JP5136589B2 - 水中構造物の補強梁と補強工法 - Google Patents

Description

本発明は、既設の桟橋等の水中構造物、特に上部構造体が複数の杭によって支持された杭式桟橋等を補強するための補強部材と補強工法に関する。

港湾や漁港においては船舶を係留するために各種の桟橋等の水中構造物が設けられている。これらの水中構造物は水底地盤に打ち込まれて水面より上に突出した複数の杭を脚柱とする下部構造物と、これらの杭で支持され水面より上に敷設された床板等からなる上部構造物とから構成される。
上記の下部構造物である杭は一般に、海底あるいは湖底といった地盤に複数本の杭群を鉛直方向に打ち込んで構築される。また、上記の上部構造物は一般に、これら杭群の上端部に梁を複数本架設し、これら梁群の間に床板を張り渡して構築される。

ところで、既設水中構造物については、以下に記載する理由から水中構造物を補強する必要がある。
・腐食による杭の減厚による水中構造物の耐力の低下
・上載加重の増大への対応
・耐震性能の向上
特に、過去に設置された杭式桟橋等の水中構造物の多くは、近年、想定されるようになった大地震に耐えるための設計はなされておらず、将来、大地震によって水中構造物が損傷を受ける可能性が高く、そのような事態に至ると社会機能に大きな影響を与えることになる。また、地震後における社会機能の迅速な回復のために水中構造物は人員及び物資の輸送において非常に重要な機能を果たす。
このため、今後発生が予想される大地震に対する対策として、既設の杭式桟橋等の水中構造物を耐震補強する必要性が高まっている。
そして、上記の補強のための施工方法として従来から多くの提案がなされている。

特許文献１には、既設桟橋を補強するための補強材をユニット化し、これを予め製作しておいて施工現場において杭の間に取り付けることによって現場工期の最短化をはかるようにすることが記載されている。この補強ユニットは矩形枠状のフレームと、そのフレーに設けたブレースと、そのブレースとフレームとの間に設けたダンパー８とから構成されている。

特許文献２には、桟橋の杭の補強に供するストラット部材にフロータを取り付けて水面に浮かぶようにしておき、このストラット部材を杭群の間まで曳航し、ついで杭群の上下方向所定部位においてストラット部材の両端同士を各々結合する補強工法が記載されている。また、特許文献２にはストラット部材を入れ子状にして伸縮可能とすることについても記載がある。

特許文献３には、脚柱により床組を支持した桟橋において、脚柱間に斜材としての制震ブレースを設けることにより脚柱に作用する最大曲げモーメントを低減して脚柱の負担を軽減するとともに、必要な脚柱径を小さくすることが記載されている。

特許文献４には、各杭に鞘管を設置し、鞘管に突設した中空の連結管を隣接した杭に設置された鞘管における中空の連結管と接合することによって補強用水平部材を形成することが記載されている。
しかしながら、上記のいずれの方法も補強部材を現地杭にアジャストさせる観点からみると施工性が良いとは言えなかった。
また、従来の杭に格点を設けそれをストラットあるいはブレース部材で結ぶ補強方法は基本的には軸力を伝える機能を有し、それらを複数配置して海中部の杭をつなぎ合わせて補強するものであり、補強効果は高いが部材数が多くなるという問題があった。

特開２００７−２１７９５２号公報 特開２００８−２２３３８４号公報 特開平１１−２６９８４５号公報 特開２００８−２９７８１５号公報

本発明は、既設水中構造物の杭同士を水中で補強梁によって連結することで水中構造物全体の剛性を上げて水中構造物の耐荷力を向上させるための施工性に優れた補強工法を提供することを目的とする。

本発明者等は、補強梁を前、後、左及び右の各側面を形成する４つの壁体と、該壁体によって形成される内部空間を中央区画部と左右の第１区画部及び第２区画部とに分ける二つの仕切壁と、中央区画部の底板又は底板及び頂板とから構成して、中央の区画部を浮力函とし、第１区画部及び第２区画部のぞれぞれは、杭の鉛直方向の一部を包囲して杭に取り付け可能なように開閉可能な構造となっている第１杭連結部及び第２杭連結部を構成しており、この第１杭連結部及び第２杭連結部を介して補強梁を杭に取り付けた後、杭と杭連結部との取り合い部にグラウトを注入して補強梁と杭とを一体化することによって上記の課題が解決できることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載する通りの水中構造物を補強するための補強梁及びこれを用いた補強工法である。

