鋼・コンクリート接触面の付着に及ぼす支圧およびスタッドの影響
宇都宮大学 正会員 ○中島章典 カンドー 藤澤知樹 宇都宮大学 正会員 斉木 功 トピー工業 大江浩一
1. はじめに
種々のタイプの鋼・コンクリート複合構造の力学性状を より合理的に把握するためには，まず，その接触面での応 力伝達性状を明らかにする必要がある．このような背景か ら，本稿では，鋼・コンクリートの接触面での付着作用を，
粘着(接着)作用，摩擦作用および機械的作用の3つに分け て考え1)，これらの観点から，鋼・コンクリート複合構造の 接触面の付着性状を実験により確認することを試みた．
2. 実験概要
(1) 試験体
複合構造鋼・コンクリートの接触面を模擬するために，図 –1に示す鋼板を直方体のコンクリートで挟んだ要素試験体 を用いた2)．前述した3つの付着作用の観点から付着特性 を確認するために，鋼とコンクリートの接触面の状態を変 えた以下の4種類の試験体を製作した．
P : 平鋼板のみを用いた試験体（8体）
S : スタッド付の鋼板を用いた試験体（8体）
TP : 平鋼板を用い接触面にテフロンシートを2枚入れた 試験体（2体）
TS : スタッド付の鋼板を用い接触面にテフロンシートを 2枚入れた試験体（2体）
ここで，TPおよびTSには，接触面の粘着や摩擦を極力小 さくするために，テフロンシート(厚さ1mm)を挿入した．
また，SおよびTSでは，摩擦作用と機械的作用の相互作用 を調べるために，軸径13mm，高さ80mmの頭付きスタッ ド（降伏応力274N/mm2）を図–1のように取り付けた．鋼 板の表面には，さび止めとして使用されているエッチング プライマーを施した．また，試験体に用いたコンクリートの 圧縮強度，弾性係数はそれぞれ40.4N/mm2，28.9kN/mm2 である．なお，試験体を図–1のように設置した際に，コン クリートは上方から打設した．
(2) 実験方法
載荷実験時の状況を図–2に示す．図のように試験体を挟 んだ2枚の鋼板を外側に配置し，両端にネジ切りした4本 の丸鋼棒で締めることによって，中央鋼板に支圧力を与え た．その際，4本の丸鋼棒に同等の軸力を与えるためトルク レンチにより等しいトルクでネジを締めた．また，図–2-b に示したロードセルによって支圧力を測定した．図–2-aに 示すように試験体を載荷試験機のベッドに設置し，中央鋼 板上部に荷重を載荷した．そして，鋼とコンクリートの間 の鉛直方向相対ずれが10mm程度になるまで荷重載荷を継 続した．
Key Words: 鋼・コンクリート複合構造，付着，支圧，摩擦，実験
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図–1 試験体（単位mm）
図–2-a 立面図
図–2-b 平面図 図–2 載荷試験の状況
支圧力として，試験体 P，S では，0.0，0.2，0.5，1.0，
2.0N/mm2 の 5 通 り，試験 体 TP で は ，0.0，0.2，0.5， 1.0N/mm2の4通りとした．また，TSでは0.0N/mm2のみ とし，それぞれの支圧力の大きさで2体ずつ実験を行った．
試験中には，中央鋼板への載荷荷重および中央鋼板とコ ンクリートとの鉛直方向相対ずれを計測した．なお，相対 ずれは，中央鋼板の上部より40mmの位置に2つ取り付け た高感度変位計を用いて計測し，変位計のターゲットは，中 央鋼板から水平方向に20mm，コンクリートブロック上面 から80mm下の位置に図–2-aのように設置した．
土木学会第58回年次学術講演会（平成15年9月）
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0 2 4 6 8 10 0
2 4 6 8 10 12
ずれ(mm)
荷重
(kN)
10A 10B 05A 05B
02A 02B 00A 00B
図–3 荷重-ずれ関係(TP)
0 2 4 6 8 10
0 20 40 60 80 100 120
ずれ(mm)
荷重
(kN)
20A 20B
10A
10B 05A
05B 02A
02B 00A
00B
図–4 荷重-ずれ関係(P)
0 2 4 6 8 10
0 50 100 150 200
