鉄骨と鋼殻の接合構造
【課題】適切な設計を行うことによって、十分な接合性能を有する鉄骨と鋼殻の接合構造を提供する。
【解決手段】鋼殻１内にＨ型鋼２１が配置され、コンクリート３が打設されてなる接合構造において、鋼殻１からＨ型鋼２１を引き抜く際に引き抜き力に抵抗した場合に生じるＨ型鋼２１のフランジ先端からコンクリート３に割裂ひび割れ４が発生する割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たす。Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ・・・式（１）、Ｐcr＞Ｐy・・・式（２）［Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）、ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）］
【解決手段】鋼殻１内にＨ型鋼２１が配置され、コンクリート３が打設されてなる接合構造において、鋼殻１からＨ型鋼２１を引き抜く際に引き抜き力に抵抗した場合に生じるＨ型鋼２１のフランジ先端からコンクリート３に割裂ひび割れ４が発生する割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たす。Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ・・・式（１）、Ｐcr＞Ｐy・・・式（２）［Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）、ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）］
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨（Ｈ型鋼）と鋼殻の接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合ラーメン橋梁などの建設工事において、橋梁下部工（橋脚）と橋梁上部工を接合する工事の鉄骨と鋼殻を接合する部分には、剛接合として設計することが基本とされている。そのため、鉄骨に引き抜き力が作用する場合、鉄骨と鋼殻の相対的な抜き出し量が小さく抑えられることが必要である。
このような鉄骨と鋼殻の接合構造を適用した橋脚と橋梁上部工との接合構造として、例えば、複数の鉄骨の上端部を突出させるようにしてコンクリートを充填して橋脚を形成する。そして、平行に配列した複数の主桁と、主桁同士を接続する横板とによって横桁を枠状に形成する。また、横桁の内部空間を主桁及び横板により複数のセル室に仕切り、セル室内に橋脚の鉄骨を挿入して、内部にコンクリートを充填することによって橋脚と横桁とを接合する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−３２２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、接合構造の構成材料とコンクリートを充填する方法について記載されており、構成材料の設計方法や配置方法については記述されておらず、鉄骨と鋼殻の接合性能の評価方法や十分な接合性能を確保するための設計方法や配置方法が明確でない。
そこで、本発明は、いくつかの構造実験やＦＥＭ解析に基づき、鉄骨から鋼殻への荷重伝達機構や損傷メカニズムを考慮して、主要な構成材料の寸法や配置方法を決定するものである。そして、鉄骨と鋼殻の接合性能を評価し、適切な設計を行うことによって、十分な接合性能を有する鉄骨と鋼殻の接合構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、例えば図１に示すように、鋼殻１内にＨ型鋼２１からなる鉄骨２が配置され、鋼殻内にコンクリート３が打設されてなる鉄骨と鋼殻の接合構造において、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼のフランジ先端からコンクリートに割裂ひび割れ４が発生する割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たすことを特徴とする。
Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ ・・・式（１）
Ｐcr＞Ｐy ・・・式（２）
［ここで、
Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、
Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、ただし、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、
ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、
Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）、
ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）、とする。］
【０００５】
請求項１の発明によれば、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じる割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrが、上記式（１）を満たすので、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrがコンクリートの引張強度と抵抗面積で決定される。したがって、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrを算出して、この割裂ひび割れ発生荷重ＰcrをＨ型鋼の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ形鋼のフランジ幅、コンクリートの引張強度を適宜選定する。これによって、設計が容易となり、かつ、鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
【０００６】
請求項２の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１に記載の鉄骨と鋼殻の接合構造において、
前記鋼殻は、鋼板（例えば、主桁１１及び横梁１２）を枠状に組みつけてなり、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷が発生する付着損傷発生荷重Ｐｂは、次式（３）〜式（５）を満たすことを特徴とする。
Ｐｂ＝τ×Ｌ×２Ｂ×ｎ×βｖ ・・・式（３）
τ＝√ｆ’ｃ・（１．２８＋６．６０Ｋｃ）・・・式（４）
Ｐｂ＞Ｐy ・・・式（５）
［ここで、
τ：付着強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｌ：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含まない）、
