JP7275368B2 - 合成構造体 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート内に対向して配設した鋼材を連結部材で連結した合成構造体に関する。

従来、例えばシールドトンネル等の筒状構造物の構築に用いられるセグメントとして、ＳＲＣ構造（鉄骨鉄筋構造）の合成セグメントが知られている。このセグメント１００は、図１０及び図１１に示すように、コンクリート１０１内の外周面と内周面に外周側主鋼材１０２と内周側主鋼材１０３が配設され、これらの主鋼材１０２、１０３は複数の束材１０４で所定間隔に連結されている。
この束材１０４は外周側主鋼材１０２と内周側主鋼材１０３を連結している。束材１０４は長板状であり、その長辺の面を各主鋼材１０２、１０３の長手方向に沿って溶接等で連結している。

このセグメント１００をリング状に連結して筒状構造物に構築したシールドトンネル等では、リング状の各セグメント１００に地盤の土圧等の荷重が外側から径方向内側に印加されるため、図１２（ａ）に示すようにコンクリート１０１を伝わる応力Ｆが応力Ｆに直交する束材１０４の短辺の面にかかっていた。しかし、この応力Ｆが過大であると、コンクリート１０１と束材１０４との接触面にせん断力が働き、コンクリートと鋼材とが分離する等して亀裂や割裂といった破壊が生じるおそれがあった(図１２（ｂ）参照)。

このような問題を改善する技術として、例えば特許文献１に記載されたセグメントが提案されている。このセグメントでは、外周側主鋼材と内周側主鋼材の内面に断面台形状や三角形状のジベルを配列している。セグメントに土圧等の荷重が作用してコンクリートと鋼材の間にずれせん断力が発生した場合、これらのジベルによってずれ止めに抵抗していた。

特許第４５４７４３１号公報

しかしながら、セグメント内の主鋼材の内面に断面台形状や三角形状のジベル等のずれ止め手段を形成するのは製造工程が複雑になるため手間がかかり、製造コストが増大するという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、コンクリートに伝わるずれせん断力に対して別個のずれ止め部材を設置することなく抵抗できる合成構造体を提供することを目的とする。

即ち、本発明に係る合成構造体は、セグメントを形成するコンクリートと、コンクリート内でセグメントの内周面と外周面に対向して配置された第一の主鋼材及び第二の主鋼材と、第一の主鋼材及び第二の主鋼材を連結すると共に、長手方向に直交する断面を形成する複数の面のうちでコンクリートを伝達する応力を受ける最も大きな受圧面が主鋼材の長手方向に交差する方向に位置する連結部材と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、セグメントの外周側から荷重がかかって応力がコンクリートに伝達されると、連結部材のコンクリートを伝達する応力を受ける最も大きな受圧面で応力を受けて、ずれせん断力に抵抗できるためコンクリートに亀裂や割裂等が生じることを抑制できる。しかも、連結部材だけでずれせん断力に抵抗できるためジベル等の別個のずれ止め部材を設置する必要がなく製造コストが低廉になる。

また、連結部材は、主鋼材の長手方向に直交する方向に受圧面が位置していることが好ましい。
連結部材の受圧面を主鋼材の長手方向に直交する方向に位置させることで、コンクリートを伝達するずれせん断力に対する抵抗が最も大きくなる。

また、連結部材は、主鋼材の長手方向に鋭角で交差する方向に受圧面が位置していてもよい。
連結部材の受圧面を主鋼材の長手方向に鋭角で交差する方向に位置させることで、コンクリートを伝達するずれせん断力に有効に抵抗することができて、コンクリートに亀裂等が生じることを防止できる。

また、少なくとも一部の連結部材の受圧面は他の連結部材の受圧面と異なる角度に位置していてもよい。
一部の連結部材の受圧面の角度を他の連結部材の受圧面と異なる角度に位置させることで、コンクリートを伝達するずれせん断力に有効に抵抗することができて、コンクリートに亀裂等が生じることを防止できる。

本発明による合成構造体によれば、連結部材の長辺を主鋼材の長手方向に交差する方向に設置したため、コンクリートに伝達される応力を受ける受圧面でずれせん断力を受けることができる。しかも、別個にずれ止め部材を設置する必要がなく製造コストが低廉である。

