(57)【要約】【課題】  接合面にスタッドボルト等のずれ止め手段を用いて鋼構造と鉄筋コンクリート構造とを一体構造とした鋼コンクリート合成構造に関する合理的で精度の高い設計を実現する。【解決手段】  鋼構造部分と鉄筋コンクリート構造部分とを、スタッドボルト等のずれ止め手段を介して接合してなる鋼コンクリート合成構造の構造解析方法において、鋼構造部分の軸線に沿って設定された梁要素１１Ａと鉄筋コンクリート構造部分の軸線に沿って設定された梁要素１２との間のずれ止め手段位置に、各梁要素の接合節点１９から接合面位置まで剛梁要素１３を設ける。各剛梁要素１３の先端節点１４を、ずれ止め手段位置の節点座標で２重節点として節点間にせん断バネ要素２０を付加して両節点を連結させた解析モデルを設定する。【選択図】  図２
2005076339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼構造部分と鉄筋コンクリート構造部分とを、せん断抵抗部材を介して接合してなる鋼コンクリート合成構造の構造解析方法において、
前記鋼構造部分の軸線に沿って設定された梁要素と前記鉄筋コンクリート構造部分の軸線に沿って設定された梁要素との間の前記せん断抵抗部材の設置位置に、各梁要素の接合節点から接合面位置まで剛梁要素を設け、各剛梁要素の先端節点を、前記せん断抵抗部材の設置位置の節点座標で別個の節点として該節点間にせん断バネ要素を付加して両節点を連結させた解析モデルを設定し、所定荷重作用時における弾性域から弾塑性域までの解析計算を行うことを特徴とする鋼コンクリート合成構造の構造解析方法。
【請求項２】
前記鋼構造部分は、柱列連続地中壁の芯材であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記柱列連続地中壁の山留め空間内に構築されるコンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記芯材の前記山留め空間側にスタッドボルトが溶植されたことを特徴とする請求項１に記載の鋼コンクリート合成構造の構造解析方法。
【請求項３】
前記鋼構造部分は、シールドトンネルの鋼殻であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記シールドトンネルの掘進に従って前記鋼殻の一部が、その躯体の一部に合流する位置に構築された鉄筋コンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記鋼殻のフランジの前記鉄筋コンクリート躯体側に接合鉄筋が列設されたことを特徴とする請求項１に記載の鋼コンクリート合成構造の構造解析方法。
【請求項４】
前記剛梁要素は、前記接合節点を含めて剛部材として設定されるとともに、軸線方向伸縮が拘束された部材であることを特徴とする請求項１に記載の鋼コンクリート合成構造の構造解析方法。
【請求項５】
前記せん断バネ要素は、せん断実験により弾性域及び弾塑性域での部材特性を求め、解析入力値としたことを特徴とする請求項１に記載の鋼コンクリート合成構造の構造解析方法。
【請求項６】
鋼構造部分と鉄筋コンクリート構造部分とを、せん断抵抗部材を介して接合してなる鋼コンクリート合成構造であって、
前記鋼構造部分の軸線に沿って設定された梁要素と前記鉄筋コンクリート構造部分の軸線に沿って設定された梁要素との間の前記せん断抵抗部材の設置位置に、各梁要素の接合節点から接合面位置まで剛梁要素を設け、各剛梁要素の先端節点を、前記せん断抵抗部材の設置位置の節点座標で別個の節点として該節点間にせん断バネ要素を付加して両節点を連結させた解析モデルを設定し、所定荷重作用時における弾性域から弾塑性域までの解析計算により設計されたことを特徴とする鋼コンクリート合成構造。
【請求項７】
前記鋼構造部分は、柱列連続地中壁の芯材であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記柱列連続地中壁の山留め空間内に構築されるコンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記芯材の前記山留め空間側にスタッドボルトが溶植されてなることを特徴とする請求項６に記載の鋼コンクリート合成構造。
【請求項８】
