KR100792660B1 - 합성케이블을 이용한 교량시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주 케이블에 프리스트레스를 도입하여 주 케이블의 설계인장력의 손실을 방지할 수 있으며, 그 강성을 이용하여 진동(흔들림)을 방지할 수 있으면서도 주탑의 높이를 최적의 상태로 유지할 수 있는 현수교타입의 교량시공방법에 관한 것이다.

현수교, 주케이블, 프리스트레스, 행거

Description

합성케이블을 이용한 교량시공방법{Suspension Bridge Construction Method using a Composite Cables}

도 1은 종래의 현수교를 도시한 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 주 케이블의 실시예를 도시한 것이다.

도 3은 주 케이블을 구성하는 연결정착장치, PC강선, 쉬스관을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 연결정착장치의 배치도를 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 주케이블과 행거의 설치예를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명의 주케이블,행거,바닥판에 의한 현수교를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:주 케이블 110:외부보강재

120:텐던(PC강선) 130:연결정착장치

140:충진재 200:행거(보조케이블,현수재)

300:바닥판 400:주탑

410:탑정새들

본 발명은 합성케이블을 이용한 교량시공방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 교대 사이에 소정의 높이를 가진 주탑을 시공한 후, 상기 주탑 상부를 걸쳐 전체적인 형상이 포물선 형태로 늘어지도록 주 케이블을 설치한 뒤, 상기 주 케이블에 수직방향으로 설치된 행거(보조케이블 또는 현수재)에 차량이 통과하는 바닥판(일종의 교량상판으로서 바닥판의 강성을 보강하기 위한 트러스등의 보강형이 설치된다.)이 매달려 설치되도록 하여 교량을 시공하는 현수교 타입의 교량 시공방법에 관한 것이다.

종래의 현수교(Suspension Bridge)는 도 1과 같이 교량이 건설되어야 하는 지반에 설치되는 주탑(10), 상기 주탑과 주탑 상부를 걸쳐 늘어져 설치됨으로서 작용하중에 대하여 수평장력으로 저항하는 주 케이블(20), 상기 주 케이블에 수직하방으로 연결된 행거(30), 상기 행거에 매달려 설치되는 바닥판(40)으로 구성됨으로서 주 케이블(20)에 행거(30)에 의하여 바닥판(40)이 매달려 설치되도록 하는 교량이다.

이러한 현수교는 주 케이블을 앵커리지(50)에 고정시키는 타정식(Earth-Anchored)으로 시공되는 것이 일반적이었지만 최근 들어 보강형이 주 케이블을 지지하는 자정식(Self-Anchored) 현수교도 시도되고 있으며, 자정식을 제외한 어느 형식이라도 주 케이블이 모든 사하중을 지지하게 된다.

이러한 현수교의 하중전달경로를 살펴보면, 활하중과 같은 집중하중은 일단 바닥판에 의해 지지되고 다시 보강형에 의해 분배되며 이 하중은 행거를 통해 주 케이블로 전달되고 최종적으로 앵커리지에 전달되는 방식을 따르게 된다.

이에 주 케이블의 수평장력에 관계되는 주요 변수들을 적절히 결정함으로써 보강형의 부담을 효율적으로 줄일 수 있으며 장대 현수교를 가능케 할 수 있다.

예컨대 동일지간(주탑과 주탑 사이의 거리)에 있어 주 케이블의 새그(Seg,처짐)량을 크게 하면, 주 케이블의 수평장력이 작아지게 되므로 주 케이블의 설치량을 상대적으로 줄일 수 있다. 이에 주탑 높이를 높임으로서 소요의 새그량을 확보할 필요가 있게 된다.

또한 주 케이블을 설치하기 위하여 주 케이블을 구성하는 소선을 주탑 사이 상부에 걸쳐 이동대차를 반복 이동시켜 두 가닥씩 설치되는 방식으로 주 케이블을 설치하게 되는데, 이때 소선을 설치할 때 소정의 설계 인장력을 가지도록 하여 소선의 배치형태를 일정하게 유지할 수 있도록 하고 있다.

하지만, 이때 주탑과 주탑 사이의 거리가 길 경우, 중간 중간에 별도로 설계인장력을 도입시킬 수 없어 소선 설치 시 설계 인장력의 손실이 발생할 수밖에 없었다.

이에 이러한 설계 인장력의 손실을 방지하기 위해서라도 주탑의 높이를 크게 할 필요가 있었다.

