JP2009174252A - コンクリート構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から過大な荷重が働いたときに、鋼材とコンクリートとの一体性を増強させることで高強度構造とすることができる。
【解決手段】セグメント１は、トンネル周方向に沿って略円弧状に湾曲されるとともに円弧板状をなすセグメント１の内周側と外周側に配置される一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂと、一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士を連結する連結部材２２、２２、…と、一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの対向面２１ａ、２１ｂに突出した状態で一体に設けられたジベル５、５、…とを備えている。ジベル５は、トンネル周方向に向けて傾斜するテーパ面５ａ、５ｂを形成している。
【選択図】図２

Description

本発明は、コンクリート内に鋼材を配置させたコンクリート構造体に関する。

一般的に、鋼材とコンクリートの接触面に作用するせん断力を抑制するために、ジベル等のずれ止め、例えばアングル、スタッド、フック筋等を鋼材に溶接等で固着してその周囲を覆うようにコンクリートで固めている。これによって鋼材とコンクリートの接触面に大きなせん断力が作用してもずれ止め効果を高めるようにしている。

ところで、シールド工法に用いられるセグメントとして、例えば鋼材（スチール）とコンクリートを複合使用した合成セグメントが知られている。合成セグメントは、円弧板状の鋼殻内にコンクリートを充填して製造されている。このような合成セグメントにおいて、鋼殻とコンクリートとを一体化させてずれ止め効果を高めるためにジベル等が内部に設けられてコンクリートで覆われているものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、板状の鋼材で囲われた円弧板状の外側鋼殻内に鋼材を設け、その鋼材の外面にずれ止め用のジベルを溶接しておき、鋼材と内側鋼殻の空間部分にコンクリートを充填するようにしたものである。
特開平７−４２４９４号公報

しかしながら、特許文献１のセグメントでは、セグメントが地山の土圧などの荷重を受けることで曲げ応力が作用してトンネル周方向に過大な力がかかったときに、セグメント内部のコンクリートと鋼材との接触面にせん断力が働くとともに、コンクリートと鋼材とが分離する方向（つまりセグメントの厚さ方向）にせん断力による分力が発生することになる。そして、ジベルはコンクリートと鋼材との間に生じるせん断力を抑制させるものであって、前記分力を抑制するものではないことから、従来のジベルでは抵抗することができず、コンクリートと鋼材とが分離するなどして欠けや割れといった破壊が生じるという欠点があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、外部から過大な荷重が働いたときに、鋼材とコンクリートとの一体性を増強させることで高強度構造とすることができるコンクリート構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るコンクリート構造体では、コンクリート内に配置される複数の主鋼材と、主鋼材同士を連結する連結部材と、連結される主鋼材のそれぞれの対向面から突出して設けられるとともに、主鋼材の軸方向に向けて傾斜するテーパ面を有するジベルとを備えていることを特徴としている。
本発明では、主鋼材のジベルにテーパ面が形成されているので、コンクリート構造体に内部の主鋼材の対向面に沿った方向の過大な力が働いたときに、ジベルのテーパ面の傾斜方向に沿ってせん断力（第１せん断力）が生じ、テーパ面とコンクリートとがその接触面で相対的にずれる力が働くことになる。そして、主鋼材の対向面とそれらの内側のコンクリート（内側コンクリート）との接触面には、せん断力（第２せん断力）が作用し、その第２せん断力の分力は内側コンクリートに対して主鋼材が離れる方向に作用している。そのため、第１せん断力が第２せん断力に対して斜め方向、すなわち前記分力と略同方向となってその分力が増大することになるが、主鋼材同士が連結部材によって連結されているので、その連結部材によって分力に抵抗させることができ、コンクリートと主鋼材とを一体化させて両者が分離して破壊されることを防ぐことができる。さらに、第１せん断力による分力を増大させることで、主鋼材同士の対向面とコンクリートとの接触面に生じるせん断力（第２せん断力）が小さくなるため、第２せん断力によって生じる主鋼材の対向面とコンクリートとの接触面のずれを抑えることができる。

また、本発明に係るコンクリート構造体では、ジベルのテーパ面は、断面視で左右両側に形成されていることが好ましい。
本発明では、ジベルにおける断面視左右両側にテーパ面が形成されているので、その左右いずれの方向から作用する力に対応してテーパ面に沿った方向のせん断力（第１せん断力）を発生させることができる。