（１）水中の地盤に下端部が埋設された複数の杭と、前記複数の杭によって支持された上部構造体とを有する水中構造物の補強を行うために杭に取り付けられる補強梁であって、該補強梁は前、後、左及び右の各側面を形成する４つの壁体と、該壁体によって形成される内部空間を中央区画部と左右の第１区画部及び第２区画部とに分ける二つの仕切壁と、中央区画部の底板又は底板及び頂板とからなり、中央区画部は浮力函部を構成し、第１区画部及び第２区画部は壁体の一部が補強梁本体に対して開閉可能な蓋部を形成しており、第１区画部及び第２区画部が杭の鉛直方向の一部を包囲して杭に取り付け可能な第１杭連結部及び第２杭連結部を構成していることを特徴とする補強梁。
（２）第１杭連結部及び第２杭連結部の内壁の上端部及び下端部に、又は上端部のみに前記内壁と杭との間を塞ぐ塞ぎ板を設けたことを特徴とする（１）に記載の補強梁。
（３）前記補強梁の梁高は杭の直径以上の寸法であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の補強梁。
（４）前記第１杭連結部及び第２杭連結部の前面の壁体が補強梁本体に対してヒンジによって開閉可能な蓋部を構成していることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の補強梁。
（５）前記蓋部の閉合が蓋部を補強梁本体に対してボルト締めすることによって行われるようになっていることを特徴とする（４）に記載の補強梁。
（６）前記第１杭連結部及び第２杭連結部のそれぞれは二つの部分に分割されてヒンジを介して連結されて、一方の分割部分が他方の分割部分を備えた補強梁本体に対して開閉可能な蓋部と成っており、蓋部の閉合が蓋部及び補強梁本体の夫々に設けたかみ合わせ継手の係止片を係合させることによって行われるようになっていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の補強梁。
（７）前記第１杭連結部及び第２杭連結部の内壁面にグラウトのずれ止め用のアンカー部材が設けられていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の補強梁。
（８）水中の地盤に下端部が埋設された複数の杭と、前記複数の杭によって支持された上部構造体とを有する水中構造物を補強する補強工法において、
（１）〜（７）のいずれかに記載の補強梁を水面に浮遊させる工程、
補強梁を取り付けようとする二つの杭の位置に補強梁を誘導する工程、
補強梁の杭連結部の壁面によって杭を包囲する工程、
杭連結部の蓋部を閉合する工程、
及び
杭と杭連結部との取り合い部にグラウトを注入して補強梁と杭とを一体化する工程、
を有することを特徴とする補強工法。
（９）補強梁の浮力函部に液体を注入して補強梁を所定の深さに沈降させる工程を含むことを特徴とする（８）に記載の補強工法。
（１０）杭に支持材を取り付けておき、この支持材によって補強梁を支持することを特徴とする（８）又は（９）に記載の補強工法。
（１１）補強梁を誘導するための複数本のワイヤを補強梁に取り付けて、ワイヤを操作することにより補強梁を所定の位置に誘導することを特徴とする（８）〜（１０）のいずれかに記載の補強工法。
（１２）補強梁として、第１杭連結部及び第２杭連結部の上端部のみに塞ぎ板を設けた補強梁を用い、前記支持材が下端部の塞ぎ板を兼ねるようにしたことを特徴とする（１０）又は（１１１）に記載の補強工法。
（１３）（１）〜（７）のいずれかに記載の補強梁によって補強したことを特徴とする水中構造物。
（１４）補強梁の浮力函部に固体材料を充填することにより水中構造物の固有周期を変えたこと特徴とする（１３）に記載の水中構造物。