하지만 주탑의 높이를 크게 하는 것은 교량의 시공성 및 경제성에 끼치는 영향이 지대하므로 주탑의 높이를 크게 하는 것에는 한계가 있을 수밖에 없었다.

또한, 현수교의 특성상 주 케이블이 늘어져 설치되고, 바닥판이 일종의 로프에 해당하는 행거에 의하여 주 케이블에 매달려 있는 방식이므로, 늘어져 설치된 주 케이블 및 행거는 내풍성에 매우 취약하다는 문제점 때문에, 현수교 타입의 교량은 최소한의 자중을 갖지 못하면 바닥판의 흔들림 등에 의하여 매우 취약할 수밖에 없었다.

본 발명은 상기 현수교 타입의 교량 시공 및 설계에 있어 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 목적은 주탑의 설치높이를 최적의 상태로 하면서도, 주 케이블의 설계인장력을 최대한 확보할 수 있어 보다 효율적이고 경제적인 현수교 타입의 교량시공방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 현수교 타입의 교량시공에 있어 보다 내풍성에 강하여 운전자의 불안감을 해소할 수 있어 사용성이 뛰어난 현수교 타입의 교량시공방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 합성케이블을 이용한 교량시공방법은

현수교타입의 교량 시공방법에 있어서, 상기 주 케이블(100)이

관 형태의 외부보강재(110);

상기 외부보강재 내부 중간에 형성된 연결정착장치(130)에 교차, 정착되도록 설치된 텐던(120); 및 상기 텐던과 외부보강재 사이에 미리 채워져 경화된 충진재(140);를 포함하여 전장에 걸쳐 소요 프리스트레스가 도입된 합성케이블로 제작, 설치되도록 하고,

행거에 있어 형강빔 또는 주 케이블과 동일한 합성케이블로 제작, 설치될 수 있도록 하였다.

이하, 본 발명에 따른 합성케이블을 이용한 교량시공방법을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2a 및 도 2b는 현수교 타입의 교량에 있어 본 발명의 주 케이블의 실시예를 도시한 것이다.

종래 현수교 시공에 있어 이용되는 주 케이블은 스파이럴 소선 등이 이용되고 있으나 어떤 형식이든 다수의 소선을 주형과 주형의 탑정 새들 사이에 반복적으로 운반, 이동시켜 주탑과 주탑사이에 연속적으로 걸쳐지도록 설치하되, 일정한 세그량 및 배치형태를 유지하기 위하여 최소한의 설계인장력을 가지도록 배치된다. 이렇게 설치된 소선들은 케이블 밴드로 묶은 후, 이를 감싸주는 관형태의 보호관에 매입되도록 하는 방식으로 최종 주 케이블을 설치하고 있다. 이를 평행선 케이블방식이라고 통상 지칭하기도 한다.

하지만 본 발명에서는 주 케이블을 제작함에 있어서, 소선을 이용하지 않고, 텐던(Tendon)을 이용하기 때문에 종래의 소선 설치에 필요한 여러 장비가 필요 없을 뿐만 아니라, 텐던(120)으로서 PC 강선을 이용하여 주 케이블의 허용 인장력을 증가시키고, 또한 프리스트레스(긴장력)가 도입된 합성케이블을 주 케이블로 이용하여 고응력에 저항할 수 있도록 함으로써, 주케이블이 부담할 수 있는 수평장력, 즉 설계인장력을 증가 시킬 수 있어, 종래와 같이 주탑의 높이를 크게 해야 하는 구조적인 문제점을 해결할 수 있도록 한다는 점에 그 핵심적인 기술적 특징이 있다.

이를 위하여 본 발명은 주 케이블(100)에 긴장력을 도입시키기 위하여 텐던(120)으로서 PC 강선을 이용하되, 주 케이블로서의 일체성을 위하여 다수의 연결정착장치(130)를 이용하여 교차 정착되도록 하였다.

또한 상기 PC 강선인 텐던(120) 및 연결정착장치(130)는 쉬스관과 함께 또는 쉬스관 없이 관형태의 외부보강재(110) 내부에 매설되어 외부보강재에 모르타르, 합성수지, 특수 시멘트 등과 같은 충진재(140)가 충전됨으로서 일종의 합성케이블로 제작되도록 하였다. 이러한 충진재(140)는 합성케이블 제작 시 미리 외부보강재(110) 내부에 충전시키게 된다.

