JP6595239B2 - 建築土木構造物及び橋梁 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＲＰ形材を用いて構成される、跨線橋や拡幅歩道橋などの橋梁、その他建築土木分野における枠材や梁、柱、補強材などの建築土木構造物に関する。

建築土木の分野において、建造物用の支柱や梁などに使用されるＦＲＰ成形品として、中空なＦＲＰ形材を複数段に積み重ね、これを接着一体化してＦＲＰブロック体を構成し、その上下両面に炭素繊維強化プラスチックからなる板状の補強材を一体に接着して補強することで、鋼材や木材と同等の耐荷重強度を具備し、建築物などの重量を支える構造で造作された構造物の構成部品として使用することができるようにしたＦＲＰ構造物が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−１１７８６９号公報

県道や市道などの道路の車両通行用として設置された橋梁において、橋梁を利用する自転車や歩行者の安全性を確保するために、既設の橋梁の端に歩行者用の拡幅歩道橋を新設する工事が行なわれている。

現状、拡幅歩道橋の床スラブは、軽量で耐腐蝕性に優れる利点からアルミ合金製のものが多用されているが、アルミ合金製の床スラブは、施工する橋梁の設置条件に対応して製作された加熱成形金型で長尺なアルミ形材を成形し、或いは標準品のアルミ形材同士を溶着一体化するなどして所定の寸法形状及び強度に加工して形成されるため、構成部材の加工コストは比較的高くならざるを得ず、全体の施工コストの低廉化を図ることは難しかった。

一方、前記ＦＲＰ構造物は、アルミ合金よりも軽量であり、腐蝕し難い材料を使用することで耐腐食性を十分に向上させることが可能であり、何よりも構造部品としての設計の自由度が大きいため、前記アルミ合金製の床スラブに代えてＦＲＰ構造物を用いることで、拡幅歩道橋の施工コストの低廉化が実現され得る。

そこで本発明は、標準品として量産されるＦＲＰ形材を用い、耐荷重強度とたわみ抑制効果に優れていて橋梁などの構成部品として利用可能なＦＲＰ製の土木建築構造物を構成することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、桁材で床スラブ材を支持する建築土木構造物において、
前記桁材は、ロ字状断面を呈する複数のＦＲＰ形材を上下複数段に積み重ね、互いに重なり合うＦＲＰ形材の外面同士を接着固定し、且つ最下段のＦＲＰ形材の下面に炭素繊維強化プラスチックからなる補強材を接着して形成され、
前記床スラブ材は、その上下面間にリブで仕切られた中空部が並設されたＦＲＰ形材により形成されており、
前記桁材を構成するＦＲＰ形材の中空部の軸方向に対して前記床スラブ材を構成するＦＲＰ形材の中空部の軸方向が略直交するように床スラブ材が向けられて桁材の上端に設置され、且つ両部材が固着手段により一体に固着された構成を有することを特徴とする。

本発明の建築土木構造物は、ＦＲＰ形材からなる桁材に、同じくＦＲＰ形材からなる床スラブ材を載せ、両部材を固着手段で一体に剛結することにより構成される。
桁材と床スラブ材を剛結する固着手段としては、例えばＬ字アングル材を用い、桁材と床スラブ材の交差部に添えたＬ字形アングル材を床スラブ材の下面と桁材の側面にリベットで留め付けて両部材を一体に固着することができる。

前記構成の建築土木構造物において、桁材を構成するＦＲＰ形材は、幅方向の断面がロ字形状をなす、互いに上下に積み重ね可能に形成された量産される標準品を用いることができる。桁材は、ＦＲＰ形材の上面に軸方向を揃えて同じ断面形状のＦＲＰ形材を複数段に積み重ね、或いは軸方向を揃えて同じ断面形状のＦＲＰ形材を複数列に並べ、その上面に同じ断面形状のＦＲＰ形材を複数段に積み重ね、互いに上下又は左右に接合して重なり合うＦＲＰ形材外面同士を接着固定して、適宜な高さ及び幅に形成することができる。ＦＲＰ形材同士を接着する接着剤は、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いることができる。
床スラブ材を構成するＦＲＰ形材は、その上下面間に配された複数の垂直なリブで内部が複数の中空部で仕切られた床パネル状のものを用いことができる。床スラブ材は、桁材上で複数枚の前記ＦＲＰ形材を、互いに側端部同士を継ぎ合わせて並設することで、所定の床面積のものに構成することができる。
桁材と床スラブ材を構成するＦＲＰ形材は、ともに樹脂にガラス繊維を含ませた複合材料（ＧＦＲＰ）製のものを用いることが好ましい。

