(57)【要約】【課題】荷重を受ける環境下で施工される桁構造において、桁の上面におけるコンクリートのひび割れの発生を抑制することができる桁構造及び桁の施工方法を提供する。【解決手段】橋桁１は、列車の走行による荷重を受ける環境下で施工される。この橋桁１は、工事桁３と、波型埋設型枠１７と、この波型埋設型枠１７にコンクリートが打設されて工事桁３を被覆するように設けられたコンクリート部７と、を備えている。そして、橋桁１は、コンクリート部７の凝結前において、列車の走行による荷重を受けた場合にコンクリート部７の上面７ａに生じる最大の引張歪みが５００μ以下であるように設計されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重を受ける環境下で施工される桁構造において、
仮設の鋼製桁と、
前記鋼製桁の周囲において当該鋼製桁の長手方向に延在する波型埋設型枠と、
前記波型埋設型枠にコンクリートが打設されて前記鋼製桁を被覆するように設けられたコンクリート部と、を備え、
前記コンクリート部の凝結前において、列車の走行による荷重を受けた場合に前記コンクリート部上面に生じる引張歪みが５００μ以下であることを特徴とする桁構造。
【請求項２】
前記コンクリート部の凝結後において、前記列車の走行による荷重を受けた場合に前記コンクリート部上面に生じる引張応力度が、前記コンクリート部の凝結後における引張強度以下であることを特徴とする請求項１に記載の桁構造。
【請求項３】
荷重を受ける桁を、当該荷重を受ける環境下で施工する施工方法において、
仮設の鋼製桁の周囲において当該鋼製桁の長手方向に分割埋設型枠片を配列して分割埋設型枠を形成し、前記鋼製桁を被覆するコンクリートを打設する打設工程と、
打設された前記コンクリートの上面に天端型枠を被せるように設置し、前記コンクリートを凝結させる凝結工程と、を備え、
前記桁は、
前記コンクリート部の凝結前において、列車の走行による荷重を受けた場合のたわみが、スパン長の４５００分の１以下であることを特徴とする桁の施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重を受ける環境下で施工される桁構造、及びこのような桁の施工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の橋桁が知られている。この橋桁は、Ｈ型鋼の周囲に埋設型枠を設置し、この埋設型枠内にコンクリートを打設することで施工される。このような橋桁の施工を、例えば鉄道橋梁の架け替え工事に採用した場合には、列車の運行を妨げないよう、コンクリートの硬化を待たずに、この橋桁に列車を通行させる必要がある。
【特許文献１】特開２００４−１６９５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような場合には、コンクリートが未硬化のうちに列車の走行による振動を受けることになる。そして、この振動による荷重によって、橋桁の上面にコンクリートのひび割れが発生する場合があり、このようなひび割れは、橋桁の耐久性を低下させてしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、荷重を受ける環境下で施工される桁構造において、桁の上面におけるコンクリートのひび割れの発生を抑制することができる桁構造及び桁の施工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、鋼製桁の周囲にコンクリート部が設けられた桁構造において、荷重を受ける環境下で施工される場合に、桁のコンクリートの上面におけるひび割れの発生メカニズムを検討した。ここで、本発明者らは、打設したコンクリート部が未硬化の時にはコンクリートが流動状態にあることから、桁が荷重を受けたときに、鋼製桁とコンクリート部とが違う挙動をすることに着目した。そして、本発明者らは、コンクリート部が未硬化の状態で桁が振動を受けたときには、鋼製桁のたわみがない状態のときに、コンクリート部の上面には引張歪みが生じており、この引張歪みによって上記ひび割れが発生していることを見出した。
