(57)【要約】【課題】  長支間化に耐え得る新しい床版や桁を得る。【解決手段】  外ケーブルスラブ３０の下面だけがアーチ構造とされており、上面は平らであるため、自動車等の走行がそのまま可能となっている。また、アーチ構造となっているため、上面に荷重が作用すると、外ケーブルスラブ３０の内部には圧縮力が働いて抵抗する。この圧縮力は、外ケーブルスラブ３０の両端部へ伝達され、支点部に鉛直方向の力と支点部の間隔を広げようとする水平力が作用する。この水平力に対しては、外ケーブル１２の反力によって、受け止められる。このように、アーチ構造は、水平反力が確保された場合、上面に圧縮応力、下面に引張応力が生じる梁構造と比較して大きな耐力を発揮する。ケーブルをアーチ面に沿って配置する内ケーブルとせず、直線状に架け渡された外ケーブル１２とすることで、外ケーブルスラブ３０のクラン部の上縁に作用する引張力、下縁に作用する圧縮力をコントロールすることができる。【選択図】        図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重が作用する平らな上面とアーチ構造とされた下面とから構成されたコンリート製のアーチ部材と、前記アーチ部材の両端部へ直線状に張り渡し固定された外ケーブルと、を有することを特徴とする外ケーブル式アーチ部材。
【請求項２】
前記外ケーブルに初期引張力が付与され、前記アーチ部材の両端部に圧縮力を付与することを特徴とする請求項１に記載の外ケーブル式アーチ部材。
【請求項３】
前記アーチ部材の下縁にはアーチ型の鉄筋が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の外ケーブル式アーチ部材。
【請求項４】
前記アーチ部材が、支間中央をヒンジで連結された１ヒンジアーチ構造であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の外ケーブル式アーチ部材。
【請求項５】
前記アーチ部材がアーチスラブ又はアーチビームであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の外ケーブル式アーチ部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＣ（鉄筋コンクリート）部材をアーチ構造とした外ケーブル式アーチ部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
道路橋梁を経済的に設計するため、図１５に示すような、鋼桁８０とＲＣ床版８２をジベル（図１２参照）で接合した合成桁８４が開発された。この合成桁８４は、大型自動車の走行荷重に耐えさせるために、ＲＣ床版８２の支間Ｌが３ｍ以下となるように鋼桁８０の間隔を決めた多数主桁構造とされ、また、ＲＣ床版８２を厚くし、鉄筋の許容強度を低く見積もり、ＲＣ床版８２に桁作用を期待しない非剛性構造となっている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、最近の建設事業費縮減の流れから、多数主桁構造から少数主桁構造へと移行し、これに伴って、長支間化（鋼桁の間隔が広い）が可能な耐久性の高い新床版の開発が望まれている。
【特許文献１】特開２００２−８１０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は係る事実を考慮し、長支間化に耐え得る新しい床版や桁を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、荷重が作用する平らな上面とアーチ構造とされた下面とから構成されたコンクリート製のアーチ部材と、前記アーチ部材の両端部へ直線状に架け渡し固定された外ケーブルと、を有することを特徴とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明では、アーチ部材の下面だけがアーチ構造とされており、上面は平らであるため、例えば、コンクリート製のスラブとして、自動車等の走行がそのまま可能となっている。また、アーチ構造となっているため、上面に荷重が作用すると、アーチ部材の内部には圧縮力が働いて抵抗する。この圧縮力は、アーチ部材の両端部へ伝達され、支点部に鉛直方向の力と支点部の間隔を広げようとする水平力が作用する。この水平力に対しては、外ケーブルの反力によって、受け止められる。