ｆ’ｃ：コンクリート強度（Ｎ／ｍｍ2）（ｆ’ｃ≦６０Ｎ／ｍｍ2）、
Ｋｃ：拘束係数（＝ｔ／Ｂ）、
ｔ：鋼板厚さの１／２の値（ｍｍ）、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）（１本当たりの幅）、
ｎ：Ｈ形鋼の本数、
βｖ：鋼殻の面外剛性に関する係数（＝０．３／（ｖ＋０．３）＋０．７）、
ｖ：鋼殻のたわみ量（ｍｍ）、とする。］
【０００７】
請求項２の発明によれば、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じるＨ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷発生荷重Ｐｂが上記式（２）を満たすので、付着損傷発生荷重Ｐｂが付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数で決定される。したがって、付着損傷発生荷重Ｐｂを算出して、この付着損傷発生荷重Ｐｂを鉄骨の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数を適宜選定することによって、設計が容易となり、かつ、鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、適切な設計を行うことができ、鉄骨と鋼殻の接合構造において十分な接合性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１(a)は本発明における鉄骨と鋼殻の接合構造を示した外観斜視図、図１(b)は図１(a)の正断面図、図１(c)は図１(a)の側断面図、図１(d)は図１(a)の上面図である。
鋼殻１は、互いに対向して設けられた主桁１１と、主桁１１，１１間に配置された横梁１２，１２とを備えている。鋼殻１は、主桁１１と横梁１２とが矩形枠状に組みつけられることによって、内部に空間が形成されてなるものである。そして、鋼殻１の内部空間に鉄骨２，２，…が配置され、さらにコンクリート３が打設されている。
鉄骨２は、Ｈ型鋼２１であり、そのフランジ２１１の外側面には、多数の縞状の横節２１２が形成されている。横節２１２によって、Ｈ型鋼２１が鋼殻１内に打設されるコンクリート３と剛結される。本実施形態では３本のＨ型鋼２１が鋼殻１内に等間隔で配置されている。
【００１０】
上記Ｈ型鋼２１と鋼殻１の接合構造において、鋼殻１からＨ型鋼２１を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じるＨ型鋼２１のフランジ２１１先端からコンクリート３に割裂ひび割れが発生する。このときの割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たす。
Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ ・・・式（１）
Ｐcr＞Ｐy ・・・式（２）
［ここで、
Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、
Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、ただし、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、
ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、
Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）
ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）、とする。］
なお、図１中、符号４は、割裂ひび割れ発生領域を示している。また、遷移域長さとは、図１(b)中、符号Ｌ２の長さを言い、Ｈ型鋼の非定着区間の長さである。したがって、Ｌ’＝Ｌ（設計上の定着長さ：例えば図１におけるＨ型鋼２１の横節２１２が形成された箇所の長さ）＋Ｌ２（遷移域長さ）となる。
【００１１】
また、鋼殻１からＨ型鋼２１を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じるＨ型鋼２１とコンクリート３の界面に生じる付着損傷が発生する付着損傷発生荷重Ｐｂは、次式（３）〜式（５）を満たす。
Ｐｂ＝τ×Ｌ×２Ｂ×ｎ×βｖ ・・・式（３）
τ＝√ｆ’ｃ・（１．２８＋６．６０Ｋｃ）・・・式（４）
Ｐｂ＞Ｐy ・・・式（５）
［ここで、
τ：付着強度（Ｎ／ｍｍ2）
Ｌ：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含まない）
ｆ’ｃ：コンクリート強度（Ｎ／ｍｍ2）（ｆ’ｃ≦６０Ｎ／ｍｍ2）
Ｋｃ：拘束係数（＝ｔ／Ｂ）
ｔ：鋼板厚さの１／２の値（ｍｍ）
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）（１本当たりの幅）
ｎ：Ｈ形鋼の本数
βｖ：鋼殻の面外剛性に関する係数（＝０．３／（ｖ＋０．３）＋０．７）、
ｖ：鋼殻のたわみ量（ｍｍ）、とする。］
【００１２】
図２は、上記式（１）〜（５）を使用して本発明に係る鉄骨と鋼殻の接合構造を設計する際の設計フローを示している。
図２に示すように、まず、構造設計するに当たって、上記式（１）を用いてＰｃｒを算出する。また、Ｈ型鋼の断面積Ａｓ及びＨ型鋼の降伏強度ｆｙからＨ型鋼の降伏荷重Ｐyを算出する。一方、上記式（３）を用いてＰｂを算出する（ステップＳ１）。そして、上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たしているか否かを判断する（ステップＳ２）。上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たしていれば設計を終了する。上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たしていなければ、上記式（２）及び式（５）を満たすようにＰcr、Ｐｂ、Ｐyの各パラメータ値を適宜変更することによって調整し（ステップＳ３）、再度ステップＳ１及びステップＳ２を行い、ステップＳ２において上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たすまでステップＳ１〜ステップＳ３を繰り返す。
【００１３】
図３は、鉄骨と複数の鋼殻の接合構造を示した外観斜視図である。
図３に示す接合構造では、３つの主桁１１，１１，…が所定間隔に配されて、これら主桁１１に垂直となるように２つの横梁１２，１２が互いに対向して配置されている。これによって３つの鋼殻ブロック１，１，…が形成されている。各鋼殻ブロック１内には、３つの鉄骨（Ｈ型鋼２１，２１，…）２，２，…がそれぞれ配されて、コンクリート３が打設されている。
【００１４】
次に、上述した鉄骨と鋼殻の接合構造を適用した例として、コンクリート桁と鋼桁の接合構造について説明する。
図４(a)は、１つのコンクリート桁と鋼桁の接合構造を示した斜視図である。
