張弦梁

【課題】上弦材と下弦材との接合部の設計を容易にするとともに、接合部の破損を抑制できる張弦梁を提供する。
【解決手段】Ｈ鋼からなり、鉛直に延在するウェブ１１の上下に上フランジ１２および下フランジ１３が配置された上弦材１０と、平鋼からなり、上弦材１０の両端部に接合部３０をもって接合される下弦材２２と、軸方向の中間位置にて上弦材１０と下弦材２２とを連結する束材２５とを有する張弦梁１において、下弦材２２の軸端部分２４を、接合部３０の梁端側の端部３０ａから１つ目の束材２５までの間にて直線状を呈するようにし、接合部３０における上弦材１０の下面を、軸直角方向からの側面視において下弦材２２（軸端部分２４）の材軸方向に沿う傾斜面１７とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成梁床構造の梁に好適な上弦材と下弦材とを有する張弦梁に関する。
【背景技術】
【０００２】
運動施設やホールなど、大スパンの無柱空間を必要とする建築物では、屋根構造に張弦梁を採用するものが多い。張弦梁は、曲げ剛性と圧縮剛性とを持つ梁を上弦材とし、下弦材に引張材を用い、上弦材と下弦材とを束材を介して結合した混合構造の梁である。
【０００３】
一方、鉄骨梁とコンクリート床スラブとを一体化した合成梁構造において、従来のＨ型鋼の梁に代えて張弦梁を用いた合成梁構造が知られている（特許文献１参照）。特許文献１の張弦梁は、図１１に示すような構成とされている。すなわち、この張弦梁１０１では、上弦材１１０に小断面のＨ型鋼を用い、下弦材１２２に平鋼を用い、上弦材１１０の端部を下弦材１２２の角度に沿って斜めに切断し、上弦材１１０のウェブ１１１と下弦材１２２とが逆Ｔ字状となるように両者を溶接接合することで、使用鋼材量を大幅に削減するとともに、梁にＨ型鋼を用いた従来構造と同様の単純さを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２８６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、物流・商業・生産施設などの大スパンの合成梁構造を構成する張弦梁構造においては、上弦材と下弦材とが接合させる端部に非常に大きな力が作用する。そのため、接合部の剛性や部材同士の接合強度を大きくする必要がある。また、２つの部材を溶接するときの必要溶接長さは、溶接部に生じる応力の大きさと、溶接する部材のうち強度の低い方の母材の強度とに応じて決定される。
【０００６】
ここで、特許文献１の発明においては、図１１に示すように、上弦材１１０のウェブ１１１と下弦材１２２とを溶接接合することに加え、張弦梁１０１の端部に斜め（張弦梁１０１の架け渡し方向（以下、軸方向と称する。）に対して）に配置した補剛用の板状鋼板（以下、斜め補剛材１２７と称する。）を併用することで、上弦材１１０と下弦材１２２との接合部の剛性確保および両部材の接合強度を確保するようにしており、この斜め補剛材１２７が下弦材１２２の引張力の一部を負担することによって下弦材１２２に沿う溶接長を短縮させ得るようにしている。そして、支持に供されるべく梁端部に設けられたガセットプレート１２６と、張弦梁１０１（小梁）に直交する大梁１０２に設けられたスチフナ１０３とが、継手板１０４により連結されることで、張弦梁１０１が大梁１０２に支持される支持構造となっている。なお、ガセットプレート１２６は、張弦梁１０１が受ける鉛直荷重のみを支持し、ガセットプレート１２６と下弦材１２２との図示しない溶接部は下弦材からの引張力の負担に寄与するものではない。
【０００７】
ところが、特許文献１の発明では、白抜き矢印で示す下弦材１２２の引張方向（材軸方向）に対する斜め補剛材１２７の角度αが９０度よりも小さくなっており、斜め補剛材１２７には圧縮抵抗力が生じている。そのため、斜め補剛材１２７の断面設計においては座屈の検討が必要になる。その結果、斜め補剛材１２７の板厚が十分な許容圧縮応力度を有していても、溶接長を確保するために部材長が長くなると、座屈に耐え得るようにより大きな板厚にせざるを得ないことがあり、このような場合にはコストアップを招く。
【０００８】
一方、図１２に示すような、上弦材２１０をなすＨ型鋼の下フランジ２１３に、軸直角方向からの側面視でヘ字状に折り曲げ加工した下弦材２２２をなす平鋼をボルト２３３により接合する構成が知られている（特開２００１−３４２７１０号公報参照）。この構成によれば、上弦材２１０と下弦材２２２との接合部２３０の領域やボルト２３３の本数を増やすことで、接合強度を容易に確保することができる。しかしながらこの構成では、下弦材２２２の引張力がヘ字状の折曲部２２２ａ（接合部３０の梁中央側端部）に集中することになり、特に床スラブが輸送トラックの走行路として利用される場合などには振動によって接合部２３０が梁中央側の折曲部２２２ａから順に疲労破壊を起こす虞がある。