また、前記構成の建築土木構造物において、床スラブ材を支持する桁材の上面には、上方からの荷重を受けて圧縮方向の力が作用するが、当該上面よりも面積が大きな床スラブ材が接合しているので、単位面積当りに作用する圧縮方向の応力が抑えられる。桁材の上面の強度をより増すために、強度が大きなＰＡＮ系炭素繊維或いはアラミド繊維を含有する補強材を桁材の上面に接着一体化し、その補強材の上に床スラブ材を載せて支持するようにしてもよい。
一方、上方からの加重を受けて桁材の下面には引張り方向の力が作用するため、桁材の下面に弾性率が高いピッチ系炭素繊維を含有する補強材が接着一体化してあることが好ましい。

桁材の下面に接着する補強材を構成する炭素繊維強化プラスチックは、強化繊維とマトリックス樹脂からなる樹脂複合材であればよく、炭素繊維と樹脂とが複合一体化してなるものであれば、その複合化手段は任意であり、公知適宜な手段を用いて形成することができる。
例えば、炭素繊維と樹脂とを複合化する方法として、細かく切断した繊維をプラスチック中に均一に混入させる方法や、繊維に方向性を持たせたままプラスチックに浸潤させる方法などを挙げることができる。より具体的には、プラスチック中に炭素繊維を含浸させた薄いシート状の含浸体からなるプリプレグを作製しておき、このプリプレグを積層して加熱溶融一体化しなる構成の樹脂複合材を挙げることができる。
前記炭素繊維としては、例えばポリアクリロニトリル系炭素繊維（ＰＡＮ系）、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、或いはポリビニルアルコール系炭素繊維などの前駆体繊維を用いることができる。中でも、上方からの荷重を受けたときに発生する応力を低減して部材のたわみが小さく抑えられるようにするために、引張弾性率が高いピッチ系炭素繊維が好ましい。
また、マトリックス樹脂としては、エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエーテル、ポリ（メタ）アクリレート、ポリウレタン、メラミン、マレイミド、ポリイミド等の重合・硬化型やポリオレフィン、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポミアミドイミド、ポリカーボネート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂のうちの一種類、或いはこれらのうちの二種類以上の混合樹脂を用いることができる。

補強材は、適宜な厚み及び幅寸法で長尺帯状に形成することができる。桁材の下面に短尺な補強材を軸方向に沿って継ぎ合わせて、桁材の下面全体が補強材で覆われるようにしてもよいが、桁材の下面の中央部に沿って適宜な幅で重なるようにして、桁材の下面が補強材で部分的に覆われるようにしてもよい。また、桁材下面の両端部間又は両端部の近傍に亘って、一枚の補強材が接合して重なるように設けることが好ましいが、複数枚の補強材を並置し、線状に継ぎ合わせて桁材の下面に重ね合せてもよい。また、薄肉の補強材同士を重ねて所望の厚みに構成してもよい。
また、桁材の上面に補強材を設ける場合も、前記と同様に、炭素繊維又はアラミド繊維と樹脂とを複合化する方法により形成された補強材を用い、これを桁材の上面に重ねて接着一体化することができる。中でも、上方から荷重を受けたときに圧縮応力を低減できるため、圧縮強度が高いアクリルニトリル重合体或いはその共重合体から得られるポリアクリロニトリル系炭素繊維（「ＰＡＮ系炭素繊維」）が好ましい。
桁材の表面に重ね合せた補強材の接着や薄肉の補強材同士の接着は、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いて行うことができる。