図１に示す接合構造のように、Ｈ型鋼２１の上端部を鋼殻１から突出させた状態でコンクリートを打設して硬化させることによってコンクリート桁４を形成する。
一方、コンクリート桁４と接合される鋼桁５の一端面には、コンクリート桁４のＨ型鋼２１の一端部が挿入される挿入口５１が形成されている。そして、この鋼桁５の挿入口５１にＨ型鋼２１の一端部が挿入されて、挿入口５１内にコンクリートが打設されることによって、コンクリート桁４と鋼桁５とが剛結されている。
図４(b)は、２つのコンクリート柱と鋼桁の接合構造を示した斜視図である。
図４(b)では、鋼桁５の側面に、各コンクリート柱４１のＨ型鋼２１の一端部が挿入される挿入口（図示しない）が二カ所形成されている。そして、この鋼桁５の各挿入口に、それぞれのコンクリート柱４１のＨ型鋼２１の一端部が挿入されて、挿入口内にコンクリートが打設されることによって、コンクリート柱４１，４１と鋼桁５とが剛結されている。
【００１５】
次に、Ｈ型鋼とコンクリート界面における損傷過程として、まず割裂ひび割れが発生し、その後、荷重増加を伴い付着損傷が進行する点の再現性について、実験例を挙げて説明する。
図５は、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く実験のために使用した試験体の斜視図である。
図５に示すように、互いに対向して配された２つの主桁１１，１１と、これら主桁１１，１１間で主桁１１に対して垂直となるように狭持された２つの横梁１２，１２とによって鋼殻１が形成されている。また、主桁１１，１１の外面には、横方向に長尺な水平補剛材１３，１３がそれぞれ固定されている。主桁１１の縦方向の長さは横梁１２の縦方向の長さよりも長くなっている。主桁１１の上端部には、上端部開口を塞ぐようにして鋼殻ベースプレート１４が取り付けられている。
一方、Ｈ型鋼ベースプレート２２上にＨ型鋼２１，２１，…が３本立設されており、Ｈ型鋼２１の上側の一部が鋼殻１内に配されて、鋼殻１内にコンクリート３が打設されて試験体１００が形成されている。
なお、ここで使用したＨ型鋼の定着長さＬ’は１９０ｍｍ、コンクリート呼び強度は３０Ｎ／ｍｍ２、水平補剛材の段数が１段、主桁ウェブ間隔２００ｍｍ、主桁ウェブ板厚９ｍｍ、横梁ウェブ間隔６００ｍｍ、横梁板厚９ｍｍとする。
【００１６】
このような試験体１００において、Ｈ型鋼ベースプレート２２を下方に荷重をかけていった。このとき、１本当たりのＨ型鋼２１の引き抜き荷重（ｋＮ）と、Ｈ型鋼２１の抜き出し変位（ｍｍ）の関係を図６に示した。
図６の結果から明らかなように、まず割裂ひび割れが発生し、その後、荷重増加に伴い付着損傷が進行した。具体的には、試験対１００のようにＨ型鋼２１が３本の場合、引き抜き荷重が約２００ｋＮ、抜き出し変位量が約０．１ｍｍで充填コンクリートに割裂ひび割れが発生した。その後、さらに荷重をかけていき、引き抜き荷重が約２５０ｋＮ、抜き出し変位量が約０．４ｍｍで充填コンクリートとＨ型鋼の界面に付着損傷が発生した。
なお、ここでは示していないが、Ｈ型鋼を１本とした場合には割裂ひび割れに伴う変位の増加が小さく、３本とした場合には変位の増加が大きくなった。また、Ｈ型鋼１本の場合には、フランジ先端から発生したひび割れが鋼殻に向かって進展したのに対して、Ｈ型鋼３本の場合には、隣接するＨ型鋼のフランジ先端を結ぶように割裂ひび割れが進展したことが確認できた。
【００１７】
次に、上述の実験結果から、割裂ひび割れ発生荷重の上記算定式（１）を導出し、算定式（１）により算出した荷重Ｐcrが、実験及び解析による初期の割裂ひび割れ発生荷重を下回ることを確認することで、算定式（１）が設定した適用範囲において十分な安全性を有していることを確認する。ここで、割裂ひび割れ発生荷重とは、Ｈ型鋼の抜け出し量が急激に増加し始める時点での荷重とする。
以下、割裂ひび割れ発生荷重に基づいて算定式（１）の導出方法について説明する。
割裂ひび割れは、コンクリートの引張応力が引張強度に達することで発生する。そのときの引張荷重は、割裂ひび割れが発生する領域の面積にコンクリートの引張強度を掛け合わせることで算定できると仮定した。
Ｐｃｒ＝Ａｃｒ×ｆｔ
［Ａｃｒ：割裂ひび割れ発生面積（ｍｍ２）、ｆｔ：引張強度（Ｎ／ｍｍ２）］
コンクリートの引張強度ｆｔは、設計基準強度（圧縮強度）ｆ’ｃより求める。また、割裂ひび割れ発生領域は、以下の想定に基づき設定した。
（１）割裂ひび割れを発生させるための支配面積があると想定した。
（２）ひび割れは、Ｈ型鋼のフランジ面に沿って一様に分布すると想定した。
（３）支配面積の一辺は、Ｈ型鋼の定着長Ｌ’と想定した（ただし、実験の場合、非定着区間の長さ（遷移域長さ）を含む）。
（４）もう一辺は、割裂ひび割れ抵抗長さＷｒと呼ぶ。
割裂ひび割れが発生する荷重Ｐは、引張強度ｆｔ、定着長Ｌ’、割裂ひび割れ抵抗長さＷｒを使って、以下のように表すことができる。式中の「４」は、Ｈ型鋼１本に対してＨ型鋼のフランジ先端が４カ所あることを表す。
Ｐ＝Ａｃｒ×ｆｔ＝Ｌ’×４Ｗｒ×ｆｔ
Ｗｒ＝Ｐ／（ｆｔ×Ｌ’×４）
【００１８】
図７は、Ｈ型鋼のフランジ先端距離の１／２値ＷＦと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図であり、割裂ひび割れ発生荷重の根拠（ひび割れ抵抗長さＷｒ（ｍｍ）のプロット）を示している。図７の結果から、Ｈ型鋼のフランジ先端距離が大きくなった場合でも、Ｗｒは一定値を示すことが確認できる。また、Ｈ型鋼のサイズが７５Ｈ、２００Ｈ、３００Ｈと大きくなることに伴い、Ｗｒが大きくなることが確認できる。ここで、図７中に記載の「７５Ｈ」、「２００Ｈ」、「３００Ｈ」とは、Ｈ型鋼のフランジ幅Ｂが「７５ｍｍ」、「２００ｍｍ」、「３００ｍｍ」であることを言う。また、「２．６７Ｂ」とは、互いに隣接するＨ型鋼の中心間隔Ｌ１が「フランジ幅Ｂの２．６７倍である」ことを言う。
【００１９】
なお、図７における横軸のＷＦとは、図８に示すように、互いに隣接するＨ型鋼２１，２１のフランジ２１１，２１１の先端距離の１／２の値である。
図９は、Ｈ型鋼のフランジ幅Ｂと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図であり、フランジ幅Ｂとの関係から、割裂ひび割れ抵抗長さＷｒ＝０．４０Ｂ＋４０を設定した。
【００２０】
次に、算定式（１）により算出した割裂ひび割れ発生荷重と実験及び解析の荷重を比較することで、設定した適用範囲において算定式（１）が十分な安全性を有していることを説明する。
算定式（１）を用いて算定した割裂ひび割れ発生荷重（算定荷重）と、実験及び解析から得られた荷重（実験・解析荷重）を比較した。図１０は、算定式（１）を適用した算定
荷重と実験・解析荷重との関係を示した図であり、割裂ひび割れ発生荷重のパラメータであるひび割れ抵抗長さＷｒ（ｍｍ）のプロットである。図１０の結果から、算定荷重と実験・解析荷重とはおおむね１対１の直線上に位置し、精度の良い評価が可能であることが認められる。
【００２１】
