JP6366213B1 - 門型構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】梁自体の構造に工夫を加えるとともに梁の支持構造を特定することにより、梁の発生曲げモーメントや発生応力に見合った所定以上の望ましい断面性能を持たせ、それによって梁中央の撓み量の低減や梁全体の軽量化が可能な門型構造体を提供する。
【解決手段】両側の支柱２と、支柱２間にわたって水平方向に延びる梁１とを有する門型構造体１００において、梁１は、その延在方向における少なくとも一部が、梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管３に構成されているとともに、その両端部が、支柱に対し、回動自在の単純支持にて連結されていることを特徴とする門型構造体１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、門型構造体に関し、とくに、道路の上に道路を横断するように設置され、その梁部にカメラや信号機、照明具、標識等の各種器具を搭載可能な構造体として好適な門型構造体に関する。

両側の支柱と、支柱間にわたって水平方向に延びる梁とを有する門型構造体としては、各種分野における種々の構造のものが知られている。例えば特許文献１には、道路の上に跨り、両側の支柱と両支柱間にわたって延びる梁とを有する門型の構造物について言及されている。また、特許文献２には、道路の上に跨る門型構造物ではないが、大空間を確保するための建築構造物に使用される、中央梁と支柱間にターンバックルを張設した門型構造物が開示されている。

また、門型構造体ではないが、特許文献３には、外灯や道路標識などに用いられる支柱について、支柱の安定性や耐久性を向上させるために、支柱本体の下端にベースプレートが固着された柱脚構造が開示されている。

例えば上記特許文献１に言及されているような、道路の上に跨るように設置され、両側の支柱と両支柱間にわたって延びる梁とを有する門型構造物においては、その梁部材を構成する素材としては、市販材である直管構造の鋼管やＩ型鋼を使用することが多く、とくに、直管構造の鋼管を使用することが多い。

特開２０００−３１９９８７号公報 特開平０６−２１２６９２号公報 特開２００９−２７５３９６号公報

ところが、門型構造体において、その梁部材を構成する素材として上記のように直管構造の鋼管を使用する場合、梁の自重や梁に搭載される各種器具等の重量を考慮して、梁が所望の性能を発揮できるように、例えば、梁の撓みが許容量以下となるような断面性能の鋼管を選択して設計することとなる。すなわち、梁の全長にわたって、梁延在方向のどの位置においても所定以上の断面性能を持たせることが可能になるように設計することとなる。

しかし、梁の延在方向における発生曲げモーメントや発生応力は均一ではなくその延在方向の位置によって変化するため、梁延在方向のどの位置においても所定以上の断面性能を持たせようとすると、直管構造の鋼管を使用した梁では、位置によっては設計上オーバースペックにならざるを得ないこととなる。換言すれば、梁の全長にわたって、梁の延在方向の位置に応じた発生応力に見合った断面性能を持たせることは困難である。そして、このことは、従来の設計手法では、梁全体の重量の低減に限界があり所定以上の断面性能を確保した状態で重量を低減することは困難であり、梁の自重による梁中央部の変形量（撓み量）をより低減することも困難であることを意味している。さらには、この梁の軽量化の困難性は、門型構造体の施工時間の短縮や、施工費、部材の輸送費の削減をも困難にしている。

そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、門型構造体における梁自体の構造に工夫を加えるとともに梁の支持構造を特定することにより、梁の全長にわたり発生曲げモーメントや発生応力に見合った所定以上の望ましい断面性能を持たせることが可能で、それによって梁中央の撓み量の低減や梁全体の軽量化が可能な門型構造体を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る門型構造体は、両側の支柱と、支柱間にわたって水平方向に延びる梁とを有する門型構造体において、前記梁は、前記両側の支柱への連結部位を含む、前記梁の延在方向の全長にわたって管体構造に構成されており、かつ、その延在方向における少なくとも一部が、前記梁の横断面形状が円、長円、矩形のいずれかの形状に保たれつつ梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管に構成されているとともに、前記両側の支柱への連結部位を含む前記梁の両端部は梁中央部よりも小径の直管に構成されており、その両端部が、前記支柱に対し、回動自在の単純支持にて連結されていることを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る門型構造体においては、支柱間にわたって水平方向に延びる梁はその両端部が単純支持される単純梁であるから、梁の自重により発生する曲げモーメント、応力は梁の端部側ほど小さく、中央部側ほど大きくなる。この梁の構造として、延在方向の全長にわたって管体構造に構成されており、かつ、その延在方向における少なくとも一部が、梁の横断面形状が円、長円、矩形のいずれかの形状に保たれつつ梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管に構成されているので、テーパー管に構成された部分では、上記のように変化する発生曲げモーメントや発生応力に見合った断面性能（曲げ強度、曲げ剛性等の断面性能）を持たせることが可能になる。すなわち、発生応力がより小さいより端部側部位では梁の外径をより細く、発生応力がより大きいより中央部側部位では梁の外径をより太くすることが可能になり、従来の直管構造の梁に比べ、梁全体の使用材料量を効率良く低減し軽量化することが可能になる。そして、両側の支柱への連結部位を含む梁の両端部は梁中央部よりも小径の直管に構成されていることにより、発生応力がより小さいより端部側部位では梁の外径がより細く、発生応力がより大きいより中央部側部位では梁の外径がより太く構成されていることがより明確化されている。このような構成による梁の軽量化により、自重による梁中央の変形量（撓み量）の低減が可能になる。また、梁の軽量化により、施工時間の短縮、施工費の削減、運送費の削減をはかることも可能になる。

