特許 6706499 鋼コンクリートサンドイッチ構造の設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6706499

(24)【登録日】2020年5月20日

(45)【発行日】2020年6月10日

(54)【発明の名称】鋼コンクリートサンドイッチ構造の設計方法

(51)【国際特許分類】

   E21D 9/04 20060101AFI20200601BHJP

   E21D 11/04 20060101ALI20200601BHJP

【ＦＩ】

   E21D9/04 F

   E21D11/04 A

【請求項の数】1

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-255723(P2015-255723)

(22)【出願日】2015年12月28日

(65)【公開番号】特開2017-119946(P2017-119946A)

(43)【公開日】2017年7月6日

【審査請求日】2018年12月13日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 電気通信回線を通じた公開／ウェブサイトの掲載日：平成２７年０７月２０日 ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｊｓｃｅｊｍｃｓ／７１／３／７１＿２４８／＿ａｒｔｉｃｌｅ／−ｃｈａｒ／ｊａ／

(73)【特許権者】

【識別番号】000221616

【氏名又は名称】東日本旅客鉄道株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】592145268

【氏名又は名称】ＪＲ東日本コンサルタンツ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000216025

【氏名又は名称】鉄建建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121603

【弁理士】

【氏名又は名称】永田 元昭

(74)【代理人】

【識別番号】100141656

【弁理士】

【氏名又は名称】大田 英司

(74)【代理人】

【識別番号】100067747

【弁理士】

【氏名又は名称】永田 良昭

(72)【発明者】

【氏名】野澤 伸一郎

(72)【発明者】

【氏名】森山 智明

(72)【発明者】

【氏名】石橋 忠良

(72)【発明者】

【氏名】安保 知紀

(72)【発明者】

【氏名】松岡 茂

(72)【発明者】

【氏名】長尾 達児

(72)【発明者】

【氏名】栗栖 基彰

【審査官】 亀谷 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 韓国登録特許第１０−１２６６１１２（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】 特開２００１−０１２１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 安保知紀 外３名，JES構造の曲げ特性に関する実験的検討，コンクリート工学年次論文集，日本，コンクリート工学協会，２０１４年，Vol.36,No.2，第１０９９−１１０４頁

【文献】 松岡 茂 外３名，鋼繊維補強コンクリートを用いたトンネル覆工解析に関する研究，土木学会論文集，日本，社団法人土木学会，１９９８年 ２月，Ｎｏ.５８５／V−３８，第１８９−１９８頁

【文献】 松岡 茂 外３名，鋼繊維補強コンクリートの引張特性試験法に関する研究，土木学会論文集，日本，社団法人土木学会，１９９７年 ５月，Ｎｏ.５６４／V−３５，第１４５−１５３頁

【文献】 清水満 外４名，鋼製エレメントを用いた線路下横断トンネルの設計法，トンネル工学研究論文・報告集，日本，社団法人土木学会，１９９８年１１月，第８巻，第４０７−４１２頁

【文献】 コンクリート委員会・鋼コンクリートサンドイッチ構造研究小委員会，鋼コンクリートサンドイッチ構造設計指針（案）について，土木学会論文集，日本，社団法人土木学会，１９９２年 ８月，No.451/V-17，第３３−３７頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｄ １／００−９／１４

Ｅ２１Ｄ １１／００−１９／０６

Ｅ２１Ｄ ２３／００−２３／２６

Ｅ０２Ｄ ２９／０４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定間隔を隔てて配置した主鋼板と、該主鋼板同士を連結する複数のせん断補強鋼板と、該主鋼板及び前記せん断補強鋼板との間に充填した複数のコンクリートとで構成する鋼コンクリートサンドイッチ構造の設計方法であって、
前記主鋼板が、所定長さの部分主鋼板を応力伝達可能な噛み合わせ継手で連結した連結鋼板であり、
２枚の前記部分主鋼板と、前記せん断補強鋼板とで断面コ字状の鋼製エレメントが構成するとともに、前記鋼製エレメントを連結して構成し、
前記部分主鋼板とせん断補強鋼板とに囲まれた複数のブロック状のコンクリートにおける各コンクリートのひび割れ断面におけるひび割れ先端を各々の中立軸とし、
維ひずみは断面の中立軸からの距離に比例するとともに、複数の前記ブロック状のコンクリートにおける各コンクリート内での曲率が一定であると仮定し、
前記中立軸からyだけ離れた位置の前記ブロック状のコンクリートの圧縮応力σ’_c (y)、部材幅b、圧縮側鋼板に発生する圧縮力T_c、引張側鋼板に発生する引張力T、前記ブロック状のコンクリートの断面高さに対するひび割れ深さの比α、断面高さh、圧縮側コンクリートの圧縮変形量dx、及びブロック状のコンクリートの回転角λに対して、前記部分主鋼板と前記せん断補強鋼板とに囲まれた複数の前記ブロック状のコンクリートのそれぞれに発生する曲げモーメントM、及び各コンクリートに発生する軸力Nから求まる力のつり合いの関係式は式（１）及び式（２）で表すことができ、