図１１は、鋼殻のたわみ量ｖ（ｍｍ）と荷重比（実験・解析の最大荷重／算定式（３）による算定荷重）との関係を示した図であり、付着損傷荷重の根拠（鋼殻の面外剛性に関する係数βｖのプロット）を示している。図１１の結果から、補剛材がないケース、Ｈ型鋼の中心間隔が比較的大きい７５Ｈ−５Ｂ、２００Ｈ−５Ｂ，３００Ｈ−５Ｂのケースのたわみ量ｖは、大きくなった。すなわち、面外剛性を示すたわみ量ｖが大きくなることに伴い、荷重比が小さくなることが確認できる。そして、この荷重比を１．０に補正するようにβｖを決定した。
【００２２】
図１２は、付着損傷荷重の算定式（３）を適用した算定荷重と実験・解析荷重の関係を示した図である。図１２から明らかなように、算定荷重と実験・解析荷重とはおおむね１対１対応の直線上に位置し、精度の良い評価が可能であることが認められる。
【００２３】
図１３は、Ｈ型鋼と鋼殻の接合構造の構成部位、各構成部位の構成要素、及びこれら各構成要素によって影響が生じるパラメータＰｙ、Ｐｃｒ、Ｐｂを示したものである。構成部位としては、鋼殻（主桁、横梁）、Ｈ型鋼及び充填コンクリートが挙げられる。なお、図１３に示す各構成要素Ｌ’、Ｌ、Ｌ２、Ｗ１、ｔ１、Ｗ２、ｔ２、Ｂ、Ｌ１等については、図１及び図８に示している。
【００２４】
以上のように、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じる割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrが、上記式（１）を満たすので、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrがコンクリートの引張強度と抵抗面積で決定される。したがって、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrを算出し、この割裂ひび割れ発生荷重ＰcrをＨ型鋼の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ形鋼のフランジ幅、コンクリートの引張強度を適宜選定する。これによって、設計が容易でかつ鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
また、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じるＨ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷発生荷重Ｐｂが上記式（２）を満たすので、付着損傷発生荷重Ｐｂが付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数で決定される。したがって、付着損傷発生荷重Ｐｂを算出し、この付着損傷発生荷重Ｐｂを鉄骨の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数を適宜選定することによって、設計が容易でかつ鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
また、パラメータＰｙ、Ｐｃｒ、Ｐｂは、図１３に示す構成要素によって影響を受けるため、上記式（１）〜（５）を適用することで、上記構成要素を適切に選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】(a)は本発明における鉄骨と鋼殻の接合構造を示した外観斜視図、(b)は(a)の正断面図、(c)は(a)の側断面図、(d)は(a)の上面図である。
【図２】上記式（１）〜（５）を使用して本発明に係る鉄骨と鋼殻の接合構造を設計する際の設計フローである。
【図３】鉄骨と複数の鋼殻の接合構造を示した外観斜視図である。
【図４】(a)は、１つのコンクリート桁と鋼桁の接合構造を示した斜視図、(b)は、２つのコンクリート柱と鋼桁の接合構造を示した斜視図である。
【図５】鋼殻からＨ型鋼を引き抜く実験のために使用した試験体の斜視図である。
【図６】図５における実験において、１本当たりのＨ型鋼の引き抜き荷重と、Ｈ型鋼の抜き出し変位との関係を示した図である。
【図７】Ｈ型鋼のフランジ先端距離の１／２値ＷＦと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図であり、割裂ひび割れ発生荷重の根拠（Ｗｒのプロット）を示している。
【図８】Ｗｒ及びＷＦ等の位置関係を示した図である。
【図９】Ｈ型鋼のフランジ幅Ｂと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図である。
【図１０】割裂ひび割れ発生荷重の算定式（１）を適用した算定荷重と実験・解析荷重との関係を示した図である。
【図１１】鋼殻のたわみ量ｖと荷重比（実験・解析の最大荷重／算定式（３）による算定荷重）との関係を示した図であり、付着損傷荷重の根拠（鋼殻の面外剛性に関する係数βｖのプロット）を示している。
【図１２】付着損傷荷重の算定式（３）を適用した算定荷重と実験・解析荷重との関係を示した図である。
【図１３】Ｈ型鋼と鋼殻の接合構造における構成要素と、各構成要素によって影響が生じるパラメータＰｙ、Ｐｃｒ、Ｐｂを示したものである。
【符号の説明】
【００２６】
１ 鋼殻
２ 鉄骨
３ コンクリート
４ 割裂ひび割れ
１１ 主桁
１２ 横梁
２１ Ｈ型鋼
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨（Ｈ型鋼）と鋼殻の接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合ラーメン橋梁などの建設工事において、橋梁下部工（橋脚）と橋梁上部工を接合する工事の鉄骨と鋼殻を接合する部分には、剛接合として設計することが基本とされている。そのため、鉄骨に引き抜き力が作用する場合、鉄骨と鋼殻の相対的な抜き出し量が小さく抑えられることが必要である。
このような鉄骨と鋼殻の接合構造を適用した橋脚と橋梁上部工との接合構造として、例えば、複数の鉄骨の上端部を突出させるようにしてコンクリートを充填して橋脚を形成する。そして、平行に配列した複数の主桁と、主桁同士を接続する横板とによって横桁を枠状に形成する。また、横桁の内部空間を主桁及び横板により複数のセル室に仕切り、セル室内に橋脚の鉄骨を挿入して、内部にコンクリートを充填することによって橋脚と横桁とを接合する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−３２２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、接合構造の構成材料とコンクリートを充填する方法について記載されており、構成材料の設計方法や配置方法については記述されておらず、鉄骨と鋼殻の接合性能の評価方法や十分な接合性能を確保するための設計方法や配置方法が明確でない。
