JP6939590B2 - 桁構造体 - Google Patents

Description

本発明は、桁構造体に関し、特に、端部に高さ方向の切り欠き部が形成される桁構造体に関する。

鋼製の桁構造体は、橋梁など各種の構造物に利用されている。このような桁構造体では、端部に高さ方向の切り欠きを形成することがある。単純梁構造の場合には端部に作用するモーメントが小さいため、切り欠きを形成することによって耐荷重性を維持しつつ桁構造体を軽量化したり、切り欠き部分に脚または柱を連結することによって構造物全体の高さを抑えたりすることができる。

このような切り欠きが形成された桁構造体の例は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１では、桁構造体に形成される切り欠きのコーナー部で疲労亀裂の事例が多く報告されていることが指摘され、亀裂損傷が発生した領域を補強するための方法が提案されている。具体的には、切り欠き部分にある補強対象領域で腹板に連結突起を溶接し、連結突起に連結された鉄筋を覆ってコンクリートを打設することが提案されている。

特開２００４−１８３２３２号公報

上記の特許文献１では、桁構造体に形成される切り欠き部分で疲労亀裂が発生しやすいことは指摘されているものの、亀裂損傷が発生した後の補強に焦点が当てられており、疲労亀裂自体を防止することには言及されていない。例えば高所に設置された桁構造体では亀裂の発生自体を発見することも容易ではなく、また補強のための作業も大がかりになることを考慮すれば、疲労亀裂の発生自体を防止できた方が望ましい。

そこで、本発明は、端部に高さ方向の切り欠き部が形成される桁構造体において、疲労亀裂の発生を防止して疲労寿命を延伸することが可能な、新規かつ改良された桁構造体を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、端部に高さ方向の切り欠き部が形成される桁構造体であって、切り欠き部の形状に切り取られるウェブと、ウェブの下端に接合される下部フランジと、ウェブおよび下部フランジにそれぞれ接合され切り欠き部に配置される複数のリブとを備え、切り欠き部は、端部側に位置する凹状の第１湾曲部と、桁構造体の中間部側に位置する凸状の第２湾曲部とによって形成される桁構造体が提供される。
端部に形成される切り欠き部を、第１湾曲部と第２湾曲部とを含むＳ字形とすることによって、切り欠き部に作用する応力を分散させ、切り欠き部における疲労亀裂の発生を防止して疲労寿命を延伸することができる。

上記の桁構造体において、第１湾曲部の曲率半径は、第２湾曲部の曲率半径以上であってもよい。また、第１湾曲部の曲率半径、および第２湾曲部の曲率半径は、中間部における桁構造体のせいから端部における桁構造体のせいを引いた値の１．５倍以上であってもよい。
湾曲部の曲率半径が上記の条件を満たす場合にはより顕著な疲労寿命の延伸の効果が得られるが、上記の条件が満たされない場合にも相当な程度の疲労寿命の延伸の効果は得られる。

以上説明したように、本発明によれば、端部に高さ方向の切り欠き部が形成される桁構造体において、疲労亀裂の発生を防止して疲労寿命を延伸することができる。

本発明の一実施形態に係るＣＲＧの側面図である。 図１に示すＣＲＧの切り欠き部を拡大して示す図である。 ＣＲＧに設けられるリブについて説明するための図である。 図１および図２に示すＣＲＧのＦＥＭ解析結果を示す図である。 切り欠き部を従来のように湾曲部と角部とによって形成したＣＲＧのＦＥＭ解析結果を示す図である。 図１および図２に示すＣＲＧの切り欠き部の曲率半径と発生応力との関係を示すグラフである。 図１および図２に示すＣＲＧの切り欠き部のリブ間隔と発生応力との関係を示すグラフである。 図１および図２に示すＣＲＧの切り欠き部のリブ長さと発生応力との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係るＣＲＧの寸法を示す図である。 比較例に係るＣＲＧの寸法を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＲＧ（Crane Runway Girder）の側面図である。図１には、工場建屋内に設置されて天井クレーンのレールを支持するＣＲＧ１０，２０が示されている。ＣＲＧ１０は、ＣＲＧ２０に比べて長いスパンで架設されるため、ＣＲＧ１０の中間部１１でのせい（背）ｈ_１は、ＣＲＧ２０のせいｈ_２よりも大きくなっている。その一方で、ＣＲＧ１０の端部１２には高さ方向の切り欠き部１３が形成され、端部１２でのせいｈ_３は中間部１１でのせいｈ_１よりも小さくなっている。端部１２では中間部１１に比較して作用するモーメントが小さいため、せいを小さくすることが可能である。また、端部１２でのせいｈ_３をＣＲＧ２０のせいｈ_２と同じにすることで、ＣＲＧ１０，２０の間で上面および下面の両方を揃え、上面にレールを据え付け、下面に共通の柱構造体３０を取り付けることができる。本実施形態において、ＣＲＧ１０の切り欠き部１３は、端部１２側に位置する凹状の第１湾曲部１３１と、中間部１１側に位置する凸状の第２湾曲部１３２によって形成され、全体としてＳ字形である。このように切り欠き部１３が全体としてＳ字形に形成されることによって、後述するように本実施形態では切り欠き部１３に作用する応力を分散させ、切り欠き部１３における疲労亀裂の発生を防止して疲労寿命を延伸することができる。

