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STUDY ON THE CONNECTED STRUCTURE BETWEEN FOOTING CONCRETE AND STEEL SHEET PIPE PILE WALL BY THE DEFORMED BAR STUD WELDING By Susumu EMI, Masahiro KOIK

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Academic year: 2021

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【土 木 学 会 論 文 集 第409号/VI-11 1989年9月 】

異形鉄筋 ス タ ッ ド方式鋼管矢板基礎頂版結 合構 造 に関す る研究

STUDY ON THE CONNECTED STRUCTURE BETWEEN FOOTING CONCRETE AND

STEEL SHEET PIPE PILE WALL BY THE DEFORMED BAR STUD WELDING

江 見 晋*・ 古 池 正 宏**・ 川 上 圭 二***・ 片 山 猛****

By Susumu EMI, Masahiro KOIKE, Keiji KA WAKAMI and Takeshi KA TA YAMA

When we try to apply the Horizontal stud welding method with large diameter and long

length which we have developed to the connected structure between footing concrete and steel sheet pipe pile wall, we have carried the experimental studies.

Main experimental studies are the mechanical test of stud welding and large scale model test of concrete for steel pipe sheet pile. Large scale model test is the compari-son between the new deformed bar stud and some former methods. One of former methods is the connection of shear plate and moment plate, and other is the deformed bar fixed into the concrete in the steel sheet pipe pile. Through these tests we have proved that this connection method has the sufficient shear transfer capacity comparison to the former methods.

While we carried the experimental studies, we have developed the semi-automatic stud welding machine and quality assurance device. Last in this paper, we describe these machine and device briefly.

Keywords: stud welding, deformed bar, wall foundation, composite structure

1. ま え が き 鋼 管 矢 板 基 礎 は, 橋 梁 構 造 物 の 大 型 化 に 伴 って 河 口 や 沿岸 域 に建 設 され る 基礎 形 式 と して, 近 年 採 用 か 一 般 化 して き た.昭 和59年2月 に ば, 日本 道 路 協 会 よ り 「鋼 管 矢 板 基 礎 設 計 指 針 ・同解 説 」1)が出 版 さ れ る と と も に, 平 成 元 年 に改 訂 か予 定 され て い る 「道 路 橋 示 方 書IV下 部 構 造 編(日 本 道 路 協 会)」2)(以 下, "道 示"と 称 す)に も改 訂 さ れ る方 向 で検 討 か進 め られ て い る. こ の鋼 管 矢 板 基 礎 の要 と もい うべ き橋 脚 と の結 合 部 の 構 造, す な わ ち頂 版 と鋼 管 矢 板 と の結 合 構 造 に つ い て は (図一1参 照), 同上 指 針 に お い て, 通 称, プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方 式 と差 し筋 方 式 と か示 さ れ て い る.こ の2方 式 ば い ずれ も一 長 一 短 か あ る か, そ の施 工 性 か ら最 近 は 後 者 の 方 式 か 採 用 さ れ始 め て い る.し か し, プ レー ト ・ ブ ラ ケ ッ ト方 式 は, 現 場 溶 接 が主 体 の た め そ の溶 接 の信 頼 性 に問 題 か あ り, ま た差 し筋 方 式 は, 鋼 管 矢 板 の 中詰 め コ ン ク リー トの施 工 管 理 に結 合 工 の耐 力 か左 右 さ れ る な どの 問 題 か あ る.こ れ らの技 術 課 題 解 決 の た め, 著 者 ら ば, よ り合 理 的 で施 工 性 向上 に寄 与 す る結 合 形 式 一 ス タ ッ ド方 式 結 合 ー(以 下 「異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 頂 版 結 合 工 」 と称 す)を 提 案 す る. す な わ ち, 図一2に み る よ う に, 従 来 の プ レー トや 鉄 筋 に代 わ っ て, 鋼 管 に現 場 で ス タ ッ ドを水 平 打 ち し頂 版 と鋼 管 矢 板 を一 体 と す る もの で, い わ ば 合成 桁 に お け る 鋼 桁 と コ ン ク リー ト床 板 と の 結 合 構 造 の イ メ ー ジで あ る. 本 報 は, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 頂 版 結 合 工 の 開発 に あ た っ て実 施 した頂 版 結 合 工 の大 型 模 型 実 験 成 果 な らび に 今 回 開 発 した太 径 ・長 尺 ・水 平 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド溶 接 方 *正 会 員 阪 神 高 速 道 路 公 団 工 務 部 次 長 (〒541 大阪市東区北久太郎町4-68) **正 会 員 阪 神 高 速 道 路 公 団 大 阪 第 一 建 設 部 設 計 課 長 補 佐 (〒559 大阪市住之江区北賀尾町2-11l8) ***正 会 員 新 日本 製 鉄 建 材 開 発 技 術 部 部 長 代 理 (〒100 千代田区大手町2-6-3) ****正 会 員 新 日本 製 鉄 建 材 開 発 技 術 部 掛 長(同 上) 図-1 鋼管 矢板基礎 模式図 図-2 異形鉄筋 スタ ッ ド方式 頂 版結合工