【０００９】
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、上弦材と下弦材との接合部の設計を容易にするとともに、接合部の破損を抑制できる張弦梁を提供することをその主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、鉛直に延在するウェブ（１１）の上下に上フランジ（１２）および下フランジ（１３）が配置された上弦材（１０）と、平坦な上面（２２ｕ）を有し、前記上弦材の両端部に接合部（３０）をもって接合される下弦材（２２）と、軸方向の中間位置にて前記上弦材と前記下弦材とを連結する少なくとも１つの束材（２５）とを有する張弦梁（１）であって、前記下弦材は、前記接合部の梁端側の端部（３０ａ）から１つ目の前記束材までの間にて直線状を呈し、前記接合部における前記上弦材の下面が、軸直角方向からの側面視において前記下弦材の材軸方向に沿う傾斜面（１７）とされた構成とする。
【００１１】
このような構成とすることにより、下弦材の上弦材との接合部にはこれと平行に引張力が作用するため、下弦材から上弦材に伝わる引張力が均等に分散される。したがって、引張力の集中によって接合部に破損が生じることを抑制できる。
【００１２】
また、本発明の一側面によれば、前記下弦材は、ボルト（３３、２８）により前記上弦材および前記束材に接合された構成とすることができる。
【００１３】
このような構成とすることにより、ボルトの締結を解除することで下弦材を容易に上弦材から分離することができる。そのため、疲労破壊が生じる前に下弦材を新しいものに交換したり、張弦梁の設計荷重の変更に応じて下弦材をより高強度のものに交換したりすることができ、接合部の破損を確実に防止することができる。
【００１４】
また、本発明の一側面によれば、前記上弦材における前記接合部の梁端側には、下面が水平に形成され、受台（３）上に載置される水平端部（１６）が形成された構成とすることができる。
【００１５】
このような構成とすることにより、水平端部を受台上に載置した状態で張弦梁を受台に支持させることができ、張弦梁の支持構造を、受台が鉛直荷重を支持するピン支持或いはピン−ローラ支持に近いものとすることができ、張弦梁に無用な応力が生じることを防止できる。
【００１６】
また、本発明の一側面によれば、前記上弦材は、Ｈ型鋼からなる一定断面の上弦部材（１８）と、当該上弦部材の両端部の下面に接合され、前記傾斜面を有してテーパ状をなす一対の下弦接合部材（１９）とを有する構成とすることができる。
【００１７】
このような構成とすることにより、上弦部材に傾斜面を設ける加工を行う必要をなくし、小部材である下弦接合部材に傾斜面を加工すればよいため、加工や各部材の取り扱いが容易である。
【発明の効果】
【００１８】
このように本発明によれば、上弦材と下弦材との接合部の設計を容易にするとともに、接合部の破損を抑制できる張弦梁を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る張弦梁の側面図
【図２】図１中のII断面図
【図３】図１に示す張弦梁の要部拡大側面図
【図４】図１に示す張弦梁の要部下面図
【図５】図１に示す張弦梁の作用効果の説明図
【図６】変形例に係る張弦梁の要部下面図
【図７】第２実施形態に係る張弦梁の側面図
【図８】図７に示す張弦梁の要部拡大側面図
【図９】図７に示す張弦梁の分解側面図
【図１０】第３実施形態に係る張弦梁の要部側面図
【図１１】従来技術に係る張弦梁の要部側面図
【図１２】従来技術に係る張弦梁の要部側面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る張弦梁１のいくつかの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第２実施形態以降においては、第１実施形態と同様の部材には同一の符号を付し、第１実施形態と重複する説明は省略する。
【００２１】
≪第１実施形態≫