図２は、図１に示すＣＲＧの切り欠き部を拡大して示す図である。図２に示されるように、ＣＲＧ１０は、高さ方向のウェブ１５１と、ウェブ１５１の上端に接合される上部フランジ１５２と、ウェブ１５１の下端に接合される下部フランジ１５３と、ウェブ１５１の面上に接合される縦リブ１５４と、切り欠き部１３に配置される複数のリブ１５５とを含む。ウェブ１５１は、ＣＲＧ１０の側面形状を規定する部材であり、端部１２では切り欠き部１３の形状に切り取られている。上部フランジ１５２は、ＣＲＧ１０の上面を構成し、レールを据え付けるために平坦に形成されている。下部フランジ１５３は、ＣＲＧ１０の下面を構成し、切り欠き部１３に沿って湾曲している。縦リブ１５４は、補強材としてウェブ１５１の表面に取り付けられる。リブ１５５は、具体的には例えば切り欠き部１３の部分で第１湾曲部１３１および第２湾曲部１３２に沿って所定の間隔で配列され、ウェブ１５１および下部フランジ１５３にそれぞれ接合されることによって切り欠き部１３を補強する。

ここで、ＣＲＧ１０に設けられるリブ１５５について、図３を参照してさらに説明する。図３は、切り欠き部を従来のように湾曲部と角部とによって形成したＣＲＧにリブ１５５Ｃが設けられた例を示す図である。ＣＲＧ１０Ｃが柱構造体に架設されたとき、下部フランジ１５３Ｃは湾曲部１３１Ｃの中心に向かう向きに変形しようとする。それゆえ、リブ１５５Ｃが設けられていなければ、応力はウェブ１５１Ｃと下部フランジ１５３Ｃとの接合部Ｐ１に集中する。リブ１５５をウェブ１５１Ｃおよび下部フランジ１５３Ｃにそれぞれ接合した場合、上記のような下部フランジ１５３の変形が拘束され、従ってウェブ１５１Ｃと下部フランジ１５３Ｃとの接合部Ｐ１への応力集中は緩和される。その一方で、リブ１５５Ｃとウェブ１５１Ｃとの接合部Ｐ２、およびリブ１５５Ｃと下部フランジ１５３Ｃとの接合部Ｐ３には新たな応力集中が発生する。

本実施形態では、上記のような応力集中を低減するために、まず、湾曲部の曲率半径（図２に曲率半径Ｒ_１として示す）を大きくすることによって、下部フランジを湾曲部の中心に向かう向きに変形させようとする力を低減する。ここで、上記で図１および図２を参照して説明した例において、第１湾曲部１３１ではリブ１５５がウェブ１５１および下部フランジ１５３の間で引っ張られるのに対して、第２湾曲部１３２ではリブ１５５がウェブ１５１および下部フランジ１５３の間で圧縮される。疲労寿命を延伸する観点からはリブ１５５が引っ張られることによる接合部の破断を防止する必要があるため、第１湾曲部１３１の曲率半径Ｒ_１を大きくしてかかる力を低減することが望ましい。第２湾曲部１３２は、湾曲部の終端を角のある形状にしないことで応力集中を発生させないために有効であるが、上記の通りリブ１５５に作用する応力は圧縮であるために曲率半径Ｒ_２は必ずしも曲率半径Ｒ_１ほど大きくなくてもよい。