本発明の実施形態によるセグメントを一部破断して示す要部斜視図である。 図１に示すセグメントのＡ－Ａ線縦断面図である。 図１に示すセグメントのＢ－Ｂ線断面図である。 実施形態によるセグメントを筒状構造物に構築したシールドトンネルの部分断面図である。 図４に示すセグメントの連結部材にかかる応力を示す説明図である。 第二実施形態によるセグメントの縦断面図である。 第一変形例によるセグメントの主鋼材とコンクリートの断面図である。 第二変形例によるセグメントの主鋼材とコンクリートの断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は連結部材の受圧面を示す長手方向に直交する断面図である。 従来のセグメントの縦断面図である。 図１０に示すセグメントの横断面図である。 図１１のＣ－Ｃ線断面を示すもので、（ａ）はコンクリートに伝わる応力と束材との関係を示す図、（ｂ）は応力によってコンクリートに割裂が生じた状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態や変形例による合成構造体について図１乃至図８に基づいて説明する。
図１乃至図６は、本発明の第一実施形態によるセグメント１を示すものである。図１乃至図３に示すセグメント１は、例えばシールド工法によって掘削されたトンネルの内周壁に沿って設置されるトンネル覆工体（筒状壁体）を形成するものであり、コンクリート３内に鋼材２を配置させて略円弧板状に湾曲形成されたＳＲＣ（Steel Reinforced Concrete）構造の合成セグメントである。

図１乃至図３に示すように、セグメント１は略長方形板状のものを長辺に沿って円弧状に湾曲して形成したものである。セグメント１は短辺側（トンネルの軸方向に沿う辺側）の側面(継手面)である一対の接合端面５と長辺側（トンネルの周方向に沿う辺側）の側面である一対の主桁面６とを有している。セグメント１の接合端面５と主桁面６で囲われた領域の内周側を内周面１０とし、外周側を外周面１１とし、セグメント１の外面はコンクリートＣで覆われている。
各接合端面５には、セグメント１をトンネル周方向にリング状に連結するためのセグメント間継手７が設けられている。各セグメント間継手７は雄型継手部（図示省略）と雌型継手部７ａとをそれぞれ有している。各主桁面６には、セグメント１をトンネル軸方向に連結するためのリング間継手８が設けられている。各リング間継手８は雄型継手部８ａと雌型継手部（図示省略）とをそれぞれ有している。

図１から図３に示すように、鋼材２は、トンネル周方向に沿って略円弧状に湾曲されるとともに円弧板状をなすセグメント１の内周面１０側及び外周面１１側にそれぞれ配置される主鋼材１４及び主鋼材１５と、一対の主鋼材１４、１５同士を連結する連結部材１６とを備えている。主鋼材１４、１５は、例えばスチールなどの材料からなり、所定幅で帯状に延びる板状でその長手方向に沿って円弧状に湾曲して形成されている。
一方の主鋼材１４はトンネルの内空側に寄った内周面１０側に、他方の主鋼材１５は地山側に寄った外周面１１側に配置され、セグメント１の厚み方向に対向して配置されている。一対の主鋼材１４、１５の組み合わせは、トンネル軸方向に所定間隔を開けて略平行に複数、例えば３組設けられている。

連結部材１６は束材であり、例えば長手方向に直交する断面視で長方形状をなす平板形状を有している。連結部材１６は断面視で幅広の長辺の面１６ａと幅の狭い短辺の面１６ｂとを有している。長辺の面１６ａは後述するずれせん断応力Ｆを受ける最も面積の大きい面であり、以下の説明では受圧面１６ａという。連結部材１６は、受圧面１６ａを主鋼材１４、１５の長手方向に略直交する向きに設置して、両端部が一対の主鋼材１４、１５に溶接等で連結されている。換言すると、連結部材１６は、受圧面１６ａを主鋼材１４、１５の長手方向に沿って配設して連結した従来の束材に対して、向きを９０度回転させて配設している。
本実施形態では、連結部材１６の受圧面１６ａの幅は主鋼材１４、１５の幅より短く形成され、主鋼材１４，１５の幅方向の中央に受圧面１６ａを位置させて連結されている。しかし、連結部材１６は受圧面１６ａを主鋼材１４、１５の幅方向のいずれかの側面に当接させて連結してもよいし、受圧面１６ａの幅を主鋼材１４、１５の幅と同一長さ以上に形成してもよい。

連結部材１６は主鋼材１４、１５の長手方向に沿って所定間隔で複数枚、例えば４枚配列されている。両端の連結部材１６は主鋼材１４、１５の両端より内側に引っ込んで連結されているが、両端に連結されていてもよい。
図示していないが、複数本並んだ各一対の主鋼材１４，１５及びその連結部材１６は例えば主筋と配筋を格子状に組んだ格子鉄筋等によって互いに連結されていてもよい。これにより、コンクリートＣと主鋼材１４，１５との一体性が向上し、より高強度になる。