【０００７】
このように、アーチ構造は、水平反力が確保された場合、上面に圧縮応力、下面に引張応力が生じる梁構造と比較して大きな耐力を発揮する。
【０００８】
また、ケーブルをアーチ面に沿って配置する内ケーブルとせず、直線状に架け渡された外ケーブルとすることで、アーチのクラウン部の上縁に作用する引張力、下縁に作用する圧縮力をコントロールすることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記外ケーブルに初期引張力が付与され、前記アーチ部材の両端部に圧縮力を付与することを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、外ケーブルに付与する圧縮力をコントロールすることで、アーチスラブの耐力の大きさを調整できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記アーチ部材の下縁にはアーチ型の鉄筋が配置されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、アーチ部材の下面に生じる引張力を鉄筋で負担し、コンクリートのひび割れ及び損傷を防止している。なお、鉄筋に替えて、ＰＣケーブル又は鋼棒を用いた場合、さらに、強度が向上する。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記アーチ部材が、支間中央をヒンジで連結された１ヒンジアーチ構造であることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、前記アーチ部材が、支間中央をヒンジで連結され１ヒンジアーチ構造であるため、支間中央にひび割れが発生することがなく、耐力を向上させることができる。なお、ヒンジ位置には、ＰＣケーブル又は鋼棒を配置した方が好ましい。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記アーチ部材がアーチスラブ又はアーチビームであることを特徴としている。
【００１６】
例えば、アーチ部材がアーチスラブの場合、長支間とすることが可能となるため、少数主桁構造を採用することができる。また、アーチビームの場合、長支間の歩道橋の主桁として使用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は上記構成としたので、耐久性が向上し、長支間化に耐えることができ、また、引張応力によるひび割れ・損傷を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の有用性を説明するために、図１に示すようなケーブル式アーチビームの供試体１０を作成し、走行荷重実験した結果を示す。次に、ケーブル式アーチスラブ（図１２参照）が鋼道路橋床版として鋼桁３２（Ｈ型鋼）にどのように取付けられるか一例を説明する。
【００１９】
図１に示すように、高さｈ：２８５ｍｍ×幅３００ｍｍ×長さＬ：２８００ｍｍのコンクリート製の供試体１０を作成した。アーチのクラウンｈ１の高さは１００ｍｍとし、アーチのライズＭは１０．８ｍｍとした。
【００２０】