また、本発明に係るコンクリート構造体では、ジベルは、テーパ面を同一方向に向けた状態で複数配置されていることが好ましい。
本発明では、主鋼材の対向面に沿った方向の力が働いたときに、その力を複数のテーパ面によって対応することができるため、テーパ面に沿った方向のせん断力（第１せん断力）がより一層増大され、それに伴って第２せん断力をより小さくすることができる。

本発明のコンクリート構造体によれば、コンクリート構造体に内部の主鋼材の対向面に沿った方向の過大な力が働いたときに、ジベルのテーパ面の傾斜方向に沿って生じるせん断力（第１せん断力）によって、主鋼材同士がそれらの内側のコンクリートから離れる方向に作用する力（分力）が増大されるとともに、主鋼材同士を連結する連結部材によって前記分力に抵抗させることができることから、コンクリートと主鋼材との一体性が増強され、主鋼材２１がコンクリートと分離して破壊されることを防ぐことができ、高強度化を図ることができる。しかも、第１せん断力による分力を増大させることによって、主鋼材同士の対向面とコンクリートとの接触面に生じるせん断力（第２せん断力）が小さくなるため、第２せん断力によって生じる接触面のずれを抑え、せん断破壊の発生を防ぐことができる。

以下、本発明に係るコンクリート構造体の第一の実施の形態について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の第一の実施の形態によるセグメントの一部破断斜視図、図２は図１に示すセグメントの縦断面図、図３は図１に示すセグメントのＡ−Ａ線断面図、図４は主鋼材に固定したジベルの配置状態を示す平面図、図５はジベルと連結部材の作用を説明するための要部拡大図である。

図１乃至図３は本発明の第一の実施の形態によるセグメント１（コンクリート構造体）を示す。このセグメント１は、例えばシールド工法によって掘削されたトンネルの内周壁に沿って設置されるトンネル覆工体（筒状壁体）を形成するものであり、コンクリート３内に鋼材２を配置させて略円弧板状に湾曲されたＳＲＣ（Steel frame Reinforced Concrete）造のセグメントである。

そして、図１に示すように、セグメント１の短辺側（トンネルの軸方向に沿う辺側）の側面である接合端面１１、１１には、トンネル周方向を連結するためのセグメント間継手６が設けられ、このセグメント間継手６は雄型継手部（図示省略）と雌型継手部６ａとを有している。また、長辺側（トンネルの周方向に沿う辺側）の側面である主桁面１２には、トンネル軸方向の連結のためのリング間継手７の雄部７ａが複数個設けられ、対向する主桁面１２には雄部７ａが嵌合する図示しない雌部が設けられている。

図２及び図３に示すように、鋼材２は、トンネル周方向に沿って略円弧状に湾曲されるとともに円弧板状をなすセグメント１の内周側と外周側に配置される一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂと、一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士を連結する連結部材２２、２２、…と、一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの対向面２１ａ、２１ｂに一体に設けられたジベル５、５、…とを備えている。
主鋼材２１Ａ、２１Ｂは、例えばスチールなどの材料からなり、トンネルの地山側に寄った外周面側に配置されるものを符号２１Ａとし、同じく内空側に寄った内周面側に配置されるものを符号２１Ｂとする。そして、一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂの組み合わせは、トンネル軸方向に所定間隔をもって略平行に複数設けられている。

連結部材２２は、長方形の平板状をなし、その長辺方向の両端部が互いに対向する一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂの内側に連結され、主鋼材２１Ａ、２１Ｂの長手方向に所定間隔をもって複数配置されている。

図４及び図５に示すように、ジベル５は、鋼材からなり、トンネル周方向（或いは、主鋼材２１Ａ、２１Ｂの軸方向）に向けて傾斜するテーパ面５ａ、５ｂを有するとともに、主鋼材２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの対向面２１ａ、２１ｂより突出した状態で主鋼材２１Ａ、２１Ｂに一体的に設けられている。ジベル５のテーパ面５ａ、５ｂは、断面視で左右両側に形成されている。なお、ジベル５と主鋼材２１Ａ、２１Ｂとは、一体成型されたもの、或いは溶接などの固着手段によって固定されたものを採用することができる。

