JPWO2016132437A1 - 複合線条体の端末定着構造 - Google Patents

Abstract

連続繊維を樹脂材で複合化し、撚り線状に成形した複合線条体２０と、筒状に形成されると共に、その外径が引張力を受ける先端部から固定側の後端部にかけて拡径し、その内壁面４２に前記複合線条体の外面が転写され、複合線条体２０の外面と係合する内壁面４２が形成されたくさび体３０と、くさび体３０の外周側に設けられ、固定側の後端部に向けて拡径する円錐状中空の内部構造を有するスリーブ５０とを備え、くさび体３０は、周方向に分割され、互いに分割面４３を隙間をもって対向させて形成された複数の分割くさび体４０から成り、分割くさび体４０における内壁面４２は微細凹凸４２ｂにて形成されていることで、短時間で加工でき、しかも十分な把持力を長期間に亘って維持する。

Description

本発明は、土木・橋梁等の分野で構造体の補強に使用される複合線条体を緊張するときの端末定着に用いる複合線条体の端末定着構造に関する。

複合線条体はＰＣ鋼撚り線の代わりになるものとして知られている。複合線条体は炭素繊維等の連続繊維をエポキシ樹脂等の熱硬化樹脂で複合化し、１×７等の撚り線状に成型したものである。複合線条体はＰＣ鋼撚り線と同様に高い引張強度と高い弾性係数をもち、しかも軽量で錆びない等の特徴がある。これらの特徴を生かし土木・橋梁等の分野での、既存橋梁の補修用ケーブルや、プレストレスコンクリート桁やパイルの補強用緊張材、ポストテンション方式橋梁桁補強材等として使用されている。このような用途に複合線条体を使用する場合には、複合線条体を緊張するために、その両端部を把持する端末定着が必要である。

端末定着構造としては、樹脂補強カーボンファイバを心とした電線の引留端部に関する技術が知られている（例えば、日本国特許公開公報 特開平８−２３７８４０号公報）。すなわち、亜鉛等を主成分とする金属材により形成され、その内周面に樹脂補強カーボンファイバの外周に係合する係合面を有する、円筒二つ割構造の緩衝スリーブを、撚り合わせ電線の引留端部に用いている。これは樹脂補強カーボンファイバをテンションメンバとしその周りに導電用金属線を撚り合わせてなる電線において、テンションメンバと導線用金属線の撚り合わせ層の間に緩衝スリーブを設け、これらの外側に金属スリーブを装着し、金属スリーブを圧縮固定することで引留端部を形成している。この技術において緩衝スリーブは内周面に樹脂補強カーボンファイバの外周と係合する係合面をもっており、二つ割構造であるので、樹脂補強カーボンファイバに容易に装着できるとともに、円筒状に成型されているため金属スリーブを圧縮するときに局部的な圧縮力がかからないので、樹脂補強カーボンファイバの潰れや割れなどの損傷を防止する効果を有している。

また、複合線条体の端末定着構造として、複合線条体に増摩シートを被せ、その上に金属製ブレードを被せ、この部分をくさびによって挟み、定着する構造が知られている（例えば、日本国特許第５４２６６７８号公報）。これは、複合線条体を緊張するときにくさびに発生する外力で、くさびが複合線条体を締め付けるとき、くさびの下部にある増摩シートとブレードが複合線条体の凹凸部に応じて変形し、それによる緩衝作用と、増摩シートによる摩擦力により、せん断による損傷を生じることなく複合線条体を高い緊張力下で把持する機能を持たしている。

さらに、増摩シートの代わりに樹脂製の複合緩衝材を用いる方法も提案されている（例えば、日本国特開平０１−２７２８８９号公報）。

上述した複合線条体の端末定着構造では、次のような問題があった。すなわち、導電用金属線を撚り合わせてなる電線の引き止め端部を形成するために、上述した技術では圧縮加工するための機械装置が必要であった。機械装置を用いると高コストとなる。また、上述した技術で示されている二つ割の緩衝スリーブは圧縮力が局部的に集中して起きるカーボンファイバ心の潰れ損傷を防止するために亜鉛等を主成分にした金属製とする必要がある。

また、複合線条体に複数枚の増摩シートを重ねて使う場合、準備段階で多数の増摩シートを積層する手間が必要であった。また、このように準備した２つの短冊状の増摩シートを複合線条体に取り付けるときには、増摩シートの方向を複合線条体の軸方向と平行にし、また、２つの増摩シートの間隔を均等に保持して取り付ける必要があり、作業には熟練と手間を要していた。

