特開 2019-157421 アーチカルバート

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-157421(P2019-157421A)

(43)【公開日】2019年9月19日

(54)【発明の名称】アーチカルバート

(51)【国際特許分類】

   E03F 3/04 20060101AFI20190823BHJP

   E02D 29/045 20060101ALI20190823BHJP

【ＦＩ】

   E03F3/04 A

   E02D29/045 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-42693(P2018-42693)

(22)【出願日】2018年3月9日

(71)【出願人】

【識別番号】000230010

【氏名又は名称】ジオスター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101557

【弁理士】

【氏名又は名称】萩原 康司

(74)【代理人】

【識別番号】100096389

【弁理士】

【氏名又は名称】金本 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100167634

【弁理士】

【氏名又は名称】扇田 尚紀

(74)【代理人】

【識別番号】100187849

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 隆史

(72)【発明者】

【氏名】山本 浩史

【テーマコード（参考）】

2D063

2D147

【Ｆターム（参考）】

2D063BA07

2D147AA05

(57)【要約】

【課題】プレキャストコンクリート部材を用いたカルバート構造物において、ヒンジ構造を用いることなく、部材厚の厚みを抑え、安全性や耐久性の向上と製造コストの低減を両立させる。
【解決手段】複数の部材を組み立てて構築されるアーチカルバートであって、略半楕円形状のアーチ軸線に沿って構成されるアーチ部材と、基礎地盤である設置面上に設置され、前記アーチ部材の左右両側壁部の下端に接続する基礎部材として設けられるフーチング部材と、を備え、前記フーチング部材は、当該フーチング部材のカルバート外側への張り出し幅が、当該フーチング部材のカルバート内側への張り出し幅よりも大きい状態で前記アーチ部材に接続されることを特徴とする、アーチカルバートが提供される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の部材を組み立てて構築されるアーチカルバートであって、
略半楕円形状のアーチ軸線に沿って構成されるアーチ部材と、
基礎地盤である設置面上に設置され、前記アーチ部材の左右両側壁部の下端に接続する基礎部材として設けられるフーチング部材と、を備え、
前記フーチング部材は、当該フーチング部材のカルバート外側への張り出し幅が、当該フーチング部材のカルバート内側への張り出し幅よりも大きい状態で前記アーチ部材に接続されることを特徴とする、アーチカルバート。

【請求項2】

前記フーチング部材のカルバート外側への張り出し幅ｄと、カルバート内側への張り出し幅ｃと、の比率である張り出し比率ｄ／ｃが１．１以上１．９以下に設計されることを特徴とする、請求項１に記載のアーチカルバート。

【請求項3】

前記アーチカルバートを構成する複数の部材は、プレキャストコンクリート部材であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のアーチカルバート。

【請求項4】

前記アーチ軸線の形状は、中心の異なる任意の複数の部分円円弧を接続した形状として近似され、
当該近似に基づき、前記アーチ部材を複数の円弧部材を接合して構成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアーチカルバート。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アーチカルバートに関し、特に、プレキャストコンクリートで施工されたカルバート構造物であるプレキャストアーチカルバートに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、幹線道路の新設は平野部から山岳部に移行してきており、急峻な山岳部を通過する道路の新設が増加している。山岳部での道路建設では、トンネルや橋梁の比率増加に伴い、高盛土が多くなり、これを横断するカルバート構造物（単にカルバートとも呼称される）の施工が増加する。カルバート構造物には、断面がほぼ長方形枠型のボックスカルバートや、断面馬蹄型（断面アーチ型）のアーチカルバート等が知られており、これらの構造物は例えば鉄筋コンクリートによって構成される。一般的には、カルバート構造物の構築と並行して、あるいは構築後に、盛土を施工することでトンネル等の構造物が構成される。

