HASEGAWA Akira

KATAOKA Noritoshi

WASHIO Harumi

片岡 範俊

長谷川 明

鷲尾 晴実

English

KATAOKA, Noritoshi

8483

片岡, 範俊

カタオカ, ノリトシ

HASEGAWA, Akira

5137

長谷川, 明

ハセガワ, アキラ

WASHIO, Harumi

8484

鷲尾, 晴実

ワシオ, ハルミ

Hachinohe Institute of Technology Repository / 八戸工業大学学術リポジトリ

大型PRCボックスカルバート載荷試験報告片 岡 範 俊?・長谷川 明??・鷲 尾 晴 実???Report on a Loading Test of Large PRC Box-culvert Noritoshi KATAOKA?,Akira HASEGAWA??and Harumi WASHIO???Abstract Box-culvert are popular structures in the use of across roads.Smal size boxes are used in case of water channels and large one is used in case of road and railroad.In case of smal size box,precasted concrete box-culvert are usualy used.However,in case of large size box-culvert,precast-concrete box-culvert aren’t used because of carrying.Therefore,the new method in which precast-blocks are connected each other,was developed.And,loading test of large PRC box-culvert was carried out.The outline of the test and the results are described in this paper.:Box-culvert,Precasted concrete,PRC,new method,loading test 1. は じ め にボックスカルバートは，道路を横断する場合に使用される道路土工では最も一般的な構造物である。小型のものでは道路を横断する水路，大型のものでは道路・鉄道などの通路として用いられている。ところが，現在使用されているプレキャストボックスカルバートは，架設地点までの運搬の理由から，小型構造物に限定されており，大型構造物では現場打設による構築が一般的となっている。現場打設によるボックスカルバートの建設は，長期の工期を必要とすることから，建設費，特に作業経費の増大が発生し，併せて作成される構造物のコンクリートの品質についても工場製品に比べて養生などの点で注意が必要となる。特に，寒冷地では，冬季の建設工事期間の短縮は大きな課題となる。そこで，大型ボックスカルバートを数部材の結合で構成させることによる工法を開発した。この工法によれば，一部は現場打設によるものの，大幅な工期短縮によって品質の高い経済的な大型ボックスカルバートを構築できる。本工法の妥当性を確認するため大型ボックスカルバートの実物試験を行った。2. 大型PRCボックスカルバートの概要2.1 部材の構成と施工実験で使用したPRC（Pre-stressed Reinfor-ced Concrete）ボックスカルバートは，4部材から構成されている。頂版部材と2つの側壁部材の3部材がプレキャスト部材，底版部は現場打ちコンクリート部材となっている。4隅角部は，上部の2隅角部が頂版部材と，下部の2隅角部は側壁部材と一体化され工場製作されている。また，頂版及び側壁部は経済的なT型断面としており，それぞれの腹部は現場状況によっては，必要な配筋及び現場打ちコンクリートを打設して一体化させることが可能である。頂版と側壁はPC鋼棒によって緊張接合され―249―平成16年12月17日受理?大学院工学研究科土木工学専攻博士前期課程・2年??大学院工学研究科土木工学専攻・教授???株式会社 技研・社長ている。プレストレスの導入によって，ひび割れ防止・水密性の向上にもつながっている。また，フーチング部と側壁は側壁部から予め引き出された主鉄筋とともに現場打ちコンクリートによって接合されている。