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28 江 見 ・吉 川 ・古 池 ・川 上 ・片 山: 法 を中 心 に報 告 す る・ 2. 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 頂 版 結 合 工 の 検 討 課 題 (1)設 計 に関 す る課 題 鋼 管 矢 板 基 礎 の 頂 版 と鋼 管 矢 板 と の結 合 部 は, 頂 版 に 作 用 す る荷 重 を円 滑 に, か つ 安 全 に鋼 管 矢 板 に伝 え ね ば な ら な い.こ の 結 合 部 に異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドを適 用 す る場 合, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド接 合 に よ り, 引張 力 お よび せ ん 断 力 を伝 達 す る必 要 か あ る.ま ず, ス タ ッ ド単 体 と して の 課 題 で あ る か, 従 来 ス タ ッ ド接 合 に お け る 引張 耐 力 の 試 験 方 法 に つ い て ば, JASS 6鉄 骨 工 事 改 訂 案(1981)等 に規 定 され て い る.し か し, せ ん 断耐 力 に つ い て ば, 試 験 方 法 の規 定 か な く, 試 験 方 法 そ の もの を確 立 す る必 要 か あ る. 次 に, 頂 版 結 合 構 造 に お い て ば, ス タ ッ ドを介 在 させ た鋼 と コ ンク リー トと の 合成 構 造 と して, 引 張 軸 力 とせ ん断 力 の2軸 応 力 状 態 で の耐 荷 力 や 変形 性 能 を検 討 し, 設 計 手 法 を確 立 す る必 要 か あ る. (2)施 工 に関 す る課 題 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 頂 版 結 合 工 の施 工 に ば, 太 径 ス タ ッ ドの 水 平 打 ち か必 要 と な る.こ の 太径 水 平 打 ちの 技 術 はわ が 国 で は未 知 の分 野 で あ る.す な わ ち, 差 し筋 方 式 に準 じた試 算 で は, こ の工 法 の汎 用 性 の た め 鉄 筋 ば 最 小 径19mm, か っSD 35相 当 の 高 強 度 材 で あ る こ と か 必 要 と な っ た. 施 工 全 体 と しての 課 題 は, 1)太 径(19mm)か つ 高 強 度 異 形 鉄 筋 の水 平 ス タ ッ ド打 設 装 置 の 開 発 2)ス タ ッ ド打 設 装 置 の 自動 化 3)品 質 管 理 規 定 値 の 設 定 4)施 工 管 理 方 法 の 合 理 化 等 で あ っ た. 3.設 計 に 関 す る 検 討 一 大 型 模 型 実 験 を 中 心 と し て ー (1)実 験 概 要 表 ー1に 実 験 概 要 を示 す.す な わ ち, ス タ ッ ド溶 接 単 体 試 験, コ ン ク リー トと して の押 し抜 き せ ん 断試 験, さ ら に頂 版 結 合 構 造 体 と して の大 型 模 型 実 験 を行 っ た.特 に大 型 模 型 実 験 と して ば, せ ん断 力 か卓 越 す る モ デ ル で 3方 式(プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方 式, 差 し筋 方 式, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式)の 比 較 お よ び ブ ラケ ッ トの効 果 と偏 心 載 荷 の影 響 を評 価 す る た め合 計5ケ ー ス実 施 した. a)ス タ ッ ド溶 接 単 体 試 験(A試 験) ス タ ッ ドを コ ン ク リー トと の合 成 構 造 に用 い る場 合, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドに は引 張 軸 力 と せ ん断 力 か作 用 す る た め, 引 張 試 験 に加 え て2軸 応 力 状 態 で の せ ん 断耐 力試 験 (以下, 引 張 せ ん断 試 験 と称 す る)も 実 施 した.ス タ ッ ド径 ば19mmで あ る. 引 張 軸 力 ば, サ ー ボ 式 油 圧 ポ ン プ に よ り試 験 を通 じて一 定 軸 力 と した. b)押 し抜 きせ ん断 耐 力試 験(B試 験) 頂 版 に作 用 す る荷 重 か鋼 管 矢 板(軸 力 と して)に 伝 達 され る た め に ば, 鋼 管 ・ス タ ッ ド ・頂 版 の3者 か らな る 結 合構 造 の挙 動 を確 認 す る 必 要 か あ るた め 押 し抜 きせ ん 断 試験 を行 っ た. な お, 本 試 験 は差 し筋 方 式 との 比 較 実 験 と した. 試 験 ば鋼 管 と コ ン ク リー トとの 接 合 部 にせ ん 断 力 か 作 用 す る よ うに 左 右 対 称 構 造 と した.ま た コ ン ク リー ト内 で の 鉄 筋 定 着 長 ば鉄 筋 直 径 の3o倍 と した. c)大 型 模 型 実 験(C試 験) 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 を 頂 版 結 合 工 へ 適 用 す る に あ た って の 最 終 試 験 と して実 構 造 物 を対 象 に した従 来 方 式 (プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方 式, 差 し筋 方 式)と の比 較 試 験 を実 施 した. ま た, 橋 脚 に作 用 す る地 震 時 曲 げモ ー メ ン トば, 頂 版 を通 じて鋼 管 矢 板 に偶 力 と して 作 用 す る と 考 え て い る か, 頂 版 に対 称 に作 用 す るか ど うか, ま た頂 版 天 端 に水 平 力 か作 用 す る こ と を考 え, 鉛 直 中 心 載 荷(C-1)の ほ か, 偏 心 モ ー メ ン トを 作 用 させ る実 験, す な わ ちせ ん断 スパ ン比 を変 化 させ た試 験(C-2)を 行 っ た. (1) 使 用 材 質 鋼 管: SKK 41(JIS A 5525) 異 形 ス タ ッ ド: SM50A(JIS G3106)…(表 一2) 鋼 板: SS41(JIS G3101) 鉄 筋: SD 30 B, SD 35(JIS G 3112) (表一2) コ ン ク リー ト: 設 計 基 準 強 度24o kgf/cm2の 早 強 コ ン ク リー ト (表一3) (2) 供 試 体 寸 法 供 試 体 寸 法 ば, 阪神 高 速 道 路 公 団高 速 湾 岸 線(南 伸 部) 橋 脚 を モ デ ル と し, 頂 版 の幾 何 寸 法 ば約1/5と した.原 設 計 の 設 計 荷 重 ば, 常 時 杭 反 力R=181.5tf/本(鋼 管 矢 板 φ1000mm×t12 mm)で あ り, この と き の各 供 試 表一2 供試体 結合鉄筋 の機 械的性質