なお、門型構造体においては、設置状態で梁が水平方向に直線状に延びていることが要求されることが多いが、つまり、梁の自重や搭載物の重量による撓みを外観上実質的に消失させた設置状態が要求されることが多いが、これを達成するためには、例えば、設置前の梁を上方に向けて湾曲させておき、梁の自重や搭載物の重量が作用する際には、梁の自重や搭載物の重量による撓みの量と事前に付与されている湾曲の量とが、実質的に相殺されるように設計、設定することが可能である。この場合にも、本発明に係る門型構造体では、梁の軽量化により自重による梁中央の撓み量を低減できることから、事前に付与する湾曲量も小さくて済み、上記のような自重等による撓みと事前に付与されている湾曲とを相殺させる手法をより容易に採用することが可能になる。

上記本発明に係る門型構造体においては、製造、入手の容易性を考慮して、円、長円、矩形のいずれかの横断面形状が採用されている。

また、本発明に係る門型構造体において、上記梁におけるテーパー管の形成手法としては特に限定されないが、現実的な手法として、とくに、直管を温間スピニング加工することにより形成する手法が好ましく用いられる。この温間スピニング加工とは、直管を軸方向に移動させつつ、直管を加熱しながら、加工ロールによりテーパー状に絞り出し、管の断面性能を損なうことなく、テーパー管を作製する加工方法である。

上記のような温間スピニング加工を採用する場合、通常、問題なく加工可能なテーパー管のテーパー率（テーパー部における「直径差／軸方向長さ」）の上限は１５／１００程度であるので、本発明におけるテーパー管のテーパー率も１５／１００以下であることが好ましい。

なお、温間スピニング加工によりテーパー管を形成する場合、温間スピニング加工装置によっては管の最大径（テーパー部の最大径）に上限値が存在することがあるので（後述の実施例では上限値としての最大外径が３１８ｍｍ）、その上限値を考慮しつつ梁のどの部位にどのような長さ、テーパー率のテーパー管を形成するかを、設計上配慮する必要が生じる場合がある。

また、本発明に係る門型構造体においては、上記梁が、その延在方向の中心を境に左右対称形状に形成されていることが好ましい。すなわち、テーパー管の形状や存在位置等について、左右対称形状に形成されていることが好ましい。このように左右対称形状に形成すれば、梁の延在方向における予想発生曲げモーメントや予想発生応力の分布も左右対称になるので、それに見合った好ましい断面性能を設計するに際し、その設計を一層容易に行うことが可能になる。

また、本発明に係る門型構造体においては、上記梁として、その延在方向に複数の管体が接合されたものに構成することができる。このように梁を複数の管体の接合構造に構成すれば、接合前の各管体の長さや重量を適切に制限可能となるので、施工現場へのトラックやトレーラーによる輸送や、施工現場での完成物への施工の容易化をはかることが可能になる。とくに、梁の全長を、トラックやトレーラーによる陸上輸送可能な長さに分割しておくことが好ましい。複数の管体の接合には任意の手法を採用でき、ボルト等による接合や溶接接合などを適用できる。なお、複数の管体が接合される場合の接合位置と、本発明におけるテーパー管の端部位置とは、必ずしも一致する必要はなく、接合前の一つの管体としては、テーパー管部分と直管部分とが共存するものであってもよい。

