JP2009097257A

JP2009097257A - 橋脚接合構造の設計方法

Info

Publication number: JP2009097257A
Application number: JP2007270751A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tanaka; 浩一田中; Takashi Matsuda; 隆松田
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: JP5527932B2

Abstract

【課題】鋼製橋脚の下端をＲＣ製フーチングに接合する橋脚接合構造を実際に広く適用する。
【解決手段】本発明に係る橋脚接合構造の設計方法は、円形鋼管に作用する設計引張力をＴ、鉄筋籠の外径をφi、円形鋼管の内径をφo、鉄筋籠と円形鋼管との有効継手長さをＬe、鉄筋籠と円形鋼管との間に形成される圧縮ストラットの角度をθとしたとき、コンクリートが鉄筋籠から受ける圧力Ｐiを、
Ｐi＝Ｔ・tanθ／（φi・π・Ｌe）
から算出し、得られたＰiがコンクリートの降伏強度以下あるいは破壊強度以下となるように、鉄筋籠の外径φi、継手有効長さＬe又はコンクリートの配合を決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼製橋脚の下端をＲＣ製フーチングに接合する橋脚接合構造の設計方法に関する。

鋼製橋脚の下端を基礎に接合するにあたっては、アンカーフレームと呼ばれる鋼製フレームを予め製作した上、これを鉄筋コンクリート基礎であるフーチング内に埋設し、次いで、アンカーフレームから延びるアンカーボルトを利用して鋼製橋脚の下端をアンカーフレームにボルト接合する方法が従来から広く用いられている。

最近では、かかる方法に加えて、地盤内に構築された基礎にソケット鋼管と呼ばれる太径の鋼管を設置し、次いで、該ソケット鋼管内に鋼製橋脚の下端を挿入した後、鋼製橋脚の外面とソケット鋼管の内面との間にコンクリートを充填することによって、鋼製橋脚の下端、ソケット鋼管及び基礎を一体化する方法も知られており、かかる方法によれば、急速施工が可能であることから、交通量の多い場所で短工期に工事を進めることが可能となる。

一方、アンカーフレームを用いた接合工法は、本来的にアンカーフレームの製作費が高いため、橋梁の規模が大きくなると、アンカーフレームの大型化や鋼材の高強度化によってその製作費用がますます高くなるとともに、ソケット鋼管を用いたいわゆる二重管工法も、鋼管を二重に用いることから必然的に施工費用が高くなる。

特開平９−１３３２０号公報特開平９−２０９３０８号公報

このような状況下、コスト低減可能な接合工法が研究開発されており、例えば橋脚を構成する鋼管の内面にリブを設けるとともに該リブと対向する位置に鉄筋を配筋し、かかる状態で鋼管内にコンクリートを打設する工法（特許文献１，２）が開発されている。

かかる従来工法によれば、鋼管内に充填されたコンクリートと該コンクリートに埋設定着された鉄筋が鋼管内に鉄筋コンクリート体を形成することとなり、鋼管から受ける引抜き荷重や橋脚頭部の水平変位による強制回転変形に抵抗する。

したがって、アンカーフレームを使用せずとも鋼製橋脚をフーチングに強固に接合することが可能となるのみならず、鋼管によるコンクリートの拘束効果も期待することができる。また、コンクリート打設の際の型枠設置や脱型作業が必要なＲＣ橋脚よりも有利な工法となる。

しかしながら、かかる橋脚接合構造を実際に構築するにあたっては、設計指針の類が未だ存在しないのが現状であり、現実の橋脚施工に広く適用するにはおのずと限度があった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、鋼製橋脚の下端をＲＣ製フーチングに接合する橋脚接合構造を実際に広く適用可能な橋脚接合構造の設計方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る橋脚接合構造の設計方法は請求項１に記載したように、鉄筋コンクリートで形成されたフーチングと、該フーチングの上面との間に所定の隙間が形成されるように鉛直姿勢にて前記フーチングの上方に配置され内面にリブが形成された円形鋼管と、前記フーチングに一端が埋設定着された鋼管接合用縦筋及び前記鋼管内に充填され前記鋼管接合用縦筋の他端が埋設定着されるコンクリートで形成された鉄筋コンクリート体とから構成されてなる橋脚接合構造を設計する方法において、

前記鋼管接合用縦筋を、全体の外径φiが前記円形鋼管の内径φoよりも小さくかつ前記円形鋼管とほぼ同心状になるように前記円形鋼管の内面に沿って複数配置するとともに、該鋼管接合用縦筋と直交するように周状に複数段配置された鋼管接合用横筋とともに鉄筋籠を形成するように構成し、