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異形鉄筋 スタ ッ ド方式鋼管 矢板基 礎頂版結合構造に関す る研究 29 表一1 実験概要

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30 江 見 ・吉 川 ・古 池 ・川 上 ・片 山: 体 の コ ン ク リー トの付 着, 支圧 強 度 お よび せ ん 断 鉄 筋 の 許 容 応 力 度 を原 設 計 と 同 じ と して 耐 力 を推 定 す る と, C-1-C-4は36.5tf/本, C-5ば36.2tf/本 と な る. こ れ よ り供 試 体 の 設 計 耐 力 に相 当 す る 載 荷 荷 重 を30tf と設 定 した. (2) ス タ ッ ド溶 接 単 体 試 験 (1)引 張 試 験 結 果 試 験 結 果 を表-4に 示 す.引 張 試 験 で は, そ れ ぞ れ10 体 実 施 し たか いず れ も ス タ ッ ド軸 部 で破 断 し, 溶接 部 で の破 断 ば な く, 母 材 の 形 状(鋼 管 と平 板)に よ る強 度 差 も な か っ た.ま た, 曲 げ試 験 も実 施 した か, 全 供 試 体 と も溶 接 部 に欠 陥 は み られ な か っ た. (2)引 張 せ ん断 試 験 結 果(A試 験) 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの せ ん 断 耐 力 試 験 結 果 を図 一3に, 比 較 と して実 施 した鉄 筋 母 材 のせ ん断 耐 力試 験 結 果 を図 ー4に 示 す.図 一3, 4で ば, せん断耐 力がせん断位置 に よ っ て 変 化 す る た め1mm, 10 mmの2ケ ー ス示 した. まず, 引 張 軸 力 か 作 用 して い な い と, 異 形 鉄 筋 母 材 そ の も の の せ ん 断 耐 力 は, せ ん 断 位 置 に 関 係 な く ほ ぼ41∼ 45kgf/mm2と 一 定 して い た(図-4).一 方, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドで ば, せ ん 断 位 置1mmの と きの せ ん 断 耐 力 は, せ ん 断 耐 力10mmの と き の1.85倍 と 大 き く, 72 kgf/mm2で あ っ た(図 一3).こ れ ば, せ ん断 位 置1mm の試 験 で ば, 余 盛 部 も抵 抗 して お り見 掛 け 上 大 き くな っ た と い え る. 次 に, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの場 合, 引張 軸 力作 用 下 で の せ ん 断 耐 力 に つ い て ば, せ ん 断 位 置10mm, 作 用 引 張 軸 力0.9σy(σy: 降伏 強 度)と い う厳 しい条 件 下 で も, 作 用 軸 力 か な い場 合 と比 較 して せ ん 断 耐 力 の低 下 割 合 は 77%で, せ ん 断 耐 力26.2∼32.2kgf/mm2程 度 あ り十 分 なせ ん断 耐 力 を有 す る こと が確 認 され た. (3)押 し抜 き せ ん断 試 験 結 果(B試 験) 押 し抜 きせ ん 断 試 験 の荷 重 ∼ 相 対 変 位 の 結 果 を図 一5 に, 最 大 荷 重 と設 計 荷 重 と の 比 較 を表-5に 示 した.異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの許 容 せ ん 断応 力 度 を母 材 の 許 容 引張 応 力 度20kgf/mm2の60%, す な わ ち12 kgf/mm2と 考 え て設 計 す る と, 試 験 体 の 常 時 設 計 荷 重40tf, 常 時 設 計 荷 重 の1.5倍 で60tfと な る.図 一5で, 載 荷 荷 重60 tf に お い て ス タ ッ ド方 式 で ば鋼 管 と コ ンク リー トと の相 対 変 位 か1.7mmで あ り, 一 方, 差 し筋 方 式 で ば2.7mm で あ っ た こ と か ら, ス タ ッ ド方 式 は設 計 耐 力 レベ ル で ば よ り剛 な結 合 形 式 で あ る と い え る. ま た, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 の 最 大 耐 力 ば常 時 設 計 荷 重 の 約4倍 で あ る こ と か確 認 で き た. こ の と き の異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの 最 大 せ ん 断 応 力 度 ば 一 本 当 た り39 kgf/mm2で あ り, 前 項 引 張 せ ん 断 耐 力 試 験 で 得 た 結 果 (図-3, 10mmの ケ ー ス, 導 入 軸 力 が な い 場 合)と 同 表 一3 供 試 体 コ ン ク リ-ト の性 状 (注)圧 縮 強度, 引張強度 はコンクリー ト構造物試験 時の強 度で材 令14日 の強度を示す. 表 一4 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド溶 接 部 の機 械 的 性 質 (注)引 張 強 さば, 平 板 上 の 溶 接 お よ び鋼 管 上 の 溶接 と も10体 の 平 均. 硬 さ試 験 ば ビ ッ カー ス 硬 さ試 験 方 法(JIS Z 2244)よ り実 施 し た. 図 ー3異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの せ ん 断 耐 力 図一4 鉄筋母材の せん断耐力 ○(引 張荷 重一 定、せん断 位置10mm) ●(引 張荷 重一 定、せ ん断位 置1mm) 図一5 荷重 ∼相対 変位 異形鉄 筋スタッ ド式 差 し筋方式 表-5 最大荷重 と設計荷 重 との比較