【0003】

一例として、例えば特許文献１や非特許文献１において、本発明者らは、現場における測量や施工作業の煩雑化を最小限に抑えつつ、コンクリートの材料費用及び施工費用を低減させるような、カルバートの断面形状として、外側が台形形状、内側が円弧で構成されるカルバート構造物を提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３−９６８９５号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】ＲＣＣを用いた新形式カルバートの設計と実用化に関する研究 土木学会論文集 Ｎｏ．７０４／Ｖ−５５、２３５−２４９、２００２．５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記特許文献１や非特許文献１に記載されているような大型のカルバート構造物は、トンネル理論に基づくアーチ軸線（半楕円形状の軸線）を用いて、外側が台形形状、内側が円弧形状となっている。このようなカルバート構造物においては、盛土施工とカルバート構築を併行して行うため、施工時に、盛土材の供給時期や供給能力の影響を受けてしまうといった問題がある。また、特殊なコンクリートを使用する場合には、肉厚であるためにコスト増加が懸念されるといったことや、コンクリート製造工場の制約を受けてしまうといった問題がある。

【0007】

また、盛土内に設置される大型のアーチカルバートは、一般に現場打ちのコンクリートやプレキャストコンクリートで施工される。これらのアーチカルバートは、ボックスカルバートに比べて土かぶりが大きな条件の場合に採用されるため、全長が長くなるケースが多いが、現場打ちコンクリートを使用するアーチカルバートの場合には、工期が長くなり、カルバート周辺の盛土施工まで考慮した工期は、必然的に長くなる。また、一般に現場打ちのアーチカルバートは部材厚が厚くなるため、コストも増加する。
一方、工期短縮の目的で採用されるプレキャストコンクリート部材を用いた大型のアーチカルバートは、工期短縮には非常に有効であるが、現場打ちのコンクリートを使用する場合に比べて、製品代が高いために工事費が高くなる傾向にある。
そのため、プレキャストコンクリート部材によるアーチカルバートが適用されるためには、いかに製品コストを低減するかが課題となっている。

【0008】

そこで、本発明者らは、上記特許文献１や非特許文献１において提案した半楕円アーチ理論（トンネル理論）に基づいたアーチ軸線を用いるといった技術に加え、ヒンジ構造を用いることなく、且つ、プレキャストコンクリート部材を用い、部材厚の厚みを抑えたアーチ型断面のカルバート構造物（以下、プレキャストアーチカルバートとも呼称）を提供する技術について更なる検討を行うこととした。

【0009】

上記事情に鑑み、本発明は、例えばプレキャストコンクリート部材を用いたカルバート構造物において、ヒンジ構造を用いることなく、部材厚の厚みを抑え、安全性や耐久性の向上と製造コストの低減を両立させることが可能なアーチカルバートを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記の目的を達成するため、本発明によれば、複数の部材を組み立てて構築されるアーチカルバートであって、略半楕円形状のアーチ軸線に沿って構成されるアーチ部材と、基礎地盤である設置面上に設置され、前記アーチ部材の左右両側壁部の下端に接続する基礎部材として設けられるフーチング部材と、を備え、前記フーチング部材は、当該フーチング部材のカルバート外側への張り出し幅が、当該フーチング部材のカルバート内側への張り出し幅よりも大きい状態で前記アーチ部材に接続されることを特徴とする、アーチカルバートが提供される。

【0011】

前記フーチング部材のカルバート外側への張り出し幅ｄと、カルバート内側への張り出し幅ｃと、の比率である張り出し比率ｄ／ｃが１．１以上１．９以下に設計されても良い。

【0012】

前記アーチカルバートを構成する複数の部材は、プレキャストコンクリート部材であっても良い。

【0013】

前記アーチ軸線の形状は、中心の異なる任意の複数の部分円円弧を接続した形状として近似され、当該近似に基づき、前記アーチ部材を複数の円弧部材を接合して構成しても良い。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、例えばプレキャストコンクリート部材を用いたカルバート構造物において、ヒンジ構造を用いることなく、部材厚の厚みを抑え、安全性や耐久性の向上と製造コストの低減を両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】従前のアーチカルバートの概略説明図である。