前記構成の建築土木構造物において、床スラブ材を支持することで桁材に作用する支圧荷重により桁材が変形したり破損したりすることを防ぐため、桁材をその中空部内に圧縮抵抗材を充填して補強することが好ましい。
また、床スラブ材の上面に重量物が載ることで床スラブ材に作用する支圧荷重により床スラブ材が変形したり破損したりすることを防ぐため、床スラブ材の大きな支圧荷重が作用する部分、例えば複数の桁材で床スラブ材が支持されている場合の桁材と桁材の間のなどに沿って、床スラブ材をその中空部内に圧縮抵抗材を充填して補強することが好ましい。
桁材と床スラブ材の中空部内への圧縮抵抗材の充填は、必要とされる補強度合いに応じ、中空部の両端部間に亘る全体に充填したり、中空部の一側の端部や両端部など中空部内に部分的に充填されるようにしたりしてもよい。
桁材と床スラブ材を補強するための圧縮抵抗材としては、モルタル、好ましくは無収縮モルタルの使用が好適である。

前記構成の建築土木構造物は、互いに間隔を空けて配置された複数の桁材で床スラブ材が支持されるように構成することができる。
例えば、床スラブ材の両端部とその間を複数本の桁材で支持して、拡幅歩道橋や跨線橋などの橋梁を構成することができる。

本発明によれば、ＦＲＰ形材からなる桁材にＦＲＰ形材からなる床スラブ材を重ね、両部材を固着手段により剛結することで、桁材の剛性が向上し、耐荷重強度が増すとともに、たわみの発生が抑制され、例えば鋼橋に並設される拡幅歩道橋などの、大きな耐荷重強度が必要とされる部位に利用することができる。
また、本発明によれば、高剛性の構造物を専用の加熱成形金型を使用することなく、標準品として量産されるＦＲＰ形材を組み合わせて所望の大きさ及び形態に形成することができるので、設計の自由度が増し、構造物全体の施工コストを低廉に抑えることが可能である。

本発明の建築土木構造物の一実施形態の側面図である。 図１中のＡ−Ａ切断端面図（Ａ）、Ｂ―Ｂ切断端面図（Ｂ）及びＣ−Ｃ切断端面図である。 図１中の桁材の正面図（Ａ）と一部を破断した側面図（Ｂ）である。 図１中の床スラブ材を構成する床パネルの正面図（Ａ）と一部を破断した側面図（Ｂ）である。 本発明の建築土木構造物を用いて構成された橋梁の外観図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、図示した構造物の形態は本発明を限定するものではない。

図１及び図２は本発明の一実施形態の建築土木構造物を示しており、この構造物１は、ＦＲＰ形材２１を四段に積み重ねて形成された桁材２の上面に、床パネル形のＦＲＰ形材３１を面状に並設して形成された床スラブ材３を載せ、両部材を固着手段により一体に剛結して構成してある。

詳しくは、桁材２は、図３に示されるように、端面がロ型正方形を呈する適宜な長さの中空なＦＲＰ形材２１を四段に積み重ね、互いに重なり合う各ＦＲＰ形材２１の上下両面を接着一体化してＦＲＰブロック体を形成し、このＦＲＰブロック体の下面に、ＦＲＰ形材２１の下面の幅よりも小さい幅で長尺帯状に形成された炭素繊維強化プラスチックからなる補強材２２を重ね合せ接着剤で一体に貼り合わせて形成してある。

また、床スラブ材３は、図４に示されるように、上面３１ａと下面３１ｂ間に二本のリブ３１ｃを垂直に配置して内部が三つの中空部３１ｄに仕切られた床パネル形のＦＲＰ形材３１により形成され、複数のＦＲＰ形材３１を桁材２の上面に載せるとともに互いに側端部同士を隙間なく面一に継ぎ合わせて形成してある。

構造物１は、桁材２を構成するＦＲＰ形材２１の中空部２１ａの軸方向に対して、床スラブ材３を構成するＦＲＰ形材３１の中空部３１ｄの軸方向が略直交するように床スラブ材３を向けて桁材２の上端に設置するとともに、桁材２と床スラブ材３の交差部にＬ字形アングル材４を添え、桁材２の上端両側面と床スラブ材３の下面に接合させたＬ字形アングル材４をリベット（図示せず）で留め付けて、両部材を一体に剛結することにより構成することができる。