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異形鉄筋ス タッ ド方式鋼管矢板基礎頂版結合構造 に関する研 究 31 様 で あ っ た. (4) 大 型 模 型 実 験 結 果 実 験 仕 様 は昭 和61年 度 に阪 神 高 速 道 路 公 団 で 実 施 し た差 し筋 方 式 模 型 実 験3)と同 一 と し た. a)最 大 荷 重 と破 壊 過 程 各 供 試 体 での 最 大 荷 重 と そ の破 壊 過 程 で の状 況 を整 理 す る と表 一6の よ う に な る.最 大 荷 重 と設 計 荷 重 と の比 較 で は, ス タ ッ ド方 式, 差 し筋 方 式 ば ほ ぼ 同 じ値 で あ っ た が, プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方 式 ば, これ ら よ り約1.5 倍 の 値 で あ っ た. b)3方 式 の 比 較 (1)ひ び わ れ 発 生 と破 壊 状 況 ひ び わ れ 発 生 状 況 と して ば, 50∼70tfで モ ー メ ン ト に よる 曲 げ ひび わ れ か 共 通 して 発 生 して い る.さ ら に荷 重 か 増 加 す る と, 図 ー6(表-1に 示 す 供 試 体 を展 開 し た形 で 示 して い る)で 示 して い る よ う に プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方式 で ば ブ ラケ ッ ト先 端 よ り斜 め 方 向 に入 っ た ひ び わ れ か ピア ー部 に 至 り, 差 し筋 方 式 で は 頂 版 肩 口 か ら 発 生 し10度 の方 向 に鋼 管 に 至 る.そ して, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 で は鋼 管 と異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドとの 接 合 部 よ り 45度 斜 め方 向 に最 大 荷 重 時 に特 徴 的 な ひ び わ れ か生 じ た. (2)荷 重 ー変 位 関係 図 一7に は, 各 結 合 方 式 に お け る荷 重-変 位 関 係(変 位 ば頂 版 下 面 中 央 部 で の測 定 値)が 示 され て い る.い ず れ の 方 式 に お い て も, 荷 重 レベ ル か60tf程 度 ま で は頂 版 内 の プ レー ト, 鋼 管 ま た は鉄 筋 と コ ンク リー トと の付 着 で 荷 重 を受 け持 って い る と考 え られ, 線 形 的 な動 き を 示 し て い る.さ ら に荷 重 か 増 加 して い く と, 図ー7お よ び ブ ラケ ッ ト, 結 合 鉄 筋 に発 生 す る ひず み か ら判 断 して ひび わ れ の 発 生 時 点 か ら荷 重 分 担 機 構 か 変 化 し, プ レー ト ・ブ ラケ ッ ト方 式 で は ブ ラ ケ ッ トか 荷 重 分 担 して い き, さ らに線 形 的 な 関係 を続 けて い くか, 他 の2方 式 で ば結 合 鉄 筋 の せ ん断 ず れ変 形 か大 き くな り, 非 線 形 関係 を示 した. (3)結 合 部 に お け る応 力状 態 今 回実 験 し たせ ん断 力 か卓 越 す る モ デル で ば図 ー8よ りプ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方 式 と差 し筋 方 式 と で軸 力 の 大 き さ ば差 か あ る もの の, 三 角 形 分 布 で そ の分 布 形 状 ば よ く似 て い る.一 方 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 は他 の2方 式 と 比 較 して す べ て の 段 の せ ん 断 鉄 筋 位 置 に お いて 引 張 力 か 発 生 して お り, か つ 分 布 形 状 も放 物 線 分 布 と な って お り, 他 方 式 よ りば 均 等 に 作 用 して い る. 表-6 実験結果一覧表 図一6 ひびわれ発 生状況 異形鉄 筋 スタ ッ ド式(C-1) 差 し筋方 式(C-4) プレー ト・ブ ラケ ッ ト方式cc-5) (数字 はひ びわれ を生 じ た載 荷重tfを 示す.) 図-7 各結合形式 における荷重一変位関係