【図2】盛土施工時に従前フーチング部材にかかる荷重の分布の一例を示す概略説明図である。

【図3】半楕円アーチ軸線モデルに関する概略説明図である。

【図4】カルバートの曲げモーメントに関する説明図である。

【図5】本実施の形態に係るアーチカルバートの概略説明図である。

【図6】半楕円形状を２つの円弧により近似した構成を示す概略説明図である。

【図7】アーチ部材を２芯円弧で近似した場合の設置面Ｇに設置される円弧部材の概略図である。

【図8】中心の異なる３つの部分円の円弧によってアーチ部材の１／４楕円弧が近似される場合の概略説明図である。

【図9】表１に対応するグラフである。

【図10】表２に対応するグラフである。

【図11】表３に対応するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。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場合がある。また、以下の説明において、従前のアーチカルバートと、本発明に係るアーチカルバートにおいて重複するような構成要素に関しては、同一の符号を用いて説明する場合がある。

【0017】

（従前のアーチカルバートの構成）
先ず、従前のアーチカルバートの構成について説明する。図１は従前のアーチカルバート１０の概略説明図であり、半楕円形状に近似されたアーチ形状を有し、上記特許文献１や非特許文献１で開示された半楕円アーチ理論に基づき、アーチ部材の曲げモーメントを極小化させ、薄肉化を前提として構成したカルバート構造物を示している。なお、「半楕円アーチ理論」に基づくアーチ部材の軸線の設計方法については、具体例を交えて後述する。

【0018】

図１に示すように、従前のアーチカルバート１０は、半楕円形状のアーチ部材２０と、当該アーチ部材２０の左右両側壁部の下端に基礎部材としてのフーチング部材２５（２５ａ、２５ｂ）が設けられている。これらフーチング部材２５は、アーチカルバート１０を施工する際に設置面Ｇ（基礎地盤）に対し固定され、その状態で周辺に盛土施工を行うことで最終的な構造物とされる。半楕円形状であるアーチ部材２０の形状については施工状況等に応じて好適に設計可能であり、後述する「半楕円アーチ理論」に基づきアーチ部材の軸線を設計することが好ましい。

【0019】

また、フーチング部材２５は、アーチ部材２０の左右の脚部（下端部）に作用する側壁の鉛直方向軸力を支持する目的のため、左右均一の張り出しでもって設計されるのが一般的である。即ち、フーチング部材２５は、アーチ部材２０の左右両側壁部の下端を幅方向中央とするように当該下端に接続され、図１に図示したように、アーチカルバート１０の幅長さＬにおいて、カルバート外側への張り出し幅Ｌ１と、カルバート内側への張り出し幅Ｌ２は等しく設計される。

【0020】

（従前のアーチカルバートにおける課題）
図１のように構成される従前のアーチカルバート１０を用いて盛土施工を行う場合に、フーチング部材２５には、アーチ部材２０の側壁の鉛直方向軸力だけでなく、カルバート外側のみに対し盛土による土被り荷重が作用するため、フーチング部材２５全体にかかる荷重のバランスが不均一になり、荷重合力はフーチング部材２５の中央ではなく外側へ偏芯することになる。その為、フーチング部材２５にかかる地盤（設置面Ｇ）からの反力も不均一となる。

【0021】

図２は、盛土施工時に従前のアーチカルバート１０のフーチング部材２５にかかる荷重の分布の一例を示す概略説明図である。図２中の下向き矢印Ｆ１で示したように、盛土施工時には、フーチング部材２５の外側には盛土による荷重が作用するのに対し、フーチング部材２５の内側には盛土が無いために荷重はかからない。その為、設置面Ｇからの反力（地盤反力）は、フーチング部材２５の外側ほど大きく、内側ほど小さいといった不均一な荷重分布となる（図２中の上向き矢印Ｆ２参照）。このような地盤反力の荷重分布に伴い、フーチング部材２５やアーチ部材２０の側壁（カルバート脚部）には曲げモーメントが発生する。

【0022】

この様な要因により発生した曲げモーメントにより、アーチカルバート１０の設計において当該曲げモーメントを考慮した部材厚や材質（例えば鉄筋量等）を採用する必要があるために製造コストが増大するといった問題がある。例えば地震時には、フーチング部材２５やアーチ部材２０の水平方向への変形が顕著となるため、フーチング部材２５とアーチ部材２０との接続部（付け根部）への応力集中が助長され、安全性や耐久性の面でネックになるといった事が懸念される。