本発明の補強梁を用いた補強工法は補強梁そのもので杭を高さ方向に補強するため、軸力の他、曲げモーメントを伝えるため杭同士を結合する効果は従来のストラットやブレースを用いるものに比べてより高いものとなり、少ない部材数での補強が可能となるため工期を短縮することができる。また、本発明の補強工法は、水中構造物を新設することなく補強が可能であり、供用中の水中構造物の作業への影響が少ない。また、補強梁は浮力を利用しながらワイヤリング操作で杭に取り付けることができるため大型作業船を必要とせず施工が容易であり、岸壁の供用停止期間を極めて短くすることができる。

本発明の補強梁を杭に取り付けた様子を示す図である。 本発明の補強梁の一つの実施形態を示す図である。 本発明における補強梁の支持材及びグラウトシールを説明する図である。 本発明における補強梁の支持材及びグラウトシールの他の例を説明する図である。 本発明の補強梁の他の実施形態を示す図である 補強梁本体と蓋部とをかみ合わせ継手を用いて閉合する様子を示す図である。 本発明におけるグラウトのずれ止めの例を示す図である。 杭に支持材を取り付ける工程を示す図である。 補強梁をワイヤを用いて所定の杭の位置に誘導する工程を示す図である。 補強梁の杭連結部材によって杭を包囲する工程を示す図である。 補強梁の杭連結部材の蓋体を閉合する工程を示す図である。 補強梁の杭連結部材の蓋体を閉合を完了する工程を示す図である。 補強梁を所定の深さまで沈降させて支持材上に載置し、グラウトを注入して補強梁の取付を完了する工程を示す図である。

図１は本発明の補強梁を杭に取り付けた状態を示す図であり、図２は補強梁の詳細を示す図である。
図１に示すように本発明の補強梁１の高さ（梁高）は杭１１の直径よりも大きな寸法とし、その梁高を杭の直径よりも大きくすると共に補強梁を水面下の浅い杭部分に取り付けることが補強効果を高める点から好ましい。図１に示したものでは杭径が１２００ｍｍφの杭に対して補強梁は梁高さ２０００ｍｍ、梁幅１５００ｍｍとしている。

図２（ａ）に示すように補強梁１は前後左右の４つの壁体２と、該壁体２によって形成される内部空間を中央区画部４と左右の第１区画部５及び第２区画部６とに分ける二つの仕切壁３と、中央区画部４の底板１４及び頂板１５とからなり、中央区画部４は浮力函部４を構成し、第１区画部５及び第２区画部６はその前面の壁体が開閉可能な蓋部８となっていて補強梁１を杭に取り付けるための第１杭連結部５及び第２杭連結部６を構成している。図２（ａ）に示したものでは蓋部はヒンジによって開閉可能となっており、ボルトによって補強梁本体に締結される。

浮力函部４は底板のみを設けた場合には容器形状となっており、底板と頂板とを設けた場合には密閉構造となっているため、その浮力によって補強梁１を水面に浮遊させることができる。浮力函部４には注水ができるようになっており、浮力函部内の空間に水や海水などの液体を注入することによって補強梁１を水面下に沈降させることができる。浮力函部を密閉構造とすることにより、浮力函部内に適当な量の液体を注入して補強梁の重量と浮力とをバランスさせることにより補強梁の取り付け作業をし易くすることができる。なお、補強梁の通常の使用形態は、水面に浮かせて所定の場所まで移動させ、次いで所定の深さまで沈めるというものであるので、浮力函部４には底板と頂板とを設けて密閉構造とするが、沈める作業を必要としない場合もあり、この場合には必ずしも頂板は設ける必要がない。

第１杭連結部５は壁体２と、仕切壁３と、該壁体２及び仕切壁３の上端部及び下端部に設けられた塞ぎ板９とからなっており、第２杭連結部６も第１杭連結部５と同一の構造を有している。図中に示したグラウトシール１０は図２（ｃ）に示されるように補強梁１を支持する支持材１２に取り付けられている部材である。第１連結部５及び第２連結部６の下端部に設けられた塞ぎ板９及び支持材１２に取り付けられたグラウトシール１０は、第１杭連結部５及び第２杭連結部６が杭１１、１１’を包囲したときに杭連結部と杭とによって形成される空間の下端部を塞ぐようになっている。塞ぎ板９及びグラウトシール１０は、杭連結部５、６を杭１１、１１’に取り付けた後に、杭１１と杭連結部５、６の取り合い部にグラウトを注入して杭１１と杭連結部５、６とを一体化する際に注入したグラウトが漏出するのを防ぐ。
前記塞ぎ板９は後述するように支持材が塞ぎ板を兼ねるようにする場合には、第１及び第２杭連結部の内壁の上端部のみに設けるようにしても良い。
なお、本願明細書では補強梁と杭とを一体化するためにグラウトを用いる場合について説明しているが、グラウトの代わりにコンクリートを用いても良い。

