KR200180094Y1 - 변형 사장교 - Google Patents

Abstract

본 고안은 본선 도로로 진입하기 위한 좌직결 연결로를 건설할 부지에 인접한 장애물이 존재하더라도 이를 극복하여 경제적이며 미적으로 우아하게 구축하는 인터 체인지의 좌직결 연결로용 변형 사장교를 제공하기 위한 것으로서, 고속도로, 자동차 전용도로 등의 인터 체인지에 건설되는 좌직결 연결로에 있어서, 본선도로를 횡단도록 가설되는 횡단 육교용 경간의 중간지점 부근에서 연결로의 본선도로 밖 양쪽에 주탑을 세우고, 이들 주탑과 연결로 횡단 육교의 주형을 여러 가닥의 케이블로 연결하여 횡단 육교의 하중을 분담하게 한다.

또, 횡단 육교의 중심점 부근에 세운 주탑이 교각의 역할을 하도록 하고 이 주탑과 주형의 중심점 부근을 케이블로 연결하여 다경간 연속 박스거더형식의 변형 사장교로 한다.

Description

변형 사장교{Transformed cable stayed bridge}

본 고안 본선 도로로 진입하기 위한 좌직결 연결로를 건설할 부지에 인접한 장애물이 존재하더라도 이를 극복하여 경제적이며 미적으로 우아하게 구축하는 인터 체인지의 좌직결 연결로용 변형 사장교에 관한 것이다.

출입제한도로와 타도로와의 상호 연결을 위하여 설치하는 도로의 입체교차 출입시설을 인터 체인지라고 한다. 자동차가 이러한 인터 체인지에는 진행경로를 변경하여 좌회전 또는 우회전한 후 본선 도로에 진입할 수 있도록 본선 도로와 따로 분리하여 설치하는 도로구간이 있다. 이른 바 연결로이다. 연결로의 기본형으로서는 좌회전 동선에 대응하는 좌회전 연결로와 우회전 동선에 대응하는 우회전 연결로가 있다.

도 1에서, 좌회전 연결로는 진입로(2a)에서 본선 도로(1) 위를 횡단 육교(3)로 가로지른 후 완만한 좌측 곡선로를 돌아 본선 도로(1)와 합류하는 연결로(2)와, 도 2와 같이 본선 도로(1) 위의 횡단 육교(3)를 통과한 후 270°가량을 우회전하여 본선 도로(1)에 합류하는 방식의 루프형 연결로(2b)로 분류된다.

루프형 연결로는 그 곡선반경에 제약이 따르므로 주행시 속도가 급격히 감소되어 원하는 진행방향에 대하여 부자연스러운 주행궤적을 그리기 때문에 운전자로 하여금 운전장애를 유발할 우려가 있는 등의 여러 가지 단점이 있는 반면에 도 1과같은 형태의 좌직결 연결로는 주행궤적이 목적방향과 크게 어긋나지 않으므로 비교적 큰 곡선반경의 평면적 선형을 취할 수 있다. 그래서 고속도로와 고속도로 사이의 좌회전 연결로는 대부분 직결 연결로로 건설되고 있으며, 일반도로로 통하는 연결로 역시 이같은 방식의 좌회전 연결로로 건설하는 것이 운행안전상 바람직하다.

상기와 같은 방식의 좌회전 연결로를 본선 도로에 직접 연결하는 직결방식으로 건설할 때 도 3과 같이 연결로(2)의 건설예정위치에 건물이나 하천, 절벽 등의 장애물(5)이 존재하는 경우에는 입체형 교차 구조물, 즉 횡단 육교(3)는 설계, 시공상의 제약을 받기 때문에 이 장애물을 제거하든가, 혹은 장애물(5)의 안쪽으로 비낄 수 있는 장경간 횡단 육교(4) 형식으로 건설해야 하는데, 그렇게 하는 것은 공사비의 증액이 불가피하고 필요 이상 넓은 부지의 확보에 따른 토지보상비가 막대하다. 공사비용이 턱없이 부족한 경우에는 하는 수 없이 루프형 연결로로 계획할 수 밖에 없다.