【0023】

以上のような事情に鑑み、アーチカルバート設計に関し、フーチング部材２５とアーチ部材２０のいずれにおいてもできるだけ曲げモーメントを発生させることなく極小化させ、ヒンジ構造を用いることなく、部材厚や鉄筋量を縮減させ、安全性や耐久性の向上と製造コストの低減を両立させることができるような技術が求められる。そこで、本発明者らは以下に説明するような本実施の形態に係る構成のアーチカルバート設計を実現させた。

【0024】

（本発明の実施の形態に係るアーチカルバートの構成）
以下では、上記従前のアーチカルバート１０の問題点に鑑みて設計される本発明の実施の形態に係るアーチカルバート４０について図面等を参照して説明する。

【0025】

（アーチ部材形状）
先ず、アーチ部材２０の形状設計について、アーチ部材２０に生じる曲げモーメントを極小化させるような形状（アーチ軸線）を定めるための「半楕円アーチ理論」について簡単に説明する。一般的に、アーチ型のカルバート構造物においては、部材に生じる曲げモーメントを極小化することで、カルバート内の応力状態を軸圧縮応力状態にすることができることが知られている。カルバート構造物を構成するコンクリートは圧縮に強い性質を持つことから、曲げモーメントを極小化し、部材内を軸圧縮応力状態にすることで、コンクリート部材の薄肉化や鉄筋量の縮減を図ることが可能となる。

【0026】

アーチ部材２０に対して盛土施工を行う場合には、鉛直方向の土圧（単に鉛直土圧とも呼称）と、水平方向の土圧（単に水平土圧とも呼称）が異なる。アーチ部材２０に対し半楕円形モデルを適用した場合に、鉛直土圧と水平土圧が好適にバランスするようなカルバート形状に限り、曲げモーメントが極小化され、カルバート内が圧縮応力状態となる。

【0027】

図３は半楕円アーチ軸線モデルに関する概略説明図であり、（ａ）は鉛直土圧が卓越する場合、（ｂ）は水平土圧が卓越する場合を示している。図３（ａ）に示すように、カルバート高さｂ１が最適値に比べ短い場合には、水平土圧に対し鉛直土圧が卓越する。この時、カルバート内の曲げモーメントは、カルバート内側に引張応力を発生させるようにプラスのモーメントとして発生し、カルバート天端部Ｐ１で最大値、カルバート下端部（脚部）で０となる。また、図３（ｂ）に示すように、カルバート高さｂ２が最適値に比べ長い場合には、鉛直土圧に対し水平土圧が卓越する。この時、カルバート内の曲げモーメントは、カルバート外側に引張応力を発生させるようにマイナスとして発生し、カルバート天端部Ｐ２で最小値、カルバート下端部（脚部）で０となる。

【0028】

図３を参照して説明したように、カルバート構造物の構成において、半楕円形モデルを用いてアーチ軸線を規定する場合、鉛直土圧が卓越する場合と、水平土圧が卓越する場合のいずれの場合であっても、カルバート天端部（Ｐ１、Ｐ２）で曲げモーメントの絶対値が最大となっている。即ち、カルバート構造物においてカルバート内の曲げモーメント発生を極力抑え、曲げモーメントを極小化させるためには、カルバート天端部の曲げモーメントを０とすることが求められる。図４に示すカルバート座標条件において、ｘとｙの値とモーメントＭとの関係は、軸力Ｎや軸線角度θ等を用いた所定の数式で定まるが（非特許文献１参照）、当該数式に対しカルバート天端部Ｐの条件を代入し、モーメントＭ＝０となるような半楕円形状を定めることで最適なアーチ軸線が規定される。

【0029】

以上、図３及び図４を参照して説明した「半楕円アーチ理論」に基づき、アーチ部材２０に関しカルバート内に曲げモーメントが発生しないような半楕円形状が定められる。例えばプレキャストコンクリート部材といった薄肉の部材を用いてカルバート構造物を構成する場合に、上記のような方法によりアーチ部分における曲げモーメントは抑えられるものの、図２を参照して説明したように、フーチング部分に発生する曲げモーメントについては上記「半楕円アーチ理論」に基づく形状構成では解消されない。