前記鋼構造部分は、シールドトンネルの鋼殻であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記シールドトンネルの掘進に従って前記鋼殻の一部が、その躯体の一部に合流する位置に構築された鉄筋コンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記鋼殻のフランジの前記鉄筋コンクリート躯体側に接合鉄筋が列設されてなることを特徴とする請求項６に記載の鋼コンクリート合成構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼コンクリート合成構造の構造解析方法に係り、特に接合面にスタッドボルト等のずれ止め手段を用いて鋼構造と鉄筋コンクリート構造とを一体構造とした鋼コンクリート合成構造について合理的で精度の高い設計を行える解析モデルを設定して行うようにした鋼コンクリート合成構造の構造解析方法及び同方法を用いて設計された合成構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
基礎掘削の仮設山留め壁として造成された柱列式連続地中壁の芯材を、その内部空間に構築される本体構造の一部として利用する地下外壁構造は、建設コスト低減、敷地の有効活用等の面で有利となる場合があり、鉄筋コンクリート地下構造の際に採用される事例が増加している。図５、図６は、従来のこの種の地下外壁構造５０の一例を示した部分断面図である。柱列式連続地中壁５１は、両図に示したように、先端５１ａが支持層５２まで到達するように壁体延長方向に所定のピッチで造成され、芯材としての細幅系Ｈ形鋼（鋼材）５３が各壁体内に埋設されている（図６参照）。このＨ形鋼５３の本体構造側のフランジ外側面５３ａにはスタッドボルト（以下、単にスタッドと記す。）５４が芯材（Ｈ形鋼）の深さ方向に所定のピッチで溶植され、このスタッド５４が本体構造となる鉄筋コンクリート躯体５５内に埋設され、鋼材５３と鉄筋コンクリート躯体５５との一体化が図られるようになっている。
【０００３】
ところで、上述した地下外壁構造のような連続地中壁の芯材を本体利用し、鋼材と鉄筋コンクリートとを一体化させた合成構造の設計では、異種の構成部材の剛性、寸法を考慮した合成断面を有する平面骨組解析モデルを設定し、単位幅当たり（たとえばＨ形鋼の打設間隔に相当）の換算部材特性を設定して構造解析を行っている。そして得られた断面力を、合成構造を構成する部材ごとの剛性比等により決定された係数により分配し、対象となる単位幅当たりの壁、梁の断面設計を行っている。このとき鋼材と鉄筋コンクリートとはその接合面に設けられたスタッド等のずれ止め部材（せん断抵抗部材、シアコネクタ）により外力に対して一体的な挙動を示すが、このスタッドの力学的評価が困難であるため、たとえばスタッドが深さ方向にピッチを変えて配置された場合にも深さ方向に一様配置のモデル化が行われていた。
【０００４】
また、上述した地下外壁構造のようなＨ形鋼を芯材とする土留壁を本体利用する鋼コンクリート合成構造の設計手法を示した設計指針として非特許文献１がある。
【０００５】
【非特許文献１】社団法人日本トンネル技術協会編，「Ｈ形鋼を芯材とする土留壁本体利用の手引き」，平成１４年７月発刊
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
たとえば、上述の解析手法を用いて設計したり、設計指針（たとえば非特許文献１）に準拠して行う従来の設計には、以下の問題点があることが知られている。
(1)スタッド等のずれ止め部材の総本数と接合面積をもとに、合成構造全体として剛性等から、発生断面力を鋼材と鉄筋コンクリートの各部材のために断面力の配分を評価するため、各部の断面力の発生状況に応じた合理的なずれ止め部材の設計を行うことができない。このため安全側設計の部材配置を前提とするため、不経済な設計にならざるを得ない。
(2)合成構造における異種部材間の接合部、隅角部等の特殊形状部分に対する構造解析手法が確立されていない。
(3)上記設計指針では部材弾性域での設計を前提としている。これに対して地震時（たとえばレベル２地震を想定）を考慮した構造物の安全性を確認するためには、構造物の弾塑性挙動の把握を行う非線形解析を行う必要がある。この場合、鋼構造及び鉄筋コンクリート構造では、既往例をもとにして各設計基準において、非線形特性を適用した設計手法が確立されているが、スタッドを用いた鋼コンクリート合成構造の構造解析においては、スタッドの適正な評価がなされていなかった。
【０００７】
また、構造物の形状が複雑な鋼コンクリート合成構造物の場合、荷重作用時の発生断面力を的確に得るため、作用荷重を適切に設定するとともに、構造解析手法、解析モデルの選択も重要である。以下、解析モデルの設定例を説明し、各モデル化における問題点を示す。図７は、ＲＣ造の２階建ての鉄筋コンクリート躯体６５の側面にシールドトンネル７０，７１が合流する区間の一断面を示したトンネル拡幅部６０の横断面図である。このトンネル拡幅部６０は、同図に示したように、上下に所定の離隔で掘削された２本のシールドトンネル７０，７１の鋼殻（鋼製セグメント）７２の一部が取り除かれ、鋼殻７２を構成する２重フランジの外側面７２ａに、機械継手を用いて接合された接合鉄筋や補強プレート等のせん断抵抗部材、引張抵抗部材（図示せず）が鉄筋コンクリート躯体６５の各段スラブ（頂版、底版、中間床）の一部に埋設され一体的に接合されている。