また、外ケーブル１２の定着点には、水平反力を受ける支圧面１４及びシース管１６とのカブリを考慮して支点部をｈ２＝７７ｍｍとした。鉄筋は、Ｄ１０を上縁部に圧縮鉄筋１８を３本、下縁部には、アーチ状のＤ１０のアーチ鉄筋２０を３本、支点部には外ケーブル１２の上下に引張鉄筋２４を配置した。外ケーブル１２は、ＰＣ鋼棒Ｃ種１号Ｕ１９又は異形鉄筋ＳＤ２９５Ａ，Ｄ１６を使用し、支点間の距離Ｌ１を２００ｃｍとした。
（静荷重による曲げ試験）
図２に示すように、道路橋に作用する大型自動車の荷重を想定した荷重を載荷し、静荷重と走行荷重による曲げ試験を行い、各試験の最大耐荷力を求めた。
【００２１】
静荷重による曲げ試験は、支間中央に車輪Ｍ（幅２５ｃｍ、直径４０ｃｍ）を停止した状態で、供試体１０が破壊するまで５．０ｋＮずつ増加していった。
【００２２】
また、実験では、外ケーブル１２に初期張力を与えた場合と与えない場合について比較して検討した。ここで、外ケーブル１２に異形鉄筋Ｄ１６を用い、初期引張力を０ｋＮとした供試体をＳ−ＲＣ−０、外ケーブル１２にＰＣ鋼棒Ｕ１９を用い、初期引張力を０ｋＮとした供試体をＳ−ＰＣ−０、初期引張力を１０ｋＮとした供試体をＳ−ＰＣ−１０、初期引張力を２０ｋＮとした供試体をＳ−ＰＣ−２０とした。
（走行荷重による曲げ試験）
図３に示すように、走行荷重による曲げ試験は、車輪Ｍが供試体上を走行した後に、支間中央に車輪Ｍを停止させた状態での曲げ試験である。走行方法は、車輪Ｍに荷重を載荷して支間中央を起点に、左右に１００ｃｍを１８ｓｅｃ（平均走行速度２２ｃｍ／ｓｅｃ）で走行させる。荷重は１走行毎に５．０ｋＮずつ増加させ、供試体１０が破壊するまで荷重の増加と走行を繰り返した。
【００２３】
ここで、外ケーブル１２にＰＣ鋼棒を用い、初期引張力を０ｋＮとした供試体をＲ−ＰＣ−０、初期引張力を１０ｋＮとした供試体をＲ−ＰＣ−１０とした。
（実験耐力及び破壊モード）
図４の表に示すように、Ｓ−ＲＣ−０とＳ−ＰＣ−０の最大耐力を比較すると、Ｓ−ＲＣ−０が６０．００ｋＮ、Ｓ−ＰＣ−０が７４．３６ｋＮとＰＣ鋼棒を用いた場合が１．２４倍耐力が向上した。
【００２４】
Ｓ−ＰＣ−１０では、８４．９６ｋＮ、Ｓ−ＰＣ−２０では、９５．００ｋＮとなり、Ｓ−ＰＣ−０と比較して、耐力が１．１４倍、１．２８倍と向上している。
【００２５】
次に、静荷重の最大耐力と走行荷重の最大耐力を引張力が０の場合で比較すると、Ｓ−ＰＣ−０が７４．３６ｋＮ、Ｒ−ＲＣ−０が７４．８８ｋＮと略同等な耐力となっている。通常、ＲＣ梁の場合、静荷重の最大耐力と走行荷重の最大耐力を比較すると、走行荷重の場合、１６％程度耐力が低下するが、上記のように、外ケーブル式アーチビームでは走行荷重が及ぼす耐力の低下を防止することができる。
【００２６】
通常のＲＣ梁の供試体の場合、支間２００ｃｍ、部材寸法が幅３０ｃｍ、高さ２１ｃｍ、圧縮鉄筋にＤ１６を２本、引張鉄筋にＤ１６を３本、有効高さ１７．２ｃｍであると、静荷重による最大耐力は８２．１ｋＮとなる。また、走行荷重が作用すると、最大耐力は６８．７ｋＮとなる。
【００２７】
また、支間２００ｃｍ、部材寸法が幅３０ｃｍ、高さ２５ｃｍ、圧縮鉄筋にＤ１６を２本、引張鉄筋にＤ１６を３本、有効高さ２１．２ｃｍであると、静荷重による最大耐力は１０３．６ｋＮとなる。また、走行荷重が作用すると、最大耐力は９３．７ｋＮとなる。
【００２８】
従って、ＲＣ梁の供試体とケーブル式アーチビームの供試体では耐力が略同等であり、死荷重を比較すると、ＲＣ梁の供試体より、大幅に軽量化することができる。
（荷重とたわみ・荷重・ひずみとの関係）
（静荷重の場合）
図５の表に示すように、Ｓ−ＲＣ−０は荷重５０ｋＮからのたわみの増加が著しく、荷重６０ｋＮで残留たわみは１０．２ｍｍとなり急激に増加した。なお、外ケーブルとして使用した異形鉄筋Ｄ１６も５５ｋＮで降伏した。
【００２９】
Ｓ−ＰＣ−０の荷重とひずみの関係は、荷重の増加に比例してたわみも増加している。終局時（荷重７５ｋＮ）で残留たわみは３．６ｍｍとなっている。
【００３０】