また、本発明に係る門型構造体において、上記梁の両端部と上記支柱との連結構造としては、例えば、ピンを介したピン接合により構成されている構造を採用できる。このような連結構造により、後述の実施例に例示するように、梁の両端部が、支柱に対し、回動自在の単純支持にて連結された本発明における連結構造を、確実にかつ容易に実現できる。

また、本発明に係る門型構造体において、上記梁の材質としては特に限定されず、適用可能な材質としては、鋼、アルミニウム合金、チタン合金、繊維強化プラスチック等が挙げられる。従来の直管構造に比べ梁の軽量化等に顕著な効果が得られる好ましい材質としては、鋼が挙げられる。

さらに、本発明に係る門型構造体においては、後述の実施例でも例示するように、梁の端部と支柱との連結部周囲に、梁の適当な部位と支柱の適当な部位とにわたって、ワイヤを張設したり斜材を設置したりすることも可能である。これらワイヤや斜材は、本質的に、梁の強度計算上考慮されるものではなく、梁の振れ止めとして付設されるものである。したがって、梁の強度設計は、これらワイヤや斜材のない状態で行われる。

また、本発明に係る門型構造体において、支柱の構造は特に限定されず、任意の構造体を使用できる。例えば、後述の実施形態でも例示するように、支柱の基部の構造として、単に地中に突っ込む方式の構造のものの他、支柱の安定性や耐久性を向上させるために、支柱本体の下端にベースプレートを固着した柱脚構造の支柱も使用できる。

上記のような本発明に係る門型構造体は、各種用途に適用可能であり、とくに、道路を横断して設けられる構造体、中でも、道路の上に道路を跨いで道路を横断するように設置され、その梁部にカメラや信号機、照明具、標識等の各種器具を搭載可能な構造体として好適なものである。

このように、本発明に係る門型構造体によれば、水平方向に延びる梁が、両端部が単純支持される単純梁として構成され、梁の延在方向における少なくとも一部が、梁の横断面形状が円、長円、矩形のいずれかの形状に保たれつつ梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管に構成されているので、とくにテーパー管に構成された部分で、発生曲げモーメントや発生応力に見合った断面性能を持たせることが可能になり、従来の直管構造の梁に比べ、梁全体の使用材料量を効率良く低減して軽量化することが可能になる。梁の軽量化により、自重による梁中央の変形量（撓み量）の低減が可能になり、施工時間の短縮や施工費の削減、輸送費の削減をはかることも可能になる。ちなみに、後述の実寸を例示した実施例のサイズの門型構造体においては、梁の重量を２０％、自重による梁中央の変形量（撓み量）を３０％低減できた。

本発明の第１実施形態に係る門型構造体の斜視図である。 図１の門型構造体における梁の斜視図である。 図１の門型構造体における連結部の透視側面図（Ａ）および透視正面図（Ｂ）である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る門型構造体の斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る門型構造体における梁の斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る門型構造体における梁の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る門型構造体の実寸例を示す正面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１〜図３は、本発明の第１実施形態に係る門型構造体を示している。図１において、１００は、門型構造体全体を示しており、門型構造体１００は、両側の支柱２、２と、支柱２、２間にわたって水平方向に延びる梁１を有している。梁１は、本実施形態では、図２にも示すように、横断面形状が円形の鋼管からなり、その延在方向における少なくとも一部が、梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管に構成されている。図１、図２においては、テーパー管部を符号３で、中央部の大径の直管部を符号４で、両端部の小径の直管部を符号５で示している。

本実施形態では、長尺の梁１は、その延在方向に複数の管体が接合されたものからなり、その延在方向の中心を境に左右対称形状に形成されている。図２に明示するように、梁１は、その延在方向に、４つの管体１１、１２、１３、１４に分割されており、これら管体が接合部１５、１６、１７で接合されて１本の梁１を構成している。接合方式としては、前述したように、ボルト等による接合や溶接接合のいずれも適用可能である。接合部１６が、丁度梁１の延在方向の中心に位置しており、梁１は、この接合部１６を境に左右対称形状に形成されている。接合部１５、１６、１７の位置とテーパー管部３の端部位置とは図２のように一致していなくてもよいが、一致していてもよい。各管体１１、１２、１３、１４の長さは、専ら、トラックやトレーラーによる陸上輸送可能な最大長さ以下とする点から設定されている。本実施形態では、中央部の大径の直管部４は、管体１２の一部（直管部）と管体１３の一部（直管部）によって形成されており、テーパー管部３は、管体１１の一部（テーパー管部）と管体１２の一部（テーパー管部）によって、あるいは、管体１３の一部（テーパー管部）と管体１４の一部（テーパー管部）によって形成されており、両端部の小径の直管部５は、管体１１の一部（直管部）によって、あるいは、管体１４の一部（直管部）によって形成されている。