前記円形鋼管に作用する設計引張力をＴ、前記鉄筋籠の外径をφi、前記円形鋼管の内径をφo、前記鉄筋籠と前記円形鋼管との有効継手長さをＬe、前記鉄筋籠と前記円形鋼管との間のコンクリートに形成される圧縮ストラットの角度をθ、前記円形鋼管の厚さをｔｏとしたとき、コンクリートが前記鉄筋籠から受ける圧力Ｐiを、
Ｐi＝Ｔ・tanθ／（φi・π・Ｌe）
から算出し、前記円形鋼管に生じる円周方向応力σ_HOを、
σ_HO＝Ｔ・tanθ／(２π・Ｌe・ｔo）
から算出し、

前記Ｐiがコンクリートの降伏強度以下又は破壊強度以下となるように、前記鉄筋籠の外径φi若しくは前記継手有効長さＬeを決定し、又はコンクリートの配合を選定する一方、

前記σ_HOが前記円形鋼管の降伏強度以下となるように、前記円形鋼管の厚さｔo又は継手有効長さＬeを決定するものである。

本発明に係る橋脚接合構造の設計方法においては、円形鋼管に作用する設計引張力をＴとしたとき、鉄筋籠と円形鋼管との間に拡がる円筒状のコンクリートには、その外周面で円形鋼管から引張力Ｔが上方に作用し、その内周面では、鉄筋籠から引張力Ｔと同じ大きさの反力Ｔが下方に作用する。

したがって、鉄筋籠の外径をφi、鉄筋籠と円形鋼管との有効継手長さをＬeとしたとき、コンクリートと鉄筋籠との平均付着応力度τiは、鉄筋籠周面の面積に着目すれば、以下の式、
τi＝Ｔ／（π・φi・Ｌe）（１）
で算出できる。

同様に、円形鋼管の内径をφoとしたとき、コンクリートと円形鋼管との平均付着応力度τoは、円形鋼管内面の面積に着目すれば、以下の式、
τo＝Ｔ／（π・φo・Ｌe）（２）
で算出できる。

ここで、鉄筋籠と円形鋼管との有効継手長さＬeは、鉄筋籠の長さＬのうち、円形鋼管との間で継手として有効に作用する長さを意味するものであり、円形鋼管に引張力が作用したときに鉄筋籠との間に形成される圧縮ストラットの角度θによって決定される。

次に、コンクリートが鉄筋籠から受ける圧力Piは、
Ｐi＝τi・tanθ （３）
となるので、これを（１）に代入して
Ｐi＝Ｔ・tanθ／（π・φi・Ｌe）（４）
が得られる。

そして、コンクリートが円形鋼管から受ける圧力Poは、
Ｐo＝τo・tanθ （５）
となるので、これを（２）に代入して
Ｐo＝Ｔ・tanθ／（π・φo・Ｌe）（６）
が得られる。

次に、圧力Ｐoは、円形鋼管に生じる円周方向応力をσ_HO、円形鋼管の厚さをｔoとすると、シェル薄肉理論により、
Ｐo＝σ_HO・ｔo／（φo／２）（７）
となるから、
σ_HO＝Ｔ・tanθ／(２π・Ｌe・ｔo）（８）
が得られる。

すなわち、（４）式で得られるＰiがコンクリートの降伏強度以下あるいは破壊強度以下となるように、鉄筋籠の外径φi及び継手有効長さＬeを決定し、あるいはコンクリートの配合を選定する一方、（８）式で得られるσ_HOが円形鋼管の降伏強度以下となるように、円形鋼管の厚さｔo及び継手有効長さＬeを決定することにより、合理的な橋脚接合構造を設計することが可能となる。

なお、橋脚を構成する鋼管を鋼殻と称することも多いが、本発明では、便宜上、鋼殻も含める概念として鋼管と呼ぶこととする。

フーチングは、鉄筋コンクリートで形成されたものであって、一般的には杭を伴う場合が多いが、本発明においては、フーチングだけで基礎構造が構成されるのか、杭とその頭部に接合されたフーチングとで基礎構造が構成されるのかは問わない。

鋼管接合用縦筋は、一端がフーチングに埋設定着され、他端が鋼管内に充填形成されたコンクリート内に埋設定着されるものであり、例えば異形鉄筋で構成することができる。

以下、本発明に係る橋脚接合構造の設計方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る設計方法の設計対象となる橋脚接合構造を示した図である。同図でわかるように、本実施形態で用いる橋脚接合構造１は、内面にリブ５が形成された円形鋼管２で構成された橋脚３を鉄筋コンクリートで形成されたフーチング４に接合してなる。

