JP4920626B2 - 合成セグメント - Google Patents
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Description
例えば、合成セグメントの一形態としては、図12(a)に示すように、一対の主桁2および一対の継手板3と、スキンプレート4とによる鋼殻5と、その鋼5殻内に継手板と平行に形成された縦リブ6とで構成されたセグメント鋼殻16内部に、セグメント継手用のボルトボックス7を有し、トンネル周方向に主桁2と平行に配置された周方向の鉄筋11および前記周方向の鉄筋を埋め込むように鋼殻セグメントに設けられる中詰めコンクリート9により、前記周方向の鉄筋11および鋼殻5とが一体化されている合成セグメント15が知られている。
前記の合成セグメント15は、一対の主桁2および一対の継手板3と、スキンプレート4との5面により鋼殻(5面鋼殻)5が形成され、その鋼殻5内に縦リブ6を設けて5面鋼殻セグメント16を構成し、その5面鋼殻セグメント16と周方向の鉄筋11と中詰めコンクリート9で構成される合成セグメント15である。
また、そのような合成セグメント15に用いられる高強度・高剛性継手部付近の構造としては、継手材に発生する引張力を周方向の鉄筋11と鋼殻5とに分散して伝達する必要がある。
前記のように継手材に発生する引張力を周方向の鉄筋11と鋼殻5とに分散して伝達する構造にしなければ、力学的には単なる鋼製セグメントにコンクリートが充填されただけの構造、あるいは鉄筋コンクリートセグメントに鋼製の枠が付いただけのセグメントとなる。
前記の補強板17の作用は、補強板17の剛性によって、継手の剛性を高めている。また、定着鉄筋18により、補強板17を介して、継手の引張力を鋼殻内部の周方向の鉄筋11に(鉄筋の重ね継手で)伝達するようにしている。また、補強板17と継手板3との溶接により、ボルトや機械式継手等の継手材(連結杆)に作用する引張力を鋼殻に伝達するようにしている。
また、セグメント組立の急速化のためにセグメント同士を連結する連結杆として、嵌合方式などの機械式継手を用いた継手を備えた合成セグメントも知られている(例えば、特許文献3、特許文献4参照)。このようなセグメントではボルトを締結するためのボルトボックスを備えておらず、内面はほぼ平滑な構造となっている。
一方、特許文献1に示すような継手金物を合成セグメント内部に取り付けることで、セグメント継手の強度および剛性を高めることも出来る。しかしながら、空間規定部材とこれに固定される定着鉄筋との組み合わせの場合には、セグメント内部の周方向の鉄筋に力を伝達するに際し、空間規定部材に接合された定着鉄筋には力の伝達が可能であるが、もっと多くの周方向の鉄筋が必要になった場合は、その周方向の鉄筋に力の伝達ができない。また、このような構造では、主桁への力の伝達は継手板から行われることになるが、継手板の曲げ剛性が小さいため十分な力の伝達ができない。その結果として、大きな曲げモーメントや引張力に対して、十分な継手強度・剛性を確保できないという問題がある。また、空間規定部材を曲げ加工してから定着鉄筋を溶接するため、溶接ひずみによる変形が生じ矯正工程が必要になるなど加工度が高く、製造コストが高くなってしまうという問題もある。
さらにまた、上記特許文献1に示すような継手金物を使用する場合には、継手金物自体の加工工数が多く高価になるという問題がある。
また、前記図12に示すような継手板を補強する形態では、継手材(機械式継手の連結材)の引張力を内部の周方向の鉄筋(周方向の鉄筋を配置した場合)には伝達することができる。しかしながら、継手板の曲げ剛性が小さいため主桁には十分に力の伝達することができない。さらに、周方向の鉄筋を配置した場合でも、補強部材を溶接により固定したり、穴あけ加工する縦リブの加工度が高く、合成セグメントの製造コストが高くなってしまうという問題がある。