また、本実施形態では、リブとウェブとの間、およびリブと下部フランジとの間の接合部への応力集中を低減するために、湾曲部に配置されるリブの間隔（図２に間隔Ｓとして示す）を狭めることで、リブ１枚あたりの応力を低減する。さらに、リブの長さ（図２に長さＬとして示す）を長くすることで、ウェブとリブとの接合部における長さあたりの応力を低減し、またウェブと下部フランジとの接合部を中心にして作用するモーメントに対するリブの抵抗力を向上させる。

なお、上記では、曲率半径Ｒ_１、ならびにリブ１５５の間隔Ｓおよび長さＬによって応力集中を低減することについて説明したが、これらの値には施工上の限界があるため、これらの限界を考慮してそれぞれの値を調節することが望ましい。例えば、曲率半径Ｒ_１は、大きくしすぎると切り欠き部１３がＣＲＧ１０の中間部１１側に延びるため、大きなせいｈ_１が得られる中間部１１が短くなってしまう。それゆえ、ＣＲＧ１０にかかる曲げ応力などを考慮し、せいｈ_１が得られる中間部１１を十分な長さ確保できるように曲率半径Ｒ_１を設定することが望ましい。リブ１５５の間隔Ｓは、短すぎるとリブ１５５をウェブ１５１および下部フランジ１５３に溶接するときの作業性が低下するため、例えば最低３００ｍｍを確保することが望ましい。また、リブ１５５の長さＬは、長すぎるとリブ１５５が上部フランジ１５２や縦リブ１５４と干渉するため、これらの部材との位置関係を考慮して決定されることが望ましい。

図４は、図１および図２に示すＣＲＧのＦＥＭ（Finite Element Method）解析結果を示す図である。図５は、比較例として、切り欠き部を従来のように湾曲部と角部とによって形成したＣＲＧのＦＥＭ解析結果を示す図である。図４および図５を比較すると、図５に示す従来の例では、矢印で示す切り欠き部のウェブとリブとの接合部分、およびリブと下部フランジとの接合部分において顕著な応力の集中が見られる。これに対して、図４に示す本実施形態の例では、ウェブ１５１とリブ１５５との接合部分、およびリブ１５５と下部フランジ１５３との接合部分にわずかな応力の集中が見られるものの、集中の度合いは従来の例に対して明らかに小さい。この結果から、Ｓ字形の切り欠き部１３を有する本実施形態のＣＲＧ１０では、切り欠き部１３にかかる応力を分散させることによって、繰り返し荷重や振動による疲労亀裂の発生を防止して疲労寿命を延伸することができるといえる。

また、図４に示された例では、切り欠き部１３の第１湾曲部１３１と第２湾曲部１３２とを同じ曲率半径でわずかな応力集中が切り欠き部１３の端部１２側の部分を構成する第１湾曲部１３１で発生している。このことから、上記のように第１湾曲部１３１の曲率半径と第２湾曲部１３２の曲率半径とを等しくする場合だけではなく、第１湾曲部１３１の曲率半径を第２湾曲部１３２の曲率半径よりも大きくした場合も、湾曲部での応力の流れが緩やかになることで応力集中が緩和され、結果として切り欠き部１３にかかる応力が効果的に分散されるといえる。

図６〜図８は、図１および図２に示すＣＲＧの切り欠き部の寸法と発生応力との関係を示すグラフである。ＣＲＧ１０の切り欠き部１３で、発生応力に関係する寸法としては、第１湾曲部１３１の曲率半径Ｒ_１、切り欠き部１３に取り付けられるリブ１５５の間隔Ｓ、およびリブ１５５の長さＬがある。なお、これらの寸法は、図２にも示されている。なお、図６〜図８に示された応力は、ＣＲＧ１０の長さを１４０００ｍｍ、中間部１１でのせいｈ_１を３０００ｍｍ、端部１２でのせいｈ_３を２０００ｍｍとして、ＦＥＭ解析によって算出されている。

図６には、曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２をいずれも４００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍ、１５００ｍｍ、および２０００ｍｍとした場合に、ウェブ１５１とリブ１５５との間で発生する応力が示されている。この結果によれば、応力は、曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２が大きくなるほど大きく低減される。

ここで、図６に示された結果において、応力の低減効果は、曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２が大きくなるほど緩やかになっている。例えば、曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２が１５００ｍｍの場合と２０００ｍｍの場合とでは、応力にそれほどの差がない。従って、この結果から、曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２がＣＲＧ１０の中間部１１のせいｈ_１（３０００ｍｍ）から端部１２のせいｈ_３（２０００ｍｍ）を引いた値（１０００ｍｍ）の１．５倍（１５００ｍｍ）以上である場合に、応力の低減効果が十分に得られているといえる。

