(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の長尺集成材が前後及び左右に当接及び密接して千鳥状に並設されて形成される床版体と、その集成材床版体の厚みの中央部に床版面に平行で集成材の繊維方向に直交して穿設された多数の貫通孔と、同貫通孔に貫挿されたＰＣ鋼棒と、その貫挿ＰＣ鋼棒の両端に配設された木製の定着板を用いた定着具とより構成され、前記定着具を介して前記ＰＣ鋼棒及び集成材床版体にプレストレス力が導入されてなるプレストレス木床版を木橋の床版に用いたことを特徴とするプレストレス木床版を採用した木橋。
【請求項２】
定着板の材質が、集成材と同一のものであることを特徴とする請求項１記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
【請求項３】
定着板が、その周縁に金属又はプラスチックよりなる高強度材料製のリングをたが状に嵌合してなるものであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
【請求項４】
定着板が、集成材床版体と接触する面を除く残部表面に、金属又はプラスチックよりなる高強度材料製のキャップ体で被着してなるものであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
【請求項５】
定着板の繊維方向がプレストレス力の導入方向と平行であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
【請求項６】
定着板の形状が円盤状のものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、集成材床版を並設して木床を構成し、その木床体にプレストレス力を導入した集成材木床版を採用した木橋に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
大型のコンクリート構造物を構築する際に、ＰＣ鋼棒を用いてプレストレスを導入し、構造物の機械的強度を向上させ、構造物の信頼性を改善する手法は従来から行われてきた。
一方、種々の構造材料の中で、木材の利用は、森林資源の枯渇、自然環境保護、不安定な材料特性などの理由から大型構造物への適応は敬遠されてきた。特に、大型の橋梁などは、鉄骨や鉄筋コンクリート構造が主流を占めている。しかし、戦後の積極的な植林施策が次第に実を結び、国産木材の利用も今後徐々に拡大していく見通しがあること、森林の適正な整備のために発生する小径木や間伐材の有効利用が急務になってきたこと、新技術の開発が次々と行われていること等から、新しい材料として木材を見直す動きも活発となってきた。
その新技術の一つとして、集成材の開発があげられる。一般に、材質が均一で寸法精度も優れ、長尺の丸太状の木材を入手することは極めて難しく、たまたま入手が可能でも数量が限定されたり、コスト高となって材料として採用が困難なことが多いが、これらの問題は集成材の開発により大幅に解決されている。
集成材は、一層が厚さ４〜２０mm、長さが２ｍ前後、巾２００ｍｍ前後のラミナ（単板）を加圧接着積層してできる丸太状木材加工品である。ラミナを積層する際に、継ぎ目をずらせて千鳥状に配列することにより必要な長さの角材が容易に供給されるようになった。しかも、材質的な均一性、寸法的な精度、用途に応じたラミナ材質の選定及びコスト的な優位性など、優れた特性を具備している。
【０００３】
これらの技術開発の背景には、木材の持つ特性を利用した構造物建設の需要が次第に増加していることがあげられる。社会の発展期においては、材料の機能と経済性を重視する価値観が支配的であるが、社会の成熟と共に材料の評価基準も次第に変化して、文化的な要素の追求、精神的な快適性を重んずる風潮が醸成されて、木材を見直す背景が育ちつつある。一例として、周辺の景観にマッチした木橋の建設が、自然環境との調和が要求される重要文化財の保守、整備、更新などの時に、前向きに検討されてきた。