【０００６】
この知見に基づき、本発明に係る桁構造は、荷重を受ける環境下で施工される桁構造において、仮設の鋼製桁と、鋼製桁の周囲において当該鋼製桁の長手方向に延在する波型埋設型枠と、波型埋設型枠にコンクリートが打設されて鋼製桁を被覆するように設けられたコンクリート部と、を備え、コンクリート部の凝結前において、列車の走行による荷重を受けた場合にコンクリート部上面に生じる引張歪みが５００μ以下であることを特徴とする。
【０００７】
波形埋設型枠を用いたこのような桁構造によれば、コンクリート部の凝結前においては、コンクリート部上面に生じる引張歪みを上記の５００μ（５・１０−４）以下の範囲に抑えることで、コンクリート部の凝結前に発生するコンクリート部上面のひび割れを抑制することができる。
【０００８】
また、本発明に係る桁構造は、コンクリート部の凝結後において、列車の走行による荷重を受けた場合にコンクリート部上面に生じる引張応力度が、コンクリート部の凝結後における引張強度以下であることが好ましい。
【０００９】
この場合、コンクリート部の凝結後においては、荷重を受けた場合にコンクリート部上面に生じる最大の引張応力度が、コンクリート部の凝結後における引張強度以下であるので、コンクリート部の凝結後においても上記引張歪みによってコンクリート部上面にひび割れが発生することを抑制することができる。
【００１０】
本発明の桁の施工方法は、荷重を受ける桁を、当該荷重を受ける環境下で施工する施工方法において、仮設の鋼製桁の周囲において当該鋼製桁の長手方向に分割埋設型枠片を配列して分割埋設型枠を形成し、鋼製桁を被覆するコンクリートを打設する打設工程と、打設されたコンクリートの上面に天端型枠を被せるように設置し、コンクリートを凝結させる凝結工程と、を備え、桁は、コンクリート部の凝結前において、列車の走行による荷重を受けた場合のたわみが、スパン長の４５００分の１以下であることを特徴とする。
【００１１】
コンクリート部の凝結前において、桁が荷重を受けた場合、本発明者らの知見によれば、前述の通り、コンクリートの上面には引張歪みが生じ、その引張歪みがコンクリートの上面におけるひび割れの原因となる。これに対し、上記施工方法によれば、打設されたコンクリートの上面に天端型枠が被せられているので、天端型枠がコンクリート上面を押さえて上記引張歪みの発生を抑制することができる。従って、コンクリート部上面におけるひび割れの発生を抑制することができる。
【００１２】
更に、この桁は、コンクリート部の凝結前において、列車の走行による荷重を受けた場合のたわみが、スパン長の４５００分の１以下であるので、コンクリート部の凝結前においてコンクリート部上面に生じる引張歪みを所定値以下に抑えることができる。従って、コンクリート部上面におけるひび割れの発生を更に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の桁構造及び桁の施工方法によれば、荷重を受ける環境下で施工される桁構造において、橋桁の上面におけるコンクリートのひび割れの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る桁構造及び桁の施工方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１及び図２に示す橋桁１は、鉄道橋梁における仮設用の桁として用いられる鋼製の工事桁（鋼製桁）３を、補強桁５と一緒にコンクリート部７で被覆することにより、鉄道橋梁の本設の橋桁として使用可能としたものである。この橋桁１は、２本の橋脚９にそれぞれ設けられた２つの支点９ａ，９ａにより支持されているので、この橋桁１のスパン長は、支点９ａ，９ａ間の距離Ｌで表される。この橋桁１上には、列車を通過させるための枕木１１及びレール１３が敷設される。
【００１６】