이렇게 합성케이블로 제작된 주 케이블(100)은 강성이 매우 높아 도 6과 같이 주탑(400)에 늘어져 설치되더라도 행거(200)에 의하여 연결된 바닥판(300)에 차량과 같은 활하중 작용 시, 진동(흔들림)이 적어 주행자의 불안감을 해소할 수 있게 된다는 장점이 있다.

또한 충진재(140)로 인하여 주 케이블의 부식을 근본적으로 방지할 수 있고, 외부보강재(100)와 충진재(140)에 의하여 충격 등에 의한 주 케이블(100)의 보호가 가능하여 보다 안전성이 높은 주 케이블 제작이 가능하게 된다.

삭제

도 2a는 본 발명의 주 케이블(100)의 제 1실시예를 도시한 것으로서, 단일관 형태의 주 케이블 형태가 도시되어 있다.

즉, 원형 강관 또는 사각관을 포함한 외피에 해당하는 외부보강재(110) 내부에 먼저 텐던(120)으로서 다수의 PC 강선이 삽입 배치되도록 한다.

PC 강선으로서 비접착 PC 강선을 사용하는 경우에는 쉬스관(강관 등도 가능하다)을 이용할 필요는 없고, 접착 PC 강선을 사용할 경우에는 쉬스관을 이용할 수도 있으며, 본 발명에서는 쉬스관(S)을 이용하는 경우를 기준으로 살펴본다.

이러한 쉬스관 내부에 다수의 PC강선이 연결정착장치(130)에 연결 정착된 상태를 도시한 것이 도 3이다.

이러한 연결정착장치(130)는 원형 내부판(131) 주위에 홈(132)이 형성된 상태로 제작되어 원형 내부판에는 복수개의 PC 강선(120)이 쐐기 등에 의하여 고정 또는 긴장 후 정착되며, 쉬스관(S) 중간에 삽입되어 설치될 수 있다. 예컨대 원형 내부판 중앙부에는 PC강선이 긴장 후 정착되도록 하고, 원형 내부판 주위에 홈에는 PC 강선의 일단이 그대로 관통하거나 고정될 수 있도록 할 수 있고, 장지간의 교량을 위해 주 케이블을 커플러 등으로 별도 연결할 필요가 없다는 장점이 있게 된다.

이로서 복수개의 PC 강선의 고정 또는 정착부위가 연결정착장치(130)에 의하여 고정 또는 정착됨으로써 합성케이블에 프리스트레스를 도입시킬 수 있게 되며, 상기 PC 강선의 교차 정착은

적어도 1개의 PC 강선을 하나의 연결정착장치(130)에 일단부를 고정시키고, 타 단부를 다른 연결정착장치에 긴장 정착시키되, 일단부가 상기 연결정착장치 사이 내측에 위치한 또 다른 연결정착장치에 고정된 PC 강선의 타 단부가 상기 적어도 1개의 PC 강선이 긴장, 정착된 연결정착장치를 관통하여 그 외측에 위치한 다른 연결정착장치에서 긴장, 정착되도록 설치함으로서 모든 PC 강선이 하나의 연결정착장치에서 긴장 정착되지 않도록 하면서도 교차 연결된 PC강선에 의해 합성케이블로 구성된 주 케이블(100)이 전장에 걸쳐 서로 구조적으로 일체화된다.

이때 프리스트레스를 도입시키기 위해서는 쉬스관과 외부보강재 사이 충진재가 충전되어 외부보강재와 쉬스관이 서로 합성된 상태에서 PC 강선을 연결정착장치에 긴장 정착되도록 하며, 쉬스관과 PC 강선 사이는 그라우팅을 함으로서 마감 처리할 수 있다.

위와 같은 방식으로 제작된 주 케이블(100)은 소정의 길이로 제작하여 교대측에서 설치된 앵커리지에 일단이 연결, 고정된 상태에서 주 케이블을 유압잭을 포함하는 압송수단에 의하여 전방으로 압출시키면서, 주 케이블을 실어나르기 위한 선박을 포함하는 이동수단을 이용하여 주탑부근로 이동시킨 후, 주탑에서 주 케이블을 주탑 상부에 설치된 탑정새들에 크레인을 포함하는 양중장치로 들어올려 탑정새들을 거쳐 다시 다른 주탑으로 압출, 이동되어 양중장치에 의하여 다시 들어올려져 설치되고, 최종적으로 맞은편 교대측 등에 설치된 앵커리지에 주케이블의 타단이 연결, 고정되는 방식으로 설치할 수 있으며,