なお、構造物１は、適宜な躯体上に桁材２を設置して据え付けられ、躯体の支持部６，６に重なる桁材２の両端部は、その上面で床スラブ材３を支持することと相俟って大きな支圧荷重が作用することから、図１に示されるように、桁材２の端部から内方へ幅Ｈだけ進入した位置まで、各ＦＲＰ形材２１の中空部２１ａ内に無収縮モルタルなどの圧縮抵抗材５を充填して補強してもよい。この場合、桁材２に作用する支圧荷重の大きさに応じて、各ＦＲＰ形材２１の中空部２１ａ内の両端部全体に亘って圧縮抵抗材５を充填して補強してもよい。
また、床スラブ材３の上面に重量物が載ることで床スラブ材３に作用する支圧荷重による変形を防止するため、局所的に大きな支圧荷重がかかる部位のＦＲＰ形材３１を、その中空部３１ｄ内全体に圧縮抵抗材５を充填して補強してもよい。

このように構成される構造物１は、例えば図５に示されるように、一対の桁材２，２を所定の間隔を開けて配置し、両桁材２，２の上端に床スラブ材３を架設し、前記の如くＬ字形アングル材４を介して両部材を剛結するとともに、床スラブ材３の両側端に手摺り７，７を一体に取り付けて、拡幅歩道橋などの歩行者用の橋梁に適用することが可能である。

なお、図示した構造物１の形態は一例であり、本発明はこれらに限定されず、他の適宜な形態に構成することが可能である。本発明は、拡幅歩道橋などの橋梁の他に、建物内外に設置される梁や柱などの大きな耐荷重強度が必要とされる部位の構造物として利用することが可能である。

１ 構造物、２ 桁材、２１ ＦＲＰ形材、２２ 補強材、３ 床スラブ、３１ ＦＲＰ形材、４ Ｌ字形アングル材、５ 圧縮抵抗材、６ 躯体の支持部、７ 手摺り

Claims (7)

1. 躯体上に設置される桁材で床スラブ材を支持する建築土木構造物において、
   前記桁材は、ロ字状断面を呈する複数のＦＲＰ形材を上下複数段に積み重ね、互いに重なり合うＦＲＰ形材の外面同士を接着固定し、且つ最下段のＦＲＰ形材の下面に炭素繊維強化プラスチックからなる補強材を接着して形成され、
   前記床スラブ材は、その上下面間に複数のリブが垂直に配置されて内部が複数の中空部に仕切られた中空なＦＲＰ形材により形成されており、
   前記桁材を構成するＦＲＰ形材の中空部の軸方向に対して前記床スラブ材を構成するＦＲＰ形材の中空部の軸方向が略直交するように床スラブ材が向けられて桁材の上端に設置され、且つ両部材が固着手段により一体に固着され、
   前記桁材の前記躯体の支持部に重なる部分が、当該桁材を構成する各段のＦＲＰ形材の中空部内に圧縮抵抗材が充填されて補強された構成を有することを特徴とすることを特徴とする建築土木構造物。
2. 桁材と床スラブ材の交差部に添えたＬ字形アングル材を床スラブ材の下面と桁材の側面にリベットで留め付けて両部材が固着された構成を有する請求項１に記載の建築土木構造物。
3. 桁材を構成するＦＲＰ形材の中空部内の全体又は中空部内に部分的に補強用の圧縮抵抗材が充填された構成を有する請求項１又は２に記載の建築土木構造物。
4. 床スラブ材を構成するＦＲＰ形材の中空部内の全体又は中空部内に部分的に補強用の圧縮抵抗材が充填された構成を有する請求項１から３の何れかに記載の建築土木構造物。
5. 圧縮抵抗材はモルタルであることを特徴とする請求項１、３又は４に記載の建築土木構造物。
6. 互いに間隔を空けて配置された複数の桁材で床スラブ材が支持された構成を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の建築土木構造物。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の建築土木構造物を用いて構成された橋梁。

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