各テーパー管部３は、梁１の中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管に構成されている。この梁１におけるテーパー管は、本実施形態では、直管を温間スピニング加工することによって形成されている。この温間スピニング加工とは、前述したように、直管を軸方向に移動させつつ、直管を加熱しながら、加工ロールによりテーパー状に絞り出し、管の断面性能を損なうことなく、テーパー管を作製していく加工方法である。現状の温間スピニング加工では、断面性能等に問題を生じることなく加工を進めていくテーパー管のテーパー率（テーパー部における「直径差／軸方向長さ」）の上限は１５／１００程度であるので、本実施形態においてもテーパー管のテーパー率を１５／１００以下に設定している。また、現状の温間スピニング加工装置では加工可能な管の最大径（テーパー部の最大径）に上限値が存在することから（最大外径：３１８ｍｍ）、実際に制作する門型構造体の実寸例を後述するように、本実施形態においてもテーパー部の最大径をその加工可能な最大外径に抑えている。

延在方向における少なくとも一部が、梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管に構成された梁１は、その両端部が、支柱２に対し、回動自在の単純支持にて連結されている。図１における梁１と支柱２との連結部６は、例えば、図３に示すように構成されている。梁１の端部の小径の直管部５が、Ｕ字ボルト２１を介してブラケット２２に固定されており、ブラケット２２は、支柱２に固定されたブラケット２３に対し、ピン２４を介して回動自在に支持されている。つまり、本実施形態では、梁１の両端部と支柱２との連結構造が、ピン２４を介したピン接合により構成されている。このようなピン接合による梁１の両端部と支柱２との連結構造により、不要な方向への梁１の振れや揺れを抑制しつつ、確実に単純支持の所望の梁１の支持構造を実現できる。なお、図３に示される構造以外であっても、梁１の両端部が、支柱２に対し、回動自在の単純支持にて連結されていれば、他の構造を採用してもよい。

本実施形態においては、図１に示すように、梁１の両端部と支柱２との連結部６周囲に、梁１の適当な部位と支柱２の適当な部位とにわたって、ワイヤ３１、３２が張設されている。より具体的には、ワイヤ３１は、支柱２の頂部と接合部１５または１７とにわたって張設されており、ワイヤ３２は、接合部１５または１７と、支柱２に固定された支持棒３３とにわたって張設されている。これらワイヤ３１、３２は、本質的に、梁の強度計算上考慮されるものではく、梁１の振れ止めのために付設されている。このような振れ止めのための付設部材としては、ワイヤ以外の部材、例えば板状部材に形成された斜材等も使用できる。このような振れ止め用部材を付設しておくことにより、梁１の所望の断面性能を維持しつつ、両端部が単純支持された梁１であっても、風や振動による梁１の振れや揺れを適切に抑制することが可能になり、門型構造体１００をより安定した姿勢に保つことが可能になる。

上記のように構成された第１実施形態に係る門型構造体１００においては、両端部が実質的に単純支持された単純梁からなる梁１の自重により発生する曲げモーメント、応力は梁の端部側ほど小さく、中央部側ほど大きくなる。この梁１が、その延在方向における少なくとも一部が、梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管（テーパー管部３）に構成されているので、テーパー管に構成された部分では、上記のように変化する発生曲げモーメントや発生応力に見合った断面性能を持たせることができる。したがって、従来の直管構造の梁に比べ、梁全体の使用材料量を効率良く低減して軽量化することが可能になる。梁の軽量化により、自重による梁中央の変形量（撓み量）の低減が可能になり、また、梁の軽量化により、施工時間の短縮、施工費の削減、輸送費の削減をはかることも可能になる。

また前述したように、設置前の梁１を上方に向けて湾曲させておき、梁１の自重や搭載物の重量が作用する際には、梁１の自重や搭載物の重量による撓みの量と事前に付与されている湾曲の量とが、実質的に相殺されるように設計、設定する場合には、上述した梁１の軽量化により自重による梁中央の撓み量を直管梁の場合に比べて低減できるので、事前に付与すべき湾曲量も小さくて済み、自重等による撓みと事前に付与されている湾曲とを相殺させる手法をより容易に採用することが可能になる。