【数1】

【数2】

前記鋼製エレメントの弾性係数を、各材料の弾性係数を用いて算出した平均弾性係数とし、式（９）に示す平均ひずみから式（１０）を用いて算出するとともに、

【数3】

前記鋼製エレメントの応力ひずみ関係を、２次勾配比が１／１００となるような二直線関係とし、
コンクリートの応力ひずみ関係はコンクリート標準示方書に示す曲線に準拠することで、前記中立軸からyだけ離れた位置における前記ブロック状のコンクリートの圧縮ひずみε’_c(y)、前記圧縮側コンクリートの縁ひずみε’_cm、前記中立軸からの距離y、前記せん断補強鋼板の間隔L、及び前記回転角λが式（３）乃至式（５）の関係となり、

【数4】

【数5】

【数6】

せん断補強鋼板とコンクリートは付着していないことから、前記ひび割れ深さの比α、前記断面高さh、及び前記圧縮変形量dxに基づく式（６）の関係となる前記ブロック状のコンクリートの回転角λであるとともに、曲率が一定であるとの仮定によって回転変形によるひび割れはコンクリートの左右で対称となり、片側に発生するひび割れの回転角度がλ/2となり、
せん断補強鋼板位置に発生する回転角は隣り合うコンクリートの回転角の半分の和となることから、せん断補強鋼板位置の回転角θを式（７）のように表すことができ、
並びに式（７）の関係となる隣り合う前記ブロック状のコンクリートとの回転角θ_nに基づく回転変形を累加する式（８）に示すスパン中央におけるたわみである変形量δが所望の変形量を満足するように設計する

【数7】

【数8】

【数9】

鋼コンクリートサンドイッチ構造の設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

例えば、線路下横断構造物や道路下横断構造物などを構築する鋼コンクリートサンドイッチ構造に関する。

【背景技術】

【0002】

線路下横断構造物としてボックスカルバートなどの構造物として、特許文献１や特許文献２に記載された構造物がある。
このような特許文献１や特許文献２に記載の構造を用いた構造物は、所定間隔を隔てて配置した主鋼板と、該主鋼板同士を連結する複数のせん断補強鋼板と、該主鋼板及び前記せん断補強鋼板との間に充填したコンクリートとで構成する鋼コンクリートサンドイッチ構造の部材で構成し、開削することなく地中部に図１に示すようなボックスカルバートを構築することができる。

【0003】

より詳しくは、図２に示す鋼製エレメントを特殊な噛み合わせ継手（連結継手）でつなぎ合わせて地中部に挿入していく。この噛み合わせ継手には施工性を考慮した遊間が設けられており、鋼板の応力伝達や漏水防止のため、セメントグラウト材を遊間に充填する。その後、鋼製エレメント内にコンクリートを充填して鋼コンクリートサンドイッチ構造部材を構成するとともに、ボックスカルバートを構築する。

【0004】

このような鋼コンクリートサンドイッチ構造は、一般的に、２枚の鋼板とそれにはさまれたコンクリートが一体となって挙動する合成構造として評価するため、鋼板とコンクリートの一体性を確保するための適切なずれ止めを適切な間隔で設けている。しかし、特許文献１の構造物を構築する構造の場合、鋼製エレメントとその内部に充填するコンクリートとは、シアコネクタ等のずれ止めにより一体化されておらず、部材軸直角方向に設置されたせん断補強鋼板によって充填したコンクリートをブロック状に隔てる構成である。