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32 江 見 ・吉 川 ・古 池 ・川 上 ・片 山: しか し, 荷 重 に対 す る結 合 鉄 筋 の 応 力 か らみ る と, 90 tfで ば プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方 式 や 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 か, 200∼500kgf/cm2程 度 で あ る の に 対 して, 差 し 筋 方 式 で ば500∼1500kgf/cm2程 度 と な っ て お り, 結 合部 に お け る応 力状 態 ば そ れ ぞ れ の 結 合 方 式 の 特 色 か 示 され た.ま た作 用 せ ん 断 応 力 度(載 荷 荷 重 を結 合 鉄 筋 の 純 断 面 積As=61.8cm2で 除 し た値)と 結 合 鉄 筋 に 発 生 し た引 張 応 力 度 と の 関 係 に 着 目 す る と, 90tfま で, 発 生 す る 引 張 応 力 度 ば 作 用 せ ん 断 応 力 度 と線 形 関 係 に あ り, か つ, 絶 対 値 は下 回 り, ス タ ッ ド方 式 で は26∼37%, 差 し筋 方式 で ば27-67%で あ っ た. c)異 形 鉄筋 ス タ ッ ド偏 心 載 荷 試 験 結 果 偏 心 量 は, 頂版 上 面 に 鉛 直 力 の2割 の 水 平 力 か作 用 し た とき に, 頂 版 下 面 に 発 生 す るモ ー メ ン トが 同 じに な る よ うに 中 心 線 よ り12cmと した. ① ひび わ れ 発 生 と破 壊 状 況 両 方 の 載 荷 位 置 で の 試 験 と も曲 げ ひ び わ れ, せ ん断 ひ び わ れ か, そ れ ぞ れ40∼50tf, 125∼135 tfと 同 様 な載 荷 重 で 発 生 して い る.し か し, 中 心 載 荷 で は顕 著 で な い 頂 版 天 端 肩 口 か らの ひ びわ れ が, 偏 心 載 荷 で ば偏 心 側 に 発 生 して い る.ま た, 破 壊 状 況 を み る と, 中心 載 荷 で は 頂 版 下 面 と鋼 管 と の 接 合 部 よ り45度 方 向 に 進 展 して い く斜 め ひ びわ れ か 荷 重 増 加 と と も に進 展 して い くの に対 し, 偏 心 載 荷 で は肩 口か らの ひ び わ れ か顕 著 に進 展 し両 者 の ひ びわ れ 発 生 ば異 な っ た. (2)荷 重-変 位 関 係 頂 版 下 面 の 変 位 状 況 を図-9に 示 す.頂 版 中 央 部 変 位 で み る と, 150tfま で ば載 荷 位 置 の差 に よ る挙 動 の差 ば ほ ぼ な い. しか し, そ の後 の載 荷 に よ り両 者 の 挙 動 に 大 き な差 か生 じた. (3)結 合 部 に お け る応 力状 態 図 一10に 結 合 部 鉄 筋 の 発 生 応 力 を 示 す か, 設 計 荷 重 の3倍 の90tfで は中 心 載 荷, 偏 心 載 荷 と も変位(図 一9) や結 合 部 鉄 筋 の発 生 応 力 に は 差 か み られ な い.こ の こ と よ りせ ん 断 力 か卓 越 す る形 式 で ば, 設 計 に お いて 偏 心 載 荷 状 況 を想 定 して結 合 部鉄 筋 の 発 生 応 力 の 割 増 しをす る 必 要 ば な く, 現設 計 手 法 で 問 題 な い と い え る. しか し, 載荷 重 か増 して い く と, 偏 心 載 荷 で ば偏 心 載 荷 側 の 鉄 筋 応 力 ば反 対 側 の約2倍 の応 力 が 発 生 して お り, 上 記① 項 で示 した コ ンク リー トの破 壊 形 態 の差 等, 限 界 状 態 設 計 法 で ば, 両 者 の差 を考 慮 す る必 要 か あ る. d)最 大 変 位 時 の 結 合 部 の 状 況 破 壊 後 各 供 試 体 の コ ン ク リ ー トを慎 重 に はつ り, 結 合 部 の 状 況 を調 査 した.そ の 結 果, (1)プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト方 式 で ば, 最 大 荷 重 に お い て も プ レー トは十 分 に余 裕 を有 し て い る と 推 定 され る か, ブ ラケ ッ トば鋼 管 との 結 合 部 付 近 で座 屈 して い た. (2)差 し筋 方 式 で ば, 差 し筋 そ の も の ば鋼 管 挿 入 穴 で 大 き く変 形 し, か つ, 断 面 か 減 少 して い るか, 破 断 ま で に ば至 って い ない. (3)異 形 ス タ ッ ド方 式 で ば, 最 大 変 位 時 で ス タ ッ ドか 一部 破 断 して い た.こ の破断箇所 は, スタ ッ ドの発生軸 力 の 大 き い箇 所 と一 致 して い た. これ らの 破 壊 状 況 を図 一11に 示 す. e)じ ん 性 率 載 荷 荷 重Pと 頂 版 中 央 部 変 位 δ との 関 係 か ら じん性 率 を計 算 す る と, 表 一7の よ う に な る.じ ん 性 率 の 算 定 図一8 結合部の応 力状 態 (発生 応 力は絶 対値 を対数 評 価 した) (ひずみ測 定位 置 モ-メ ン ト鉄 筋 (上部) せ ん断鉄 筋 (1段目) (3段 目) (5段 目) モ-メ ン ト鉄筋 (下部) 図-9 頂版下面の変位状況(荷 重単位: tf) たわみ測定位 置 中心載荷 偏心載荷 (荷亘単位tonf) 図-10結 合 部 に お け る応 力 状 態[中 心 載 荷(C-1), 偏 心 載 荷(C-2)] (発生 応 力は絶 対値 を対 数 評価 した) (ひずみ 測定 位置 〕 モ-メ ン ト鉄筋 (上部) せん 断鉄 筋 (1段目) (3段 目) (5段 目) モ ー メン ト鉄筋 (下部)-(ひずみ測 定 位置 】 モ ー メン ト鉄 筋 (上部) せん断 鉄筋 (1段目) (3段 目) (5段目) モ-メ ン ト鉄筋 (下部) 図-11 最大変位時の結合部の状況 C-1 C-4

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異形鉄筋 ス タッ ド方式 鋼管矢板基礎頂版結合構造 に関す る研究 33 に 用 い た 降 伏 荷 重 の 判 定 ば, log P∼logδ 関 係 の 急 変 部 よ り判 定 した.ま た, じん 性 率 の 評 価 は吸 収 エ ネ ル ギ ー と変 形 性 能 との 下 記 の2通 りの 考 え方 に よ り行 っ た. ・吸 収 エ ネル ギ ー に よ る評 価 yEf= Er=最 大 荷 重 で の 吸収 エ ネ ル ギ ー/ Ey降 伏 荷 重 で の 吸収 エ ネ ル ギ ー

(1)