【0030】

（フーチング部材形状）
そこで本発明者らは、アーチ部材２０の下端部（脚部）に接続するフーチング部材の構成について鋭意検討を行い、フーチング部材のカルバート外側への張り出し幅と、カルバート内側への張り出し幅を異なる値とし、また、それら張り出し幅の比率（張り出し比率）を好適な数値範囲内に設計することで、アーチカルバート全体に曲げモーメントが発生せず、且つ、設置面Ｇ（基礎地盤）の支持力を満足するような構成が実現できることを見出した。以下、図面を参照して本知見について説明する。

【0031】

図５は、本実施の形態に係るアーチカルバート４０の概略説明図である。なお、図５に示すアーチ部材２０は従前の部材と同様の構成を有するものであり、上記「半楕円アーチ理論」に基づき定めた形状を有する部材であるため、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。アーチカルバート４０においては、アーチ部材２０の左右両側壁部の下端に基礎部材としてのフーチング部材４５（４５ａ、４５ｂ）が設けられている。これらフーチング部材４５は、アーチカルバート１０を施工する際に設置面Ｇ（基礎地盤）に対し固定され、その状態で周辺に盛土施工を行うことで最終的な構造物とされる。

【0032】

このフーチング部材４５の全幅ｗは、例えば設置面Ｇの地盤硬さによって好適に設計される。図５に示すように、アーチ部材２０の短径をａ、長径をｂとした場合に、アーチ部材の短径ａに対するフーチング部材の全幅ｗで規定される「フーチング比率ｗ／ａ」は、例えば０．２〜０．８となるように設計されることが好ましい。例えば、地盤が軟弱な場合には「フーチング比率ｗ／ａ」を０．８程度まで大きくすることで設置面Ｇ（基礎地盤）からの支持力が十分に確保され、地盤が硬い場合には「フーチング比率ｗ／ａ」を０．２程度まで小さくしても設置面Ｇ（基礎地盤）からの支持力が十分に確保される。

【0033】

また、本実施の形態に係るフーチング部材４５においては、図２を参照して上述した地盤反力の荷重分布に伴い、フーチング部材２５やアーチ部材２０の側壁（カルバート脚部）に生じる曲げモーメントを極小化するために、左右の張り出し幅を異なる値として設計している。上述したように、盛土施工時には、フーチング部材４５の外側には盛土による荷重が作用するのに対し、フーチング部材４５の内側には盛土が無いために荷重はかからないことから、設置面Ｇからの反力（地盤反力）は、フーチング部材４５の外側ほど大きく、内側ほど小さくなる。このような地盤反力の分布に鑑み、フーチング部材４５においては、カルバート外側への張り出し幅ｄと、カルバート内側への張り出し幅ｃとの関係をｄ＞ｃに設計している。以下、本明細書では、これらカルバート外側への張り出し幅ｄとカルバート内側への張り出し幅ｃとの比率ｄ／ｃを「張り出し比率」と呼称する。

【0034】

このようにｄ＞ｃに設計されたフーチング部材４５を有するアーチカルバート４０によれば、設置面Ｇからの地盤反力を均一化することで、フーチング部材４５やアーチ部材２０の側壁（カルバート脚部）に生じる曲げモーメントを極小化することができる。これにより、部材の薄肉化といった製造コスト低減や、安全性及び耐久性の向上が図られる。

【0035】

ここで、カルバート外側への張り出し幅ｄと、カルバート内側への張り出し幅ｃとの好適な関係、即ち、上記「張り出し比率ｄ／ｃ」の好適な数値範囲を定める方法について説明する。「張り出し比率ｄ／ｃ」は、アーチカルバート４０に対する土かぶりの大きさに反比例する傾向にあり、フーチング部材４５の幅や、土かぶりの量等に応じて適宜設計されるものである。本実施の形態に係るアーチカルバート４０では、「張り出し比率ｄ／ｃ」は１．１〜１．９とすることが望ましいことが分かっている。この数値の根拠等については、実施例において後述する。