Ｓ−ＰＣ−１０は、荷重０ｋＮのときのたわみは−０．４６ｍｍであり、荷重の増加に比例して線形的に増加している。終局時（荷重８５ｋＮ）での最大たわみは２２ｍｍ、残留たわみは０．３ｍｍと少ない。
【００３１】
Ｓ−ＰＣ−２０は、荷重０ｋＮのときのたわみは−１．６ｍｍであり、荷重の増加に比例して線形的に増加している。終局時（荷重９５ｋＮ）での最大たわみは２３．７ｍｍ、残留たわみはほとんどないが、終局時での荷重を除いた後、たわみは−２．９３ｍｍとなった。
（走行荷重の場合）
図６の表に示すように、Ｒ−ＰＣ−０とＲ−ＰＣ−１０とも荷重７５ｋＮで、たわみが２０ｍｍ生じており、同様な結果を得た。
（静荷重と走行荷重の比較）
図７の表に示すように、Ｓ−ＰＣ−０、Ｒ−ＰＣ−０とも急激なたわみの増加は見られず、ひび割れ発生後も耐力を維持しいてる。
（荷重とひずみの関係）
図８の表に示すように、供試体の上縁鉄筋のひずみは、Ｓ−ＲＣ−０の場合、荷重５５ｋＮから降伏し、終局時にはひずみは６０００×１０-6であり、外ケーブルにＰＣ鋼棒を用いたＳ−ＰＣ−０と比較すると耐力の低下及びひずみの増加が著しい。
【００３２】
Ｓ−ＰＣ−０、Ｓ−ＰＣ−１０、Ｓ−ＰＣ−２０の場合、荷重６０ｋＮから降伏しているが、その後の急激なひずみの増加は見られない。走行荷重の場合は、Ｒ−ＰＣ−０、Ｒ−ＰＣ−１０ともに降伏に至っていない。
【００３３】
図９の表に示すように、供試体の下縁鉄筋のひずみは、Ｓ−ＲＣ−０の場合、荷重５５ｋＮで降伏している。しかし、外ケーブルにＰＣ鋼棒を用いたＳ−ＰＣ−０は荷重２０ｋＮで降伏し、荷重３５ｋＮでひずみは５０００×１０-6生じ、その後の荷重でひずみが減少している。これは、荷重３５ｋＮで支間中間のひび割れが貫通し、中立軸でヒンジ作用が生じたものと考えられる。
【００３４】
また、引張力を１０ｋＮ、２０ｋＮ作用させたＳ−ＰＣ−１０、Ｓ−ＰＣ−２０の場合も引張力に比例してひずみが減少している。
【００３５】
従って、ひび割れの発生を抑える方法としては、アーチ・クラウン部の下縁に引張鉄筋あるいはＰＣ鋼棒を挿入することが望ましい。
（外ケーブルの水平力とひずみ）
図１０及び図１１の表に示すように、外ケーブルに異形鉄筋Ｄ１６を用いたＳ−ＲＣ−０は荷重５５ｋＮで降伏し、終局時の外ケーブルのひずみは２４００×１０-6生じた。このときの、外ケーブルの水平力は１３０ｋＮである。
【００３６】
外ケーブルにＰＣ鋼棒を用いたＳ−ＰＣ−０は、終局時７５ｋＮで外ケーブルのひずみは２７００×１０-6生じた。このときの、外ケーブルの水平力は１３０ｋＮである。しかし、終局耐力に鉄筋を用いた場合と比較して１．２４倍となった。
【００３７】
外ケーブルにＰＣ鋼棒を用いたＳ−ＰＣ−１０は、終局時８５ｋＮで外ケーブルのひずみは２７００×１０-6生じた。終局時の水平力は１５１．８ｋＮである。
【００３８】
外ケーブルにＰＣ鋼棒を用いたＳ−ＰＣ−２０は、終局時８５ｋＮで外ケーブルのひずみは２７００×１０-6生じた。終局時の水平力は２００ｋＮである。
【００３９】
次に、走行荷重の場合、Ｒ−ＰＣ−０の場合、外ケーブルのひずみは２７００×１０-6生じ、このときの水平力は１２８ｋＮ、Ｒ−ＰＣ−１０の場合、外ケーブルのひずみは２７００×１０-6生じ、このときの水平力は１４９．７ｋＮである。
（実験結果）
１．外ケーブル（引張材）として、異形鉄筋Ｄ１６を用いた場合、終局耐力は６０ｋＮ、ＰＣ鋼棒を用いた場合、終局耐力が７４．３ｋＮであり、外ケーブルにＰＣ鋼棒を用いた方が耐力の向上が見られた。
２．外ケーブルの初期引張力を１０ｋＮとした場合、耐力が８４．９６ｋＮ、２０ｋＮとした場合、耐力が９５ｋＮであり、１０ｋＮ増加するごとに１５ｋＮの耐力が向上している。
３．支間２．００ｍ、高さ２０ｃｍ、幅３０ｃｍ、引張鉄筋Ｄ１６を３本（有効高さ１７．２ｃｍ）、圧縮鉄筋Ｄ１６を２本配置したＲＣ梁と同等以上の耐力が得られた。従って、ＲＣ床版と比較して大幅な軽量化が図られる。