図３、図４に補強梁を支持する支持材１２の一例を示す。支持材は受け材とこの受け材を支持する支持板とから構成することができる。
図３（ａ）に示した例では支持材１２は、４分割された受け材１７と複数の支持板１３とからなり、各受け材１７と各支持板１３は、補強梁１の施工前に水中溶接又はボルトによって杭１１に取り付けておく。支持材１２は補強梁の鉛直方向の位置決めをすると共に、グラウト打設時の荷重を一時的に支持する機能を有する。図３（ｂ）は図３（ａ）の支持材１２の上面図である。図３（ｃ）に示すように、受け材１７の上面にはグラウトシール１０を取り付けておき、グラウト打設時に塞ぎ板９と支持材１２との間をシールしてグラウトが漏れるのを防ぐ。

また、図４は支持材の他の実施態様を示す図である。この例では、支持材は図４（ｂ）に示すように４分割された受け材１７と複数の支持板１３とからなり、受け材１７を第１杭連結部及び第２杭連結部の形状に合わせて四角形状とし、その上に同じく四角形状の外観を有するグラウトシールを載置し、杭連結部の底面部の壁体端部と支持材との間をグラウトシールでシールしたものである。このように支持材が第１、第２杭連結部の塞ぎ板を兼ねることにより、図３に示したような杭連結部の底面側の塞ぎ板を省略することができる。なお、図４（ｃ）ではシール効果を確実にするために壁体端部に端部部材１６を設けたが、壁体の厚みが充分ある場合にはこの端部部材は省略することができる。
施工後の補強梁は、引張り力に対してはボルトが抵抗し、補強梁が受ける圧縮力に対してはグラウトが抵抗する。

上記の例では補強梁１の杭連結部材５、６の蓋部８を補強梁本体にボルト締めする構成としたが、補強梁１の蓋部をボルト締めする操作は施工性が悪いため、図５に他の例としてボルトを用いない補強梁の例を示す。
図５に示すものは第１杭連結部及び第２杭連結部をそれぞれ二つに分割した構造を有し、補強梁本体部２０に対して蓋部２１を開閉可能な構造としたものである。図５（ａ）、（ｂ）は補強梁の全体構成を示す図であり、補強梁１は浮力函部４、第１杭連結部５及び第２杭連結部６からなっており、浮力函部４と杭連結部５、６の一部が補強梁本体部２０を構成し、杭連結部５、６の残部が蓋部２１を構成し、補強梁本体部２０と蓋部２１とはヒンジ（ロッド）継手２３によって連結され、このヒンジ（ロッド）継手によって蓋部２１が補強梁本体部２０に対して開閉自在となっている。補強梁本体２０と蓋部２１との突き合わせ部にはかみ合わせ継手が設けられており、蓋部２１はかみ合わせ継手２２によって補強梁本体２０に対して閉合可能となっている。
図５（ｂ）は蓋部２１が閉合した状態を示したものであり、かみ合わせ継手部２２は図５（ｃ）に示すように補強梁１の高さ方向に設けられる