集成材の持つ利点を生かして、集成材木床版の木橋も国の内外で実際に採用されている。集成材を使用する際には、鉄筋コンクリート構造物で実績のあるプレストレス構造を適用することが多く、複数の床版を並設して強固な床版体を形成するために、この技術が有効に働いている。
従来から行われてきた集成材のプレストレス構造の技術概要は以下の通りである。
（１）プレストレス木床版は、巾１５〜２０ｃｍの集成材の多数を並列に並べ、その側面に穿設した多数の貫通孔に各々ＰＣ鋼棒を挿入して緊張力を導入して一体化することによって製造される。
（２）プレストレス力による各集成材間に発生する摩擦力により、各々のずれを防止すると共に、床版体内に圧縮応力を発生させている。
（３）木床版の支間長が大きくなると構造体としての支持強度を維持するために集成材の厚さも大きくなっている。（例えば、支間長２２ｍの木橋の場合、集成材梁の厚さは１ｍ近くになる）
（４）プレストレス力を集成材床版体内に均一に発生させるために、集成材床版の厚さ方向の中央部に多数のＰＣ鋼棒を挿入する多数の貫通孔を設けることが肝要である。
【０００４】
次に現状技術の問題点及び課題を以下に示す。
（１）集成材床版を貫通して多数の集成材内にプレストレス力を発生させるために、ＰＣ鋼棒を緊張させて得た圧縮力は、金属製の定着板を介して集成材床版の端部面に伝達される。この際、金属製の定着板と集成材床版の側面が、完全に平面密着して均一な応力の伝達を行わせることは、非常に難しい。
集成材床版の側面はラミナの積層構造になっており精度の高い加工が行われているものの、微妙な凹凸は避けられず、比較的平滑で変形しにくい金属製定着板との間に、点または線での接触が起こって、圧縮力の伝達が偏在した状態となっている。いわば、集成材床版と金属製定着板とは“なじみ”が悪い。
（２）また、集成材床版の側面面積に比べて定着板の面積は小さく、定着板に接していない面の後方の床版はプレストレス力の導入状況は決して充分ではない。この傾向は、大型の集成材床版を採用する構造物では一層顕著であり、長期に安定した構造が要求される建築物という観点から見ると大きな課題となる。
本発明者らは以上の問題点を定量的に立証するために、三次元ＦＥＭ解析により解明してみた。その結果、集成材床版体端部付近での集成材床版内に発生している応力差が位置によって２５ｋｇｆ／ｃｍ2〜７５ｋｇｆ／ｃｍ2にまで変化しており均一なプレストレス力が発生していないことが判明した。
さらに、集成材床版端部付近のプレストレス力方向に直角方向に、引っ張り応力（１５ｋｇｆ／ｃｍ2程度）が発生しており積層で構成されている集成材床版にとって好ましくない応力分布になっていることが判明した。
【０００５】
【課題を解決する手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく研究の結果、集成材床版が並設された床版体の端部に発生している応力の不均一性は、緊張力発生機能を有するＰＣ鋼棒の定着構造と関係があることが解った。
従来技術において、ＰＣ鋼棒の端部のねじ部分に挿入されたナットの締め付けにより圧縮力が発生し、金属製支圧板、金属製定着板の順に伝達されていくが、各伝達面において接触面全体が均一に伝えられることが必要である。
特に、金属製定着板と集成材床版端部の接触において、接触部分が点や線で行われると、床版体内部に発生するプレストレス力が部位によって変動する結果となる。
すなわち、この定着板に金属板が使われていたために、金属の変形能が少ないことと、集成材床版表面の平滑さ不足から均一な伝達が行われなかった。
本願発明者らは、以上の問題に着目して種々の研究を重ね、有効な緊張力の伝達法を開発し、下記構成の本発明をなすに至った。すなわち
（１）多数の長尺集成材が前後及び左右に当接及び密接して千鳥状に並設されて形成される床版体と、その集成材床版体の厚みの中央部に床版面に平行で集成材の繊維方向に直交して穿設された多数の貫通孔と、同貫通孔に貫挿されたＰＣ鋼棒と、その貫挿ＰＣ鋼棒の両端に配設された木製の定着板を用いた定着具とより構成され、前記定着具を介して前記ＰＣ鋼棒及び集成材床版体にプレストレス力が導入されてなるプレストレス木床版を木橋の床版に用いることを特徴とするプレストレス木床版を採用した木橋。