【0036】

（アーチ部材形状の円弧による近似）
また、図３及び図４を参照して上述したように、「半楕円アーチ理論」に基づき、アーチ部材２０に関しカルバート内に曲げモーメントが発生しないような半楕円形状が定められるが、この様な半楕円形状のアーチ部材２０を例えばプレキャストコンクリート部材により製作する場合に、運搬時の問題や製作コストの点からも、一体的な部材として製作することは極めて困難である。このような事情に鑑み、本発明者らは、アーチ部材２０の半楕円形状に関し、２つの円弧でもって半楕円形状を近似し、当該２つの円弧が切り替わる箇所（変化点とも呼称される）で機械式継手を用いて接合することにより半楕円形状のアーチ部材２０を構成する技術を創案した。

【0037】

図６は、半楕円形状を２つの円弧により近似した構成を示す概略説明図であり、説明の都合上、部材厚み等は省略して図示している。図６に示すように、半楕円形状のアーチ部材２０の１／４楕円弧を、２つの異なる中心Ｏ１、Ｏ２であるような２芯円弧である円弧５０、６０を繋げたものとして近似することができる。即ち、図６に示す半径Ｒ１、中心Ｏ１の部分円５１の円弧５０と、半径Ｒ２、中心Ｏ２の部分円６１の円弧６０を組み合わせることでアーチ部材２０の１／４楕円弧を構成し、同様の近似方法により他の部分の楕円弧も構成することでアーチ部材２０全体の形状が複数の円弧により近似される。円弧５０と円弧６０の接合点（変化点）Ｑは、実際にアーチ部材２０をコンクリート部材で構成する場合に、２つの部材を機械式継手を用いて接合する際の接合点となる。

【0038】

図６に示したように、アーチ部材２０を２芯円弧でもって近似して構成する場合、各円弧は異なる部材（円弧部材）として製作され、例えばプレキャストコンクリートを用いたプレキャスト部材として製作される。その場合、設置面Ｇに設置される部材には上述したフーチング部材４５が設けられるが、その際には、施工時にフーチング部材４５と一体化した側壁（図６における円弧６０を含む円弧部材）が転倒せずに自立できるようなフーチング部材幅や張り出し比率でもって設計することが必要となる。

【0039】

図７は、アーチ部材２０を２芯円弧で近似した場合の設置面Ｇに設置される円弧部材７０（図６の円弧６０に相当）の概略図であり、フーチング部材４５と一体的に構成されたものを図示している。このような円弧部材７０の設計時には、その重心位置を測定し、施工時に部材単独で自立することができ、且つ、上述した「張り出し比率ｄ／ｃ」の好適な数値範囲を満たすような条件でもってフーチング部材４５の位置や幅が決定される。即ち、円弧部材７０の施工時の自立については、設置面Ｇと接する部材の核（例えばフーチング部材４５の長さの中心位置から左右に、フーチング長さ×１／６の範囲）に円弧部材７０の重心が作用することを確認することにより、自立できることを確認して設計条件が決定される。

【0040】

（地震時に対する有効性）
図５に示した本発明の実施の形態に係るアーチカルバート４０の設計は常時について検討されたものであり、実際のカルバート構造物として用いるにあたっては、地震時に対する有効性についても確認する必要がある。そこで、本発明者らは、プレキャストコンクリートを用いて図５に示したように構成される本発明に係るプレキャストアーチカルバートに関し、構造物の耐用期間内に発生する可能性のあるＬ２地震動を考慮して、ＦＥＭによる非線形応答震度法解析を実施し、地震に対する適用性について検討した。なお、Ｌ２地震動としては、陸地近傍で発生する大規模なプレート境界地震（タイプＩ）と、主要な活断層による内陸直下の地震（タイプＩＩ）が考えられる。

【0041】

ＦＥＭによる非線形応答震度法解析としては、地震に対する損傷程度を照査するため、対象とするカルバートに対して、構造物の重要度と必要な耐震性能を規定して、曲げモーメントとせん断力の２項目について照査が行われる。具体的には、曲げモーメントについては、発生曲率が許容塑性率以下、せん断力については、発生せん断力がせん断耐力以下であることを確認することにより、地震に対する安全性（耐震性）が確認される。