まず、図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態およびその変形例について説明する。図１および図２に示すように、張弦梁１は、大梁２、２に設けられた受台３に載置され、単純支持形式の支持方法により一対の大梁２、２間に架け渡され、ずれ防止用のボルト・ナット５により小さな軸力で受台３に固定される。受台３は、上面が略水平な水平面とされ、この水平面に図示しないボルト挿通孔が形成されている。張弦梁１は、２本以上が大梁２、２間に架け渡され、その上に配置される床版６を支持することで大スパンの合成梁床構造を構成する。なお、床版６が既設である場合に床版６の下方に張弦梁１を設け、張弦梁１を床版６の補強用として用いることも可能である。
【００２２】
張弦梁１は、Ｈ型鋼を加工してなり、鉛直に延在するウェブ１１の上下に上フランジ１２および下フランジ１３が配置されてＩ形断面を呈する上弦材１０と、平鋼からなり、その上面２２ｕおよび下面２２ｌが断面視で水平な平坦面をなすとともに、その端部が上弦材１０の両端部に接合部３０をもって接合される下弦材２２と、上弦材１０を軸方向に３等分した位置にて上弦材１０と下弦材２２とを上下方向に連結するＨ型鋼からなる２つの束材２５とを有する。
【００２３】
軸直角方向からの側面視（図１）において、直線状の上弦材１０は、上面が水平面をなすように水平に配置される。一方、下弦材２２は、２つの束材２５が接合された位置の梁端側にて屈曲して下方に突となるように形成され、２つの束材２５の間にて水平に配置された直線状の中央部分２３と、中央部分２３の軸方向両側に一対に配置され、梁端へ向けて上向きに傾斜する直線状の軸端部分２４とにより構成される。
【００２４】
上弦材１０および束材２５に用いるＨ型鋼は、ＪＩＳ規格の一般構造用熱間圧延鋼材（Ｇ３１０１、ＳＳ４００）からなる。ＳＳ４００の降伏強度（降伏点または耐力）は、２４５Ｎ／ｍｍ２（鋼材の厚さが１６ｍｍ以下の場合）である。一方、下弦材２２に用いる平鋼は、より降伏強度が大きく、溶接にも適するＪＩＳ規格の溶接構造用圧延鋼材（Ｇ３１０６、ＳＭ４９０）からなる。ＳＭ４９０の降伏強度は、３２５Ｎ／ｍｍ２（鋼材の厚さが１６ｍｍ以下の場合）である。
【００２５】
図３にも示すように、上弦材１０は、その端部においてウェブ１１の高さが小さくなるように下フランジ１３が軸端へ向けて上向きに傾斜して構成されるテーパ部１５と、テーパ部１５に連続してウェブ１１の高さが小さなまま下フランジ１３が再度上フランジ１２と平行（水平）になって構成される水平端部１６とを有している。そして、下フランジ１３が水平な上弦材１０の水平端部１６には、ボルト挿通用の図示しない長孔が下フランジ１３に形成されている。
【００２６】
一方、下フランジ１３が傾斜したテーパ部１５の下面は、軸直角方向からの側面視（図１）において下弦材２２の軸端部分２４の材軸方向に沿う傾斜角を有する傾斜面１７とされている。そして下弦材２２は、接合部３０においてこの傾斜面１７に面接触した状態で上弦材１０に接合される。つまり、下弦材２２は、接合部３０の梁端側の端部３０ａから１つ目の束材２５までの間の部分（軸端部分２４）が直線状を呈している。
【００２７】
図４に示すように、下弦材２２は、上弦材１０の下フランジ１３よりも幅狭とされており、その両側縁および端縁に沿う連続溶接による隅肉溶接により、接合部３０を構成する三方に形成された連続する直線状のビード３２によって上弦材１０に接合されている。一方、束材２５も、上弦材１０および下弦材２２に対して溶接接合されている。
【００２８】
図１および図３に示すように、上弦材１０におけるテーパ部１５の軸方向両端および束材２５との２箇所の接合部には、上フランジ１２と下フランジ１３とを連結するスチフナ１４が鉛直に配置された状態でウェブ１１にも溶接されている。
【００２９】
張弦梁１がこのような構成を有することにより、接合部３０の溶接長（ビード３２の全長）が十分長く確保されるとともに、下弦材２２の引張力が、接合部３０の接合面と平行に加わって接合部３０の全体に分散しながら上弦材１０に伝達される。したがって、引張力の集中によって接合部３０に破損が生じることが抑制される。
【００３０】
また、張弦梁１は、上弦材１０の水平端部１６を介して受台３に支持される単純支持形式の支持構造とされたことにより、次のような作用効果を奏する。すなわち、図５を参照して説明すると、まず（Ｃ）に示すような、張弦梁１０１の下端に形成されたガセットプレート１２６が継手板１０４を介して大梁１０２のスチフナ１０３に支持される従来（特許文献１）の張弦梁１０１では、白抜き矢印で示す下弦材１２２の引張力が継手板１０４の中心から離れた位置に作用するため、継手板１０４には黒塗り矢印で示すようなモーメントが生じることになり、継手板１０４だけでなく、ガセットプレート１２６およびスチフナ１０３の強度も必要となる。さらに、ガセットプレート１２６にモーメントが発生するため、張弦梁１０１の端部の応力条件が煩雑になる。また、大梁１０２とのレベル合わせが必要となり、張弦梁１０１の架設に手間がかかる。