また、この方法では、限られた熟練者が必要であり、複雑で多数の工程を経て時間を要するという問題があった。

さらに、複合緩衝材を用いた場合には、作業時間を１０分程度までに短縮することができるが、ＰＣ鋼より線を用いた定着構造では作業時間が１分程度と短く、さらなる作業時間の短縮化が求められていた。また、複合緩衝材の材料である樹脂は大きい力が継続して加わると、変形・破損するため長期間の使用に耐えきれない虞があった。

一方、樹脂製複合緩衝材はクリープ量が多く、長期にわたり供用する定着に不向きであった。さらに、複合緩衝材の樹脂がクリープ変形するため長期の使用に耐えられない。

そこで本発明は、圧縮の機械装置を必要とせず、また、作業が困難な増摩シートや複合緩衝材等を用いることなく、十分な把持力を維持する端末定着構造により定着作業を簡単に行うことができると共に長期間の使用に耐えうる複合線条体の端末定着構造を提供することを目的としている。

連続繊維を樹脂材で複合化し、撚り線状に成形した複合線条体と、筒状に形成されると共に、引張側で小径側の先端部から固定側で大径側の後端部にかけて拡径し、その内壁面に前記複合線条体の外面が転写され、前記複合線条体の外面と係合する被係合部が形成されたくさび体と、このくさび体の外周側に設けられ、固定側で大径側の後端部に向けて拡径する円錐状中空の内部構造を有するスリーブとを備え、前記くさび体は、周方向に分割され、互いに分割面を隙間をもって対向させて形成された複数の分割くさび体から成り、前記分割くさび体における前記内壁面は微細な凹凸面にて形成されていることを特徴とする複合線条体の端末定着構造。

図１は、本発明の実施の形態に係る複合線条体の定着構造を示す縦断面図である。 図２は、同定着構造における分割くさび体とスリーブを示す縦断面図である。 図３は、同定着構造における複合線条体とくさび体を示す斜視図である。 図４は、同複合線条体とくさび体を示す分解斜視図である。 図５は、同定着構造を示す横断面図である。 図６は、同定着構造の要部を示す拡大図である。 図７は、同定着構造における表面粗さ、くさび長さ、定着効率の関係を示す説明図である。

以下、添付図面にもとづき、本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る複合線条体の定着構造を示す縦断面図、図２は同定着構造における分割くさび体とスリーブを示す縦断面図、図３は同定着構造における複合線条体とくさび体を示す斜視図、図４は同複合線条体とくさび体を示す分解斜視図、図５は同定着構造を示す横断面図、図６は同定着構造の要部を示す拡大図である。説明中において、軸方向とは、複合線条体２０の延びる（長さ）方向を示している。

複合線条体の端末定着構造１０は、連続繊維を樹脂材で複合化し、撚り線状に成形した複合線条体２０と、この複合線条体２０を覆う金属材製のくさび体３０と、このくさび体３０の外周側に設けられた金属材製のスリーブ５０とを備えている。なお、図１中左方向から引張力が作用し、右端部は自由端である。くさび体３０の引張側で小径側を先端部、固定側で大径側を後端部と称する。

複合線条体２０は、複数の素線２１を撚り合わせた構造を有している。素線２１は、炭素繊維（連続繊維）とマトリクス樹脂（代表的にはエポキシ樹脂等の熱硬化樹脂）を主材料としている。

外径１５．２ｍｍの１×７の撚り構造を有する複合線条体２０は、素線２１として１本の心素線２１ａを中心とし、その周囲に６本の側素線２１ｂを撚り合わせて構成されている。いずれの心素線２１ａ及び側素線２１ｂも直径は５．１ｍｍである。心素線２１ａと側素線２１ｂのなす角、すなわち撚り角は代表的には９°であり、撚り角は１８°以下が望ましい範囲である。

くさび体３０の内径は被定着体である複合線条体２０の形状で決定される。したがって、複合線条体２０を圧壊させない程度の圧力で十分な定着効率を得るために十分な長さを確保する必要がある。具体的な長さとしては、側素線２１ｂが周方向における同じ位置に戻る１ピッチを基準として決定する。決定のプロセスについては後述する。

くさび体３０は、周方向に２分割された分割くさび体４０を組み合わせて、中空の円錐台状に形成されている。

分割くさび体４０は、半円筒状の本体４１と、この本体４１の内壁面（係合部）４２に設けられ、複合線条体２０の外形と嵌合する凹凸部４２ａを有している。この凹凸部４２ａは複合線条体２０を構成する素線２１を外形転写した凹凸を有しており、いわゆる縄目状となっている。この外形転写した凹凸に加え、図６に示すように内壁面には微細凹凸４２ｂが形成されている。

内壁面４２では、これら縄目状の凹凸部４２ａにより、複合線条体２０とくさび体３０との間で高い摩擦力が得られる。さらに微細凹凸４２ｂにより、複合線条体２０の各素線２１との接触面積が増えるとともに、変形しやすい複合線条体２０を断面方向に、さらに摩擦力を増大させる効果がある。微細凹凸４２ｂが、長期間にわたって高い把持力と安定した定着を実現する。