【０００８】
このトンネル拡幅部の設計のための解析モデルとしては、対象構造物の軸線に沿って設定された平面骨組梁要素が一般的である（図８（ａ）参照）。この解析モデルは、モデル化、解析計算が容易であるため、概略設計に用いることができるが、図７に示したような鋼殻７２とコンクリート躯体６５との接合部６１の挙動を正確に把握することができないため、接合部６１の詳細な断面設計ができない。
【０００９】
一方、実際の構造物の性状を反映し、高精度の解析結果を得られる解析としては、図８（ｂ）に示したような各部材の厚さ、形状を考慮したソリッド要素を用いた有限要素法解析がある。この解析モデルによれば、対象構造物全体の応力状態を適切に把握することができるが、接合部に用いられる接合鉄筋等も要素化するため、詳細で膨大な要素データを作成する必要があり、解析計算に長時間を要する場合もある。解析モデルの簡素化のために、鋼殻部分を梁要素とし、コンクリート躯体部分をソリッド要素とした解析モデルも設定できるが、接合部における鋼殻の２重フランジの桁高を考慮できないため、配置された各種のせん断抵抗部材を考慮した正確なモデル化を行えないという問題がある。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、鋼構造と鉄筋コンクリート構造との接合部におけるせん断抵抗部材の挙動を的確に再現可能なモデル化を行った鋼コンクリート合成構造の構造解析方法及びこの構造解析方法を用いて設計された合成構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は鋼構造部分と鉄筋コンクリート構造部分とを、せん断抵抗部材を介して接合してなる鋼コンクリート合成構造の構造解析方法において、前記鋼構造部分の軸線に沿って設定された梁要素と前記鉄筋コンクリート構造部分の軸線に沿って設定された梁要素との間の前記せん断抵抗部材の設置位置に、各梁要素の接合節点から接合面位置まで剛梁要素を設け、各剛梁要素の先端節点を、前記せん断抵抗部材の設置位置の節点座標で別個の節点として該節点間にせん断バネ要素を付加して両節点を連結させた解析モデルを設定し、所定荷重作用時における弾性域から弾塑性域までの解析計算を行うことを特徴とする。
【００１１】
前記鋼構造部分は、柱列連続地中壁の芯材であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記柱列連続地中壁の山留め空間内に構築されるコンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記芯材の前記山留め空間側にスタッドボルトを溶植することが好ましい。
【００１２】
前記鋼構造部分は、シールドトンネルの鋼殻であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記シールドトンネルの掘進に従って前記鋼殻の一部が、その躯体の一部に合流する位置に構築された鉄筋コンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記鋼殻のフランジの前記鉄筋コンクリート躯体側に接合鉄筋を列設することが好ましい。
【００１３】
前記剛梁要素は、前記接合節点を含めて曲げ剛性が著しく大きい剛部材とされるとともに、各梁要素に垂直に配置され、軸方向伸縮が拘束された部材とすることが好ましい。
【００１４】
前記せん断バネ要素は、せん断実験により弾性域、弾塑性域での部材特性を求め、解析値とすることが好ましい。
【００１５】
また、鋼構造部分と鉄筋コンクリート構造部分とを、せん断抵抗部材を介して接合してなる鋼コンクリート合成構造であって、前記鋼構造部分の軸線に沿って設定された梁要素と前記鉄筋コンクリート構造部分の軸線に沿って設定された梁要素との間の前記せん断抵抗部材の設置位置に、各梁要素の接合節点から接合面位置まで剛梁要素を設け、各剛梁要素の先端節点を、前記せん断抵抗部材の設置位置の節点座標で別個の節点として該節点間にせん断バネ要素を付加して両節点を連結させた解析モデルを設定し、所定荷重作用時における弾性域から弾塑性域までの解析計算により設計された合成構造を特徴とする。
【００１６】
