコンクリート６２１との付着は切れている上、芯部６１を形成する結合材６１１の強度は極めて高いので、芯部６１にＲＣ部６２の破壊は殆ど影響しない。コンクリート６２１が破壊された後は、中層梁６の耐力が低下し、最大荷重Ｐ２に満たない大きさの荷重が作用するだけでも変位量Ｄ２を超えて変位するようになる。破壊が最も進行した状態では、最大荷重Ｐ２を大きく下回る荷重Ｐ３が作用するだけで、変位量がＤ３まで達するようになる。

しかし、変位量がＤ３まで達した後は、芯部６１と主鉄筋６２２とで荷重を受け持つようになるため、中層梁６の耐力が再び回復し、場合によっては最大荷重Ｐ２を超える荷重Ｐ４を受け持つことができるようになる。
なお、本発明では、芯部６１の表面の状態を特に指定していない。これは、芯部６１の表面をなだらかにすることで、芯部６１とＲＣ部６２の付着強度は低下するが、表面が粗い場合と同等の効果が得ることができると考えられるためである。
また、ここで示したグラフは一例であり、芯部６１の材料、長さ、断面寸法、表面の粗さ、配設位置、配設個数等の設計を変更することにより、中層梁６の荷重変位特性（曲線が描く極値の位置）は適宜調節可能である。

高架橋１０は、このような中層梁６、およびこの中層梁６と同様の構造を有した地中梁３を備えることにより、過度に大きな地震動が作用すると、柱よりも先に中層梁６や地中梁３が破壊され、梁３，６の耐力が一旦低下して高架橋１０の固有周期が長くなる。これにより、揺れの強い短周期振動と共振するのが防止される。一方、梁３，６の変形が或るところまで達すると、梁３，６の耐力が回復し、柱４や上層部５の水平方向の変位を規制するようになる。すなわち、本実施形態の高架橋１０は、地中梁３および中層梁６を備えることにより、免震支承等を備えたものと同様の免震性能を有していることになる。

〔コンクリート構造物の復旧方法〕
次に、上記高架橋１０の中層梁３や地中梁６が損傷した場合の復旧方法について、図４（ａ）に示すように、中層梁６が損傷した場合を例に説明する。

まず、図４（ｂ）に示すように、破壊された中層梁６のコンクリート６２２のうち、破壊された部分およびその周囲を破砕し、芯部６１および鉄筋６２２，６２３を露出させる。芯部１を形成する結合材１１の強度は極めて高いので、芯部６１はコンクリート６２２が損傷したとしても容易に変形したりひび割れたりすることはない。また、芯部６１によってコンクリート６２２の変形があるところから規制されることにより、鉄筋６２２，６２３も損傷しない、或いは継続して使用できる程度の損傷にとどまる。そして、図４（ｃ）に示すように、破壊された中層梁６の周囲に型枠７を組み、型枠７内にコンクリート６２１を流し込む。そして、コンクリート６２１を養生し、固化させる。コンクリート６２１が固化したら、型枠７を分解する。こうして、図４（ｄ）に示すように、破壊された中層梁６が補修され、高架橋１０が復旧する。

以上のように、本実施形態では、梁３，６は、コンクリート６２１内に、柱４から、柱４と隣り合う柱４へと配設された主鉄筋６２２と、結合材６１１（コンクリート６２１よりも引張強度が高い材料）および骨材６１２で形成されるとともに、主鉄筋６２２に沿って配設された芯部とを備え、所定以上の前記コンクリートの変形により、前記芯部と前記コンクリートとの付着が切れるようになっているので、梁３，６に応力が作用すると芯部６１とコンクリート６２１との付着が切れるので、梁３，６は地震のエネルギーを周辺部のコンクリート６２１と主鉄筋６２２とで構成される鉄筋コンクリート部６２だけで吸収するようになる。このため、過度に大きな地震動が作用した場合に、柱４よりも先に梁３，６のコンクリート部６２１が損傷し、梁３，６が変形するようになる。これにより、高架橋１０（コンクリート構造物）の固有周期が長くなり、高架橋１０が共振するのを防ぐことが出来る。一方、梁３，６の変形がある大きさまで達したところで、引張強度の大きい芯部６１が荷重を受け持つようになるため、梁３，６の耐力の低下が食い止められるようになる。その結果、この梁３，６に接合される柱４の変位が大きくなるのを防ぐことができる。つまり、高架橋１０が、免震構造を備える高架橋に近い挙動を示すようになる。その結果、梁３，６に破壊が生じた後に、この梁３，６を構成要素とする高架橋１０全体が倒壊してしまうのを防ぐことができる。

また、本実施形態では、梁６は、柱４の中間部と、柱４と隣り合う柱４の中間部との間、および／または前記柱の下部と、前記柱と隣り合う柱の下部との間に設けられているので、長周期の揺れの影響を受け易い、柱の長いコンクリート構造物に対しても、効果的な免震性能を発揮することが出来る。