また、ジベル５は、断面視台形状をなし、平行する二辺のうち長さの長い底辺（下底）が主鋼材２１Ａ、２１Ｂの対向面２１ａ、２１ｂに固着してなり、主鋼材２１の幅方向にわたって延びるとともに、主鋼材２１の長手方向に所定間隔をもって一方のテーパ面５ａ（５ｂ）を同一方向に向けた状態で複数が配列されている（図４参照）。
さらに正確には、主鋼材２１の幅方向略中央部で分離された状態となっている。つまり、この分離されている位置は、連結部材２２の一端が固着する箇所となっている。なお、主鋼材２１の対向面２１ａ、２１ｂに対するテーパ面５ａ、５ｂの傾斜角度は、任意に設定することができるが本第一の実施の形態では対向面２１ａ、２１ｂに対して略４５度となっている。

次に、上述したように構成されるセグメント１の作用について図面に基づいて説明する。
図５に示すように、セグメント１がトンネル内に設置された状態において、例えば地山の土圧などの荷重によってセグメント１に曲げ応力が作用して、トンネル周方向に沿った方向（矢印Ｐ１方向）の過大な力が働いたときに、主鋼材２１Ａ、２１Ｂのジベル５にテーパ面５ａが形成されているので、このテーパ面５ａにおいて前記力Ｐ１はテーパ面５ａに沿った方向（矢印Ｅ１方向）となるとともに、ジベル５のテーパ面５ａの傾斜方向に沿ってせん断力（第１せん断力τ１）が生じる。つまり、テーパ面５ａとコンクリート３とがその接触面で相対的にずれる力が働くことになる。

そして、主鋼材２１Ａ、２１Ｂの対向面２１ａ、２１ｂとそれらの内側のコンクリート３（内側コンクリート）との接触面には、せん断力（第２せん断力τ２）が作用し、その第２せん断力τ２の分力Ｆ１、Ｆ２は内側コンクリート３に対して主鋼材２１Ａ、２１Ｂが離れる方向に作用している。そのため、第１せん断力τ１が第２せん断力τ２に対して斜め方向、すなわち前記分力Ｆ１、Ｆ２と略同方向となってその分力Ｆ１、Ｆ２が増大することになるが、主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士が連結部材２２、２２、…によって連結されているので、その連結部材２２、２２、…によって分力Ｆ１、Ｆ２に抵抗させることができ、コンクリート３と主鋼材２１Ａ、２１Ｂとを一体化させて両者３、２１が分離して破壊されることを防ぐことができる。

さらに、ジベル５のテーパ面５ａに沿った方向の第１せん断力τ１による分力Ｆ１、Ｆ２を増大させることで、主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士の対向面２１ａ、２１ｂとそれらの内側のコンクリート３との接触面に生じるせん断力、つまり図５に示す矢印Ｅ２方向に働く力に対するせん断力（第２せん断力τ２）が小さくなることから、第２せん断力τ２によって生じるコンクリート３と主鋼材２１Ａ、２１Ｂの対向面２１ａ、２１ｂとの接触面のずれを抑えることができる。

また、セグメント１が受けるトンネル周方向に沿った方向の力が、矢印Ｐ１方向と反対の矢印Ｐ２方向に働いた場合には、上述したジベル５の符号５ａのテーパ面とは反対側のテーパ面５ｂによって、上記と同様の作用により対応することができる。

上述した本第一の実施の形態によるコンクリート構造体では、セグメント１に内部の主鋼材２１Ａ、２１Ｂの対向面２１ａ、２１ｂに沿った方向の過大な力が働いたときに、ジベル５のテーパ面５ａ（５ｂ）の傾斜方向に沿って生じる第１せん断力τ１によって、主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士がそれらの内側のコンクリート３から離れる方向に作用する分力Ｆ１、Ｆ２が増大されるとともに、主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士を連結する連結部材２２によって前記分力Ｆ１、Ｆ２に抵抗させることができることから、コンクリート３と主鋼材２１Ａ、２１Ｂとの一体性が増強され、主鋼材２１Ａ、２１Ｂがコンクリート３と分離して破壊されることを防ぐことができ、高強度化を図ることができる。
しかも、第１せん断力τ１による分力Ｆ１、Ｆ２を増大させることによって、主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士の対向面２１ａ、２１ｂとそれらの内側のコンクリート３との接触面に生じる第２せん断力τ２が小さくなるため、第２せん断力τ２によって生じる前記接触面のずれを抑え、せん断破壊の発生を防ぐことができる。