すなわち、上記いずれの形態にも共通する課題としては、継手材に作用する引張力を鋼殻と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の何れかには伝達可能であるが、両方にバランスよく伝達することができないので、セグメント幅方向にひずみが均一でなく主桁あるいは周方向の鉄筋のいずれか一方のひずみや応力が大きくなってしまうため、さらには複数の周方向の鉄筋のひずみや応力が幅方向に不均一になってしまうため、セグメント本体の断面が効率的に活用できなくなってしまう上に、継手の剛性や強度が低下するだけでなく、セグメントの幅方向に応力の分布によって、合成セグメントの特徴であるセグメント本体の高強度及び高剛性といった特徴が十分に発揮できない問題点があった。
なお、上記の何れの例でも継手材以外の基本的な構造はそのままに、継手材を機械式の継手に置き換えることが出来るが、この場合でも上記の問題があること勿論である。
土水圧あるいは内水圧による大きな曲げモーメントや引張力に対してセグメント継手の継手材に作用する引張力を、鋼殻と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の両方にバランスよく伝達でき、且つ高剛性・高強度に伝達できる合成セグメントであって、高剛性・高強度で安価な合成セグメントが求められている。
本発明は、前記のように、大きな曲げモーメントや引張力に対してセグメント継手の継手材(機械式継手の連結材)に作用する引張力を主桁と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の両方にバランスよく伝達し、且つ高剛性・高強度に伝達ですることで高剛性・高強度で安価な合成セグメントを提供することを目的とする。
継手材を主桁に近接させて配置すると共に前記継手材を挟んで主桁と平行に、補強材を前記継手材に近接させて配置し、かつ前記補強材を継手板からその継手板に隣接する縦リブまで設置し、前記補強材の継手板及び縦リブとの当接部を継手板および縦リブに固定し、前記周方向の鉄筋を前記継手板に隣接する縦リブよりも継手板寄りの位置まで伸びるように設けた、さらに、継手板に隣接する縦リブと前記主桁と前記補強材との間に、横補強板をスキンプレートと略平行に配置し、前記横補強板を少なくとも前記主桁および前記補強材に溶接により固定することを特徴とする。
継手材を主桁に近接させて配置すると共に前記継手材を挟んで主桁と平行に、補強材を前記継手材に近接させて配置し、かつ前記補強材を継手板から少なくともその継手板に隣接する縦リブまで設置し、前記補強材の継手板及び縦リブとの当接部を継手板および縦リブに固定し、前記周方向の鉄筋を前記継手板に隣接する縦リブよりも継手板よりの位置まで伸びるように設けたので、単に、補強材を主桁と平行に近接させて設置するだけで、大きな曲げモーメントや引張力に対して継手部材(ボルトや機械式継手の連結材)に作用する引張力を鋼殻と中詰めコンクリートに埋設された周方向の鉄筋の両方にバランスよく伝達でき、継手部付近の構造が高剛性・高強度で安価な合成セグメントを簡易な加工で実現することができる。
また、第1発明によると、さらに、前記継手板に隣接する縦リブと前記主桁と前記補強材との間に、横補強板をスキンプレートと略平行に配置し、前記横補強板を少なくとも前記主桁および前記補強材に溶接により固定したので、前記第1発明の効果に加えて、トンネル周方向に隣り合うセグメント相互を接合するボルトに引張力が作用した場合、前記横補強板から主桁に伝達することができる。このため、継手部付近の構造の剛性・強度をさらに高めた合成セグメントを簡易な加工で実現することができる。
前記の補強材8を主桁2(2a)寄りに近接させて配置することにより、第1の縦リブ6aと補強材8との接合部Aと、継手板3と主桁2(2a)との接合部Bとを結ぶ対角方向に、中詰めコンクリート9によるコンクリート圧縮斜材10の領域を形成する場合に、コンクリート圧縮斜材10の主桁2に対する傾斜角αが小さくなることにつながり、補強材8からコンクリート圧縮斜材10を介して主桁2(2a)に引張力を効率よく伝達する上で、重要である。補強材8を主桁2(2a)から離れるほど、前記のコンクリート圧縮斜材10の傾斜角αが大きくなり、主桁2(2a)と補強材8と第1の縦リブ6aと継手板3とで囲まれたコンクリートのせん断変形が大きくなり、また、主桁2(2a)と補強材8との間の継手板3の曲げ変形が大きくなり、セグメント継手の剛性が低下してしまう。