ずれ
(mm)
荷重
(kN)
20A20B 10A 10B
05A05B 02A 02B
00A00B
TS00A TS00B
図–5 荷重-ずれ関係(S)
0 0.5 1 1.5 2
0 50 100 150 200
支圧(N/mm )
最大荷重 (kN )
TP S
P P+TS
TS
2
図–6 最大荷重-支圧力関係
3. 実験結果および考察
試験体TP，P，S（TSを含む）の試験から得られた荷重 と相対ずれの関係を図–3，図–4，図–5に示す．図中の数字 は支圧力の大きさであり，2体実施した結果をA，Bで表 している．縦軸は載荷荷重を，横軸は中央鋼板の2箇所の 相対ずれの平均値を示している．平鋼板を用いたTP，Pの 結果と，スタッドを用いたS，TSの結果を比較すると，前 者の方が最大荷重時のずれは小さい．また，前者の荷重-ず れ関係では，最大荷重に到達した直後に荷重が急激に減少 し，その後，荷重の減少が次第に緩やかになる傾向がある．
これに対して，後者の荷重-ずれ関係では，支圧力が小さい 場合には，最大荷重に到達した後荷重が大きく減少してい るが，支圧力が大きいほどずれが大きくなっても荷重はあ まり減少しないことがわかる．これは，両者の試験体の破 壊形式によるものと考えられ，TPとPでは，鋼板とコン クリートとのずれの増加に伴って摩擦作用が減少して荷重 が減少するのに対し，Sではスタッドの変形に伴うコンク リートのひび割れによって荷重が減少し始めているからで ある．このため，S，TSでは最大荷重時までのずれが大き くなったものと考えられる．
それぞれの荷重-ずれ関係から，最大荷重を求め，横軸に 支圧力を取ってまとめたのが図–6である．ここで，TP，P，
Sの結果を各マークで表し，各試験体ごとの実験値に対する 最小2乗近似直線も細い線で図中に示した．これより，同
じ種類の試験体ごとの最大荷重と支圧力の間には，ほぼ線 形の関係が成り立つことがわかる．つまり，接触した鋼と コンクリートの接触面接線方向の最大荷重は，それと垂直 に作用する支圧力に依存していると言える．また，Pの試 験体についての近似直線を，2つのTSの試験体より得られ たスタッドのみによるせん断強度の平均値(62kN)だけ上 方に平行移動した線を図中にP+TSとして太い破線で示し た．ここで，TPとTSの支圧0.0N/mm2の最大荷重を比 較すると，前者は後者に比べて十分に小さいと言えるので，
後者は鋼とコンクリートの接触面の摩擦を無視したスタッ ドのみによるせん断強度の値であると考えられる．その結 果，P+TSは細い実線で示すSの近似線と近いものになり，
これら3つの試験体の最大荷重において，P+TS=Sの関係 が成り立っていることが確認できる．このことから摩擦作 用のみが支圧力に比例すると言える．ただし，PとSの荷 重-ずれ関係においては最大荷重時のずれの大きさは異なっ ている．
4. おわりに
本稿では，鋼・コンクリートの接触面での付着作用を，粘 着(接着)作用，摩擦作用および機械的作用の3つに分けて 考え，これらの観点から，鋼・コンクリート複合構造の接 触面の付着性状を実験により確認することを試みた．
その結果，摩擦作用のみおよび機械的作用のみを有する 試験体の最大荷重の和で，両作用が存在する試験体の最大 荷重をほぼ表現することができた．また，ここで用いた支圧 力の範囲では，支圧が摩擦作用には影響を及ぼしているが，
機械的作用にはほとんど影響を及ぼさないことがわかった．
なお，本研究の一部は，科学研究費補助金（平成14〜15 年度基盤研究(C)，課題番号14550475）の補助を受けて実 施している．
参考文献1) 園田恵一郎，鬼頭宏明，中島一男：突起付き鋼板の付着特性 に関する実験的研究,第3回合成構造の活用に関するシンポ ジウム講演論文集，pp.155-160, 1995.11.
2) 本田紘美，中島章典，斉木功，大江浩一：鋼とコンクリート の接触面の付着性状，第29回関東支部技術発表会講演概要 集，pp.122-123，2002.3.
土木学会第58回年次学術講演会（平成15年9月）
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