【００３１】
これに対し、実施形態に係る張弦梁１では、図５（Ａ）に示すように、白抜き矢印で示す下弦材２２の引張力によって上弦材１０には黒塗り矢印で示すような圧縮抵抗力が生じ、受台３には鉛直方向の圧縮抵抗力が生じることになる。つまり、張弦梁１は、（Ｂ）の左側に示すようなピン支持構造となる。また、上弦材１０の水平端部１６に長孔が形成され、ボルト・ナット５により小さな軸力で受台３に固定されたことにより、（Ｂ）の右側に示すようなローラ形式に近い支持構造となる。したがって、下弦材２２に生じた引張力は上弦材１０の圧縮力と釣り合い、張弦梁１は完全に自閉した応力状態となるため、支承部は、常時の鉛直荷重のみを負担することになる。よって、張弦梁１にはモーメントや水平方向の力が作用することがなく、単純で合理的な設計が可能となる。
【００３２】
また、張弦梁１を架設する際には、水平端部１６を受台３上に載置してボルト・ナット５を設置するだけでレベル合わせおよび位置合わせが可能となるため、施工手間が大幅に低減される。さらに、張弦梁１の支持形式を受台方式とすることで、張弦梁１の架設時の省力化に加え、従来の継手板１０４によるボルト接合方式と比べて支承部の鉛直剛性が大きくなるため、床振動に対する使用性の向上が期待できる。また、張弦梁１を支持するためのガセットプレート１２６が省略されることでこの部分に空間が生じるため、大梁２に沿った配管等が必要な建物への適用にも有効である。
【００３３】
また、上弦材１０と下弦材２２との接合部３０には、下弦材２２の引張力による材軸方向のせん断力が作用し、上弦材１０に圧縮力として伝達される。このため、接合部３０直上のウェブ１１にはせん断力が集中的に作用し、この部位のせん断強度が不足することが懸念されるが、上記したように上弦材１０におけるテーパ部１５の軸方向両端にせん断補強用のスチフナ１４が設けられたことにより、スチフナ１４が上フランジ１２および下フランジ１３とともに矩形枠を構成してせん断力に対して強固なパネルゾーン１１ａがウェブ１１に形成され、ウェブ１１のせん断剛性が高まる。
【００３４】
＜変形例＞
本変形例では、図６に示すように、下弦材２２の幅が上弦材１０（下フランジ１３）の幅よりも大きくされている。したがって、下フランジ１３の幅が上記実施形態と同一であるならば、下弦材２２の許容引張応力度は上記実施形態よりも大きく、床スラブの耐荷重をより大きくすることができる。この場合、下弦材２２と上弦材１０との接合は、下弦材２２の端縁に沿うビード３２ａと、下弦材２２の上面２２ｕにおいて上弦材１０の側縁に沿うビード３２ｂとが形成される連続隅肉溶接により行われる。下弦材２２と上弦材１０とをこのように溶接することにより、下弦材２２の幅が上弦材１０の幅よりも大きい場合であっても、両部材の接合部３０の溶接長を長くして十分な接合強度を確保することができる。
【００３５】
≪第２実施形態≫
次に、図７〜図９を参照して本発明の第２実施形態について説明する。図７に示すように、本実施形態の張弦梁１も第１実施形態と同様に、Ｈ型鋼を加工してなり、鉛直に延在するウェブ１１の上下に上フランジ１２および下フランジ１３が配置されてＩ形断面を呈する上弦材１０と、平鋼からなり、その端部が上弦材１０の両端部に接合部３０をもって接合される下弦材２２と、上弦材１０を軸方向に３等分した位置にて上弦材１０および下弦材２２を上下方向に連結するＨ型鋼からなる２つの束材２５とを有する。また、図８に示すように、上弦材１０は、下フランジ１３が軸端へ向けて上向きに傾斜して構成されるテーパ部１５と、テーパ部１５に連続して下フランジ１３が水平になって構成される水平端部１６とを有しており、下弦材２２は、テーパ部１５の傾斜面１７に面接触した状態で上弦材１０に接合されている。
【００３６】
一方、下弦材２２は、ボルト・ナット３３によって上弦材１０の下フランジ１３に締結されている。なお、疲労強度を高める観点から、ボルト・ナット３３には高力ボルトを用いるのが好ましい。さらに、図７に示すように、束材２５は上弦材１０に対して溶接により接合されているが、下弦材２２はその上面２２ｕに溶接されたガセットプレート２７を介して束材２５に対してボルト・ナット２８によって締結されている。
【００３７】