上記工事桁３は、橋桁１の延在方向に延在するＨ型鋼からなる一対の主桁３ａと、この主桁３ａ，３ａ同士を連結する枕木受桁３ｂからなる鋼部材である。更に、橋桁１は、主桁３ａ，３ａと平行に延在する一対の補強桁５，５を備えており、各主桁３ａの下側のフランジと各補強桁５の上側のフランジとがボルト接合されることで、主桁３ａ，３ａと補強桁５，５とが連結されている。このように、橋桁１においては、工事桁３及び補強桁５，５が一体となり、本設の橋桁に使用し得る強度の鉄骨部１５を構成している。
【００１７】
そして、この橋桁１においては、鉄骨部１５を取り囲むように埋設型枠１７が設けられている。この埋設型枠１７は、コンクリートを打設するための型枠として機能すべく、橋桁１の外形及び寸法を規定するように配置されている。この埋設型枠１７の内側にコンクリートが打ち込まれ硬化することで、鉄骨部１５を被覆するコンクリート部７が形成されている。更に、この埋設型枠１７は、コンクリートの硬化後においては、コンクリート部７と一体化し橋桁１の外壁を構成するので、この橋桁１の施工においては型枠の取り外し作業が不要になる。
【００１８】
この埋設型枠１７は、波形断面をもつ鋼板からなる波形埋設型枠である。例えば、この埋設型枠１７のうち、橋桁１の最も外側の壁を構成する埋設型枠１７ａは、橋桁１の延在方向に延びており、拡幅された補強桁５の下側フランジの上面縁部に立設されている。また、埋設型枠１７の他の各部も、埋設型枠１７ａと同様に、波形の鋼板で構成されている。このような埋設型枠１７は、非構造部材である型枠治具（図示せず）により鉄骨部１５に固定されている。このような波形埋設型枠１７は、橋桁１全体のたわみに追従して変形することが可能である。例えば、波形埋設型枠１７は、普通鋼でめっき処理され幅６５０ｍｍに分割されたデッキプレート（ＪＩＳ  Ｇ  ３３５２）が、重ね幅３０ｍｍの重ね継手により連結されることで構成されている。
【００１９】
続いて、この橋桁１の施工方法について説明する。まず、工事桁３の各主桁３ａ，３ａの下方に、各補強桁５，５をボルト接合により取り付け、鉄骨部１５を組み立てる。次に、各補強桁５，５の下側フランジの上面縁部に波形埋設型枠１７ａを設置すると共に、波形埋設型枠１７ａと同様の波形鋼板を鉄骨部１５の周囲に設置し埋設型枠１７を完成させる。上述のとおり、この埋設型枠１７は、非構造部材である型枠治具（図示せず）によって鉄骨部１５に固定される。その後、埋設型枠１７の内側にコンクリートを打設し、この状態で放置すると、打設したコンクリートの硬化によって、鉄骨部１５を被覆するコンクリート部７が形成され、橋桁１が完成する。
【００２０】
上記施工方法において、コンクリート部７が完全に硬化するためには、１５時間程度の時間が必要である。従って、この橋桁１が、橋梁の架け替え工事に適用される場合には、列車の運行を確保すべく、コンクリート部７が硬化しないうちにこの橋桁１上に列車を通過させる必要がある。このような場合には、コンクリート部７が未硬化のうちに、列車の走行による振動を受けることになる。そして、この振動に起因して、コンクリート部７の上面７ａにひび割れが発生する可能性があり、橋桁１の耐久性が低下してしまうおそれがある。
【００２１】
ここで、本発明者らが見出した知見によると、コンクリート部７の硬化中にはコンクリート部７は流動状態にあるので、橋桁１が列車の走行による振動を受けた場合、コンクリート部７は鉄骨部１５とは違う挙動をする。すなわち、鉄骨部１５が、たわみが無い状態（無荷重の状態）になったときに対応して、コンクリート部７の上面７ａ付近には引張歪みεｔが生じる。
【００２２】
そして、上記のような上面７ａのひび割れは、この引張歪みεｔによって、コンクリート部７の凝結前及び／又は凝結後に発生するものである。ここで、コンクリート部７の凝結前とは、コンクリート部７の貫入抵抗値が３．５Ｎ／ｍｍ２に達する前をいい、コンクリート部７の凝結後とは、コンクリート部７の貫入抵抗値が２８．５Ｎ／ｍｍ２に達した以降をいう。
【００２３】