또는 주탑 상부에 설치된 탑정새들을 기준으로 양 측방으로 소정 길이의 주 케이블을 연결,정착해가면서, 주 케이블을 실어나르기 위한 선박을 포함하는 이동수단을 이용하여 교대측 부근로 이동시킨 후 그 단부를 교대측 등에 설치된 앵커리 지에 연결, 고정되는 방식으로 설치할 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 단일관 형태의 주 케이블은 비교적 소규모 현수교 타입에 있어 이용되며, 이러한 단일관 형태의 주케이블 다수가 주탑 사이에 설치될 수 있는데, 이러한 방식을 도시한 것이 주 케이블의 제 2실시예에 해당되며, 도 2b에서 확인할 수 있다.

즉, 위에서 살펴본 단일관 형태의 주케이블 다수가 병렬로 주탑 상부인 탑정새들(410)에 늘어져 설치되도록 하는 것인데, 여러 주케이블이 서로의 위치를 유지할 수 있도록 주 케이블을 상호의 위치를 구속시켜 주기 위하여 주케이블이 관통되도록 관통홀(610)이 형성된 블록체를 포함하는 고정대(600)가 주케이블에 더 설치되도록 하였다.

상기 관통홀(610)은 주 케이블을 구성하는 외부보강재의 관 형태에 따라 다양한 모양으로 형성될 수 있을 것이다.

도 2b에서는 주탑상부에 고정대(600)가 설치된 경우를 도시하였으나 주탑과 주탑사이의 주 케이블에도 상기 고정대가 설치될 수 있다.

이러한 고정대(600)에 의하여 본 발명의 주 케이블은 주탑 사이에 다수가 한꺼번에 설치될 수 있게 되는데, 이때 병렬로 설치된 주 케이블에 있어 연결정착장치의 위치를 도 4와 같이 배치함으로서 보다 효율적인 주 케이블의 활용이 가능하도록 한다.

즉, 상단측으로부터 하단측으로 5개의 주 케이블(120)이 고정대(600)에 의하여 병렬로 배치된 보수개의 주 케이블에 있어 각 연결정착장치(130)가 서로 일직선 상이 위치하지 않고 지그재그로 배치되도록 하여 일정부위에 연결정착장치에 의한 국부적인 응력집중이 발생되지 않도록 한다.

위 제 1실시예와 제 2실시예에 의한 주케이블(100)을 주탑(400)에 설치한 이후에는 바닥판(300)을 매달기 위한 행거(200)를 연결하게 된다.

본 발명의 행거(200)는 종래와 같이 단순 로프의 기능을 가지는 것이 아니라, 주케이블과 같이 매달려 설치되는 바닥판의 흔들림을 방지하기 위하여 형강빔 또는 주케이블과 동일한 합성 케이블로 제작하게 된다.

즉, 그 자체의 강성에 의하여 바람 등에 의한 내풍성을 증진시키기 위함이다.

도 5a는 형강빔으로서 행거(200)가 설치되는 경우를 도시한 것이고, 도 5b는 주케이블과 같은 합성케이블로서 행거가 설치되는 경우를 도시한 것이다.

도 5a와 같이 행거(200)는 주케이블(100)에 있어 그 연결부가 용접 또는 핀연결방식으로 연결 설치될 수 있다. 예컨대 형강빔(210)의 연결두부에 단부캡(220)을 용접 처리하여 상기 단부캡이 주케이블에 설치된 단부연결구(230)에 삽입되어 체결될 수 있도록 할 수 있으며, 여러 다양한 연결구가 이용될 수 있을 것이다.

또한 도 5b와 같이 합성케이블을 이용하는 경우에도 단부캡(220) 및 단부연결구(230)를 이용할 수 있다. 즉 합성케이블인 행거(200)를 단부캡(200)하면에 용접등의 방법으로 연결하고, 상기 단부캡을 단부연결구(300)에 삽입 설치한 후 체결될 수 있도록 할 수있다.

미도시 하였지만, 형강빔 또는 합성케이블인 행거(200)를 주케이블에 미설 설치한 브라켓에 용접 또는 볼트를 이용하에 체결할 수도 있을 것이다.