・変 形 性 能 に よ る評 価

yr -最 大 荷 重 で の変 位-yy-降 伏 荷 重 で の変 位

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幻 ブ ラケ ッ トの 荷 重 分 担 率 プ レー ト.ブ ラ ケ ッ ト方 式(C-5)と 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式(C-3)に つ い て, ブ ラ ケ ッ トの ひ ず み よ り推 定 し た ブ ラ ケ ッ トの 分 担 率 を図 一12に 示 す.分 担 率 の 幅 の 推 定 に あ た って ば, 模 型 実 験 で の ブ ラ ケ ッ トの ひず み, お よび ブ ラケ ッ トの み の 載 荷 試 験 で の ひず み測 定 を行 っ た3).ブ ラ ケ ッ トの み の 載 荷 試 験 は, 模 型 実 験 で の ブ ラ ケ ッ ト上 部 の コ ン ク リー トの 支 圧 分 布 形 態 を数 種 類 仮 定 して 実 施 し た.ブ ラ ケ ッ トの み の 載 荷 試 験 の ひず み と模 型 実 験 で の ひず み を比 較 し, ブ ラ ケ ッ トに最 大 ひ ず み お よ び最 小 ひず み を生 じさせ る荷 重 形 態 を推 定 し, 分 担 率 の 幅 と し た.設 計 荷 重(30tf)で ば, C-5は, 1o%程 度 以 下 で あ り, そ の後180tfで17∼30%と な っ て い る. 一 方, C-3の 分 担 率 ば設 計 荷 重(30 tf)で ば, C-5の2 倍 と プ レー トと ス タ ッ ドと の剛 性 差 を示 して い る か, 載 荷 荷 重 を増 加 す る に伴 い ブ ラ ケ ッ トの 分 担 か 大 き く な り, こ の差 は縮 ま って い く もの の180tfに お い て も異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 か 約1.5倍, ブ ラ ケ ッ トの分 担 率 は大 き い. 以 上, 現 在 の 結 合 部 設 計 で ば, 最 大 荷 重 と設 計 荷 重 と の 比 較(表 一5参 照)等 合 わ せ て考 え る と, ブ ラケ ッ ト の 剛性 を若 干 落 と し得 る もの の, プ レー ト ・ブ ラケ ッ ト 方式 を と る以 上, ブ ラケ ッ トを省 略 す る こ と ば不 可 と考 え られ る. (5)異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 の 評 価 以 上 の 実 験 検 討 の 結 果, 異形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 の 結 合 工 につ い て 以 下 の こ と を明 らか に した. 1)試 験 体B-1, C-1の 最 大 荷 重 で の 設 計 耐 力 に 対 す る比 は3.8, 5.0倍 で あ り, 差 し筋 方 式 と ほ ぼ 同等 で あ る. 2)降 伏 時 ま で, 頂 版 中央 部 に お け る 変位 は異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの 方 か差 し筋 方 式 に比 べ て約7割 と 小 さい. 3)降 伏 時(変 位 量 で2∼3mm)で の 吸 収 エ ネル ギ ー で み る と, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 と差 し筋 方 式 で は ほぼ 同 等 で あ る. 4)異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 で は, 配 置 した各 段 の せ ん 断 鉄 筋 の 発 生 軸 力 か ほ ぼ均 等 で あ る. 5)せ ん 断 鉄 筋 に作 用 す る引 張 軸 力 は, 設 計 荷 重 の3 倍 で も570kgf/cm2以 下 で あ り, 引 張 軸 力 か作 用 し た場 合 で の せ ん 断 耐 力 の 低 下 を設 計 に考 慮 す る必 要 は ない. 6)偏 心 載 荷 試 験 も, 設 計 耐 力 レベ ル に お いて 中 心 載 荷 試 験 と同 様 な発 生 応 力, 頂 版 変 位 を示 して お り, 許 容 応 力 度 設 計 手 法 と して は, 現 行 の 設 計 手 法 を用 い て も よ い と い え る. (6)異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 の 設 計 方 法 の 提 案 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 頂 版 結 合 工 の 実 設 計 に お いて 必 要 なせ ん 断 耐 力 の 設 計 法 につ い て提 案 す る. ① 許 容 せ ん 断 応 力 度 表-8に 各種 試 験 結 果 を と りま と め, 許 容 せ ん 断 応 力 度 を検 討 した.ま ず, 降 伏 荷 重 時 の せ ん断 応 力 度 に対 し て, SD 35異 形 鉄 筋 の 引 張 強 度 で の 安 全 率1.75(= 3500kgf/cm2÷2000 kgf/cm2)を, 各 種 試 験 結 果 に 適 用 す る と異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド単 体 で ば1657kgf/cm2と な り, ま た, 押 し抜 きせ ん断 試 験, 大 型 模 型 実 験 結 果 か ら ば1201∼1661kgf/cm2と な る. さ らに破 壊 荷 重 時 の 値 につ い て も 同様 に計 算 す る と, SD 35の 安 全 率2.5(5000 kgf/cm2÷2000 kgf/cm2)よ 表一7 各供試体の じん性率 図 一12 ブ ラ ケ ッ トの荷 重 分 担 率 異 形鉄 筋 スタ ツ ド方 式(C-3) ブ レ-ト ・ブ ラケ ッ ト方 式(C-5) 表一8 各種試 験によるせん断強度 (注)試 験結果は, 一本当たりの平均降伏荷重 ・破壊荷重で評価 した。

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34 江 見 ・吉 川 ・古 池 ・川 上 ・片 山: り, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド単 体 で は1560kgf/cm2, ま た コ ン ク リー ト構 造 物 と し て は1119-1803kgf/cm2と な る. こ こで, 最 小 値 を示 して い る模 型 実 験(偏 心 載 荷)の 最 大荷 重 で の破 壊形 態 か, 頂 版 コ ン ク リー トの せ ん断 ひ び わ れ に よ る も の で, せ ん 断鉄 筋 の 破 壊 で な い た め参 考 値 と し, 許 容 応 力度 と して ば12OO kgf/cm2と した. (2)ず れ 止 め耐 力式 と の比 較 「道 路 橋 示 方 書 皿鋼 橋 編(日 本道 路 協 会)」 に よれ ば, 頭 付 ス タ ッ ドの ず れ 止 め 耐 力 ば コ ン ク リー ト強 度 と H/dの 関数 で あ り次式 で 与 え られ る. Q0=αd2√ σc0