更に、本発明者らは、橋桁１が振動を受けた場合のこの引張歪みεｔの大きさは、下記（１）式で推定できることを見出した。
εｔ＝１／２・εｃ  …（１）
但し、この式中の歪みεｃは、以下のように求められる仮想的な歪みである。まず、橋桁１の曲げ剛性が鉄骨部１５のみの曲げ剛性に等しいと仮定した場合の、橋桁１の変形を考える。そして、このときの橋桁１の変形から幾何学的に導き出されるコンクリート部上面７ａの仮想的な歪みが、εｃである。そして、式（１）に示すように、ひび割れの原因となる上記引張歪みεｔは、この仮想的な歪みεｃの半分の量として推定することができる。なお、仮想的な歪みεｃ及び引張歪みεｔは、コンクリート部上面７ａのうち、スパン中央の位置で最大値となる。
【００２４】
更に、本発明者らの種々の実験によれば、上記引張歪みεｔを５００μ以下にすることで、コンクリート部７の凝結前に発生するコンクリート部上面７ａのひび割れを十分に抑制できることが判明した。すなわち、εｔが最大値をとるスパン中央において、
εｔ≦５００μ  …（２）
を満足するように橋桁１を設計することが、コンクリート部上面７ａのひび割れを抑制する上で好ましい。すなわち、式（１），（２）によれば、εｃ≦１０００μを満足する必要があるので、橋桁１に列車の走行による荷重を加えた場合に、スパン中央における上記仮想歪みεｃが１０００μ以下になるように、橋桁１を設計すればよい。このような設計は、橋桁１のスパン長、鉄骨部１５の剛性、といったパラメータを適切な値にすることで実現できる。なお、この橋桁１においては、工事桁３に補強桁５を取り付けて鉄骨部１５が構成されているので、鉄骨部１５の剛性が高められ、式（２）の条件に合う橋桁１の設計を容易にしている。
【００２５】
また、本発明者らの種々の実験によれば、更にコンクリート部７の凝結後に発生するひび割れを抑制するため、コンクリート部７の凝結後において、橋桁１が列車の走行による荷重を受けた場合にコンクリート部７上面に生じる引張応力度σｔが、コンクリート部の凝結後における引張強度ｆ以下になることが好ましい。すなわち、橋桁１が下式（３）を満足するように橋桁１を設計すればよい。
σｔ≦ｆ  …（３）
ここで、引張応力度σｔは、以下の式（４）により求められる。
σｔ＝Ｅｅ（ｔ）・εｔ  …（４）
但し、Ｅｅ（ｔ）は、凝結後のコンクリート部７の有効ヤング率であり、硬化後のコンクリート部７の圧縮試験の結果に基づいて算出される。また、凝結後における引張強度ｆは、硬化したコンクリート部７の圧縮試験により求められる。このような設計は、橋桁１のスパン長、及びコンクリート部７の剛性を適切な値にすることで実現できる。
【００２６】
なお、ここで、橋桁１の設計に用いる上述の「列車の走行による荷重」とは、列車荷重と、列車の走行による衝撃荷重とを加えたものである。
【００２７】
以上のように設計された橋桁１により、コンクリート部７の凝結前及び凝結後に発生するひび割れを抑制することができる。なお、このようなひび割れは、コンクリート部７の凝結の開始から凝結が終了するまでの間にはほとんど発生しないことが本発明者らの実験により判明している。
【００２８】
（実施例）
図３及び図４に示すように、上述の橋桁１をモデル化した単純梁５１を構成する試験体を作製し、載荷試験を行った。試験体の作製は、まず、ＳＳ４００からなるＨ型鋼５３の下フランジに、ＳＳ４００からなる鋼板５５を溶接し、この鋼板５５上に点溶接したＬ字鋼に波形埋設型枠５７をボルト止めした。波形埋設型枠５７は、幅６５ｍｍ、板厚０．８ｍｍのキーストーンプレートを、ラップ長１１０ｍｍの重ね継ぎ手で点溶接し延長させて作製した。スパン中央のＨ型鋼５３の上面には、荷重載荷点となる鋼製の載荷コマ５４を溶接した。なお、この単純梁５１の各部の寸法は、図３，４に示す通りである。このような試験体を６つ（以下試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６とする）作製した。
【００２９】