위와 같이 주케이블(100)에 행거(200)가 설치된 이후에는 행거의 하단부에 바닥판(300)을 연결하게 되는데, 바닥판은 일종의 교량상판으로서 그 강성을 증진시키기 위하여 트러스구조물인 보강형이 설치될 수 있다.

이러한 보강형 또는 보강형이 설치되지 않은 바닥판에 행거의 타단을 장착하게 되며, 이러한 장착방식도 용접, 정착구, 단부캡 등의 다양한 수단을 이용할 수 있을 것이다.

이로서, 본 발명의 주케이블(100)이 도 6과 같이 그 양단은 교대 측의 앵커리지 또는 바닥판에 설치됨과 더불어 주탑(400) 상부의 탑정새들(410)을 경유하여 전체적으로 포물선형태로 늘어져 설치되고, 행거(200)에 의하여 바닥판(300)이 주케이블에 매달리는 방식으로 교량을 설치할 수 있게 된다.

본 발명의 합성케이블을 주케이블, 행거로 이용하는 경우 강성을 최적으로 확보할 수 있어 그 처짐, 진동이 감소되어 차량 통행 시 운전자의 불안감을 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 주케이블이 부담할 수 있는 수평장력, 즉 설계인장력을 증가 시킬 수 있어 주탑의 설치높이를 크게 하지 않아도 되기 때문에 보다 경제적이고 사용성이 뛰어난 현수교 타입의 교량시공이 가능하게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (5)

1. 양 단부가 교대 측에 장착되어 주탑 상부를 걸쳐 설치된 주 케이블에 연결된 행거의 타단부에 지지되어 설치되는 바닥판을 포함하는 현수교 타입의 교량 시공방법에 있어서, 상기 주 케이블은

   관 형태의 외부보강재;

   상기 외부보강재 내부 중간에 형성된 연결정착장치에 교차, 정착되도록 설치된 텐던; 및 상기 텐던과 외부보강재 사이에 미리 채워져 경화된 충진재;를 포함하여 전장에 걸쳐 소요 프리스트레스가 도입된 합성케이블로 제작 설치되는 것을 특징으로 하는 합성케이블을 이용한 교량시공방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 주 케이블에는 형강 빔 또는 상기 주 케이블과 같은 방식으로 제작된 합성케이블인 행거에 의하여 바닥판이 매달려 설치되는 것을 특징으로 하는 합성케이블을 이용한 교량시공방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 텐던은 적어도 1개의 PC 강선을 하나의 연결정착장치에 일단부를 고정시키고, 타 단부를 다른 연결정착장치에 긴장 정착시키되, 일단부가 상기 연결정착장치 사이 내측에 위치한 또 다른 연결정착장치에 고정된 PC 강선의 타 단부가 상기 적어도 1개의 PC 강선이 긴장, 정착된 연결정착장치를 관통하여 그 외측에 위치한 다른 연결정착장치에 긴장, 정착되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 합성케이블을 이용한 교량시공방법.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 주 케이블은 다수의 주 케이블이 함께 설치되도록 하되 각각의 주 케이블을 서로 묶어주기 위하여 주케이블이 관통되도록 관통홀이 형성된 블록체를 포함하는 고정대가 주케이블에 더 설치되는 것을 특징으로 하는 합성케이블을 이용한 교량시공방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 주 케이블은

   교대측에서 설치된 앵커리지에 일단이 연결, 고정된 상태에서 주 케이블을 유압잭을 포함하는 압송수단에 의하여 전방으로 압출시키면서, 주 케이블을 실어나르기 위한 선박을 포함하는 이동수단을 이용하여 주탑부근로 이동시킨 후, 주탑에서 주 케이블을 주탑 상부에 설치된 탑정새들에 크레인을 포함하는 양중장치로 들어올려 탑정새들을 거쳐 다시 다른 주탑으로 압출, 이동되어 양중장치에 의하여 다시 들어올려져 설치되고, 최종적으로 맞은편 교대측 등에 설치된 앵커리지에 주케이블의 타단이 연결, 고정되는 방식; 또는

   주탑 상부에 설치된 탑정새들을 기준으로 양 측방으로 소정 길이의 주 케이블을 연결,정착해가면서, 주 케이블을 실어나르기 위한 선박을 포함하는 이동수단을 이용하여 교대측 부근로 이동시킨 후 그 단부를 교대측 등에 설치된 앵커리지에 연결, 고정되는 방식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 합성케이블을 이용한 교량시공방법.

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