本実施形態によるセグメント１は上述した構成を有しており、次にセグメント１の作用について図面に基づいて説明する。
図４に示すように、セグメント１がトンネル覆工体としてトンネル内に設置された状態において、例えば地山の土圧などの荷重が作用してセグメント１に曲げ応力が発生するため、トンネル周方向に沿った方向に過大な力が働くことがある。この場合、リング状のセグメント１の径方向内側に荷重が作用すると、各セグメント１のコンクリートＣには図５に示すように一対の主鋼材１４、１５の長手方向に応力Ｆが働く。このコンクリートＣを伝わる応力Ｆは連結部材１６の受圧面１６ａで受け止めるため、連結部材１６の受圧面積が大きく応力Ｆによるずれせん断力に抵抗することができる。そのため、コンクリートＣに亀裂や割裂等が働くことを防止できる。

上述したように本実施形態によるセグメント１によれば、コンクリートＣ内で一対の主鋼材１４、１５を連結する連結部材１６が断面長方形の長辺の面である受圧面１６ａを主鋼材１４、１５の長手方向に略直交する向きに配設したため、受圧面積が大きくせん断力に抵抗できるという効果がある。
受圧面１６ａによって連結部材２５によるずれせん断応力Ｆを受ける面積を増大できて曲げ剛性を高くできるため、コンクリートＣを伝わるずれせん断応力Ｆを受け止めて耐ずれ性を向上できて、コンクリートＣに割裂や亀裂等の発生を抑制できる。しかも、従来のセグメントのように、ジベル等のずれ止め部材を設置することなくずれせん断応力Ｆに抵抗するため、セグメント１を低コストで製造できる。

以上、本発明の第一実施形態によるセグメント１について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本発明の変形例や他の実施形態等について説明するが、上述の第一実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。

次に、本発明の第二実施形態によるコンクリート平板２０について図６に示す断面図により説明する。
本第二実施形態によるコンクリート平板２０では、第一実施形態によるセグメント１に代えて、コンクリート構造体として橋梁、道路等に採用されると共に工場等で製造されるコンクリート平板２０について説明する。図６（ａ）はコンクリート平板の図２に対応する主鋼材２３、２４の長手方向に沿う断面図、（ｂ）は同図（ａ）に直交する方向の断面図である。
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、本第二実施形態によるコンクリート平板２０は、第一実施形態によるセグメント１と相違して湾曲していない平面視略長方形の箱形状をなしている。コンクリート平板２０における長辺方向の両端面を接合端面２１とし、短辺方向の両端面を主桁面２２とし、図示しない継手部によって隣接するコンクリート平板２０に接合される構成となっている。接合端面２１と主桁面２２で囲われたコンクリート平板２０の下側の面を内周面１０、上側の面を外周面１１とする。

このコンクリート平板２０は、コンクリートＣ内には短辺に沿って延びる上下方向に対向した一対の主鋼材２３、２４が設けられている。主鋼材２３、２４同士は、第一実施形態と同様に、その長手方向に沿って所定間隔で設けた複数の連結部材２５によって連結されている。しかも、連結部材２５は断面略長方形板状の束材であり、その長辺の面が主鋼材２３、２４の長手方向に略直交する方向に配設された受圧面２５ａであり、短辺の面２５ｂが主鋼材２３、２４の長手方向に順次配設されている。
また、コンクリート平板２０では、連結部材２５で連結された一対の主鋼材２３、２４の組み合わせが、主桁面２２に沿って所定間隔で４組配列されている。

第二実施形態によるコンクリート平板２０は、例えば設置された床面の上部を車両が走行したときに荷重が作用し、内部の主鋼材２３、２４の長手方向（つまり、図６（ａ）に示すコンクリート平板２０の短手方向）にコンクリートＣを伝達するずれせん断応力Ｆが働く。この場合でも、ずれせん断応力Ｆは連結部材２５における受圧面積の大きい受圧面２５ａで受け止めてずれせん断応力Ｆに抵抗することができる。

そのため、本実施形態によるコンクリート平板２０においても、連結部材２５の受圧面２５ａによって荷重を受ける面積を増大できて曲げ剛性を高くできるため、コンクリートＣを伝わるずれせん断応力Ｆを受け止めて耐ずれ性を向上できて、コンクリートＣに割裂や亀裂の発生を抑制できる。しかも、本実施形態では連結部材２５の向きを略９０°変えるだけであり、主鋼材２３，２４にジベル等を設けないため製造コストを低減できる。