次に、本発明の第二及び第三の実施の形態及び第一の実施の形態の変形例について、図６乃至図８などに基づいて説明するが、上述の第一の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第一の実施の形態と異なる構成について説明する。
図６は本発明の第二の実施の形態によるセグメントのジベルの構造を示す図であって、図５に対応する図である。
図６に示すように、第二の実施の形態によるセグメント１Ａのジベル５Ａは、第一の実施の形態における断面視台形状（図５参照）のジベル５の形状に代えて、断面視三角形状をなしている。つまり、本ジベル５Ａは、三角形状の二辺がトンネル周方向（主鋼材２１Ａ、２１Ｂの軸方向）に対して傾斜するテーパ面５ｃ、５ｄを形成させている。

このような構成をなす第二の実施の形態では、トンネル周方向に力Ｐ１がかかるとき、断面視三角形状のジベル５Ａのテーパ面５ｃ、５ｄに沿った方向に第１せん断力τ１が発生し、この第１せん断力τ１によって作用する分力Ｆ１、Ｆ２を連結部材２２によって抵抗させることができ、コンクリート３と主鋼材２１Ａ、２１Ｂとの一体性を確保することが可能となることから、上述した第一の実施の形態と同様にコンクリート３と主鋼材２１Ａ、２１Ｂとが分離して破壊されることを防ぐことができ、高強度化を図ることができる。

次に、図７は本発明の第三の実施の形態によるプレキャスト床版を示す図であって、（ａ）は図３に対応する断面図、（ｂ）はその縦断面図である。
第一及び第二の実施の形態ではコンクリート構造体としてシールドトンネルに構築されるセグメント１、１Ａ（図１、図６参照）としているが、図７に示す第三の実施の形態では、セグメント１、１Ａに代えて橋梁、道路等に採用され、工場などで製造されるプレキャスト床版１Ｂとしている。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、本プレキャスト床版１Ｂは、平面視略長方形の箱形状をなし、長辺方向の端面を接合端面１３、１３とし、その接合端面１３、１３に備えた図示しない継手によって隣接するプレキャスト床版に接合される構成となっている。そして、プレキャスト床版１Ｂは、コンクリート３内にプレキャスト床版１Ｂの短手方向に延びる上下一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂが設けられている。主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士は、第一及び第二の実施の形態と同様の連結部材２２によって連結されている。ここで、本プレキャスト床版１Ｂでは、一対の主鋼材２１Ａ、２１Ｂの組み合わせが、短手方向に所定間隔をもって４つ配置されている。そして、主鋼材２１Ａ、２１Ｂの対向面２１ａ、２１ｂには、第一の実施の形態と同様の断面視略台形状のテーパ面５ａ、５ｂを有するジベル５が設けられている。

第三の実施の形態によるプレキャスト床版１Ｂでは、例えば設置された上部を車両が走行したときに曲げ応力が作用し、内部の主鋼材２１Ａ、２１Ｂに沿った方向（つまりプレキャスト床版１Ｂの短手方向）に力が働いたときに、ジベル５のテーパ面５ａ、５ｂに沿って第１せん断力τ１（図５参照）が生じることから、上述した第一及び第二の実施の形態と同様の作用、効果が得られ、コンクリート３と主鋼材２１Ａ、２１Ｂとが分離して破壊されることを防ぎ、高強度化を図ることができる。

次に、図８は本第一の実施の形態の変形例によるセグメントを示す縦断面図であって、図２に対応する図である。
図８に示す変形例では、上述した第一の実施の形態で主鋼材２１Ａ、２１Ｂ同士の対向面２１ａ、２１ｂのみに備えたジベル５、５、…に加えて、各主鋼材２１Ａ、２１Ｂの対向面２１ａ、２１ｂと反対の面（外方面２１ｃ、２１ｄ）に第２ジベル６、６、…を備えた構成となっている。この第２ジベル６の形状は、ジベル５と同形状をなし、鋼材からなり、トンネル周方向（或いは、主鋼材２１Ａ、２１Ｂの軸方向）に向けて傾斜するテーパ面６ａ、６ｂを有するとともに、主鋼材２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの外方面２１ｃ、２１ｄより突出した状態で主鋼材２１Ａ、２１Ｂに一体的に設けられている。
本変形例では、主鋼材の対向面側に設けたジベル５は、第一の実施の形態と同様にコンクリート３と主鋼材２１Ａ、２１Ｂとの一体性を増強させ、主鋼材２１Ａ、２１Ｂがコンクリート３と分離して破壊されることを防ぐことができる。さらに、主鋼材２１Ａ、２１Ｂに第２ジベル６を設けたことで、例えばセグメント１に外力が作用したときに、セグメント１のコンクリート３にかかる力の向きを第２ジベル６のテーパ面６ａ、６ｂに沿う方向に分散させることができるので、セグメント表面に生じるひび割れを分散させることができる。