본 고안은 상기와 같이 본선 도로로 진입하기 위한 좌직결 연결로를 건설할 부지에 인접한 장애물이 존재하더라도 이를 극복하여 경제적으로, 또한 곡선반경에 제약을 받지 않는 직결 연결로, 즉 본선 도로용 연결로의 횡단 육교의 건설제약요소를 극복하기 위하여 진입로와 본선 도로와의 연결로를 직결하는 횡단 육교를 사장교 형태로 구성한 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 좌직결 연결로의 평면도

도 2는 루프형 연결로의 평면도

도 3은 길가의 장애물을 회피하도록 건설되는 좌직결 연결로의 평면도

도 4는 본 고안에 의한 좌직결 변형 사장교의 사시도

도 5는 변형 사장교의 평면도

도 6은 변형 사장교의 단면도

도 7은 교각대용 변형 사장교의 사시도

도 8은 사장교의 일례도

도 9는 케이블의 횡방향 배치도

도 10은 2면 케이블에 대한 주탑의 형상도

도 11은 사장교의 경간 구성도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 본선 도로 2 : 연결로

3 : 횡단 육교 4 : 장경간 횡단 육교

5 : 장애물 6 : 주탑

7 : 주형(거더) 8 : 케이블

9 : 앵커 10 : 앵커 케이블

도 4 내지 도 6에서, 인터 체인지의 진입로(2a)에서 본선 도로(1)의 건너편에 본선 도로와 연결된 연결로(2)를 횡단 육교로 직결함에 있어서, 횡단 육교(4)를 1경간의 사장교 형식으로 한다.

이와 같은 본선 도로 좌직결 연결로용 변형 사장교의 형식은 통상의 사장교와 마찬가지로 교량의 경간과 거더의 높이, 거더의 곡선을 어떻게 설정하느냐에 따라 아래 표(표준적용지간과 거더높이비)와 같이 분류할 수 있다.

교량의 형식을 결정하는 데는 기능성, 안정성, 경제성과 미관이 고려되어야 하므로 인터 체인지의 일반 횡단 육교는 교량의 거더 높이의 제약때문에 대부분 거더교로 건설해 왔다. 본선 도로를 횡단하는 횡단 육교용 거더의 높이가 3m를 넘으면 시설한계(통과높이) 4.5m에 비해 너무 두꺼워서 본선 도로를 통과하는 차량 운전자에게 중압감을 주고 비경제적이기 때문에 횡단 육교의 경간은 통상 30∼60m 범위내에서 건설하는 것이 일반적이며, 특히 연결로의 곡선구간에 설치하는 곡선형 횡단 육교의 경우는 강상형 교로 설계 시공된다.

좌회전 연결로의 예정 위치에 있는 장애물을 피하고 부지보상비를 절약하기 위해서는 장경간의 횡단 육교형식이 필요하다. 본선 도로가 4∼8차선 도로인 경우 좌직결연결로는 설계속도를 60km/H는 확보돼야 하고 그 최소 곡선반경은 140m는 되어야 하며, 횡단 육교용 경간은 80∼120m가 필요하다.

예컨대, 상기 표준적용지간과 거더높이비를 나타낸 위 표에서, 경간장 100m의 횡단 육교는 연속 박스 거더교의 교량형식을 채택하여야 하므로 거더의 높이는 적어도 5m가 필요하다. 그러나 이렇게 거더를 높게 설치하면 비경제적이기 때문에 실제로 연결로의 횡단 육교에 적용하기는 곤란한 교량형식이라고 말할 수 있다.

따라서 장경간장으로 인하여 거더높이에 제약을 받지 않고 굳이 장경간장이 아니더라도 본선 도로를 횡단할 수 있는 새로운 교량형식을 연구한 결과가 바로 본 고안에서 말하는 변형 사장교이다.

일반적인 사장교는 도 8과 같은 양상을 띄고 있다. 즉, 중간 교각이나 기초 위에 세운 주탑(6)으로부터 비스듬히 뻗친 케이블(8)로 주형(7)을 지지하는 구조물이다. 연속 거더교, 연속 박스거더교, 연속 트러스교 또는 아치교에 있어서 경간이 길어지면 사하중에 의한 단면력이 급격히 증가하므로 어느 경간 부근에서결국은 적용한계에 달하고 만다. 경간의 장대화에 수반되는 사하중에 의한 단면력을 경감하기 위하여 고안된 구조계가 바로 사장교이다.