写真-1に施工状況を示す。2.2 本ボックスカルバート工法の特徴工法の特徴は次の通りである。① 工場内での品質管理のもとで製造しているため，品質が均一，安定しコスト削減につながる。② 計画的な工事工期の設定が可能で，また工期が大幅に短縮できる。③ 従来のボックスカルバートと比べ，製品重量が20～40%軽く運搬しやすい。3. 試 験3.1 試験項目本試験の具体的な試験項目を示す。① 設計時に計算された応力が適正であるか確認する。② プレキャスト部材に使用しているPC鋼棒に作用する応力を測定し，接合方法の妥当性を確認する。③ プレキャスト部品相互およびプレキャストと現場打設部の接合点における応力の連続性が確保されているか確認する。確認方法としては，接合点両端の鉄筋およびコンクリートにひずみゲージを貼り付け応力の連続性を確認する。④ 設計荷重を超える荷重を載荷したときに，どのような挙動を示すか調査する。調査項目としては，ひずみ・変位およびひび割れ観察を行う。⑤ 実際に載荷試験を行った試験データから，頂版A，側壁B（右），側壁D（左），底版C方向の荷重増加と変位の変化を調査する。3.2 試験体試験体は，実際に架設予定となっている8,000（内幅:X方向)×6,850（内高さY方向)×1,500（奥行きZ方向）単位mmを使用した。実物大試験体を1体のみで試験を行った。図-1にボック八戸工業大学紀要 第24巻―250―写真1.3 組み立て風景写真1.2 接合部施工状況写真1.1 ボックスカルバート施工状況スカルバート全体図を示す。PC鋼棒は，頂版横締めにB種1号（SBPR930/1080）φ26を2本/1.5 m，側壁の上下連結にC種1号（SBPR1080/1230）φ23-4本/1.5 m片側を使用している。このうち側壁上下連結用PC鋼棒2本は底版まで延長し，それによるプレストレスを考慮して側壁部材をPRCとして計算している。使用したコンクリートの圧縮強さはプレキャスト部が46.4 N/mm?，底盤現場打設部が45.5 N/mm?であった。3.3 載荷方法載荷方法は，試験の安全性を確保しつつ試験体の特性を把握できるよう検討され，次のように実施した。図-2に載荷試験の概要図を示す。相互の側壁を結ぶ方向を X，頂版と底版を結ぶ方向を Y とした。実験状況を写真-2に示す。① 安全性と試験の利便性を考慮し，ボックス（試験体）を寝かせて試験する。② 水平2方向にセンターホールジャッキを据え付け，変位制御で載荷する。③ ジャッキの制御は，パソコンと接続された制御装置を使用し，終局時の制御を考慮し変位制御で実施する。④ それぞれのジャッキは治具を用いて試験体外部に取り付け，反対側にはロードセルをおく。これらは，PC鋼棒で接合する。⑤ 載荷は，はじめ X 方向に対し側壁土圧に相当する荷重（773 kN/2）まで載荷する。その後，X 方向を維持したまま，Y 方向に対して設計荷重（856 kN/2）まで載荷大型PRCボックスカルバート載荷試験報告（片岡・長谷川・鷲尾)―251―図-1 試験体全体図図-2 荷重試験全体図―252―八戸工業大学紀要 第24巻写真2.実験状況写真2.1 試験全景（試験前）写真2.2 試験全景（試験後）写真2.3 載荷制御用コンピュータ（2方向）写真2.4 計測機器:左からデータロガー，スイッチボックス1，データ収録用パソコン，スイッチボックス2写真2.5 油圧ジャッキ，油圧装置（Y）および載荷用治具写真2.6 ロードセルと載荷用治具する。さらに，その後 X 方向荷重およびY 方向荷重を同時に増加させ，変位がおよそ8 cm程度になるまで載荷する。なお，これ以前に，測定上危険な状態が発生したときは載荷を停止することとした。4. 試験結果および考察試験結果について述べる。4.1 設計応力と実験値図-3は，Px＝390 kN，Py＝427 kN作用時のコンクリート表面に貼り付けたゲージのひずみ（＊10??）である。このとき，コンクリートの弾性係数を3?10?N/cm?と仮定すると，各断面の応力は次のようになる。A断面 σcu＝－193＊3＝－579 N/cm?，σcd＝144＊3＝432 N/cm?B断面 σcu＝－186＊3＝－558 N/cm?，σcd＝131＊3＝393 N/cm?C断面 σcu＝－92.3＊3＝－276.9 N/cm?，σcd＝107＊3＝321 N/cm?これに対し，Px＝390 kN，Py＝427 kN作用時のA,B,C断面の中間支間曲げモーメントは，49,700，31,500，および51,000 kN･cmであって，それぞれ設計曲げモーメントの1.17，1.72および0.883倍である。