以上、本発明によるコンクリート構造体の第一乃至第三の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本第一及び第二の実施の形態ではセグメント１、１Ａ、第三の実施の形態ではプレキャスト床版１Ｂをコンクリート構造体としているが、これらに限定されることはなく、例えばＳＲＣ造をなす建築構造物の梁材や柱材などとして使用されるコンクリート構造体であってもかまわない。
また、セグメント１、１Ａやプレキャスト床版１Ｂのように予め工場などで製作されるコンクリート製品であることに限定されることはなく、現場でコンクリート打設して構築されるＳＲＣ造のコンクリート構造体であってもよい。要は、コンクリート内部に複数の鋼材が配置され、それらの鋼材の対向面にテーパ面を有するジベルが設けられていればよいのである。

また、主鋼材２１、連結部材２２等の配置、形状、箇所数に限定されることはなく、コンクリート構造体の大きさ、形状、使用用途等の条件に応じて任意に設定することができる。例えば、連結部材２２として本第一乃至第三の実施の形態では平板形状としているが、この形状に限定されることはなく、例えば棒状の部材や、ウエブを略三角形状に配列してなるラチスを主鋼材２１の長手方向に配列したものであってもかまわない。また、コンクリート構造物のセグメントの別の形態として、例えば第一の実施の形態でセグメント１内の外周側に配置される主鋼材２１Ａをコンクリート３の外周面に面一となるように配置し、その主鋼材２１Ａの側面に接続するようにセグメント１の外面にスキンプレートを設ける構成のセグメントであってもかまわない。そして、そのときの内周側の主鋼材２１Ｂの対向面２１ｂと反対側の面には、上述した変形例に示した第２ジベル６を設けるようにしてもよい。

さらにまた、ジベル５の断面形状は、第一及び第三の実施の形態では略台形状、第二の実施の形態では略三角形状としているがこれらの形状に限定されることはなく、主鋼材２１の対向面から突出するジベルの一部に主鋼材の軸方向に向けて傾斜するテーパ面が形成されていればよいのである。そして、ジベル５のテーパ面の傾斜角度は、とくに制限されることはない。

本発明の第一の実施の形態によるセグメントの一部破断斜視図である。 図１に示すセグメントの縦断面図である。 図１に示すセグメントのＡ−Ａ線断面図である。 主鋼材に固定したジベルの配置状態を示す平面図である。 ジベルと連結部材の作用を説明するための要部拡大図である。 本発明の第二の実施の形態によるセグメントのジベルの構造を示す図であって、図５に対応する図である。 本発明の第三の実施の形態によるプレキャスト床版を示す図であって、（ａ）は図３に対応する断面図、（ｂ）はその縦断面図である。 本第一の実施の形態の変形例によるセグメントを示す縦断面図であって、図２に対応する図である。

符号の説明

１、 １Ａ セグメント（コンクリート構造体）
１Ｂ プレキャスト床版（コンクリート構造体）
２ 鋼材
２１、２１Ａ、２１Ｂ 主鋼材
２１ａ、２１ｂ 対向面
３ コンクリート
５、５Ａ ジベル
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ テーパ面

Claims (3)

1. コンクリート内に配置される複数の主鋼材と、
   前記主鋼材同士を連結する連結部材と、
   前記連結される主鋼材のそれぞれの対向面から突出して設けられるとともに、前記主鋼材の軸方向に向けて傾斜するテーパ面を有するジベルと、
   を備えていることを特徴とするコンクリート構造体。
2. 前記ジベルの前記テーパ面は、断面視で左右両側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート構造体。
3. 前記ジベルは、前記テーパ面を同一方向に向けた状態で複数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート構造体。

Images