케이블(8)의 횡방향 배열형식은 도 10에서 보듯이 1면 구조형식과 2면 구조형식으로 분류된다. 1면 구조형식은 거더의 중앙분리대에 케이블을 연결시킨 형식으로서, 도로면의 횡단면에 케이블의 정착을 위한 추가단면폭이 요구되지 않고 케이블의 정착이 비교적 용이하며 정착구조가 밖에서 보이지 않게 할 수 있는 장점이 있는 반면에 비틀림하중에 대한 저항이 없기 때문에 거더로서 비틀림강성이 큰 단면구조가 요구되고 예기치 않은 사고로 인하여 케이블이 충돌하는 것을 피하기 위한 장치가 필요하기 때문에 폭원이 좁은 경우에는 불리하다.

2면 케이블(8) 구조는 거더(7)에 작용하는 비틈하중을 케이블의 인장압축으로 부담할 수 있기 때문에 비틀림강성이 작은 거더형식도 가능하다. 반면 정착에 약간 어려운 점이 있고 정착구조의 전부 또는 일부가 표면에 나타나는 것이 흠이다.

케이블(8) 면의 수는 내풍 안정성을 고려한 주형(7)의 단면구성 및 주탑의 형상과 밀접한 관계를 가지고 있다. 주형의 비틀림강성이 충족되면 대부분의 교축방향으로의 역학적 거동에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다.

좌회전 직경 연결로(2)는 일방향도로로서 중앙분리대가 없고 도로폭이 좁은 것이 보편적이므로 1면 수직매달기 구조형식의 케이블 횡방향 배열형식을 이용하기는 불가능하고 2면 케이블(8)만이 적용 가능하다.

케이블(8)의 배치 형태가 다양하듯이 주탑(6)의 형식도 여러 가지를 상정할수 있다. 다만, 엄격한 의미의 역학적 관점에서는 기본 형태는 그다지 많은 편은 아니다. 여하튼 주탑(6)은 케이블을 지지하면서 동시에 케이블(8) 장력의 연직성분을 축력으로 지탱하고 각 케이블간의 수평력을 전달하는 기능을 갖는다.

주탑(6)의 형상은 사장교의 전체적인 미적 효과에 결정적인 영향을 끼치므로 설계에 주탑 단면의 형상과 높이에 따른 면적 변화를 결정하는 것은 대단히 중요하다. 2면 케이블(8)에 대한 주탑(6)의 형상은 도 9와 같다. 그 중에서 Ⅱ형 (a)이 안정된 기본형으로 볼 수 있다. 양쪽 주탑을 가로보로 연결하든가 상단의 거리를 좁혀서 A형으로 유도하는 형상을 취할 수도 있다. 이들 형식에 있어서의 차이는 주형(7)에 비틀림하중 또는 비틀림진동이 작용했을 때 나타난다.

주탑(6)을 설계할 때 그 형식뿐만 아니라 높이도 결정해야 한다. 주형(7)의 아랫부분은 주로 다른 요인에 의해 결정되므로 주탑(6)의 높이는 주형(7)의 윗부분에 대하여 문제가 된다. 높이가 높아지면 케이블(8)의 수평면에 대한 경사가 커져서 효율이 좋게 되지만 그러나 주탑(6)에 대한 케이블(8)의 강재 사용량이 늘어나기 때문에 비경제적이다. 주탑(6)의 높이는 경제성과 처짐특성의 두 가지 점을 십분 고려하여 설정한다.

통상의 사장교는 도 10에 예시한 바와 같이 2경간(대칭 혹은 비대칭), 3경간 , 또는 그 이상의 다경간 구조로 이뤄진다. 좌회전 직결 연결로의 횡단 육교에 사장교의 형식을 적용하기 위하여는 (a)와 같이 주탑(6)을 횡단 육교의 양측 한 곳에만 세우고 어느 한쪽의 주형(7) 아래로 본선 도로(1)가 통과하게 하는 2경간식 사장교, (b)처럼 주탑(6)을 2곳에 세우고 이들 주탑(6)사이의 주형(7) 아래로 본선도로(1)가 통과하게 하는 3경간 사장교 등 두가지 방법이 있는데, 2면 케이블(8)에 대한 주탑(6)의 한쪽이 본선 도로(1)와 연결로(2) 사이에 설치해야 되므로 횡단 육교의 경간장이 길어지고 본선 도로의 통과구간측 경간 이외의 경간에도 장경간의 구간이 사장교로 건설해야 되기 때문에 비경제적일뿐만 아니라 곡률반경이 140m 정도의 곡선교의 비틀림거동에 대응하기가 매우 곤란한 교량형식이므로 가급적 피한다.