この形態では、継手板3と第1の縦リブ6aとの間で、主桁2(2a)寄りに近接させて補強材8を配置し、主桁2(2a)と継手板3と補強材8と第1の縦リブ6aとスキンプレート4とにより囲まれる部分を含めてコンクリートを打設して、第1の縦リブ6aと補強材8との接合部Aと、継手板3と主桁2(2a)との接合部Bとを結ぶ対角方向に、継手金物7a(7b)からトンネル周方向の引張力が作用した場合に、前記対角方向の領域に中詰めコンクリート9による確実なコンクリート圧縮斜材10を形成するためである。
そして、主桁2(2a)と継手板3と補強材8と第1の縦リブ6aとにより中詰めコンクリート9が拘束されている場合には、前記の対角方向の領域に強固なコンクリート圧縮斜材10を形成でき、前記のコンクリート圧縮斜材10と第1の縦リブ6aと主桁2(2a)とにより、またはコンクリート圧縮斜材10と継手板3と補強材8とによりトラス機構を形成している。
そして、本発明では、中詰めコンクリート9によるコンクリート圧縮斜材10が、主桁2(2a)に直接接触している中詰めコンクリート9により形成され、しかも主桁2(2a)にコンクリート圧縮斜材10が近接して形成され、コンクリート圧縮斜材10に作用する圧縮力の反力として、主桁2(2a)に効率よく引張力tを伝達することができる。
また、補強材8が第1の縦リブ6aおよび継手板3に連結されている点、また、トンネル周方向で継手板3と第1の縦リブ6aとに渡って配置され中詰めコンクリート9に埋め込まれるように配置されている周方向の鉄筋11が設けられているために、継手板3から入力されるトンネル周方向の引張力は、補強材8から第1の縦リブ6aに伝達され中詰めコンクリート9の付着を介して周方向の鉄筋11に、引張応力を伝達するようにされている。
前記の周方向の鉄筋11を設ける長さについて説明すると、前記の周方向の鉄筋11に、縦リブから中詰めコンクリート9を介して引張り応力を伝達させるために、前記周方向の鉄筋を前記縦リブよりも継手板よりの位置まで伸びるように設けている。前記の周方向の鉄筋11は継手板3まで伸びていることは必ずしも必要ではなく、引張り応力を伝達させるためのコンクリートとの付着長がとれていればよい。そして、この第1実施形態では、第1の縦リブ6aと継手板3の中間部まで伸びるように周方向の鉄筋11を配置しているが、継手板3まで伸びるように周方向の鉄筋11を配置するようにしてもよい。
前記の傾斜角αは、構造的には可能な限り小さくするのが好ましいが、その角度は設計により決定される。すなわち、機械式継手の雌型継手金物7aおよび雄型継手金物7aを主桁2(2a)および補強材8に当接するように設置し、セグメントの縦リブの設置位置や寸法は耐震設計により決定されるが、このときも第1の縦リブ6aは継手板に出来るだけ近くに設置することが好ましい。場合によっては、縦リブを設計上必要な数より増やしてもかまわない。
また、セグメント内には、中詰めコンクリート9により埋設されている周方向の鉄筋11が、トンネル周方向に延長するように、第1の縦リブ6a間よりも長く継手板3近傍に渡って配置されていると共に、トンネル軸方向に間隔をおいて平行に複数配置されている。
そのため、補強材8に作用する前記の引張力は、中詰めコンクリート9に伝達され、その中詰めコンクリート9から周方向の鉄筋11を介して他端側の中詰めコンクリート9および縦リブ6ならびに補強材および継手板を介して、図示省略の隣接するセグメントに伝達させることができる。
前記の補強材8は、この実施形態では、板状鋼材からなる補強材8とされ、図示を省略するが、補強材8としては、鋼棒あるいは棒状鋼材等、適宜の形態が可能である。