４．アーチの水平力を外ケーブルで補うことから、主桁のジベルに水平力が殆ど作用しないと考えられる。
５．外ケーブルに初期引張力を作用させることで、耐力を向上させることができる。
６．支間中央は貫通ひび割れとなり、その時点でタイドアーチはヒンジ作用、すなわち、１ヒンジ・アーチ構造となり、耐力の向上が見られた。従って、アーチ構造を１ヒンジ・アーチ構造とすることも考えられる。
７．タイドアーチ構造とする場合は、ひび割れの発生を抑えるためアーチ・クラウン部の上縁・下縁に引張鉄筋とＰＣ鋼棒を配置する必要がある。
８．実験では、外ケーブル式アーチビームを供試体としたが、外ケーブル式アーチスラブとした場合でも同等な耐力を確保することができるため、少数主桁橋梁にも対応できる床版であることが実証された。
【００４０】
次に、図１２及び図１３に示すように、外ケーブル式アーチスラブ３０が、Ｈ型の鋼桁３２に取付けられた道路橋梁について説明する。
【００４１】
鋼桁３２のフランジには、ジベル３４が接合されており、このジベル３４とコンクリートが一体となり、外ケーブル式アーチスラブ３０と鋼桁３２で合成桁が構成されている。この合成桁では、外ケーブル式アーチスラブ３０に剛性があり、桁作用が期待できるため、鋼桁３２の支間が長い少数主桁構造とすることができる。このため、経済的な道路橋梁が設計できる。なお、外ケーブル１２には、プレストレスを導入した方がひび割れの発生を抑えるために好ましく、プレストレス導入後、シース管１６には接着剤が注入され、外ケーブル１２はコンクリートと一体とされる。
【００４２】
また、当然のことながら、外ケーブル１２はジベル３４に当らない位置に配置されており、さらに、ジベルは、孔あき鋼板でなく、スタッドジベルでもよいことは無論である。
【００４３】
また、図１４に示すように、外ケーブル式アーチビーム３６が橋脚４０の上に架け渡されており、歩道橋３８の桁として機能している。このように、外ケーブル式アーチビーム３６を桁と使用した場合、ＲＣ梁と比較して長支間を実現できる。
【００４４】
さらに、図示は省略するが、外ケーブル式アーチビームの支間中央をヒンジで連結した１ヒンジアーチ構造とすることで、支間中央にひび割れが発生することがなく、耐力が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実験に使用した供試体の断面図である。
【図２】静荷重載荷実験の方法を示す説明図である。
【図３】走行重載荷実験の方法を示す説明図である。
【図４】各供試体の最大耐力を示す表である。
【図５】静荷重を作用させたときの荷重とたわみの関係を示すグラフである。
【図６】走行荷重を作用させたときの荷重とたわみの関係を示すグラフであ
【図７】走行荷重と静荷重を作用させたときの荷重とたわみの関係の比較を示すグラフである。
【図８】上縁鉄筋の荷重とひずみの関係を示したグラフである。
【図９】下縁鉄筋の荷重とひずみの関係を示したグラフである。
【図１０】外ケーブルの荷重とひずみの関係を示したグラフである。
【図１１】外ケーブルの荷重と水平力の関係を示したグラフである。
【図１２】外ケーブル式アーチスラブを示す分解斜視図である。
【図１３】外ケーブル式アーチスラブを示す分解斜視図である。
【図１４】外ケーブル式アーチビームを示す分解斜視図である。
【図１５】従来の道路橋梁を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０      供試体（アーチ部材）
１２      外ケーブル
３０      外ケーブル式アーチスラブ（アーチ部材）
３６      外ケーブル式アーチビーム（アーチ部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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