そこで、本発明は、いくつかの構造実験やＦＥＭ解析に基づき、鉄骨から鋼殻への荷重伝達機構や損傷メカニズムを考慮して、主要な構成材料の寸法や配置方法を決定するものである。そして、鉄骨と鋼殻の接合性能を評価し、適切な設計を行うことによって、十分な接合性能を有する鉄骨と鋼殻の接合構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、例えば図１に示すように、鋼殻１内にＨ型鋼２１からなる鉄骨２が配置され、鋼殻内にコンクリート３が打設されてなる鉄骨と鋼殻の接合構造において、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼のフランジ先端からコンクリートに割裂ひび割れ４が発生する割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たすことを特徴とする。
Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ ・・・式（１）
Ｐcr＞Ｐy ・・・式（２）
［ここで、
Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、
Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、ただし、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、
ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、
Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）、
ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）、とする。］
【０００５】
請求項１の発明によれば、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じる割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrが、上記式（１）を満たすので、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrがコンクリートの引張強度と抵抗面積で決定される。したがって、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrを算出して、この割裂ひび割れ発生荷重ＰcrをＨ型鋼の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ形鋼のフランジ幅、コンクリートの引張強度を適宜選定する。これによって、設計が容易となり、かつ、鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
【０００６】
請求項２の発明は、例えば、図１に示すように、請求項１に記載の鉄骨と鋼殻の接合構造において、
前記鋼殻は、鋼板（例えば、主桁１１及び横梁１２）を枠状に組みつけてなり、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷が発生する付着損傷発生荷重Ｐｂは、次式（３）〜式（５）を満たすことを特徴とする。
Ｐｂ＝τ×Ｌ×２Ｂ×ｎ×βｖ ・・・式（３）
τ＝√ｆ’ｃ・（１．２８＋６．６０Ｋｃ）・・・式（４）
Ｐｂ＞Ｐy ・・・式（５）
［ここで、
τ：付着強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｌ：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含まない）、
ｆ’ｃ：コンクリート強度（Ｎ／ｍｍ2）（ｆ’ｃ≦６０Ｎ／ｍｍ2）、
Ｋｃ：拘束係数（＝ｔ／Ｂ）、
ｔ：鋼板厚さの１／２の値（ｍｍ）、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）（１本当たりの幅）、
ｎ：Ｈ形鋼の本数、
βｖ：鋼殻の面外剛性に関する係数（＝０．３／（ｖ＋０．３）＋０．７）、
ｖ：鋼殻のたわみ量（ｍｍ）、とする。］
【０００７】
請求項２の発明によれば、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じるＨ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷発生荷重Ｐｂが上記式（２）を満たすので、付着損傷発生荷重Ｐｂが付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数で決定される。したがって、付着損傷発生荷重Ｐｂを算出して、この付着損傷発生荷重Ｐｂを鉄骨の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数を適宜選定することによって、設計が容易となり、かつ、鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、適切な設計を行うことができ、鉄骨と鋼殻の接合構造において十分な接合性能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１(a)は本発明における鉄骨と鋼殻の接合構造を示した外観斜視図、図１(b)は図１(a)の正断面図、図１(c)は図１(a)の側断面図、図１(d)は図１(a)の上面図である。
鋼殻１は、互いに対向して設けられた主桁１１と、主桁１１，１１間に配置された横梁１２，１２とを備えている。鋼殻１は、主桁１１と横梁１２とが矩形枠状に組みつけられることによって、内部に空間が形成されてなるものである。そして、鋼殻１の内部空間に鉄骨２，２，…が配置され、さらにコンクリート３が打設されている。
鉄骨２は、Ｈ型鋼２１であり、そのフランジ２１１の外側面には、多数の縞状の横節２１２が形成されている。横節２１２によって、Ｈ型鋼２１が鋼殻１内に打設されるコンクリート３と剛結される。本実施形態では３本のＨ型鋼２１が鋼殻１内に等間隔で配置されている。
【００１０】
上記Ｈ型鋼２１と鋼殻１の接合構造において、鋼殻１からＨ型鋼２１を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じるＨ型鋼２１のフランジ２１１先端からコンクリート３に割裂ひび割れが発生する。このときの割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たす。
Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ ・・・式（１）
Ｐcr＞Ｐy ・・・式（２）
［ここで、
Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、
Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、ただし、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、
ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、
Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）
ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）、とする。］