도 4 내지 도 6과 같이 본선도로(1)의 중심선과 좌직결 연결로(2)의 중심선이 교차되는 지점 부근에서 연결로(2)의 교축방향에 대하여 직각방향에 해당하는 양측 본선 도로(1)의 노견 밖에 각각 하나의 주탑(6)을 세우고 이들 주탑(6)에다 연결로(2)의 변형 사장교형 횡단 육교(4)용 주형(7)을 케이블(8)로 연결하여 하중을 분담시키는 1경간 사장교로 변형함으로서 2경간 또는 3경간 사장교가 안고 있던 문제점을 해소할 수가 있다.

1경간 사장교는 본선 도로(1)가 4∼8차선 도로이고 좌직결 연결도로의 설계속도가 60km/Hr로서 평면 곡률반경이 140m일 경우 양쪽 주탑(6)의 간격은 40∼60m 이고, 횡단 육교(4)의 경간장이 80∼120m일 때 가장 유효하게 활용할수 있는 교량형식이다.

변형 사장교의 주탑은 좌직결 연결로(2)의 양측에 독자적으로 설치하기 때문에 횡단 육교(4)의 연직하중에 대한 수평분력을 분담해야 하므로 주탑(6)의 하부에 큰 모멘트가 발생할 소지가 다분하다. 이에 대응하기 위하여 주탑(6)의 뒤쪽에 앵커(9)를 설치하여 주탑(6)의 상단부와 앵커 케이블(10)로 연결하여 인장력을 발휘케 함으로써 주탑(6)을 안정시킨다.

한편, 도 7의 변형 사장교는 교량의 중심점 부근의 주형(7)에 대해서만 주탑(6)에 케이블(8)로 연결하여 그 위치가 교각으로 기능을 발휘하게 하는 교각 변형 사장교인 바, 80∼120m 경간의 교량을 40∼60m경간의 연속 박스거더형식의 교량으로 대체할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 고안의 인터 체인지의 좌직결 연결로용 횡단 육교에 변형 사장교형식을 도입함으로서 얻어지는 효과를 들면, 첫째로 본선 도로와 연결로의 교차각도가 작고 본선도로에서 멀리 떨어지지 않는 선형으로 연결로를 설치할 수 있으므로 장애물이 있는 구간에서도 좌회전 직결 연결로를 이용한 인터체인지를 경제적으로 건설할 수 있고, 둘째로는 변형 경간 사장교는 교축방향으로 힘을 받는 일반 사장교와는 달리 주탑의 교량에서 떨어져 독립적으로 설치되고 양측으로 힘이 분산되어 좌직결 연결로의 곡선 구간 횡단 육교에서 비틀림거동에 대한 응력이 우수한 구조물 형식이므로 아주 경제적이다.

셋째, 두 개의 주탑사이의 간격과 주탑의 높이를 조정하고 케이블의 개수를 조정하여 주변지형과 어울리게 설계함으로서 주변 경관과 잘 어울리는 좌직결 연결로를 제공할 수가 있다.

Claims (2)

1. 고속도로, 자동차 전용도로 등의 인터 체인지에 건설되는 좌직결 연결로에 있어서, 본선도로를 횡단도록 가설되는 횡단 육교용 경간의 중간지점 부근에서 연결로의 본선도로 밖 양쪽에 주탑을 세우고, 이들 주탑과 연결로 횡단 육교의 주형을 여러 가닥의 케이블로 연결하여 횡단 육교의 하중을 분담하게 한 것을 특징으로 하는 인터 체인지의 좌직결 연결로용 1경간 변형 사장교.
2. 제1항에 있어서, 횡단 육교의 중심점 부근에 세운 주탑이 교각의 역할을 하도록 하고 이 주탑과 주형의 중심점 부근을 케이블로 연결하여 다경간 연속 박스거더형식으로 한 것을 특징으로 하는 인터 체인지의 좌직결 연결로용 변형 사장교.