図６はかみ合わせ継手２２の詳細を示した図であり、かみ合わせ継手２２が係合するまでの過程を示した図である。
図６（ａ）は蓋部２１を補強梁本体部２０に向かって押し込む状態を示したものであり、補強梁本体部及び蓋部のそれぞれに係止片２５が設けられている。
図６（ｂ）は補強梁本体部２０に向かって蓋部２１を押し込んだ結果、蓋部２１の係止片２５が落下した状態を示している。
この状態で杭取り合い部にグラウトが注入されると杭連結部のグラウトによる内圧によって図６（ｃ）に示すように蓋部２１が後進して蓋部２１の係止片２５と補強梁本体部２０の係止片２５とが噛み合った状態となり、その後グラウトが固化する。
図６（ｄ）は固化が完了してかみ合い継手２２が強固に固定された状態を示している。この状態では引張り力に対してはかみ合い継手２２が抵抗し、圧縮力に対してはグラウトが抵抗する。
また、蓋部２１の継手部が本体の継手部に進入しやすいように図６（ｅ）に示すように、継手の先端部にテーパーを設けることが好ましい。

杭連結部の内壁には図７に示すようなグラウトのずれ止め用のアンカー部材を設けることによってグラウトのずれを防ぐことができる。
図７（ａ）はストラット壁面にスタッドを設けたものであり、図７（ｂ）はストラット壁面に棒鋼を溶接で固定したものであり、図７（ｃ）はストラット壁面に溶接ビードを形成したものである。

次に補強梁を杭に取り付ける方法の作業手順を図２に示した補強梁を用いた場合について説明する。
図７は補強梁を杭に取り付ける位置を決めると共にグラウト打設時に補強梁の荷重を一時的に支持するための支持材を水中溶接又はボルトによって取り付ける工程を示す図であり、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は平面図である。

図８は補強梁を所定の杭の位置に誘導する工程を示したものである。図８（ｂ）に示すように補強梁１の４隅には補強梁を所定の位置に誘導するための４本のワイヤ２６が設けられている。補強梁１は浮力函部の浮力によって水面に浮かんだ状態とされ、ワイヤを適宜の杭に掛け回して各ワイヤをウインチ２７によって巻き上げることによって補強梁１を目的の杭の位置に誘導する。

図１０は補強梁１を所定の杭１１の位置に誘導して杭に仮固定する工程を示す図である。蓋部８が開放され、ワイヤ操作によって所定の杭まで誘導された補強梁１の杭連結部が杭を包囲した状態を示している。
図１１は蓋部を閉合する状態を示しており、図１２は蓋部を閉合しボルトを締結して蓋部の閉合を完了した状態を示している。

図１３は、浮力函部内に液体（水、海水等）を注入して補強梁を所定の深さまで沈降させて支持体によって支持した状態を示している。この後、杭連結部の杭取り合い部にグラウトを注入し固化させて補強梁と杭とを一体化させることにより、補強作業を終了する。
なお、支持体の位置を適宜に調節することにより、補強梁の一部が水面上に現れるようにしても良いし、補強梁を更に深い位置で杭に取り付けてもよいが、図１３に示すように水面下の浅い位置に取り付けることにより高い補強効果が得られる。

本発明の補強梁は前記したようにその材料を杭よりも大きな剛性を有するものとし、かつその梁高を杭の直径よりも大きくすることが好ましい。梁高の高い部材を杭に被せて補強梁そのもので杭を高さ方向に補強するため、軸力の他、曲げモーメントを伝えるため杭同士を結合する効果は従来のストラットやブレースを用いるものに比べてより高いものとなる。そして、こうした効果により、少ない部材数での補強が可能となるため工期を短縮することができる。既設桟橋の補強では、施工期間の短縮化が必須であるため本発明の補強工法は特に有効である。
また、地震の際には地盤は揺れの周期の特性（地震卓越周期）を示すが、補強梁によって水中構造物の杭を補強すると共に、補強梁の浮力函部内に重量のある固形材料（例えばコンクリート、礫等）を施工して水中構造物の重量付けを行い、水中構造物の固有周期を変えて地震卓越周期から水中構造物の固有周期を離すことによって耐震性を向上することができる。

本発明の補強工法によれば、作業が容易でかつ急速施工が可能であるため、供用中の水中構造物の作業への影響が少く、また、補強体は浮力を利用しながらワイヤ操作で杭に取り付けるため大型作業船を必要とせず施工が容易で施工期間を短縮することができるので、杭式水中構造物の補強工法として好適である。