なお、図６に示されるように応力は曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２が大きくなるにつれて徐々に低減されるため、曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２がせいｈ_１とせいｈ_３との差分の１．５倍なければ応力の低減効果が得られないということはなく、例えば設計上の理由で曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２がせいｈ_１とせいｈ_３との差分の１．５倍を下回る場合にも、曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２に応じた応力の低減効果が得られる。従って、本発明は曲率半径Ｒ_１，Ｒ_２がせいｈ_１とせいｈ_３との差分の１．５倍以上の場合には限定されない。

図７には、切り欠き部１３におけるリブ１５５の間隔Ｓを１６０ｍｍ、２４０ｍｍ、および３２０ｍｍとした場合に、ウェブ１５１とリブ１５５との間で発生する応力が示されている。この結果によれば、応力は、間隔Ｓが短いほど低下する傾向がある。

図８には、切り欠き部１３におけるリブ１５５の長さＬを２００ｍｍ、３５０ｍｍ、および５００ｍｍとした場合に、ウェブ１５１とリブ１５５との間で発生する応力が示されている。この結果によれば、応力は、長さＬが長いほど低下する傾向がある。

図９は本発明の実施例に係るＣＲＧの寸法を示す図であり、図１０は比較例に係るＣＲＧの寸法を示す図である。実施例に係るＣＲＧと、比較例ＣＲＧとのそれぞれについて、切り欠き部に関係する寸法と、ＦＥＭ解析で算出されたウェブとリブとの間の等価応力範囲および疲労寿命を表１に示す。なお、等価応力範囲は、変動する振幅応力と同じ繰り返し回数で等価な疲労被害を与える一定振幅の応力範囲を表し、疲労寿命は、等価応力範囲に対する繰り返し回数を対象になるＣＲＧの１年あたりの走行回数で割ることによって求められる。また、実施例に係るＣＲＧにおいて、第１湾曲部および第２湾曲部の曲率半径は同じである。

上記の解析結果では、本発明において、切り欠き部を端部側の第１湾曲部および中間部側の第２湾曲部によって形成した桁構造体では、疲労寿命を伸ばせる可能性があることが示された。また、上記の実施例では、第１湾曲部および第２湾曲部の曲率半径（１５００ｍｍ）がＣＲＧ中間部のせい（３５００ｍｍ）からＣＲＧ端部のせい（３０００ｍｍ）を引いた値（５００ｍｍ）の３倍である。この結果は、上記で図６を参照して説明した解析結果、すなわち、第１湾曲部および第２湾曲部の曲率半径がＣＲＧ中間部のせいからＣＲＧ端部のせいを引いた値の１．５倍以上であれば十分な応力の低減効果が得られるという結果に整合する。

なお、上記の説明では桁構造体としてＣＲＧを例示したが、本発明に係る桁構造体はＣＲＧには限定されず、鉄道橋や道路橋などの橋梁、その他一般の構造物において繰り返し荷重や振動を受ける梁にも適用することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１１…中間部、１２…端部、１３…切り欠き部、３０…柱構造体、１３１…第１湾曲部、１３２…第２湾曲部、１５１…ウェブ、１５２…上部フランジ、１５３…下部フランジ、１５４…縦リブ、１５５…リブ。

Claims (3)

1. 端部に高さ方向の切り欠き部が形成される桁構造体であって、
   前記切り欠き部の形状に切り取られるウェブと、
   前記ウェブの下端に接合される下部フランジと、
   前記ウェブおよび前記下部フランジにそれぞれ接合され前記切り欠き部に配置される複数のリブと
   を備え、
   前記切り欠き部は、前記端部側に位置する凹状の第１湾曲部と、前記桁構造体の中間部側に位置する凸状の第２湾曲部とによって形成される桁構造体。
2. 前記第１湾曲部の曲率半径は、前記第２湾曲部の曲率半径以上である、請求項１に記載の桁構造体。
3. 前記第１湾曲部の曲率半径、および前記第２湾曲部の曲率半径は、前記中間部における前記桁構造体のせいから前記端部における前記桁構造体のせいを引いた値の１．５倍以上である、請求項１または請求項２に記載の桁構造体。

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