円形鋼管２の下端とフーチング４の上面との間には、隙間ｈが形成されるように円形鋼管２を鉛直姿勢にてフーチング４の上方に配置してある。

フーチング４には、鋼管接合用縦筋６ａの一端を埋設定着してあり、該縦筋の他端は、円形鋼管２内に充填されたコンクリート７に埋設定着してある。

鋼管接合用縦筋６ａは図２に示すように、全体の外径φiが円形鋼管２の内径φoよりも小さくかつ円形鋼管２とほぼ同心状になるように、該円形鋼管の内面に沿って複数配置してあるとともに、環状の鋼管接合用横筋６ｂを、円形鋼管２内において鋼管接合用縦筋６ａと直交するように該縦筋を取り囲んで配置してある。

これら鋼管接合用縦筋６ａ及び鋼管接合用横筋６ｂは、外径がφiで高さがＬの鉄筋籠６を円形鋼管２内に形成することとなる。ここで、鉄筋籠６には、フーチング４に埋設されない縦方向の補助鉄筋を必要に応じて適宜設けるのがよい。

一方、鉄筋籠６は、円形鋼管２内に充填されたコンクリート７とともに鉄筋コンクリート体８を形成し、該鉄筋コンクリート体は、橋脚３から引抜き力が作用したとき、該引抜き力に抵抗してフーチング４に伝達するとともに、橋脚３の頭部に水平力が作用したとき、該水平力による鋼管２の回転変形に対して曲げ抵抗し、該水平力をフーチング４に伝達する役目を果たす。

本実施形態に係る橋脚接合構造１を設計するにあたっては、まず、円形鋼管２に作用する設計引張力Ｔを適宜定める。設計引張力Ｔは、例えば地震時における上部構造からの引抜き力が該当する。

次に、鉄筋籠６の外径をφi、鉄筋籠６と円形鋼管２との有効継手長さをＬe、鉄筋籠６と円形鋼管２との間のコンクリートに形成される圧縮ストラットの角度をθとしたとき、コンクリートが鉄筋籠６から受ける圧力Ｐiは、
Ｐi＝Ｔ・tanθ／（φi・π・Ｌe）
から算出することができる（図２(b)、(c)参照）。

同様に、円形鋼管２の内径をφoとしたとき、コンクリートが円形鋼管２から受ける圧力Ｐoは、
Ｐo＝Ｔ・tanθ／（φo・π・Ｌe）
から算出することができる（図２(b)、(c)参照）。

また、円形鋼管２に生じる円周方向応力σ_HOは、円形鋼管の厚さをｔoとしたとき、
σ_HO＝Ｔ・tanθ／(２π・Ｌe・ｔo）
から算出することができる（図２(d)参照）。

上述の算定式は、以下の手順で導くことができる。すなわち、鉄筋籠６と円形鋼管２との間に拡がる円筒状のコンクリートと鉄筋籠６との平均付着応力度τi（図２(b)、(c)）は、鉄筋籠６周面の面積に着目すれば、以下の式、
τi＝Ｔ／（π・φi・Ｌe）（１）
で算出できる。

同様に、上述のコンクリートと円形鋼管２との平均付着応力度τoは、円形鋼管２の内面の面積に着目すれば、以下の式、
τo＝Ｔ／（π・φo・Ｌe）（２）
で算出できる。

ここで、鉄筋籠６と円形鋼管２との有効継手長さＬeは、鉄筋籠６の長さＬのうち、円形鋼管２との間で継手として有効に作用する長さを意味するものであり、円形鋼管２に引張力Ｔが作用したときに鉄筋籠６との間に形成される圧縮ストラットの角度θ（図２(c)）によって決定される。

圧縮ストラットの角度θは、例えば４５゜〜５０゜とすることができるが、安全側に５５゜程度としてもかまわない。

次に、上述のコンクリートが鉄筋籠６から受ける圧力Ｐiは、
Ｐi＝τi・tanθ （３）
となるので、これを（１）に代入して
Ｐi＝Ｔ・tanθ／（π・φi・Ｌe）（４）
が得られる。

同様に、コンクリートが円形鋼管から受ける圧力Ｐoは、
Ｐo＝τo・tanθ （５）
となるので、これを（２）に代入して
Ｐo＝Ｔ・tanθ／（π・φo・Ｌe）（６）Ｆ
が得られる。

次に、圧力Ｐoは、円形鋼管２に生じる円周方向応力をσ_HO、円形鋼管の厚さをｔoとすると、シェル薄肉理論により、
Ｐo＝σ_HO・ｔo／（φo／２）（７）
となるから、
σ_HO＝Ｔ・tanθ／(２π・Ｌe・ｔo）（８）
が得られる。

次に、（４）式で得られたＰiがコンクリートの降伏強度以下あるいは破壊強度以下となっているかどうかを判定し、これらの値を上回っているようであれば、鉄筋籠６の外径φi又は高さＬを大きくすることにより、又はコンクリートの配合を変えて圧縮強度を高めることにより、
Ｐi ＜コンクリートの降伏強度又はコンクリートの破壊強度（９）
となるまで、上述の演算を繰り返す。