前記鋼構造部分は、柱列連続地中壁の芯材であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記柱列連続地中壁の山留め空間内に構築されるコンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記芯材の前記山留め空間側にスタッドボルトが溶植されてなるような鋼コンクリート合成構造であることが好ましい。
【００１７】
また、前記鋼構造部分は、シールドトンネルの鋼殻であり、前記鉄筋コンクリート構造部分は、前記シールドトンネルの掘進に従って前記鋼殻の一部が、その躯体の一部に合流する位置に構築された鉄筋コンクリート躯体であり、前記せん断抵抗部材として、前記鋼殻のフランジの前記鉄筋コンクリート躯体側に接合鉄筋が列設されてなるような鋼コンクリート合成構造であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上述の発明によれば、比較的簡単な解析モデルの設定により、解析対象である鋼コンクリート合成構造物の接合部に用いられるせん断抵抗部材を適正に評価することができ、実際の構造物の性状を反映した高精度の解析結果を得られ、また設計対象である鋼コンクリート合成構造の適正な設計を行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００２０】
［解析モデルの構成］
実施例１として、図５を参照して上述した地下外壁構造５０のモデル化を行い、その解析モデルの特徴について説明する。なお、解析モデル１０は、地震時の水平方向荷重を作用させるため全断面モデルとするが、同構造物は対称形状であるため、図１では右半断面のみを示している。同図に示したように、解析モデル１０は、基本的に、鉄筋コンクリート構造からなるコンクリート躯体の軸線に沿って設定された梁要素１１Ａ，１１Ｂと、芯材としてのＨ形鋼の軸線に沿って設定された梁要素１２とから構成されている。コンクリート躯体の底版に相当する梁要素１１Ｂと外側壁に相当する形鋼の梁要素１２は、周辺地盤の地盤特性をもとに設定されたバネ定数（Ｋhi，Ｋv）からなる地盤バネ要素で支持されている。
【００２１】
また、Ｈ形鋼のフランジに固着されたずれ止めとしてのせん断抵抗部材の設置位置（深さ）には、せん断バネ要素２０（図１に○印で表示）が付加されている。このせん断バネ要素２０は、図２に示したように、鉄筋コンクリートの梁要素１１Ａと、Ｈ形鋼の梁要素１２からその接合面位置（鉄筋コンクリートとＨ形鋼とが接する面位置。ここではスタッド等が植設されるＨ形鋼の表面）まで延設された各剛梁要素１３の先端節点１４，１４間に設けられている。すなわち、鉄筋コンクリート側とＨ形鋼側とにそれぞれの梁要素の接合節点１９で接合した剛梁要素１３の先端部（先端節点１４）を、それぞれそれぞれ同一座標からなる２重節点とし、この２重節点位置に植設されたスタッドのせん断剛性を部材特性とするバネ要素２０を配置したものである。
【００２２】
剛梁要素１３は、荷重作用時に部材方向伸縮が拘束されるとともに、梁要素１１Ａ，１２との接合節点１９を含めて曲げ剛性が著しく大きい剛部材として設定されている。先端節点１４，１４は梁要素１１Ａの対象とする鉄筋コンクリート側のスタッドが植設された接合面位置と、梁要素１２の対象とするＨ形鋼側のスタッドが植設された接合面位置の挙動を正確に反映するようになっている。
【００２３】
本実施例では、せん断バネ要素の解析値としては、鋼材のフランジに所定ピッチで溶植したスタッド（φ１６，Ｌ＝１２０mm）の想定荷重方向に関するせん断試験を行い、せん断抵抗部材としての弾塑性性状を把握した部材特性値（トリリニア型）を使用した。また、鉄筋コンクリート、Ｈ形鋼の非線形特性（弾塑性域の材料特性）は、ともに自重による軸圧縮状態を考慮し、鉄筋コンクリート部分は道路橋示方書（コンクリート橋編）に準拠し、トリリニア型のＭ−φ関係で与えた。またＨ形鋼部分はフランジ降伏点を折れ点とするバイリニア型のＭ−φ関係で与えた。
【００２４】
［解析結果の評価］
設定解析値の評価に関しては、実際の構造物を模した合成梁試験体による１点載荷曲げ試験と解析結果との荷重−変位量（Ｐ−δ）関係の比較により行った。弾性域では、合成梁の解析値による弾性剛性は実験値（長期許容応力における割線剛性）よりわずかに大きくなり、非特許文献１に記載された理論式とほぼ一致する結果を得た。また、弾塑性解析結果（Ｐ−δ関係）によれば、降伏点近くまで非線形領域に対して実験時の挙動を良好に再現できることが確認できた。
【実施例２】
【００２５】