：集成材床版が並設された床版体への均一な圧縮力を伝達するためには、定着板と集成材床版端部との良好な密着が必要である。そこで定着板の材質を従来の金属板から木製のものとして、集成材床版との接触面での「なじみ」効果によって定着板と床版があたかも固相接合されて一体となったような構造とする（以下、木製定着板を単に定着板と称す）。その結果、集成材床版体の両端の定着部で、ボルトの締め付けにより発生する圧縮力は、金属製支圧板を介して密着した定着板及び接触する床版に伝達されて、床版体内部に均一な所定のプレストレス力を導入できる。
【０００６】
（２）定着板の材質が、集成材と同一のものであることを特徴とする前項１記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
：集成材床版と定着板との「なじみ」効果による十分で良好な密着度合は、集成材床版と定着板の両者の材質が類似していた方が高まることは明らかなことから、定着板を集成材で構成した構造とする。
【０００７】
（３）定着板が、その周縁に金属又はプラスチックよりなる高強度材料製のリングをたが状に嵌合してなるものであることを特徴とする前項１又は２のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
：床版体が大型となって、集成材床版体内に発生させるべきプレストレス力が大きくなると、当然ながら定着具で加える圧縮力も増大してくる。このような場合には、定着板のプレストレス力の方向に直角方向の力も大きくなり、前項１及び前項２の発明における定着板の劣化が懸念される。
そこで、定着板の周縁に、金属やプラスチック等の高強度材料のリングを、たが状に嵌合して締め付け、プレストレス力に直角方向に働く引っ張り応力による定着板の劣化や損傷を防止する構造とする。
【０００８】
（４）定着板が、集成材床版体と接触する面を除く残部表面に、金属又はプラスチックよりなる高強度材料製のキャップ体で被着してなるものであることを特徴とする前項１又は２のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
：さらに定着板にかかる圧縮力が増大して前項１及び前項２の発明における定着板の劣化や損傷あるいは強度不足が一層懸念されるときには、定着部で支圧板と接触する定着板の面を高強度材料製のキャップで覆う構造とする。
すなわち、前項１及び前項２の発明に係る定着板の、木床版と接する面以外を、高強度材料で構成されたキャップをはめた状態で定着板を装着しかつ内面を密着させた構造とする。
この場合、キャップの厚み、特に天井板の厚みを増したものは支圧板を兼用したものになり、別途に支圧板を用意する必要がなくなり、好ましいものとなる。
【０００９】
（５）定着板の繊維方向がプレストレス力の導入方向と平行であることを特徴とする前項１〜４のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
：木材の一般特性として、その物理的な耐圧縮強度は、その繊維方向と密接な関係がある。すなわち、繊維方向と平行方向の耐圧縮強度は、繊維方向と直角方向の耐圧縮強度に比べて圧倒的に大きい。そこで、定着板に採用する木材及び集成材の繊維方向を考慮することで、定着板の耐久性は大きく改善される。定着板の繊維方向を、プレストレス力方向と平行になるような構造とする。
【００１０】
（６）定着板の形状が円盤状のものであることを特徴とする前項１〜５のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
：従来法で広く採用されている角形定着板は、定着具からの大きな圧縮力を受ける時、加圧方向に直角方向に引っ張り力も同時に発生して、定着板の周辺部、特に四辺のコーナー部が損傷することが多い。また、定着具の取り付けの際に、角形定着板の上下の辺が、床版の上下面に平行になるように設置する必要があり、定着板を仮止めするなど煩雑な作業を必要としている。これらの問題の解消のために、円盤状の定着板を採用する構造とする。
【００１１】
（７）定着具が、複数の定着板の支持圧が１つに集合されて定着される構成のものであることを特徴とする前項１〜６のいずれか１項に記載のプレストレス木床版を採用した木橋。