これを考慮して設計時に使用したコンクリート応力と比較すると表-1となる。表-1によると，実験値は設計値の約30%から68%程度の応力であったことが示されている。これは，ひずみゲージの貼り付け位置が，中央から一部離れており，実験で作用した曲げモーメントが小さかったことも考えられるが，基本的に，実際の構造は設計で計算された応力よりも低い応力が発生していたことが示されており，安全であることが示されている。4.2 PC鋼棒のひずみ増分Px＝390kN，Py＝427 kN作用時のPC鋼棒に貼り付けたゲージのひずみ増分は次のようであった。頂版（A）部材中のPC鋼棒ひずみ 10.3～32.7（＊10??）側壁（B）部材中のPC鋼棒ひずみ 9.35～60.7（＊10??）側壁（D）部材中のPC鋼棒ひずみ 11.2～35.5（＊10??）このため，使用したPC鋼棒の弾性係数が―253―大型PRCボックスカルバート載荷試験報告（片岡・長谷川・鷲尾)表-1 設計計算曲げ応力と実験値の比較実験値（a） 設計値（b） 比率（a/b＊100） 位置A断面 579  1,140  50.8% 頂版中央B断面 558  820  68.0% 側壁中央C断面 321  1,060  30.3% 底版中央応力の単位はN/cm?図-3 Px＝390 kN，Py＝427 kN作用時のコンクリート表面ひずみ（＊10??）2.01＊10?N/cm?であったことから，発生した応力増分は，たかだか12 N/mm?（＝60.7＊10??＊2.01＊10?N/cm?）に過ぎなかった。この応力増分は，使用したPC鋼棒の引っ張り強さの約1%である。4.3 底版部のプレキャスト部と現場打設部の連続性図-4は，Px＝390 kN，Py＝427 kN作用時の底盤部の鉄筋のひずみ分布を描いたものである。ひずみ分布から想定される曲げモーメント図を描くと，集中荷重を受けている場合の理論的な曲げモーメント図と一致し，底盤部のプレキャスト部と現場打設部の接合は適正に行われていることが示されている。また，プレキャストと現場打設部の接合点では，本試験体全体が破壊に至った後も，ひび割れなどの発生もなく十分な接合を確保していた。4.4 最大曲げモーメント載荷試験の都合から（主に試験実施の安全性により），設計曲げモーメントに対して，側壁中央部の曲げモーメントが3.35倍まで載荷した。破壊は，側壁中央部載荷点および側壁と底版の隅角部で発生した。側壁と頂版のプレキャスト部材相互の接合部にクラックが発生したものの，崩壊には至らなかった。また，プレキャストと現場打設部の接合点では，本試験体全体が破壊に至った後も，ひび割れなどの発生もなく―254―八戸工業大学紀要 第24巻図-5 載荷荷重による各部材の変位状況図-4 底版部のプレキャスト部と現場打設部の鉄筋のひずみ分布(Px＝390 kN，Py＝427 kN作用時）十分な接合を確保していた。なお，このとき頂版中央，底盤中央の曲げモーメントはそれぞれ，設計曲げモーメントに対し頂版部が2.38，底盤部が1.80倍であった。4.5 変位計測① 荷重と4点の変位図-5に荷重増加に伴う各部材の変位状況を示す。ほぼ荷重増加に比例して変位の増大が見られた。最大荷重時では側壁B側が破壊し，大きな変位が発生したことが示されている。② 頂版A，底版Cの変位状況図6，7に頂版A，底版Cの荷重変位曲線を示す。頂版部A点は変位2～2.5 mmまでは全く荷重は増加せず変位のみ増加した，しかし，そのあとの変化では頂版部・底版部はほぼ同方向に荷重が増加し最大荷重後もほぼ同時に荷重が減少しているのが図-6から確認できる。また―255―大型PRCボックスカルバート載荷試験報告（片岡・長谷川・鷲尾)図-7 荷重変位曲線（C2H，底版中央）図-6 荷重変位曲線（A2H，頂版中央）Y 軸方向の最大荷重は866 kNとなり最大変位は頂版部が13.86 mm，底版部が14.94 mmとなった。③ 側壁B，Dの変位状況図-8，9に側壁B，Dの変位状況を示す。側壁部Ｂについては，大きな変位が発生したことから横軸目盛りがDの荷重変位曲線とは異なっている。側壁B，Dのいずれの変位も最初の荷重 Px の増加時，Py 増加時，およびその後のPx，Py 同時荷重増加時で異なった挙動を示した。最初の荷重 Px のみの増加時（約380 kN）までは，変位と荷重はほぼ線形な関係で増大し，Px を維持しながら Py のみを増加すると，側壁変位は減少していることが示されている。