なお、図１中、符号４は、割裂ひび割れ発生領域を示している。また、遷移域長さとは、図１(b)中、符号Ｌ２の長さを言い、Ｈ型鋼の非定着区間の長さである。したがって、Ｌ’＝Ｌ（設計上の定着長さ：例えば図１におけるＨ型鋼２１の横節２１２が形成された箇所の長さ）＋Ｌ２（遷移域長さ）となる。
【００１１】
また、鋼殻１からＨ型鋼２１を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じるＨ型鋼２１とコンクリート３の界面に生じる付着損傷が発生する付着損傷発生荷重Ｐｂは、次式（３）〜式（５）を満たす。
Ｐｂ＝τ×Ｌ×２Ｂ×ｎ×βｖ ・・・式（３）
τ＝√ｆ’ｃ・（１．２８＋６．６０Ｋｃ）・・・式（４）
Ｐｂ＞Ｐy ・・・式（５）
［ここで、
τ：付着強度（Ｎ／ｍｍ2）
Ｌ：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含まない）
ｆ’ｃ：コンクリート強度（Ｎ／ｍｍ2）（ｆ’ｃ≦６０Ｎ／ｍｍ2）
Ｋｃ：拘束係数（＝ｔ／Ｂ）
ｔ：鋼板厚さの１／２の値（ｍｍ）
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）（１本当たりの幅）
ｎ：Ｈ形鋼の本数
βｖ：鋼殻の面外剛性に関する係数（＝０．３／（ｖ＋０．３）＋０．７）、
ｖ：鋼殻のたわみ量（ｍｍ）、とする。］
【００１２】
図２は、上記式（１）〜（５）を使用して本発明に係る鉄骨と鋼殻の接合構造を設計する際の設計フローを示している。
図２に示すように、まず、構造設計するに当たって、上記式（１）を用いてＰｃｒを算出する。また、Ｈ型鋼の断面積Ａｓ及びＨ型鋼の降伏強度ｆｙからＨ型鋼の降伏荷重Ｐyを算出する。一方、上記式（３）を用いてＰｂを算出する（ステップＳ１）。そして、上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たしているか否かを判断する（ステップＳ２）。上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たしていれば設計を終了する。上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たしていなければ、上記式（２）及び式（５）を満たすようにＰcr、Ｐｂ、Ｐyの各パラメータ値を適宜変更することによって調整し（ステップＳ３）、再度ステップＳ１及びステップＳ２を行い、ステップＳ２において上記式（２）Ｐcr＞Ｐy及び上記式（５）Ｐｂ＞Ｐyを満たすまでステップＳ１〜ステップＳ３を繰り返す。
【００１３】
図３は、鉄骨と複数の鋼殻の接合構造を示した外観斜視図である。
図３に示す接合構造では、３つの主桁１１，１１，…が所定間隔に配されて、これら主桁１１に垂直となるように２つの横梁１２，１２が互いに対向して配置されている。これによって３つの鋼殻ブロック１，１，…が形成されている。各鋼殻ブロック１内には、３つの鉄骨（Ｈ型鋼２１，２１，…）２，２，…がそれぞれ配されて、コンクリート３が打設されている。
【００１４】
次に、上述した鉄骨と鋼殻の接合構造を適用した例として、コンクリート桁と鋼桁の接合構造について説明する。
図４(a)は、１つのコンクリート桁と鋼桁の接合構造を示した斜視図である。
図１に示す接合構造のように、Ｈ型鋼２１の上端部を鋼殻１から突出させた状態でコンクリートを打設して硬化させることによってコンクリート桁４を形成する。
一方、コンクリート桁４と接合される鋼桁５の一端面には、コンクリート桁４のＨ型鋼２１の一端部が挿入される挿入口５１が形成されている。そして、この鋼桁５の挿入口５１にＨ型鋼２１の一端部が挿入されて、挿入口５１内にコンクリートが打設されることによって、コンクリート桁４と鋼桁５とが剛結されている。
図４(b)は、２つのコンクリート柱と鋼桁の接合構造を示した斜視図である。
図４(b)では、鋼桁５の側面に、各コンクリート柱４１のＨ型鋼２１の一端部が挿入される挿入口（図示しない）が二カ所形成されている。そして、この鋼桁５の各挿入口に、それぞれのコンクリート柱４１のＨ型鋼２１の一端部が挿入されて、挿入口内にコンクリートが打設されることによって、コンクリート柱４１，４１と鋼桁５とが剛結されている。
【００１５】
次に、Ｈ型鋼とコンクリート界面における損傷過程として、まず割裂ひび割れが発生し、その後、荷重増加を伴い付着損傷が進行する点の再現性について、実験例を挙げて説明する。
図５は、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く実験のために使用した試験体の斜視図である。
図５に示すように、互いに対向して配された２つの主桁１１，１１と、これら主桁１１，１１間で主桁１１に対して垂直となるように狭持された２つの横梁１２，１２とによって鋼殻１が形成されている。また、主桁１１，１１の外面には、横方向に長尺な水平補剛材１３，１３がそれぞれ固定されている。主桁１１の縦方向の長さは横梁１２の縦方向の長さよりも長くなっている。主桁１１の上端部には、上端部開口を塞ぐようにして鋼殻ベースプレート１４が取り付けられている。
一方、Ｈ型鋼ベースプレート２２上にＨ型鋼２１，２１，…が３本立設されており、Ｈ型鋼２１の上側の一部が鋼殻１内に配されて、鋼殻１内にコンクリート３が打設されて試験体１００が形成されている。
なお、ここで使用したＨ型鋼の定着長さＬ’は１９０ｍｍ、コンクリート呼び強度は３０Ｎ／ｍｍ２、水平補剛材の段数が１段、主桁ウェブ間隔２００ｍｍ、主桁ウェブ板厚９ｍｍ、横梁ウェブ間隔６００ｍｍ、横梁板厚９ｍｍとする。
【００１６】
このような試験体１００において、Ｈ型鋼ベースプレート２２を下方に荷重をかけていった。このとき、１本当たりのＨ型鋼２１の引き抜き荷重（ｋＮ）と、Ｈ型鋼２１の抜き出し変位（ｍｍ）の関係を図６に示した。
図６の結果から明らかなように、まず割裂ひび割れが発生し、その後、荷重増加に伴い付着損傷が進行した。具体的には、試験対１００のようにＨ型鋼２１が３本の場合、引き抜き荷重が約２００ｋＮ、抜き出し変位量が約０．１ｍｍで充填コンクリートに割裂ひび割れが発生した。その後、さらに荷重をかけていき、引き抜き荷重が約２５０ｋＮ、抜き出し変位量が約０．４ｍｍで充填コンクリートとＨ型鋼の界面に付着損傷が発生した。
なお、ここでは示していないが、Ｈ型鋼を１本とした場合には割裂ひび割れに伴う変位の増加が小さく、３本とした場合には変位の増加が大きくなった。また、Ｈ型鋼１本の場合には、フランジ先端から発生したひび割れが鋼殻に向かって進展したのに対して、Ｈ型鋼３本の場合には、隣接するＨ型鋼のフランジ先端を結ぶように割裂ひび割れが進展したことが確認できた。
【００１７】
次に、上述の実験結果から、割裂ひび割れ発生荷重の上記算定式（１）を導出し、算定式（１）により算出した荷重Ｐcrが、実験及び解析による初期の割裂ひび割れ発生荷重を下回ることを確認することで、算定式（１）が設定した適用範囲において十分な安全性を有していることを確認する。ここで、割裂ひび割れ発生荷重とは、Ｈ型鋼の抜け出し量が急激に増加し始める時点での荷重とする。
以下、割裂ひび割れ発生荷重に基づいて算定式（１）の導出方法について説明する。
