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 - Google Patents

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 Download PDF

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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、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 (4)

  1. 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、
    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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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