さらに，Px，Py 同時荷重増加時には，再びに変位と荷重はほぼ線形な関係で増大し，X 軸方向の最大荷重 Px が803 kNに到達した後，側壁部Ｂが破壊した。なお，X 軸方向の最大荷重時（803―256―八戸工業大学紀要 第24巻図-9 荷重変位曲線（D2H，側壁中央）図-8 荷重変位曲線（B2H，側壁中央）kN）のときの最大変位は側壁部Ｂ点が86.26 mm，D点が15.78 mmであった。4.6 設計荷重以降の載荷に対する挙動最終的には，側壁（B）への曲げモーメントが設計曲げモーメントの3.35倍となった時点で破壊した。損傷の状況を写真-3に示す。5. ま と め本実験によって，本工法によるボックスカルバートの力学的性能，接合の妥当性が示された。本工法は，大型ボックスカルバートのブロック工法によって施工性を改善するもので，工期短縮・工費縮減は大きな成果となっている。特に，寒冷地での急速施工，交通遮断期間の短縮など大きな効果が生まれている。今後，多くの施工事例が生まれることを期待するとともに，さらに全断面プレキャスト化についても研究を進めたいと考えている。―257―大型PRCボックスカルバート載荷試験報告（片岡・長谷川・鷲尾)写真3.1 試験後の試験体全景と部材名称写真3.実験後の損傷状況―258―八戸工業大学紀要 第24巻写真3.2.2 B（側壁）外面:左は端部に損傷，右は部材接合部に損傷，中央部には上下方向のクラック多数写真3.2.1 A（頂版）外面:左右側面に上下方向クラック発生，中央部には損傷なし写真3.2 部材全景（試験後）写真3.2.3 C（底盤）外面:右端部（Bとの隅角部）に大きな損傷が発生。中央，左端部にはクラックなし。プレキャスト・現場打設接合部にもクラックなし。写真3.2.4 D（側壁）外面:左部材接合部に若干のクラック，そのほかにはクラックなし―259―大型PRCボックスカルバート載荷試験報告（片岡・長谷川・鷲尾)写真3.2.5 A（頂版）内面:全面にクラック発生なし。写真3.2.6 B（側壁）内面:中央部および右隅角部に上下方向クラック発生。写真3.2.7 C（底盤）内面:左隅角部にクラック。中央部にわずかなクラック発生，右隅角部にはクラックなし。プレキャスト・現場打設接合部にもクラックなし。写真3.2.8 D（側壁）内面:左，中央，右接合部にそれぞれわずかなクラックが発生。―260―八戸工業大学紀要 第24巻写真3.3 損傷状況詳細写真3.3.1 A写真3.3.1.1 A（頂版）外面:左クラック発生写真3.3.1.2 A（頂版）外面:Bとの隅角部にクラック発生写真3.3.1.3 A（頂版）外面:右端部にクラック発生。なお，Aの中央部にはクラック発生なし。写真3.3.1.4 A（頂版）内面:左端部にクラックなし写真3.3.1.5 A（頂版）内面:中央部にクラックなし写真3.3.1.6 A（頂版）内面:右端部にクラックなし。B面ハンチ部にクラック―261―大型PRCボックスカルバート載荷試験報告（片岡・長谷川・鷲尾)写真3.3.2 B写真3.3.2.1 B（側壁）外面:左端部大きな損傷とクラック発生写真3.3.2.3 B（側壁）外面:部材接合部に大きな損傷とクラック発生写真3.3.2.5 B（側壁）外面:部材接合部上から撮影:外側（写真左）に約10 mmの開き発生:A側が約10 mm外へ変形:下参考写真3.3.2.2 B（側壁）外面:中央部に上下方向クラック発生写真3.3.2.4 B（側壁）外面:部材接合部に大きな損傷とクラック発生写真3.3.2.6 B（側壁）外面:部材接合部側面から撮影:外側（写真手前）に約10 mmの開き発生:A側（写真右）が約10 mm外へ変形:下参考―262―八戸工業大学紀要 第24巻写真3.3.2.7 B（側壁）中央部:クラック発生状況外面写真3.3.2.8 B（側壁）中央部:クラック発生状況天端（上部から撮影）写真3.3.2.9 B（側壁）中央部:クラック発生状況内面写真3.3.2.10 B（側壁）左:ハンチ部にクラック発生写真3.3.2.11 B（側壁）中央:クラック発生写真2.3.2.9と同じ写真3.3.2.12 B（側壁）左端部（Cとの隅角部）上下方向にクラック発生

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大型PRCボックスカルバート載荷試験報告

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