適切な表面粗さ及びくさび長さを求めるため、引張試験を行った。図７は複合線条体２０について、表面粗さ及びくさび長さを変えた場合のくさび体による定着構造で引張試験したときの、表面粗さ、くさび長さ、定着荷重、定着効率、破断状況、評価との関係を示している。定着効率は定着荷重と複合線条体の規格破断荷重の比である。評価は、定着効率が７５％を超えるものを○（良）とした。

鋳物である分割くさび体４０の表面粗さを調整するには様々な方法があるが、今回は分割くさび体４０を形成後、後加工により表面の凹凸が付加されるように調整した。表面粗さは触針式の表面粗さ計で測定した。

微細凹凸４２ｂを形成する内面の表面粗さＲｚ（十点平均粗さ）は６０〜５００μｍが良く、適度な大きさの微細凹凸４２ｂが形成されるので、上述したように摩擦力が高くなり、高い定着荷重が得られた。

表面粗さが小さすぎると（Ｒｚ＝３０μｍ以下）、微細凹凸４２ｂの大きさが小さいため、摩擦力が低くなり、抜けてしまった。また、表面粗さが大きすぎると（Ｒｚ＝８００μｍ以上）、微細凹凸４２ｂが大きすぎて複合線条体２０の表面を損傷させるので、定着荷重を高くできなかった。一方、ストランド間の谷間を転写していた縄目の出っ張りが削られ接触面積が著しく低下し、抜けてしまった。

一方、くさび長さについては、表面粗さＲｚ＝２００の条件で、１３０ｍｍ，１５０ｍｍ，２１０ｍｍ，２８０ｍｍと様々な長さで試験を行った。複合線条体２０の１ピッチは２０９ｍｍである。１５０ｍｍ，２１０ｍｍ，２８０ｍｍが合格であった。なお、１３０ｍｍ以下では、くさび体３０の締め付けによる側圧で複合線条体２０が損傷するため、低い定着荷重で破断した。さらに１ピッチ相当である２００ｍｍ以上の場合は、摩擦面積が大きくなるため、さらに高い定着荷重が得られた。１ピッチの１３４％相当の２８０ｍｍを超えると、実用性に乏しい。今回の試験の結果、１ピッチの７２％〜１３４％が適切であることがわかった。

さらに本体４１の周方向の端面は分割面４３が形成されている。また、先端部側には、口元に近づくにつれ拡径する拡径部４４が設けられている。

くさび体３０は上述したように２つ割り構造となっているため、複合線条体２０の任意位置に取り付けることができ、取り付けた後は複合線条体２０の全周を覆い、ほぼ円錐台状の外形を有する。

分割くさび体４０は、次のようにして成形される。すなわち、上述した外径１５．２ｍｍの１×７の撚り構造を有する複合線条体２０と同一構造の複合線条体を原型とした３ＤＣＡＤデータを作成し、あるいは３Ｄスキャナ等で外形を走査し、データ化する。このデータにより母型を作成する。母型から砂型を形成して、鋳造にて分割くさび体４０を製造する。材質は成型性、強度、じん性、疲労強度に優れた、球状黒鉛鋳鉄とする。球状黒鉛鋳鉄は収縮率が１％と、鋼鉄の３％と比べ小さいので、寸法精度が高い。また、黒鉛が片状であるねずみ鋳鉄は、疲労亀裂が層間を進展していくので疲労強度が低いのに対し、球状黒鉛鋳鉄は球状の黒鉛で疲労亀裂が停止するので疲労強度が高い。さらに、くさび体の内壁面の表面をＲｚで６０〜５００μｍの範囲で微細な凹凸性状にする。

なお、分割くさび体４０の内壁面４２の表面粗さは触針式の表面粗さ計を用いてＲｚを測定している。

分割くさび体４０の内面には、具体的に次のより線形状の縄目を有する。素線２１の外形転写によるより線形状の縄目は直径５．１ｍｍで心素線２１ａに対し１８°以下の角度の円弧である。さらに内壁面に微細凹凸４２ｂがある。

分割くさび体４０の内面の凹凸部４２ａは、複合線条体２０の形状を倣った形状となっているため、複合線条体２０に装着すると複合線条体２０と縄目が合致するので、複合線条体２０の撚り構造による表面の縄目を分割くさび体４０が充満する。