：定着具で発生する加圧力を均一に定着板を介して床版端部面に伝えるには、理想的には、定着板の面積を床版端部面と同一にすることが必要であるが、ＰＣ鋼棒によるプレストレス力の導入方式を前提としている限りでは、定着板の面積は床版端部面に対して少なくなる。しかし定着板を分散させ、ＰＣ鋼棒中心部の圧縮力を等分に分割させて均一化を図ることができる。すなわち、複数個の定着板を加圧力の中心部から等距離に配置する構造とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
多数の長尺集成材床版を並設して木橋の木床版を構成する際に、本発明によるプレストレス構造を採用した事例を、図面に基づいて説明する。
本発明の木橋は、図９にその概説図を示すもので、左右の橋台１３，１３上に並設された支承体１４，１４上に本発明に係るプレストレス木床版２０が架設されて構成される。
図１は本発明に係る木床版の定着部の一部断面斜視図であり、図２はその断面図である。
図１には多数の集成材２を並列かつ千鳥状に配置した床版体に、定着部１によりプレストレス力を導入する構造を示している。
多数の長尺集成材２の厚さ方向の中央部で、木橋の床版体の巾方向に貫通する貫通孔４０を設け、そこにＰＣ鋼棒４を貫挿させその両端部に設けたねじ部にナット８を装着して、ナット８を床版方向に締め付けることにより圧縮力が発生する。
この圧縮力は、ワッシャ９を介して金属製支圧板５に伝達され、されて定着板３を経由して、木床版の側面に伝達される。この圧縮力が、木床版本体の中で、プレストレス力となって、木床版２０全体を建造物として一体化し、すなわち木橋のプレストレス床版版となって鉄筋コンクリートの橋床面と同じ役割を果たすことになる。
ここで、定着板３と床版端部面との接触状態が非常に重要になる。もし定着板が床版の一部としか接触していないと、定着具で発生した圧縮力は、その接触している一部にしか伝達されず、床版体の中でプレストレス力は、構造体を構成するのに必要な値に達せず不完全な構造物となる。
本発明では、この定着板３に木製定着板を採用して、集成材木床版との密着性を向上して、均一なプレストレス力を床版体に導入させる構造としている。
木橋の木床版２０の支間距離が大きくなり、プレストレス力を増加させる必要があるときには、補強構造の木製定着板が有効である。
【００１３】
図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ角形定着板、円盤型定着板に金属又はプラスチックなどの高強度材料製のリング１０をたが状に嵌合させた定着板の斜視図である。定着板の中央にはプレストレス力導入のためにＰＣ鋼棒が貫挿される貫通孔１１を設ける。このリング１０の作用は、プレストレス力を増加させるときに、定着板３においてプレストレス力方向に直角方向に発生する引っ張り応力によって定着板の劣化や破損することが防止できる。
図７の（ｃ）には別の補強構造の木製定着板を示す。すなわち、補強リング１０と天井板１００ａを一体化したキャップ１００を装着した補強構造の定着板である。なお、キャップ１００の天井板１００ａを分厚く構成したものは、支圧板を兼用することができる。いずれの補強定着板も、集成材木床版端部面との密着構造を確保しながら、定着具からの圧縮力による木製定着板の劣化や破損を回避してプレストレス力を導入させることができる（図８の(ｄ)及び（ｅ）は、（ｃ）と同様のものであるが、図５，６に示す複数の定着板の支持圧を１つに集合して集成材木床版に伝達させる方式に使用されるもので、ダボ嵌入用孔１２を備え、ＰＣ鋼棒の貫挿用の貫通孔１１具備していないものである。）。
【００１４】
図３及び図４には、円盤型の定着板を定着部に装着した状況を示す一部断面斜視図と断面図を示す。高強度材料のリング１０’が定着板の周縁をたが状に嵌合して定着板３と集成材木床版端部面と密着されている。
図５及び図６は、一本のＰＣ鋼棒から発生する圧縮力を複数の定着板により集成材木床版に伝達させる構造の一部断面斜視図と断面図である。