割裂ひび割れは、コンクリートの引張応力が引張強度に達することで発生する。そのときの引張荷重は、割裂ひび割れが発生する領域の面積にコンクリートの引張強度を掛け合わせることで算定できると仮定した。
Ｐｃｒ＝Ａｃｒ×ｆｔ
［Ａｃｒ：割裂ひび割れ発生面積（ｍｍ２）、ｆｔ：引張強度（Ｎ／ｍｍ２）］
コンクリートの引張強度ｆｔは、設計基準強度（圧縮強度）ｆ’ｃより求める。また、割裂ひび割れ発生領域は、以下の想定に基づき設定した。
（１）割裂ひび割れを発生させるための支配面積があると想定した。
（２）ひび割れは、Ｈ型鋼のフランジ面に沿って一様に分布すると想定した。
（３）支配面積の一辺は、Ｈ型鋼の定着長Ｌ’と想定した（ただし、実験の場合、非定着区間の長さ（遷移域長さ）を含む）。
（４）もう一辺は、割裂ひび割れ抵抗長さＷｒと呼ぶ。
割裂ひび割れが発生する荷重Ｐは、引張強度ｆｔ、定着長Ｌ’、割裂ひび割れ抵抗長さＷｒを使って、以下のように表すことができる。式中の「４」は、Ｈ型鋼１本に対してＨ型鋼のフランジ先端が４カ所あることを表す。
Ｐ＝Ａｃｒ×ｆｔ＝Ｌ’×４Ｗｒ×ｆｔ
Ｗｒ＝Ｐ／（ｆｔ×Ｌ’×４）
【００１８】
図７は、Ｈ型鋼のフランジ先端距離の１／２値ＷＦと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図であり、割裂ひび割れ発生荷重の根拠（ひび割れ抵抗長さＷｒ（ｍｍ）のプロット）を示している。図７の結果から、Ｈ型鋼のフランジ先端距離が大きくなった場合でも、Ｗｒは一定値を示すことが確認できる。また、Ｈ型鋼のサイズが７５Ｈ、２００Ｈ、３００Ｈと大きくなることに伴い、Ｗｒが大きくなることが確認できる。ここで、図７中に記載の「７５Ｈ」、「２００Ｈ」、「３００Ｈ」とは、Ｈ型鋼のフランジ幅Ｂが「７５ｍｍ」、「２００ｍｍ」、「３００ｍｍ」であることを言う。また、「２．６７Ｂ」とは、互いに隣接するＨ型鋼の中心間隔Ｌ１が「フランジ幅Ｂの２．６７倍である」ことを言う。
【００１９】
なお、図７における横軸のＷＦとは、図８に示すように、互いに隣接するＨ型鋼２１，２１のフランジ２１１，２１１の先端距離の１／２の値である。
図９は、Ｈ型鋼のフランジ幅Ｂと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図であり、フランジ幅Ｂとの関係から、割裂ひび割れ抵抗長さＷｒ＝０．４０Ｂ＋４０を設定した。
【００２０】
次に、算定式（１）により算出した割裂ひび割れ発生荷重と実験及び解析の荷重を比較することで、設定した適用範囲において算定式（１）が十分な安全性を有していることを説明する。
算定式（１）を用いて算定した割裂ひび割れ発生荷重（算定荷重）と、実験及び解析から得られた荷重（実験・解析荷重）を比較した。図１０は、算定式（１）を適用した算定
荷重と実験・解析荷重との関係を示した図であり、割裂ひび割れ発生荷重のパラメータであるひび割れ抵抗長さＷｒ（ｍｍ）のプロットである。図１０の結果から、算定荷重と実験・解析荷重とはおおむね１対１の直線上に位置し、精度の良い評価が可能であることが認められる。
【００２１】
図１１は、鋼殻のたわみ量ｖ（ｍｍ）と荷重比（実験・解析の最大荷重／算定式（３）による算定荷重）との関係を示した図であり、付着損傷荷重の根拠（鋼殻の面外剛性に関する係数βｖのプロット）を示している。図１１の結果から、補剛材がないケース、Ｈ型鋼の中心間隔が比較的大きい７５Ｈ−５Ｂ、２００Ｈ−５Ｂ，３００Ｈ−５Ｂのケースのたわみ量ｖは、大きくなった。すなわち、面外剛性を示すたわみ量ｖが大きくなることに伴い、荷重比が小さくなることが確認できる。そして、この荷重比を１．０に補正するようにβｖを決定した。
【００２２】
図１２は、付着損傷荷重の算定式（３）を適用した算定荷重と実験・解析荷重の関係を示した図である。図１２から明らかなように、算定荷重と実験・解析荷重とはおおむね１対１対応の直線上に位置し、精度の良い評価が可能であることが認められる。
【００２３】
図１３は、Ｈ型鋼と鋼殻の接合構造の構成部位、各構成部位の構成要素、及びこれら各構成要素によって影響が生じるパラメータＰｙ、Ｐｃｒ、Ｐｂを示したものである。構成部位としては、鋼殻（主桁、横梁）、Ｈ型鋼及び充填コンクリートが挙げられる。なお、図１３に示す各構成要素Ｌ’、Ｌ、Ｌ２、Ｗ１、ｔ１、Ｗ２、ｔ２、Ｂ、Ｌ１等については、図１及び図８に示している。
【００２４】
以上のように、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じる割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrが、上記式（１）を満たすので、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrがコンクリートの引張強度と抵抗面積で決定される。したがって、割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrを算出し、この割裂ひび割れ発生荷重ＰcrをＨ型鋼の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ形鋼のフランジ幅、コンクリートの引張強度を適宜選定する。これによって、設計が容易でかつ鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
また、鋼殻からＨ型鋼を引き抜く際に生じるＨ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷発生荷重Ｐｂが上記式（２）を満たすので、付着損傷発生荷重Ｐｂが付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数で決定される。したがって、付着損傷発生荷重Ｐｂを算出し、この付着損傷発生荷重Ｐｂを鉄骨の降伏荷重Ｐｙよりも大きくするように、付着強度、Ｈ型鋼の定着長さ、Ｈ型鋼のフランジ幅及び本数、鋼殻の面外剛性に関する係数を適宜選定することによって、設計が容易でかつ鋼殻と鉄骨を確実に接合することができる。
また、パラメータＰｙ、Ｐｃｒ、Ｐｂは、図１３に示す構成要素によって影響を受けるため、上記式（１）〜（５）を適用することで、上記構成要素を適切に選定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】(a)は本発明における鉄骨と鋼殻の接合構造を示した外観斜視図、(b)は(a)の正断面図、(c)は(a)の側断面図、(d)は(a)の上面図である。
【図２】上記式（１）〜（５）を使用して本発明に係る鉄骨と鋼殻の接合構造を設計する際の設計フローである。
【図３】鉄骨と複数の鋼殻の接合構造を示した外観斜視図である。
【図４】(a)は、１つのコンクリート桁と鋼桁の接合構造を示した斜視図、(b)は、２つのコンクリート柱と鋼桁の接合構造を示した斜視図である。
【図５】鋼殻からＨ型鋼を引き抜く実験のために使用した試験体の斜視図である。
【図６】図５における実験において、１本当たりのＨ型鋼の引き抜き荷重と、Ｈ型鋼の抜き出し変位との関係を示した図である。