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こ こに, Q0: ず れ止 め の せ ん 断 耐 力(kgf/cm2) d: ス タ ッ ドの軸 径(cm) σcκ: 設 計基 準 強 度(kgf/cm2) H: ス タ ッ ドの 高 さ(長 さ)(cm) 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの せ ん 断 耐 力 に, 上 記 で設 定 した許 容 せ ん 断 応 力 度1200kgf/cm2を 用 い, ま た σc=240 kgf/cm2と して式(1)を 適 用 す る と, α=61と な る. 同 示 方 書 に お い て, α=30(H/d>5の と き)と な っ て お り, 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの せ ん 断 耐 力 ば, ず れ止 め の せ ん 断耐 力 の 約2.1倍 を採 用 す る こ と と な る.こ れ ば, 同 示 方 書 で の せ ん 断 耐 力 の 設 定 か, 自動 車 の繰 り返 し荷 重 を対 象 と し, 安 全 率 を降 伏 に対 して3以 上, 破 壊 に対 し て6以 上 と して い る か, 頂 版 結 合 部 は, 死 荷 重 ま た ば地 震 時 の荷 重 か 支 配 的 で あ り, 今 回 設 定 した許 容 せ ん断 応 力 度 で十 分安 全 で あ る と考 え る. 4.施 工 に 関 す る研 究 (1)φ19mm・ 水 平 ・長 尺 ス タ ッ ド溶接 の 開発 太 径 鉄 筋 の 水 平 ス タ ッ ド溶 接 に は, 溶 接 時 の 溶 融 金 属 の た れ の処 置 か 最 大 の 問 題 で あ り, 従 来 ス タ ッ ド径 と し て ば品 質 保 証 で き る最 大 径 ば16mmま で で あ っ た.こ れ に つ い て, 駆 動 源 と して エ アー シ リ ン ダ ー を用 い, 溶 接 ガ ンに十 分 な駆 動 力 と制 御 性 を も たせ る こ と に よ り, 19mmを 可 能 と した. 一方, 高 強 度 に伴 う溶 接 性 の 問 題 点 ば, 鉄 筋 は一 般 に 溶 接 に適 した材 質 で ば な い た め, 使 用 鋼 材 ば溶 接 性 の良 い も の と し, そ の 規 格 ば, 溶 接 構 造 用 圧 延 鋼 材SM 50 A(JISG3106)と した. 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドの 化 学 成 分 お よび 機 械 的性 質 を表一9に 示 す. 今 回 開 発 した ス タ ッ ドガ ン の機 構 図 を図一13に 示 す. この, 新 開 発 ガ ン を用 い て, 従 来 タ イ プの ハ ン デ ィガ ン と の 溶 接 比較 試 験 を行 った 結 果 を図-14に 示 す. 従 来 の ハ ンデ ィガ ン ば下 向 き姿 勢 で は広 い溶 接 適 性 範 囲 を示 した か, 水 平 姿 勢 で ば適 性 範 囲 ば狭 く, しか も こ の 水 平 姿 勢 で の 適 性 範 囲 内 で も30本 の 溶 接 試 験 を行 う と30%も の 不 良 溶 接 か 発 生 し た. 一 方, 今 回 開 発 し た ス タ ッ ドガ ンは, 水 平 姿 勢 で も従 来 ガ ンで の 下 向 き溶 接 条 件 と ほ ぼ 同 条 件 で 不 良 率0%で 全 本 数 実 施 す る こ と か で き た. (2)多 連 ス タ ッ ド自動 溶接 機 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 頂 版 結 合 工 に お い て ば, 鋼 管 矢 板 一 本 当 た り100本 以 上 の異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドを打 設 す る 必 要 か あ る.こ の た め, 施 工 の確 実 性, 信 頼 性 と施 工 能 率 の向 上 を図 る た め, 水 平 方 向 に異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドを 自 動 溶 接 で き る 多連 ス タ ッ ド自動 溶 接 機 を 開発 した. 多連 ス タ ッ ド自動 溶 接 機 と は, 図一15に 示 す よ う に, 水 平 方 向 に異 形 鉄 筋 ス タ ッ ドを所 定 本 数 自動 溶 接 で き, ま た上 下 方 向 に溶 接 ヘ ッ ドを 自動 昇 降 で き る溶 接 機 で, エ ア ー シ リン ダ ー方 式 に よ る ス タ ッ ドガ ン を必 要 台 数 配 置 した溶 接 ヘ ッ ド, 昇 降 駆 動 装 置, ガ イ ドレー ル お よ び トロ リー 台 車 か ら構 成 さ れ る.施 工 状 況 を写 真 一1に 示 す. 表一9 異形鉄 筋スタ ッ ドの化学成分お よび機械的性質 〔化学成分〕 〔機械的性質〕 図一13 試作ス タッ ドガンの機構 図一14 適正 溶接 条件範囲 図 一15 多 連 ス タ ッ ド自 動 溶接 機 多連スタッド自動溶接機