一対の分割くさび体４０は、互いに分割面４３を対向させて隣接するが、所定寸法の隙間Ｓが形成されている。この所定寸法は、例えば、３〜６ｍｍである。

くさび体３０は、その外径が先端部から後端部にかけて拡径し、その中空部に複合線条体２０が係合される構造を有している。

このような複合線条体の端末定着構造１０は、次のようにして組み立てられる。すなわち、複合線条体２０の外周にスリーブ５０を通す。次に、一対の分割くさび体４０をその先端部をスリーブ５０側に向けて複合線条体２０に嵌めてくさび体３０を形成する。そして、スリーブ５０をくさび体３０に向けて移動し、嵌合する。

このように構成された複合線条体の端末定着構造１０によれば、複合線条体２０が引っ張られた時に次のように作用する。すなわち、複合線条体２０とくさび体３０が一体化しているので、複合線条体２０を引張ると同時にくさび体３０がスリーブ５０に引き込まれる。くさび体３０がスリーブ５０に引き込まれるとその勾配によりくさび体３０は複合線条体２０を締め付ける。この締め付けによって、くさび体３０と複合線条体２０のそれぞれの摩擦力はさらに増大し、二者の一体化はより強固なものとなる。

さらに、複合線条体２０を原型にし、上述の方法で得た分割くさび体４０の内面には、複合線条体２０を構成する素線２１の外形転写した凹凸を有している。この凹凸を有することで、くさび体３０は複合線条体２０に強固に係合するとともに、樹脂緩衝材等を用いていないため、長期間にわたって高い把持力を得ることができる。

スリーブ５０は、金属材製であり、内径が先端部から後端部にかけて拡径する円錐状中空の内部構造を有し、外径一定の筒状に形成されている。なお、スリーブ５０の内径の拡径角度Ｃに対して、くさび体３０の外径の拡径角度を僅かに大きくする。これによって、口元側（引張力が作用する側の、先端部）の側圧を小さくでき、口元の応力集中を減らすことができ、高い把持力が得られる。また、このような形状に加え、拡径部４４において、口元をＲ加工したり、口元付近を先端部側に向けてテーパ（拡径）にされているので、より効果が高まる。

さらに、くさび体３０は、円筒状の二つ割りのシンプルな成型体であるため、取り付けのための準備は特には不要で、複合線条体２０に容易に、短時間に取り付けることができる。また、くさび体３０の内面は複合線条体２０と嵌合する形状を有するため、取り付け作業時には、くさび体３０を複合線条体２０に押し当てることで自ずと複合線条体２０に嵌合する。このため、特段の熟練は必要でなく、所定の品質を一般の作業者が容易に実現できる。

本実施の形態に係る複合線条体の端末定着構造１０によれば、圧縮装置による圧縮力ではなく、くさび体３０とスリーブ５０による締付力により定着力を生ずるようにしている。くさび体３０の締め付けによって強固に複合線条体２０を締め付けており、高い定着力を発揮することができる。

また、くさび体３０は、複合線条体２０の外形と嵌合する形状に形成されているため、被せるだけの作業で済み、熟練の作業者の作業によらなくても、所望の品質を得ることができ、定着作業を簡単に行うことができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、くさび体は３つ割でも４つ割でも良い。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

圧縮装置や緩衝材を用いなくとも十分な摩擦力を維持する構造により定着作業を簡単に行うことができる複合線条体の端末定着構造が得られる。

Claims (5)

1. 連続繊維を樹脂材で複合化し、撚り線状に成形した複合線条体と、
   筒状に形成されると共に、その外径が引張力を受ける先端部から固定側の後端部にかけて拡径し、その内壁面に前記複合線条体の外面が転写され、前記複合線条体の外面と係合する被係合部が形成されたくさび体と、
   このくさび体の外周側に設けられ、固定側の後端部に向けて拡径する円錐状中空の内部構造を有するスリーブとを備え、
   前記くさび体は、周方向に分割され、互いに分割面を隙間をもって対向させて形成された複数の分割くさび体から成り、
   前記分割くさび体における前記内壁面は微細な凹凸面にて形成されていることを特徴とする複合線条体の端末定着構造。
2. 前記分割くさび体における前記内壁面の凹凸の面粗度は、粗さがＲｚ＝６０〜５００μｍの範囲で無数に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の複合線条体の端末定着構造。
3. 前記分割くさび体の長さは、側素線の１ピッチの７２〜１３４％としていることを特徴とする請求項１に記載の複合線条体の端末定着構造。
4. 前記分割くさび体の材質は、収縮率１％程度の球状黒鉛鋳鉄からなる請求項１に記載の複合線条体の端末定着構造。
5. 前記分割くさび体を用いる前記端末定着構造で
   前記分割くさび体の外径の拡径角度に比して、前記スリーブの内径の拡径角度が同等以下で形成され、
   前記被係合部の前記先端部側の内径は、滑らかに拡径されていることを特徴とする請求項１に記載の複合線条体の端末定着構造。

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