これらの各試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６を、図３に示すような配置で１０００ｋＮ疲労試験機にセットし、コンクリート部５９を形成するためのコンクリートを打設した。使用したコンクリートは、スランプフロー６００ｍｍ程度の高流動コンクリートであり、配合は、以下の通りである。
Ｗ／Ｃ（水セメント比）：  ３４．６％
Ｓ／ａ（細骨材率）    ：  ５０％
Ｗ（単位水量）        ：  １７０ｋｇ／ｍ３
Ｃ（単位セメント量）  ：  ４９２ｋｇ／ｍ３
Ｓ（単位細骨材量）    ：  ８４５ｋｇ／ｍ３
Ｇ（単位粗骨材量）    ：  ８７２ｋｇ／ｍ３
減水剤                ：  １．５％
また、コンクリートには、比重１．３、長さ３０ｍｍ、経０．６６ｍｍのビニロン繊維を、０．７〜１．０ Vol.%混入した。
【００３０】
そして、各試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６ごとに、「初期たわみ量」、「載荷パターン」、及び「繊維混入率」を設定し、コンクリート打設の直後から７２時間後まで（但し、試験体Ｎｏ．６のみ２４時間後まで）、所定の動的載荷Ｐを荷重制御により作用させた。試験体諸元は下表１に示す通りである。ここで、「初期たわみ量」とは、試験開始時にこの初期たわみ量を生じさせるような大きさの荷重を試験体に作用させることを意味する。なお、この荷重の大きさは、試験終了まで変化させないので、各試験体における実際のたわみ量は、コンクリートが硬化し試験体の剛性が向上するに従って減少することになる。「載荷パターン」としては、１Ｈｚの動的荷重を連続して作用させる「連続載荷」と、１Ｈｚの動的荷重を３分間隔で１分間ずつ作用させる「断続載荷」との２つのパターンを設定した。
【００３１】
このような試験によって、試験体Ｎｏ．１，２，３，５，６には、コンクリート部５９上面にひび割れが発生し、試験体Ｎｏ．４には、ひび割れが発生しなかった。そこで、試験体Ｎｏ．１，２，３，５，６については、発生したひび割れのうち最も支点に近いひび割れの位置におけるコンクリート部５９上面の引張応力度σｔを算出した。試験体Ｎｏ．４については、コンクリート部５９上面のうち最大の引張応力度が生じるスパン中央における引張応力度σｔを算出した。また、試験体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６について、コンクリート部５９の硬化後に圧縮試験を行い、コンクリート部５９の凝結後における引張強度ｆを算出した。ここで算出した引張応力度σｔと、引張強度ｆとは、表１に示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
この表１に示す結果によれば、引張応力度σｔと引張強度ｆとが、前述の式（３）を満足する試験体Ｎｏ．４にはひび割れが発生せず、式（３）を満足しない試験体Ｎｏ．１，２，３，５，６にはひび割れが発生している。従って、本試験の結果、単純梁５１においては、式（３）を満足するような設計を行うことにより、コンクリート部５９の凝結後における、コンクリート部５９上面のひび割れ発生を抑制できることが判った。
【００３４】
本試験により判明したこの結論は、実際の橋桁１にもそのまま適用が可能であると考えられるので、橋桁１においても、式（３）を満足するような設計を行うことにより、コンクリート部上面７ａのひび割れ発生を抑制することができる。
【００３５】
（第２実施形態）
図５に示す橋桁３１は、橋桁１における波形埋設型枠１７に代えて、分割埋設型枠４７を用いたものである。例えば、この埋設型枠４７のうち、橋桁１の最も外側の壁を構成する埋設型枠４７ａは、橋桁１の延在方向に配列された板状の分割型枠片４７ｂで構成されている。すなわち、この複数の分割型枠片４７ｂは、補強桁５の下側フランジの上面縁部に立設され配列されており、各分割型枠片４７ｂ同士の間の目地には弾性シーリング材が充填され、一体となった埋設型枠４７ａを構成している。また、埋設型枠４７の他の各部も、埋設型枠４７ａと同様に、配列された分割型枠片で構成されている。このような分割型枠片４７ｂは、例えば、幅６００ｍｍ程度のモルタル製の板部材からなり、約１ｍｍ幅の目地部を設けながら配列される。