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異形鉄筋ス タッ ド方式鋼管矢板基礎頂版結合構造に関する研究 35 (3) ス タ ッ ド溶 接 の 品 質 管理 装 置 従 来 ス タ ッ ド溶 接 の 品 質 管 理 ば, ス タ ッ ド溶 接 部 の 目 視検 査 と抜 き取 りに よ る打 撃 曲 げ試 験 か 行 われ て き た. 本 結 合工 で ば 多本 数 自動 化 溶 接 に対 して の品 質 管 理 を高 める た め, モ ニ タ リ ング装 置 を開 発 した. す な わ ち, 各 溶接 ごと に必 要 な溶 接 条 件-溶 接 電 流 ・ アー ク時 間 ・ス タ ッ ドの 移 動 量(引 き上 げ量 ・押 し込 み 量)-を モ ニ タ ー す る こ と に よ り, 現 場 に お いて 非 破 壊 で溶 接 品 質 を管 理 す る こ と と した. こ の モ ニ タ リ ン グ装 置 を 用 い る場 合 の φ19mm・ 水 平 ・異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド溶 接 の 溶 接 適 性 範 囲 を表 一10に, モ ニ ター 画 面 例 を図l16に 示 す.図l16に 示 す5回 繰 り返 し試 験 結 果 よ り, 同 一 の 溶 接条 件 設 定 で の 溶 接 現 象 (溶接 電 流 ・ス タ ッ ドの 引 き上 げ量 ・押 し込 み 量)の 安 定 度 か確 保 され て い る の が わ か る. 5. あ と が き 異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 に よ る鋼 管 矢 板 基 礎 の頂 版 結 合 工 につ い て, 現 在 使 用 され て い る プ レー ト ・ブ ラ ケ ッ ト 方 式, 差 し筋 方 式 を含 め た性 状 確 認 試 験 を進 め て き た. その 結 果, (1)い ずれ の方 式 も通 常 考 え られ て い る設 計 で の安 全 性 は+分 確 保 さ れ て い る.特 に プ レー ト ・ブ ラケ ッ ト 方 式 ば最 大 荷 重, 降伏 荷 重 に つ い て安 全率 か 大 き い. (2)差 し筋 方 式 と異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 ば, ほぼ 同 じ よ う な 安 全 性 を有 し て い る.ま た差 し込 み 鉄 筋 と ス タ ッ ド鉄 筋 と の機 能性 か 顕 著 な 差 と して 表 わ れ て い る. す な わ ち差 し込 み 鉄 筋 ば き わ め て大 き な変 形 を取 り得 る.し か し, ス タ ッ ド鉄 筋 ば変 形 性 能 か 小 さ い た め, せ ん 断 剛性 か 大 き くか つ 均 等 にせ ん 断 力 か 分 布 す る こ とか わ か った. (3)従 来 実 施 され なか っ た地 震 時 水 平 力作 用 を想 定 した偏 心 載 荷 試 験 を実 施 した か, 設 計 荷 重 の3倍 レベ ル まで ば, 中 心 載 荷 試 験 結 果 と 同様 な挙 動 を示 した こと に よ り, 水 平 力 か 作 用 す る場 合 も従 来 の設 計 手 法 を適 用 し て も問 題 な い と い え よ う. な お, 本 検 討 での モ デ ル ば せ ん 断 の卓 越 した ケ ー ス で あ るか, 頂 版 の スパ ンの長 い 曲 げ タ イプ に 対 して ば これ ま での 検 討 結 果 か らプ レー ト ・ブ ラケ ッ ト方式, 差 し筋 方 式 で ば頂 版 結 合 部 で の破 壊 か生 じな い こ とか 確 認 され て い る4尉.こ の こ と か ら異 形 ス タ ッ ド方 式 で も破 壊 形 状 に ば変 化 か な い と思 わ れ る. 今 後 ば, 予 定 され て い る実 橋 試 験 施 工 に よ り実 施 工 上 の工 夫 を行 い本 工 法 を 完成 させ て い く必 要 か あ る.ま た 本 工 法 の 適 用 範 囲 を拡 大 す る に ば, 直 径22mmの 太 径 異 形 鉄 筋 の水 平 打 ちの 実 用 化 が 必 要 と考 え られ る. 本 工 法 ば, 鋼 管 矢 板 基礎 に と ど ま らず, 今 後 建 設 か増 大 しつ つ あ る地 下 空 間 や ウ ォ ー タ ー ・フ ロ ン トで の建 設 工 事 の 鋼 製 部 材(鋼 管 矢 板, 鋼 矢 板 等)と コ ンク リー ト との 合 成 構 造 に適 用 され て い く もの と思 わ れ る.こ の た め, 今 後 ス タ ッ ドの 径, 長 さ, 打 設 ピ ッチ や コ ンク リー ト強 度 等 をパ ラ メ ー タ ー と した基 礎 実 験 を行 い, こ れ ら 合 成 構 造 に つ い て の 新 しい設 計 要 領 を提 案 して い き た 写 真-1 多連 ス タ ッ ド自 動 溶 接 機 に よ る溶 接 状 況 表 一10 溶 接 適 性 範 囲 図一16 モ ニ タ ー画 面例(5回 繰 り返 し試 験 結 果)

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36 江 見 ・吉 川 ・古 池 ・川 上 ・片 山: い. 最 後 に, 本 検 討 の実 施 に あ た っ て ご指 導 して 頂 い た「異 形 鉄 筋 ス タ ッ ド方 式 頂 版 結 合工 研 究 会」 の 藤 井 学(主 査; 京 都 大 学), 小 柳 教 授(岐 阜 大 学), 小 林 助 教 授(京 都 大 学)な らび に各 委 員 に深 甚 な る 謝 意 を表 しま す. 参 考 文 献 1)「 鋼管矢板基礎設計指針 ・同解説」, 日本道路協会, 1984. 2) 「道路橋示 方書 ・同解説IV下 部構造 編」, 日本道路協 会, 1980. 3)「 鋼管矢板 基礎頂版結 合部の模型 実験解析業 務報告書」, 阪神高速道路公 団 ・新 日本製鐵(株), 1988. 4)「 矢板式基礎 頂版結合 部の模型実 験報告書」, 阪神高速道 路公 団 ・鋼管杭協会, 1977. 5) 「鋼管矢板 基礎頂版結 合部の模型 実験報告書」, 阪神 高速 道路公 団 ・鋼管杭協会, 1986. (1988.12.6・受付)

参照

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