大型の集成材木床版になると、集成材木床版の厚さが増加して、中央部の定着板からの圧縮力は集成材木床版の上下位置まで均一に伝達しにくくなる。そこで複数個の定着板を用いて、集成材木床版への圧縮力を分散して、木床版本体内に均一なプレストレス力を導入させることができる。
図５及び図６では２枚の定着板を用いた状態を示している。ボルト８の締め付けで発生した圧縮力は、フランジ７により集成材床版の厚さ方向に配分されて、上下の加圧位置で、それぞれソールプレート６，金属製支圧板５及び定着板３を介して集成材木床版２の側面を圧縮する。この際、各定着板の中心部までの距離は、ＰＣ鋼棒中心点から等距離にすることが肝要である。
図８の（ｄ）に定着板中央部にダボ嵌入穴１２を設け支圧板５中央のダボ１１と勘合することで、容易にセンタリング固定作業を行うことができる。
なお、集成材と同一材質からなる定着板を配置した定着法を採用したときの、集成材木床版内に発生する応力分布を三次元ＦＥＭ解析により算出した結果では、定着部近傍の集成材木床版内の位置による応力差は１８ｋｇｆ／ｃｍ2〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2に、プレストレス方向に直角方向の引っ張り応力は８ｋｇｆ／ｃｍ2〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2に大幅に低減している。
【００１５】
次に本発明を実際の木橋の木床版に採用した実施例の概要を紹介する。
木床版の支間長：２２ｍ
幅員：５ｍ
集成材：床版（巾１５０ｍｍ、２００ｍｍの二種、高さ１０４０〜１０７０ｍｍ、        長さ２２．８ｍ、材質からまつ）３４枚、
ＰＣ鋼棒：径３２v、長さ６．１３０ｍ、４６本
定着板：縦３２０ｍｍ、横３２０ｍｍ、厚さ２５ｍｍ、９２枚
上記の集成材で構成された木床版状にアスファルト舗装（厚さ７．１ｃｍ）を施工し一般自動車道路として問題なく使用に供されている。
【００１６】
【発明の効果】
上記本発明によれば、高強度が要求される建造物の橋梁等に大型の集成材床版を適用する際、必要なプレストレスを均一かつ正確に加えることができ、安全で信頼性の高い集成材床版による木橋の構築が可能となった。
また、定着板に金属材料を使用しないため、木橋の軽量化、低コスト化も図られる。
よって、従来からの資源の有効活用の要求の高い低木材、間伐材の用途に、更に有効な道を開くことになるばかりでなく、景観、環境改善からの木造建造物への社会の要求に応えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる木橋木床版の定着部の一部断面斜視図
【図２】本発明に係わる木橋木床版の定着部の断面図
【図３】本発明に係わる高強度材料のリングを嵌合した定着板を装着した定着部の一部断面斜視図
【図４】本発明に係わる高強度材料のリングを嵌合した定着板を装着した定着部の断面図
【図５】本発明に係わる複数の定着板により木橋木床版にプレストレス力を発生させる定着部の一部断面斜視図
【図６】本発明に係わる複数の定着板により木橋木床版にプレストレス力を発生させる定着部の断面図
【図７】本発明に係わる高強度材料によりリング状、キャップ状に補強策を施した角形及び円盤形木製定着板の一部断面斜視図及び断面図
【図８】本発明に係わる高強度材料によりリング状、キャップ状に補強策を施した角形及び円盤形木製定着板の一部断面斜視図及び断面図
【図９】集成材木床版を採用した木橋の概説図
【符号の説明】
１：定着部，              ２：集成材，
３：定着板，              ４：ＰＣ鋼棒，
５：支圧板，              ６：ソールプレート，
７：フランジ，            ８：ナット，
９：ワッシャ，          １０：リング，
１１：ダボ，            １２：ダボ嵌入穴，
２０：木床版，          ４０：貫通孔，
１００：キャップ
【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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