【図７】Ｈ型鋼のフランジ先端距離の１／２値ＷＦと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図であり、割裂ひび割れ発生荷重の根拠（Ｗｒのプロット）を示している。
【図８】Ｗｒ及びＷＦ等の位置関係を示した図である。
【図９】Ｈ型鋼のフランジ幅Ｂと割裂ひび割れ抵抗長さＷｒとの関係を示した図である。
【図１０】割裂ひび割れ発生荷重の算定式（１）を適用した算定荷重と実験・解析荷重との関係を示した図である。
【図１１】鋼殻のたわみ量ｖと荷重比（実験・解析の最大荷重／算定式（３）による算定荷重）との関係を示した図であり、付着損傷荷重の根拠（鋼殻の面外剛性に関する係数βｖのプロット）を示している。
【図１２】付着損傷荷重の算定式（３）を適用した算定荷重と実験・解析荷重との関係を示した図である。
【図１３】Ｈ型鋼と鋼殻の接合構造における構成要素と、各構成要素によって影響が生じるパラメータＰｙ、Ｐｃｒ、Ｐｂを示したものである。
【符号の説明】
【００２６】
１ 鋼殻
２ 鉄骨
３ コンクリート
４ 割裂ひび割れ
１１ 主桁
１２ 横梁
２１ Ｈ型鋼
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼殻内にＨ型鋼からなる鉄骨が配置され、鋼殻内にコンクリートが打設されてなる鉄骨と鋼殻の接合構造において、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼のフランジ先端からコンクリートに割裂ひび割れが発生する割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たすことを特徴とする鉄骨と鋼殻の接合構造。
Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ ・・・式（１）
Ｐcr＞Ｐy ・・・式（２）
［ここで、
Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、
Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、ただし、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、
ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、
Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）、
ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）、とする。］
【請求項２】
前記鋼殻は、鋼板を枠状に組みつけてなり、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷が発生する付着損傷発生荷重Ｐｂは、次式（３）〜式（５）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の鉄骨と鋼殻の接合構造。
Ｐｂ＝τ×Ｌ×２Ｂ×ｎ×βｖ ・・・式（３）
τ＝√ｆ’ｃ・（１．２８＋６．６０Ｋｃ）・・・式（４）
Ｐｂ＞Ｐy ・・・式（５）
［ここで、
τ：付着強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｌ：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含まない）、
ｆ’ｃ：コンクリート強度（Ｎ／ｍｍ2）（ｆ’ｃ≦６０Ｎ／ｍｍ2）、
Ｋｃ：拘束係数（＝ｔ／Ｂ）、
ｔ：鋼板厚さの１／２の値（ｍｍ）、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）（１本当たりの幅）、
ｎ：Ｈ形鋼の本数、
βｖ：鋼殻の面外剛性に関する係数（＝０．３／（ｖ＋０．３）＋０．７）、
ｖ：鋼殻のたわみ量（ｍｍ）、とする。］
【請求項１】
鋼殻内にＨ型鋼からなる鉄骨が配置され、鋼殻内にコンクリートが打設されてなる鉄骨と鋼殻の接合構造において、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼のフランジ先端からコンクリートに割裂ひび割れが発生する割裂ひび割れ発生荷重Ｐcrは、次式（１）及び次式（２）を満たすことを特徴とする鉄骨と鋼殻の接合構造。
Ｐcr＝Ｌ’×４Ｗr×ｆｔ ・・・式（１）
Ｐcr＞Ｐy ・・・式（２）
［ここで、
Ｌ’：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含む）、
Ｗr：割裂ひび割れ抵抗長さ（ｍｍ）｛Ｗr＝０．４０Ｂ＋４０、ただし、０．８４Ｂ≦Ｗr｝、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）｛ただし、１５０≦Ｂ｝、
ｆｔ：コンクリートの引張強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｐy：Ｈ型鋼の降伏荷重｛Ｐy＝Ａｓ×ｆｙ｝、
Ａｓ：Ｈ型鋼の断面積（ｍｍ2）、
ｆｙ：Ｈ型鋼の降伏強度（Ｎ／ｍｍ2）、とする。］
【請求項２】
前記鋼殻は、鋼板を枠状に組みつけてなり、
前記鋼殻から前記Ｈ型鋼を引き抜く際に、引き抜き力に抵抗した場合に生じる前記Ｈ型鋼とコンクリートの界面に生じる付着損傷が発生する付着損傷発生荷重Ｐｂは、次式（３）〜式（５）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の鉄骨と鋼殻の接合構造。
Ｐｂ＝τ×Ｌ×２Ｂ×ｎ×βｖ ・・・式（３）
τ＝√ｆ’ｃ・（１．２８＋６．６０Ｋｃ）・・・式（４）
Ｐｂ＞Ｐy ・・・式（５）
［ここで、
τ：付着強度（Ｎ／ｍｍ2）、
Ｌ：Ｈ型鋼のコンクリートに対する定着長さ（ｍｍ）（遷移域長さを含まない）、
ｆ’ｃ：コンクリート強度（Ｎ／ｍｍ2）（ｆ’ｃ≦６０Ｎ／ｍｍ2）、
Ｋｃ：拘束係数（＝ｔ／Ｂ）、
ｔ：鋼板厚さの１／２の値（ｍｍ）、
Ｂ：Ｈ型鋼のフランジ幅（ｍｍ）（１本当たりの幅）、
ｎ：Ｈ形鋼の本数、
βｖ：鋼殻の面外剛性に関する係数（＝０．３／（ｖ＋０．３）＋０．７）、
ｖ：鋼殻のたわみ量（ｍｍ）、とする。］
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−６５４４２（Ｐ２０１０−６５４４２Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３２３７０（Ｐ２００８−２３２３７０）
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００２０１４７８）前田建設工業株式会社 (358)
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００２０１４７８）前田建設工業株式会社 (358)
【出願人】（０００００４１２３）ＪＦＥエンジニアリング株式会社 (1,044)
【Ｆターム（参考）】
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