なお、本発明の形態では、補強材8は板状または棒状の形態にかかわらず、補強材8を、第1の縦リブ6aの設置後に、継手板3と第1の縦リブ6aとの間の空間で適宜回動して所定の位置に設置することができる。
さらに、詳細な説明は省略するが、前記実施形態の変形形態として、図18に示すように外主桁2aだけでなく中主桁2bがある場合にも中主桁3の左右で継手板3と第1の縦リブに挟まれる部分に補強材8を近接して設置してもよい。なお、図示の例は3主桁であるが、4本以上の主桁でも同様に適用できるのは勿論である。
この合成梁20により、継手金物7a、7bに引張力が作用した場合でも、合成梁の高い曲げ剛性により図14に示すようなセグメント幅方向の曲げ変形を抑止し、上記継手材の引張力を縦リブ6(6a、6b)からコンクリート9を介して付着により周方向鉄筋11に伝達することが可能となる。即ち、上記高い曲げ剛性の合成梁20により、セグメント継手の設計時に継手部の耐力や剛性を低下させる原因となるてこ反力を抑止できるため、継手材7(雄型継手金物7a、雌型継手金物7b)の引張力を高強度・高剛性に周方向の鉄筋11に伝達することが可能となる。また、図14に2点鎖線で示すようなセグメントの幅方向の変形を抑制するため、継手材7(7a、7b)に引張力が作用した際に主桁2や周方向の鉄筋11に生じるひずみや応力度が幅方向にほぼ同じになるので、継手材7(7a、7b)に作用した引張力を主桁2と周方向の鉄筋11にバランスよく伝達できる。
上記のように、前記実施形態によれば、継手材7(7a、7b)に作用する引張力を主桁と中詰めコンクリート9に埋め込まれた周方向の鉄筋11にバランスよく、且つ高強度・高剛性に伝達することが出来る。
また、前記実施形態の上記構成によれば、継手部付近の構造が簡素なため、継手材7(7a、7b)に作用する引張力をセグメントの主桁2(2a,2b)や周方向の鉄筋11に高強度・高剛性に伝達可能な合成セグメントを安価に実現することができる。
なお、前記実施形態では補強材8は主桁2と平行に、継手板3と継手板3に隣接する第1の縦リブ6aに当接・固定しているが、補強材8は継手板3と第1の縦リブ6aに当接・固定されていればよく、またさらに延長してもよい。図示省略するが、例えば、第1の縦リブ6aに隣接する縦リブ6まで延長して当接・固定してもよい。
なお、図示の形態では、鋼殻セグメントの側周面に設けられる止水材設置用の溝および止水材を省略した。
具体的には、第1の縦リブ6aと補強材8と主桁2(2a)とに、横補強板14を直角に配置すると共にスキンプレート4に略平行に配置し、これらに溶接により固定するように設けている。前記の横補強板14は、少なくとも主桁2(2a)と補強材8に溶接により固定され、さらに必要に応じ、第1の縦リブ6aに溶接により固定されて接合強度を高めるようにしてもよい。前記の横補強板14のトンネル半径方向の配置位置としては、図9に示すように第1の縦リブ6aの高さ方向の中間部に位置するように配置してもよく、図10に示すように、スキンプレート4に近接または当接するように配置してもよい。また、図10の例のように横補強板14をスキンプレート4に当接して設置する場合はスキンプレート4にも溶接により固定しても良い。また、図17に示すように、横補強板14を継手板3まで延長するような長方形にして継手板3と横補強板14を溶接するようにしてもよい。
また、図示を省略するが、横補強板14を縦リブ6の高さ方向のトンネル内空側に位置するように配置してもよい。横補強板14は、中詰めコンクリート9に埋め込むようにしたほうが、防食上好ましい。
前記の横補強板14は、合成セグメント1にトンネル周方向の引張力が作用した場合に、コンクリート圧縮斜材10が形成される部分のせん断補強鋼板としての作用をしている。また、横補強板14は、下記のように、トンネル半径方向の設置位置により、合成セグメント1の曲げ剛性を高めている。