このような構成とされることにより、この張弦梁１では、ボルト・ナット３３、２８の締結を解除することで、下弦材２２を容易に上弦材１０から分離可能となっている。下弦材２２と上弦材１０とを溶接により接合した場合、特に、張弦梁１が物流・商業・生産施設などの合成梁構造に適用されると、繰り返し応力作用時の疲労により接合部３０の強度が低下することが懸念される。そこで、上記のように下弦材２２を上弦材１０から分離可能とすることにより、疲労破壊が生じる前に下弦材２２を新しいものに交換することや、張弦梁１の積載荷重の変更に応じて下弦材２２をより高強度のものに交換することができ、接合部３０の破損を確実に防止することができる。また、張弦梁１の加工時の省力化と接合部３０の品質管理の簡略化によって、コストの低減および安定した品質の供給を実現できる。
【００３８】
≪第３実施形態≫
次に、図１０を参照して本発明の第３実施形態について説明する。図示するように、本実施形態の張弦梁１は、上弦材１０を構成するＨ型鋼からなる上弦部材１８と、平鋼からなる下弦材２２と、Ｈ型鋼からなる２つの束材２５との他に、上弦材１０の一部をなし、下弦材２２の端部を接合部３０をもって上弦材１０の両端部に接合させるための一対の下弦接合部材１９を有する。上弦部材１８は、適所に設けられたスチフナ１４を有するものの、上記実施形態の上弦材１０と異なり、Ｈ型鋼からなる一定断面とされている。また、下弦材２２は、上記実施形態と同様に、水平に配置された直線状の中央部分２３（図７参照）と、梁端へ向けて上向きに傾斜する一対の直線状の軸端部分２４とにより構成される。
【００３９】
一方、下弦接合部材１９は、上面が上弦部材１８の下フランジ１３に沿う水平面をなし、下面が下弦材２２に沿う傾斜面１７をなすテーパ形状となっている。そして、下弦接合部材１９は、ボルト・ナット２９によって上弦部材１８の下フランジ１３に締結され、下弦接合部材１９の下面（傾斜面１７）に下弦材２２がボルト・ナット３３によって締結されている。
【００４０】
このような構成とされることにより、張弦梁１は、上弦部材１８に傾斜面１７を設けるための加工を行う必要がなく、小部材である下弦接合部材１９に傾斜面１７を加工すればよいため、加工手間が少なく、各部材の取り扱いも容易である。
【００４１】
以上で具体的実施形態についての説明を終えるが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、上弦材１０にＨ型鋼を用いているが、Ｉ型鋼を用いてもよい。また、上記実施形態では、下弦材２２に平鋼を用いているが、平坦な上面を有する他の断面形状の型鋼を用いてもよい。また、上記実施形態では、束材２５が２箇所に配置されているが、１箇所や３箇所以上に配置してもよい。この他、各部材の具体的形状や、配置、数量などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した本発明に係る張弦梁１の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１張弦梁
３受台
１０上弦材
１１ウェブ
１２上フランジ
１３下フランジ
１５テーパ部
１６水平端部
１７傾斜面
１８上弦部材
１９下弦接合部材
２２下弦材
２２ｕ上面
２３中央部分
２４軸端部分
２５束材
２８ボルト・ナット
３０接合部
３０ａ端部
３３ボルト・ナット

【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直に延在するウェブの上下に上フランジおよび下フランジが配置された上弦材と、平坦な上面を有し、前記上弦材の両端部に接合部をもって接合される下弦材と、軸方向の中間位置にて前記上弦材と前記下弦材とを連結する少なくとも１つの束材とを有する張弦梁であって、
前記下弦材は、前記接合部の端部から１つ目の前記束材までの間にて直線状を呈し、
前記接合部における前記上弦材の下面が、軸直角方向からの側面視において前記下弦材の材軸方向に沿う傾斜角とされたことを特徴とする張弦梁。
【請求項２】
前記下弦材は、ボルトにより前記上弦材および前記束材に接合されたことを特徴とする、請求項１に記載の張弦梁。
【請求項３】
前記上弦材における前記接合部の梁端側には、下面が水平に形成され、受台上に載置される水平端部が形成されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の張弦梁。
【請求項４】
前記上弦材は、Ｈ型鋼からなる一定断面の上弦部材と、当該上弦部材の両端部の下面に接合され、前記傾斜面を有してテーパ状をなす一対の下弦接合部材とを有することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の張弦梁。

【図１】