【0042】

（本発明の実施の形態に係るアーチカルバートの設計方法）
以上、図３〜図７を参照して説明した形状設計に鑑み、ここでは本発明の実施の形態に係るアーチカルバート４０の設計方法について順を追って説明する。
１）設計条件に基づいて、先ず、基本となるアーチカルバートの軸線を設計する。この時、鉛直土圧係数αは、指定された方法により計算する。側圧係数Ｋは一般に０．３あるいは０．５が採用されるが、アーチカルバートの軸線を設計する際は、両者の中間値であるＫ＝０．４とすることが望ましい。
２）上記鉛直土圧係数α、側圧係数Ｋを用いて、鉛直土圧及び水平土圧を算出し、上述した「半楕円アーチ理論」に基づき半楕円アーチ形状の軸線（半楕円の寸法）を定める。
３）定めた半楕円アーチ形状の軸線を２芯円弧で近似しても良い。
４）フーチング部材については、フーチング直下の地盤性状に基づく地盤の支持力を考慮すると共に、地盤反力による曲げモーメントを極小化でき、且つ、フーチングと一体化した円弧部材が地盤に自立可能であるようなフーチング幅を決定し、フーチングの内側外側の張り出し量を決定する。
５）上記２）〜４）の計算は自動計算プログラムを用いて連続的に行う。これにより、本発明の実施の形態に係るアーチカルバート４０の軸線が決定される。
６）上記５）において決定されたアーチカルバート軸線を使用し、上記１）において決定された鉛直土圧係数α、側圧係数Ｋに基づき骨組み構造計算を実施する。その計算結果から、必要な部材厚さ、鉄筋量を求める。
７）地震時に対する耐震性の確認として、Ｌ２地震動に対するＦＥＭによる非線形応答震度法解析を行う。

【0043】

以上の１）〜７）に説明した設計方法によって設計され、製造されたアーチカルバート４０によれば、プレキャストコンクリート部材を用いたカルバート構造物において、ヒンジ構造を用いることなく、部材厚の厚みを抑え、安全性や耐久性の向上と製造コストの低減を両立させることができる。特に、大型のプレキャストアーチカルバートを施工する場合の工期短縮や耐久性の向上が実現される。また、プレキャストコンクリート部材を用いた従前のカルバート構造物に比べ、部材厚みや鉄筋使用量を低減させても従来と同等の安全性を確保でき、コストを削減することができる。

【0044】

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、そ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。

【0045】

（本発明の変形例）
上記実施の形態においては、アーチ部材２０の半楕円形状に関し、２つの円弧でもって半楕円形状を近似する技術について説明したが、半楕円形状の近似方法はこれに限られるものではない。即ち、半楕円形状のアーチ部材２０の１／４楕円弧を、中心、半径の異なる３つ以上の異なる円弧を接合させて近似しても良い。

【0046】

図８は、中心の異なる３つの部分円の円弧によってアーチ部材２０の１／４楕円弧が近似される場合の概略説明図である。具体的には、図８に示すように、中心Ｏ１、半径Ｒ１の部分円８１と、中心Ｏ２、半径Ｒ２の部分円８２と、中心Ｏ３、半径Ｒ３の部分円８３の円弧を接合してアーチ部材２０の１／４楕円弧が構成され、その場合、変化点は２箇所Ｑ１、Ｑ２となる。

【0047】

このようにアーチ部材２０の設計においては、好適な半楕円形状を「半楕円アーチ理論」に基づき定めた後、当該半楕円形状を任意の複数の部分円円弧により近似することが可能である。このように複数の部分円円弧を接続した形状として近似することで、近似精度が向上すると共に、半楕円形状のアーチ部材２０をより多くの複数の円弧部材を接合して構成することが可能となる。これにより、アーチ部材２０を例えばプレキャストコンクリート部材により製作する場合に、一体的な部材として製作することが困難であっても、複数の円弧部材として製作し、それらを接合してアーチ部材２０を構成することで、簡易に部材が製作でき、且つ、部材製作コストの低減が実現される。