１ 補強梁
２ 壁体
３ 仕切壁
４ 浮力函部（中央区画部）
５ 第１杭連結部（第１区画部）
６ 第２杭連結部（第２区画部）
７ ヒンジ
８ 蓋部
９ 塞ぎ板
１０ グラウトシール
１１，１１’ 杭（既設杭）
１２ 支持材
１３ 支持板
１４ 底板
１５ 頂板
１６ 端部部材
１７ 受け材
２０ 補強梁本体部
２１ 蓋部
２２ かみ合わせ継手
２３ ヒンジ（ロッド）継手
２４ 杭取り合い部
２５ 係止片
２６ ワイヤ
２７ ウインチ

Claims (14)

1. 水中の地盤に下端部が埋設された複数の杭と、前記複数の杭によって支持された上部構造体とを有する水中構造物の補強を行うために杭に取り付けられる補強梁であって、該補強梁は前、後、左及び右の各側面を形成する４つの壁体と、該壁体によって形成される内部空間を中央区画部と左右の第１区画部及び第２区画部とに分ける二つの仕切壁と、中央区画部の底板又は底板及び頂板とからなり、中央区画部は浮力函部を構成し、第１区画部及び第２区画部は壁体の一部が補強梁本体に対して開閉可能な蓋部を形成しており、第１区画部及び第２区画部が杭の鉛直方向の一部を包囲して杭に取り付け可能な第１杭連結部及び第２杭連結部を構成していることを特徴とする補強梁。
2. 第１杭連結部及び第２杭連結部の内壁の上端部及び下端部に、又は上端部のみに前記内壁と杭との間を塞ぐ塞ぎ板を設けたことを特徴とする請求項１に記載の補強梁。
3. 前記補強梁の梁高は杭の直径以上の寸法であることを特徴とする請求項１又は２に記載の補強梁。
4. 前記第１杭連結部及び第２杭連結部の前面の壁体が補強梁本体に対してヒンジによって開閉可能な蓋部を構成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の補強梁。
5. 前記蓋部の閉合が蓋部を補強梁本体に対してボルト締めすることによって行われるようになっていることを特徴とする請求項４に記載の補強梁。
6. 前記第１杭連結部及び第２杭連結部のそれぞれは二つの部分に分割されてヒンジを介して連結されて、一方の分割部分が他方の分割部分を備えた補強梁本体に対して開閉可能な蓋部と成っており、蓋部の閉合が蓋部及び補強梁本体の夫々に設けたかみ合わせ継手の係止片を係合させることによって行われるようになっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の補強梁。
7. 前記第１杭連結部及び第２杭連結部の内壁面にグラウトのずれ止め用のアンカー部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の補強梁。
8. 水中の地盤に下端部が埋設された複数の杭と、前記複数の杭によって支持された上部構造体とを有する水中構造物を補強する補強工法において、
   請求項１〜７のいずれかに記載の補強梁を水面に浮遊させる工程、
   補強梁を取り付けようとする二つの杭の位置に補強梁を誘導する工程、
   補強梁の杭連結部の壁面によって杭を包囲する工程、
   杭連結部の蓋部を閉合する工程、
   及び
   杭と杭連結部との取り合い部にグラウトを注入して補強梁と杭とを一体化する工程、
   を有することを特徴とする補強工法。
9. 補強梁の浮力函部に液体を注入して補強梁を所定の深さに沈降させる工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の補強工法。
10. 杭に支持材を取り付けておき、この支持材によって補強梁を支持することを特徴とする請求項８又は９に記載の補強工法。
11. 補強梁を誘導するための複数本のワイヤを補強梁に取り付けて、ワイヤを操作することにより補強梁を所定の位置に誘導することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の補強工法。
12. 補強梁として、第１杭連結部及び第２杭連結部の上端部のみに塞ぎ板を設けた補強梁を用い、前記支持材が下端部の塞ぎ板を兼ねるようにしたことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の補強工法。
13. 請求項１〜７のいずれかに記載の補強梁によって補強したことを特徴とする水中構造物。
14. 補強梁の浮力函部に固体材料を充填することにより水中構造物の固有周期を変えたこと特徴とする請求項１３に記載の水中構造物。
    

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