すなわち、横補強板14の設置位置は、トンネル半径方向のどの位置でも良いが、そのような横補強板14を備えたセグメントに正曲げ(合成セグメントにおけるトンネル内空側が引張となる曲げ)が作用する場合には、引張力を効率的に伝達するには、トンネル内空側に近い方がよい。また、そのようなセグメント1に負曲げ(合成セグメントにおけるトンネル地山側が引張となる曲げ)の場合は、スキンプレート4が同じ役目を果たすことができるので、スキンプレート側に近づけるよりも、トンネル内空側に近づけるようにするとよい。
また、図11に示すように、横補強板14に、トンネル半径方向に貫通する孔を設けて、中詰めコンクリート9の充填性を向上させ、また、コンクリートとのずれ止め効果を発揮させるようにするとよい。
横補強板14は、例えば鋼製とされ、その板厚は設計により設定される。
このように、横補強板14を設ける場合には、コンクリート9によるコンクリート圧縮斜材10のみでは不足する場合に、横補強板14によりコンクリート圧縮斜材10と同様に機能させることができる。横補強材14は補強材8の設置後に設置するようにすればよい。
また、前記のように横補強板14を設ける形態では、第1の縦リブ6aまで補強材8を設ければよく、構造が簡単になる。
前記の実施形態では、合成セグメント1の幅方向で、継手板3と、第1の縦リブ6aと、これらの間の主桁2(2a)と、各補強材8、これらに囲まれた領域に充填される中詰めコンクリート9並びに横補強板14とにより、セグメント幅方向端部側が各補強材8により強化された合成梁20を形成している。
なお、前記実施形態と同様な要素には同様な符号を付して説明を省略する。
さらにまた、セグメント幅方向の合成梁20を形成するので、継手材7(7a、7b)に引張力が作用した場合、合成梁の高い曲げ剛性によりセグメント幅方向の変形を抑制し、ボルトなどの継手材に作用する引張力を縦リブ6(6a)から中詰めコンクリート9を介して高剛性に周方向鉄筋11に伝達することが出来る。
なお図示省略するが、本第2実施形態の場合でも、中主桁2bを設け、中主桁2bの左右に中主桁2bに近接して継手板3と第1の縦リブ6aとの間に補強材8を当接・固定することも出来る。また、補強材8や横補強板14を第1の縦リブ6aよりも延長する事が出来ること、縦リブ6の断面形状をT形やL形などに出来ることは勿論である。
2 主桁
2a 外主桁
2b 中主桁
3 継手板
4 スキンプレート
5 鋼殻
6 縦リブ
6a 第1の縦リブ
7a 雌型継手金物
7b 雄型継手金物
8 補強材
9 中詰めコンクリート
10 圧縮斜材
11 周方向の鉄筋
12 対角線
14 横補強板
15 合成セグメント
16 鋼殻セグメント
17 補強板
18 定着鉄筋
19 継手金物
20 合成梁
23 継手補強鋼板
24 棒状鋼材
A 第1の縦リブと補強材との接合部
B 継手板と主桁との接合部
イ 第2の縦リブと補強材との交差部Cと、主桁と第1の縦リブとの交差部Dとを結ぶ対角方向の領域
α 傾斜角
Claims (1)
- 複数の主桁および一対の継手板と、スキンプレートと、セグメント内に継手板と平行に形成された縦リブとで構成された鋼殻セグメントが設けられ、トンネル周方向に主桁と平行に配置された周方向の鉄筋および前記周方向の鉄筋を埋め込むように鋼殻セグメントに設けられる中詰めコンクリートにより、前記周方向の鉄筋および鋼殻とが一体化されている合成セグメントであって、鋼殻の内部にセグメント継手用のボルトボックスを備えていない合成セグメントにおいて、
継手材を主桁に近接させて配置すると共に前記継手材を挟んで主桁と平行に、補強材を前記継手材に近接させて配置し、かつ前記補強材を継手板からその継手板に隣接する縦リブまで設置し、前記補強材の継手板及び縦リブとの当接部を継手板および縦リブに固定し、前記周方向の鉄筋を前記継手板に隣接する縦リブよりも継手板寄りの位置まで伸びるように設け、さらに、前記継手板に隣接する縦リブと前記主桁と前記補強材との間に、横補強板をスキンプレートと略平行に配置し、前記横補強板を少なくとも前記主桁および前記補強材に溶接により固定することを特徴とする合成セグメント。
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