【実施例】

【0048】

以下、本発明の実施例として、本実施の形態に係るアーチカルバート（図５等参照）において「張り出し比率ｄ／ｃ」を１．１〜１．９とすることの根拠について実験データ等を参照して説明する。本実施例では、本発明に係るアーチカルバートの寸法条件として、図５を参照し、半楕円形状のアーチ部材の短径をａ、長径をｂとし、フーチング部材の全幅をｗ、フーチング部材のカルバート内側への張り出し幅をｃ、フーチング部材のカルバート外側への張り出し幅をｄと定義して説明する。

【0049】

「張り出し比率ｄ／ｃ」の好適な数値範囲は、アーチ部材の短径ａに対するフーチング部材の全幅ｗで規定されるフーチング比率ｗ／ａや、アーチカルバートの土かぶり量（以下、単に土かぶりとも記載）により異なる。
本発明者らは、実施例として、土かぶり５ｍ、１０ｍ、２０ｍの各条件において、アーチ部材の寸法条件一定のもとで、フーチング比率ｗ／ａが０．２、０．４、０．６、０．８であるそれぞれの場合について「張り出し比率ｄ／ｃ」を１．００〜２．４０まで変化させた時のアーチ部材下端部（脚部）に発生する曲げモーメント（ｋＮ・ｍ）を測定した。

【0050】

以下の表１は、土かぶり５ｍの条件下で、フーチング幅を「フーチング比率ｗ／ａ」で０．２、０．４、０．６、０．８とした場合のそれぞれにおいて、「張り出し比率ｄ／ｃ」を１．００〜２．４０まで変化させた時のアーチ部材下端部（脚部）に発生した曲げモーメント（ｋＮ・ｍ）を示したものである。また、図９は、表１に対応するグラフである。

【0051】

【表1】

【0052】

また、以下の表２は、土かぶり１０ｍの条件下で、フーチング幅を「フーチング比率ｗ／ａ」で０．２、０．４、０．６、０．８とした場合のそれぞれにおいて、「張り出し比率ｄ／ｃ」を１．００〜２．４０まで変化させた時のアーチ部材下端部（脚部）に発生した曲げモーメント（ｋＮ・ｍ）を示したものである。また、図１０は、表２に対応するグラフである。

【0053】

【表2】

【0054】

また、以下の表３は、土かぶり２０ｍの条件下で、フーチング幅を「フーチング比率ｗ／ａ」で０．２、０．４、０．６、０．８とした場合のそれぞれにおいて、「張り出し比率ｄ／ｃ」を１．００〜２．４０まで変化させた時のアーチ部材下端部（脚部）に発生した曲げモーメント（ｋＮ・ｍ）を示したものである。また、図１１は、表３に対応するグラフである。

【0055】

【表3】

【0056】

本発明に係るアーチカルバートにおいて、盛土施工時にアーチ部材下端部（脚部）に発生する曲げモーメントを０にすることが究極的な目標となる。この点に鑑み、上記表１〜表３及び図９〜図１１を参照すると、土かぶり５ｍ、１０ｍ、２０ｍ、また、「フーチング比率ｗ／ａ」が０．２、０．４、０．６、０．８のいずれの条件下においても、「張り出し比率ｄ／ｃ」が１．１０〜１．９０の範囲内で発生する曲げモーメントが０となるような条件が存在していることが分かる。

【0057】

本実施例に基づき、本発明に係るアーチカルバートにおいては、「張り出し比率ｄ／ｃ」は１．１〜１．９とすることが望ましいことが分かった。

【産業上の利用可能性】

【0058】

本発明は、アーチカルバートに有用であり、特に、プレキャストコンクリートで施工されたカルバート構造物であるプレキャストアーチカルバートに適用可能である。

【符号の説明】

【0059】

１０…（従前の）アーチカルバート
２０…アーチ部材
２５…（従前の）フーチング部材
４０…（本発明の実施の形態に係る）アーチカルバート
４５…（本発明の実施の形態に係る）フーチング部材
５０、６０…円弧
５１、６１…部分円
７０…円弧部材
８１、８２、８３…部分円
Ｇ…設置面（基礎地盤）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】