一方、（８）式で得られたσ_HOが円形鋼管２の降伏強度以下となっているかどうかを判定し、これらの値を上回っているようであれば、円形鋼管２の厚さｔoを大きくし、又は鉄筋籠６の高さＬを大きくすることにより、
Ｐ_HO ＜円形鋼管の降伏強度（１０）
となるまで、上述の演算を繰り返す。

本実施形態に係る橋脚とフーチングとの接合構造１を構築するには、まず図３に示すように、杭１１を地盤（図示せず）に打ち込んだ後、該杭の頭部にフーチング４を形成するが、かかる基礎工事の際には、鋼管接合用縦筋６ａの一端がフーチング４内に埋設定着されるように該フーチングを形成する。

次に図４に示すように、型枠材１２をフーチング４の上面に載置する。型枠材１２は、Ｌ状断面を有する環状フレームで構成してあり、内周側に形成された肩部１３に円形鋼管２の下端を載せることにより、該円形鋼管の下端とフーチング４の上面との間の隙間ｈを塞ぐとともに、円形鋼管２の荷重を仮受けすることができるようになっている。

次に、型枠材１２の肩部１３に円形鋼管２の下端を載せるようにして、円形鋼管２をフーチング４の上方に鉛直姿勢で吊り込み、型枠材１２で仮受けする。

次に、鉄筋籠６が埋設される高さまで、円形鋼管２内にコンクリート７を打設充填する。

打設したコンクリート７が硬化したならば、最後に型枠材１２を撤去する。

以上説明したように、本実施形態に係る橋脚接合構造の設計方法によれば、（４）式で得られたＰiがコンクリートの降伏強度以下あるいは破壊強度以下となっているかどうかを判定し、これらの値を上回っているようであれば、鉄筋籠６の外径φi又は高さＬを大きくし、又はコンクリートの配合を変えて圧縮強度を高めることにより、
Ｐi ＜コンクリートの降伏強度又はコンクリートの破壊強度（９）
となるまで、上述の演算を繰り返すとともに、（８）式で得られたσ_HOが円形鋼管２の降伏強度以下となっているかどうかを判定し、これらの値を上回っているようであれば、円形鋼管２の厚さｔoを大きくし、又は鉄筋籠６の高さＬを大きくすることにより、
Ｐ_HO ＜円形鋼管の降伏強度（１０）
となるまで、上述の演算を繰り返すようにしたので、合理的な橋脚接合構造を設計することが可能となる。

本実施形態で用いる橋脚接合構造１を示した図であり、(a)は縦断面図、(b)はＡ−Ａ線に沿う横断面図。本実施形態に係る橋脚接合構造の設計方法における算定根拠を示した略図。本実施形態で用いる橋脚接合構造１の構築手順を示した図。引き続き本実施形態で用いる橋脚接合構造１の構築手順を示した図。

Claims

鉄筋コンクリートで形成されたフーチングと、該フーチングの上面との間に所定の隙間が形成されるように鉛直姿勢にて前記フーチングの上方に配置され内面にリブが形成された円形鋼管と、前記フーチングに一端が埋設定着された鋼管接合用縦筋及び前記鋼管内に充填され前記鋼管接合用縦筋の他端が埋設定着されるコンクリートで形成された鉄筋コンクリート体とから構成されてなる橋脚接合構造を設計する方法において、
前記鋼管接合用縦筋を、全体の外径φiが前記円形鋼管の内径φoよりも小さくかつ前記円形鋼管とほぼ同心状になるように前記円形鋼管の内面に沿って複数配置するとともに、該鋼管接合用縦筋と直交するように周状に複数段配置された鋼管接合用横筋とともに鉄筋籠を形成するように構成し、
前記円形鋼管に作用する設計引張力をＴ、前記鉄筋籠の外径をφi、前記円形鋼管の内径をφo、前記鉄筋籠と前記円形鋼管との有効継手長さをＬe、前記鉄筋籠と前記円形鋼管との間のコンクリートに形成される圧縮ストラットの角度をθ、前記円形鋼管の厚さをｔｏとしたとき、コンクリートが前記鉄筋籠から受ける圧力Ｐiを、
Ｐi＝Ｔ・tanθ／（φi・π・Ｌe）
から算出し、前記円形鋼管に生じる円周方向応力σ_HOを、
σ_HO＝Ｔ・tanθ／(２π・Ｌe・ｔo）
から算出し、
前記Ｐiがコンクリートの降伏強度以下又は破壊強度以下となるように、前記鉄筋籠の外径φi若しくは前記継手有効長さＬeを決定し、又はコンクリートの配合を選定する一方、
前記σ_HOが前記円形鋼管の降伏強度以下となるように、前記円形鋼管の厚さｔo又は継手有効長さＬeを決定することを特徴とする橋脚接合構造の設計方法。