また、本実施形態では、第１の柱４（Ａ）と、第１の柱４（Ａ）から所定の方向に所定距離離間して立設された第２の柱４（Ｂ）と、第１の柱４（Ａ）および第２の柱４（Ｂ）から、所定の方向と直交する方向に所定距離離間して順次立設された複数の第３の柱４（Ｃ）と、を備え、柱４の上には、所定の方向と直交する方向に沿って延びる上層部５（橋桁）が架設され、梁４は、第１の柱４（Ａ）と第２の柱４（Ｂ）との間に架設されている。一般に、橋桁の延設方向と直交する方向に立設される柱は少ないので、コンクリート構造物はこの方向に揺れ易くなり、この方向に沿って設けられる梁は破壊され易くなるが、このようにしたことで、破壊後の梁の耐力の低下が食い止められるので、梁の両端に接合される柱の、橋桁の延設方向と直交する方向への変位が過大になるのを抑えることができる。

また、本実施形態では、梁３，６が損傷し、かつ、損傷した梁３，６が、コンクリート６２１内にコンクリート６２１よりも引張強度が高い材料で形成されるとともに主鉄筋６２２に沿って配設された芯部６１を備え、所定以上のコンクリート６２１の変形により、芯部６１とコンクリート６２１との付着が切れるようになっているものであった場合に、損傷した梁３，６のコンクリート６２１を破砕して芯部６１を露出させ、損傷した梁３，６の、コンクリート６２１を除去した箇所にコンクリート６２１を補填して、芯部６１を取り替えることなく修復するようにしたので、損傷した梁３，６は芯部６１によって過度の変形を抑えられており、芯部６１やコンクリート６２１内の鉄筋６２２，６２３にまで損傷が広がることがない。このため、損傷箇所のコンクリート６２１をはつり、損傷した梁６の周囲に型枠７を組み、コンクリート６２１を流し込むだけで、梁３，６を容易に修復することができる。
また、芯部６１や鉄筋６２２，６２３は再利用できるので、全く新規に梁３，６を製造する場合に比べ、取替えの手間やコストを低減することができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明を梁３，６に適用した場合について説明したが、柱４や上層部５などの他の鉄筋コンクリート部材に適用しても良い。
また、上記実施形態では、芯部６１の、主鉄筋６２２の延設方向と直行する方向に切断したときの断面形状を矩形としたが、この断面形状は、梁３，６を同方向に切断したときの断面形状と相似しているのが好ましく、例えば、梁３，６の断面形状を円形とした場合には、芯部６１の断面形状も円形にするとよい。
また、上記実施形態では、損傷した中層梁６を撤去した箇所に型枠を組み、コンクリートを現場打ちするようにしたが、損傷した中層梁６を切断・撤去し、コンクリートを破砕して芯部６１を取り出し、取り出した芯部６１を再利用してプレキャストの中層梁６を製造した後に取り付けるようにしてもよい。

１０鉄道用ラーメン高架橋（コンクリート構造物）
３地中梁
４柱
４（Ａ）第１の柱
４（Ｂ）第２の柱
４（Ｃ）第３の柱
５上層部
６中層梁
６１芯部
６１１固化部
６１２骨材
６２鉄筋コンクリート部
６２１コンクリート
６２２主鉄筋
６２３せん断補強鉄筋

Claims

地面に所定間隔を空けて複数立設されたコンクリート製の柱と、
前記柱と、前記柱と隣り合う柱との間に設けられたコンクリート製の梁と、からなるラーメン構造を有するコンクリート構造物であって、
前記梁は、
コンクリート内に、前記柱から、前記柱と隣り合う柱へと配設された主鉄筋と、前記コンクリートよりも引張強度が高い材料で形成され、前記主鉄筋に沿って配設され、かつ表面がなだらかな芯部とを備え、
前記コンクリートにひび割れが生じた時点で、前記芯部と前記コンクリートとの付着が切れるようになっていることを特徴とするコンクリート構造物。
前記梁は、前記柱の中間部と、前記柱と隣り合う柱の中間部との間、および／または前記柱の下部と、前記柱と隣り合う柱の下部との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート構造物。
前記柱は、第１の柱と、前記第１の柱から所定の方向に所定距離離間して立設された第２の柱と、前記第１の柱および前記第２の柱から、前記所定の方向と直交する方向に所定距離離間して順次立設された複数の第３の柱からなり、
各柱の上に、前記所定の方向と直交する方向に沿って延びるように架設された橋桁を備え、
前記梁が、前記第１の柱と前記第２の柱との間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート構造物。
地面に所定間隔を空けて複数立設されたコンクリート製の柱と、
前記柱と、前記柱と隣り合う柱との間に設けられたコンクリート製の梁と、からなるラーメン構造を有するコンクリート構造物の復旧方法において、
前記梁が損傷し、かつ、損傷した梁が、前記コンクリート内に前記コンクリートよりも引張強度が高い材料で形成され、前記主鉄筋に沿って配設され、かつ表面がなだらかな芯部を備え、前記コンクリートにひび割れが生じた時点で、前記芯部と前記コンクリートとの付着が切れるようになっているものであった場合に、
前記損傷した梁のコンクリートを破砕して前記芯部を露出させ、
前記損傷した梁の、前記コンクリートを除去した箇所にコンクリートを補填して、前記芯部を取り替えることなく修復することを特徴とするコンクリート構造物の復旧方法。