上記第１実施形態に係る門型構造体１００においては、支柱２の基部の構造として、支柱２の下端を単に地中に突っ込んで固定する突っ込み方式の構造を採用しているが、図４に示すように、下端にベースプレート４１を固着した柱脚構造の支柱２ａも使用できる。このような支柱２ａの構造を採用すれば、支柱の安定性や耐久性をより向上させることが可能になる。なお、図４における第１実施形態の変形例に係る門型構造体１００ａにおいては、支柱２ａ以外の構成は、図１に示した門型構造体１００の構成と同じであるので、第１実施形態における作用、効果と同等の作用、効果を得ることができる。

本発明に係る門型構造体においては、前述したように、梁の横断面形状として、製造、入手の容易性を考慮して、図１、図２に示した横断面形状が円の梁１の他、図５に示すように、本発明の第２実施形態に係る門型構造体における、横断面形状が長円の梁５１や、図６に示すように、本発明の第３実施形態に係る門型構造体における、横断面形状が矩形（角形）の梁６１の採用が可能である。横断面形状が長円の梁５１や矩形の梁６１においても、横断面形状が円の梁１と同等の断面性能が得られ、第１実施形態における作用、効果と同等の作用、効果を得ることが可能である。

以上説明したような本発明に係る門型構造体は、各種用途に適用可能であるが、とくに、道路を横断して設けられる構造体、中でも、道路の上に道路を跨いで道路を横断するように設置され、その梁部にカメラや信号機、照明具、標識等の各種器具を搭載可能な構造体として好適なものである。

このような道路上に道路を跨いで道路を横断するように設置される前記本発明の第１実施形態に係る門型構造体１００の実施例として、その実寸例（とくに梁１部分の実寸例）を図７に示す（表示寸法の単位：ｍｍ）。長手方向に接合された鋼管（肉厚ｔ：４．５ｍｍ、材質：ＳＴＫ４００）により構成された梁１の全長は２６．４ｍにも及び、両側の支点間の梁１の長さ（単純支持梁の長さ）は２５．０ｍにも及ぶ。そして、左右対称に設けられたテーパー管（テーパー管部）の長さはそれぞれ８．０ｍにも及ぶ。テーパー管部における最大径は、温間スピニングテーパー加工を行うことを考慮して、３１８ｍｍに設定されている。このように構成された道路上に設けられる門型構造体１００では、前記第１実施形態で説明したような優れた作用、効果が期待できる。図７に示す実寸例では、従来構造としての直管（肉厚ｔ：４．５ｍｍ、外径：３１８．５ｍｍ、材質：ＳＴＫ４００）からなる梁に比べて、梁１の重量を２０％、自重による梁中央の変形量（撓み量）を３０％低減することができた。

１、５１、６１ 梁
２、２ａ 支柱
３ テーパー管部
４、５ 直管部
６ 連結部
１１、１２、１３、１４ 分割された管体
１５、１６、１７ 接合部
２１ Ｕ字ボルト
２２、２３ ブラケット
２４ ピン
３１、３２ ワイヤ
３３ 支持棒
４１ ベースプレート
１００、１００ａ 門型構造体

Claims (8)

1. 両側の支柱と、支柱間にわたって水平方向に延びる梁とを有する門型構造体において、前記梁は、前記両側の支柱への連結部位を含む、前記梁の延在方向の全長にわたって管体構造に構成されており、かつ、その延在方向における少なくとも一部が、前記梁の横断面形状が円、長円、矩形のいずれかの形状に保たれつつ梁中央部側ほど太く梁端部側ほど細くなるテーパー管に構成されているとともに、前記両側の支柱への連結部位を含む前記梁の両端部は梁中央部よりも小径の直管に構成されており、その両端部が、前記支柱に対し、回動自在の単純支持にて連結されていることを特徴とする門型構造体。
2. 前記テーパー管が、直管を温間スピニング加工することにより形成されている、請求項１に記載の門型構造体。
3. 前記テーパー管のテーパー率が１５／１００以下である、請求項２に記載の門型構造体。
4. 前記梁が、その延在方向の中心を境に左右対称形状に形成されている、請求項１〜３のいずれかに記載の門型構造体。
5. 前記梁が、その延在方向に複数の管体が接合されたものからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の門型構造体。
6. 前記梁の両端部と前記支柱との連結構造が、ピンを介したピン接合により構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の門型構造体。
7. 前記梁の材質が、鋼、アルミニウム合金、チタン合金、繊維強化プラスチックのいずれかからなる、請求項１〜６のいずれかに記載の門型構造体。
8. 道路を横断して設けられる構造体である、請求項１〜７のいずれかに記載の門型構造体。

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