実施例２として、上述したトンネル拡幅部６０における鋼コンクリート合成構造（図７）のモデル化を行い、その解析モデルの特徴について説明する。この解析モデルでは、同図に示したように、鉄筋コンクリート躯体６５の側壁は地下外壁構造となっている。そこで、実施例１に示した場合と同様に、鉄筋コンクリート躯体６５とＨ形鋼６２とは梁要素を連続させた平行な２本の直線状の梁要素１５，１６と、鋼殻７２と各スラブ（頂版、底版、中間床）との接合部を模した２本の曲線状の梁要素１７，１８とを設定し、さらに各２本の梁要素（１５，１６），（１７，１８）間の、接合部材、せん断抵抗部材としての接合鉄筋、補強プレート（図示せず）の設置位置に対応させた位置で剛梁要素１３をそれぞれの梁要素に接合し、剛梁要素１３の先端節点１４，１４を同一座標の２重節点として、これらの間にせん断バネ要素２０を配置した（図３参照）。同図ではせん断バネ要素２０の配置位置を○印で示している。各剛梁要素１３は、図４に示したように、２本の曲がり梁間に配置され、荷重作用時に部材方向伸縮が拘束されるとともに、梁要素との接合節点１９を含めて曲げ剛性が著しく大きい剛部材として設定されている。先端節点１４，１４は、それぞれの梁要素１対象とする鉄筋コンクリートとＨ形鋼あるいは鉄筋コンクリートと鋼殻との接合面位置の挙動を正確に反映するようになっている。
【００２６】
本実施例では、鋼殻６５の２重フランジ内に所定ピッチで機械継手を介して配筋された接合鉄筋（Ｄ５１，＠２５０mm）のせん断抵抗部材としての弾塑性性状を把握し、解析入力値（トリリニア型）として使用した。また、前述の実施例１と同様に、鉄筋コンクリート、鋼殻の非線形特性（弾塑性域の材料特性）はともに自重による軸圧縮状態を考慮し、鉄筋コンクリート部分は道路橋示方書（コンクリート橋編）に準拠し、トリリニア型のＭ−φ関係で与えた。またＨ形鋼部分はフランジ降伏点を折れ点とするバイリニア型のＭ−φ関係で与えた。
【００２７】
［解析結果の評価］
接合部におけるせん断バネ要素の設定解析値の評価は、図８（ｂ）に示したソリッド要素を用いた解析モデルによる解析結果と、図３に示した梁要素、せん断バネ要素、剛梁要素の合成要素モデルとの比較により行った。接合部の両端の鉄筋コンクリート部（ａ−ａ）と鋼殻と鉄筋コンクリートの断面変化部（ｂ−ｂ）における断面力を比較した結果、（ａ−ａ）部では、接合部に連続した鋼殻が厚肉シェルとして挙動する結果、接合部の鋼殻側の端部モーメントはソリッド要素で置き換えた場合より約２０％低減されることが確認された。したがって、上述の合成要素を用いた解析モデルの場合、鋼殻側の接合部においては安全側の設計となり、適正な低減係数等を考慮した設計を行うことができる。（ｂ−ｂ）部では、両解析で同等の結果を得た。
【００２８】
なお、解析モデルの設定において、図８（ｂ）に示したような鋼殻と鉄筋コンクリートとをソリッド要素によって全体の解析モデルを構成し、せん断抵抗部材の設置位置を２重節点とし、該当する２重節点に上述したせん断バネ要素を付加した解析モデルを設定することも可能である。
【００２９】
また、鋼コンクリート合成構造における鋼材とコンクリートとの接合面に設けられるせん断抵抗部材（ずれ止め部材）としては、上述したスタッドの他、鉄筋加工品、形鋼プレート加工品、各種形状ジベル等を用いることができる。したがって、解析時に用いる個々の部材の部材特性は、実際の接合部を再現した各種せん断試験、既往データ等をもとに把握しておくことが重要である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による設計方法に用いる解析モデルの一実施例を示した解析モデル全体図。
【図２】芯材形鋼と鉄筋コンクリート部の接合部における解析モデル拡大図。
【図３】本発明による設計方法に用いる解析モデルの他の実施例を示した解析モデル全体図。
【図４】鋼殻と鉄筋コンクリート部の接合部における解析モデル拡大図。
【図５】地下外壁構造の一例を示した構造断面図。
【図６】図５に示した地下外壁構造のVI-VI断面線に沿って示した部分断面図。
【図７】シールドトンネルが鉄筋コンクリート躯体に合流して構成されたトンネル拡幅部の一例を示した構造断面図。
【図８】図７に示したトンネル拡幅部の解析モデル全体図（（ａ）梁要素、（ｂ）ソリッド要素による）。
【符号の説明】
【００３１】
１０  解析モデル
１１Ａ，１１Ｂ，１２，１５，１６，１７，１８  梁要素
１３  剛梁要素
１４  先端節点（２重節点）
１９  接合節点
２０  せん断バネ要素
５０  地下外壁構造
６０  トンネル拡幅部
【図１】
2005076339.tif 000003
【図２】
2005076339.tif 000004
【図３】
2005076339.tif 000005
【図４】
2005076339.tif 000006
【図５】
2005076339.tif 000007
【図６】
2005076339.tif 000008
【図７】
2005076339.tif 000009
【図８】
2005076339.tif 000010