【００３６】
続いて、この橋桁３１の施工方法について説明する。まず、工事桁３の各主桁３ａ，３ａの下方に、各補強桁５，５をボルト接合により取り付け、鉄骨部１５を組み立てる。次に、各補強桁５，５の下側フランジの上面縁部に分割型枠片４７ｂを配列すると共に、同様の分割型枠片を鉄骨部１５の周囲に設置し、分割型枠片の目地に弾性シーリング材を充填し埋設型枠４７を完成させる。この埋設型枠４７は、非構造部材である型枠治具（図示せず）により鉄骨部１５に固定される。その後、この埋設型枠４７の内側にコンクリートを打設する（打設工程）。
【００３７】
このような、分割埋設型枠４７を採用した橋桁３１においては、ひび割れの原因となる引張歪みが分割型枠片４７ｂの目地付近に集中しやすいので、コンクリート部上面７ａにおいては、この目地の位置に対応したひび割れが発生し易い。そこで、その対策として、打設したコンクリートの上面全体に密着するように天端型枠２１を設置する。この天端型枠２１は、埋設型枠４７ａと同様に、橋桁３１の延在方向に配列された複数の天端型枠片２１ｂにより構成されている。天端型枠片２１ｂの目地は、弾性シーリング材で充填されている。この状態でコンクリートを凝結・硬化させて（凝結工程）、鉄骨部１５を被覆するコンクリート部７を形成し、天端型枠２１を取り去って、橋桁１を完成させる。
【００３８】
このように、コンクリート部７の硬化中において、上面に天端型枠２１が被せられているので、天端型枠２１がコンクリート部上面７ａを押さえて、上記引張歪みの発生を抑制することができる。従って、硬化中において、コンクリート部上面７ａにおけるひび割れの発生を抑制することができる。このとき、天端型枠２１の目地が、分割型枠４７における目地の位置に対してずれるように天端型枠２１を配置すると、コンクリート部上面７ａにおける引張歪みの集中が抑制されるので好ましい。
【００３９】
また、この橋桁３１においては、たわみに起因するコンクリート部上面７ａの引張歪みが、分割型枠片４７ｂの目地付近に集中し、ひび割れを発生させやすいことから、特に、たわみが小さくなるように設計する必要がある。具体的には、橋桁３１が列車の走行による荷重を受けた場合のたわみが、スパン長の１／４５００以下になるように設計することが好ましい。このことで、上述した天端型枠２１の作用と相俟って、コンクリート部上面７ａにおける引張歪みを抑制しひび割れを抑制することができる。
【００４０】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、橋桁１，３１は、両端の２支点９ａ，９ａにより支持されているが、本発明は、多数の支点で支持される橋桁にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る桁構造の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】試験に用いた単純梁を示す側面図である。
【図４】図３に示す単純梁のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】本発明に係る桁構造の第２実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…橋桁（桁）、３…工事桁（仮設の鋼製桁）、７…コンクリート部、７ａ…コンクリート部上面、１７ａ…波形埋設型枠、２１…天端型枠、４７…分割埋設型枠、４７ａ…分割埋設型枠片、Ｌ…スパン長。
【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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