次に、図７は第一実施形態によるセグメント１の変形例によるセグメント１Ａを示すものであり、主鋼材１４、１５を連結する連結部材１６の部分の水平断面図である。図７に示す変形例では、上下方向に配設された一対の主鋼材１４、１５の間に連結する複数の連結部材１６の受圧面１６ａの角度を主鋼材１４，１５の長手方向に対して９０度より小さい適宜の鋭角θに設定したものである。この場合、連結部材１６の受圧面１６ａの角度θが９０度に近い程、受圧面積が大きい。なお、連結部材１６の受圧面１６ａの角度θは鋭角に変えて鈍角でもよく、主鋼材１４，１５の長手方向に対して非平行をなす斜めの角度で交差するよう設定されていれば鋭角に含まれ、従来のセグメントより受圧面積を大きくできる。
本第一変形例のセグメント１Ａにおいても、セグメント１Ａに印加される荷重によってコンクリートＣを伝達するずれせん断応力Ｆを連結部材１６の受圧面１６ａで受け止めてずれせん断応力Ｆに抵抗できる。

図８は第二変形例によるセグメント１Ｂにおける主鋼材１４、１５を連結する連結部材１６の部分を示す水平断面図である。
図８に示すセグメント１Ｂでは、コンクリートＣ内に配設した一対の主鋼材１４、１５を連結する複数の連結部材１６の受圧面１６ａの角度θを任意に設定したものである。そのため、一対の主鋼材１４、１５間に連結した複数の連結部材１６の受圧面１６ａの角度θを例えばそれぞれ異なる角度に設定した。図８に示す一の連結部材１６では角度θが鋭角であり、隣接する他の連結部材１６では受圧面１６ａの角度θが鈍角に設定され、逆向きとされている。
この場合、複数の連結部材１６は一部の連結部材１６の受圧面１６ａだけが他の連結部材の受圧面１６ａと角度θが相違していてもよい。或いは、複数の連結部材１６は個々の受圧面１６ａがそれぞれ異なる角度θに設置されていてもよい。

なお、第二実施形態ではコンクリート平板２０をコンクリート構造体としているが、これに限定されることはなく、例えばＳＲＣ構造をなす建築構造物の梁材や柱材などとして使用されるコンクリート構造体であってもかまわない。
また、セグメント１、１Ａ、１Ｂやコンクリート平板２０は予め工場などで製作されるコンクリート製品であることに限定されることはなく、現場でコンクリート打設して構築されるＳＲＣ構造であってもよい。要は、コンクリート内部に複数の鋼材が配置され、それらの鋼材を連結するための連結機能とずれせん断応力Ｆに抵抗する機能とを備えた連結部材１６、２５等が設けられていればよい。

また、連結部材１６、２５は上述した各実施形態や変形例等では断面長方形の平板形状としているが、この形状に限定されることはない。例えば、連結部材１６、２５は図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように断面三角形状や断面略台形状、断面略円弧板状等でもよい。この場合、各連結部材１６，２５の受圧面１６ａ、２５ａがコンクリートＣを伝達する応力に直交して配設されていることが好ましい。

また、コンクリート構造物のセグメントの別の形態として、例えば第一実施形態でセグメント１内の外周側に配置される主鋼材１４、１５、２３、２４をコンクリートＣの外周面に面一となるように配置し、その主鋼材１４、１５の側面に接続するようにセグメント１の外面にスキンプレートを設ける構成のセグメントであってもかまわない。
なお、本発明において、主鋼材１４、２３は第一の主鋼材、主鋼材１５、２４は第二の主鋼材に含まれる。
上述した第一実施形態によるセグメント１や第一及び第二変形例によるセグメント１Ａ、１Ｂ、第二実施形態によるコンクリート平板２０等はコンクリート構造体であり、合成構造体に含まれる。

１ セグメント
５、２１ 接合端面
６、２２ 主桁面
１０ 内周面
１１ 外周面
１４、１５、２３、２４ 主鋼材
１６、２５ 連結部材
１６ａ、２５ａ 受圧面
２０ コンクリート平板
Ｃ コンクリート

Claims (4)

1. セグメントを形成するコンクリートと、
   前記コンクリート内で前記セグメントの内周面及び外周面にそれぞれ対向して配置された第一の主鋼材及び第二の主鋼材と、
   前記第一の主鋼材及び第二の主鋼材を連結する連結部材と、
   を備え、
   前記連結部材は、前記連結部材の長手方向に直交する断面視で幅広の長辺の面が前記コンクリートを伝達する応力を受ける最も大きな受圧面であり、当該受圧面が前記主鋼材の長手方向に交差する方向に位置する、
   ことを特徴とする合成構造体。
2. 前記連結部材は、前記主鋼材の長手方向に直交する方向に前記受圧面が位置している請求項１に記載された合成構造体。
3. 前記連結部材は、前記主鋼材の長手方向に鋭角で交差する方向に前記受圧面が位置している請求項１に記載された合成構造体。
4. 少なくとも一部の前記連結部材の受圧面は他の前記連結部材の受圧面と異なる角度に位置している請求項１に記載された合成構造体。

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