【0005】

これまでの一般的な鋼コンクリートサンドイッチ構造の曲げ特性に関する研究において、ずれ止めを租に取り付けた模型実験では鋼板とコンクリートとの間にずれが生じ、そのたわみ量が、一般的な鋼コンクリートサンドイッチ構造としての梁理論による計算値に比較して大きくなることがわかっている。特に、連続部材を対象として等分布荷重が作用する場合、曲げ降伏耐力及び曲げ終局耐力は平面保持を仮定して算出した耐力と同等であるが、たわみ量がかなり大きくなる。いずれの研究においても曲げ変形について計算値より実際のたわみ量は大きくなることは判明しているものの、定量的に評価する方法はなく、一般的な鋼コンクリートサンドイッチ構造として検討して構築された特許文献１や特許文献２に記載の構造物たわみは大きく、想定以上の変形量となるおそれがあった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１−１２１８２号公報

【特許文献2】特開２０１０−１７４５４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで、この発明は、変形量を適切に算定し、所望の変形量を満足することができる鋼コンクリートサンドイッチ構造及びその設計方法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】

【0008】

この発明は、所定間隔を隔てて配置した主鋼板と、該主鋼板同士を連結する複数のせん断補強鋼板と、該主鋼板及び前記せん断補強鋼板との間に充填した複数のコンクリートとで構成する鋼コンクリートサンドイッチ構造の設計方法であって、前記主鋼板が、所定長さの部分主鋼板を応力伝達可能な噛み合わせ継手で連結した連結鋼板であり、２枚の前記部分主鋼板と、前記せん断補強鋼板とで断面コ字状の鋼製エレメントが構成するとともに、前記鋼製エレメントを連結して構成し、前記部分主鋼板とせん断補強鋼板とに囲まれた複数のブロック状のコンクリートにおける各コンクリートのひび割れ断面におけるひび割れ先端を各々の中立軸とし、維ひずみは断面の中立軸からの距離に比例するとともに、複数の前記ブロック状のコンクリートにおける各コンクリート内での曲率が一定であると仮定し、前記中立軸からyだけ離れた位置の前記ブロック状のコンクリートの圧縮応力σ’_c (y)、部材幅b、圧縮側鋼板に発生する圧縮力T_c、引張側鋼板に発生する引張力T、前記ブロック状のコンクリートの断面高さに対するひび割れ深さの比α、断面高さh、圧縮側コンクリートの圧縮変形量dx、及びブロック状のコンクリートの回転角λに対して、前記部分主鋼板と前記せん断補強鋼板とに囲まれた複数の前記ブロック状のコンクリートのそれぞれに発生する曲げモーメントM、及び各コンクリートに発生する軸力Nから求まる力のつり合いの関係式は式（１）及び式（２）で表すことができ、

【数10】

【数11】

前記鋼製エレメントの弾性係数を、各材料の弾性係数を用いて算出した平均弾性係数とし、式（９）に示す平均ひずみから式（１０）を用いて算出するとともに、

【数12】

前記鋼製エレメントの応力ひずみ関係を、２次勾配比が１／１００となるような二直線関係とし、
コンクリートの応力ひずみ関係はコンクリート標準示方書に示す曲線に準拠することで、前記中立軸からyだけ離れた位置における前記ブロック状のコンクリートの圧縮ひずみε’_c(y)、前記圧縮側コンクリートの縁ひずみε’_cm、前記中立軸からの距離y、前記せん断補強鋼板の間隔L、及び前記回転角λが式（３）乃至式（５）の関係となり、

【数13】

【数14】

【数15】

せん断補強鋼板とコンクリートは付着していないことから、前記ひび割れ深さの比α、前記断面高さh、及び前記圧縮変形量dxに基づく式（６）の関係となる前記ブロック状のコンクリートの回転角λであるとともに、曲率が一定であるとの仮定によって回転変形によるひび割れはコンクリートの左右で対称となり、片側に発生するひび割れの回転角度がλ/2となり、せん断補強鋼板位置に発生する回転角は隣り合うコンクリートの回転角の半分の和となることから、せん断補強鋼板位置の回転角θを式（７）のように表すことができ、並びに式（７）の関係となる隣り合う前記ブロック状のコンクリートとの回転角θ_nに基づく回転変形を累加する式（８）に示すスパン中央におけるたわみである変形量δが所望の変形量を満足するように設計することを特徴とする。

【数16】

【数17】

【数18】

【0009】

上述の鋼コンクリートサンドイッチ構造は、所定間隔を隔てて配置した主鋼板と、該主鋼板同士を連結する複数のせん断補強鋼板と、該主鋼板及び前記せん断補強鋼板との間に充填したコンクリートとで構成する構造部材、及び当該構造物材を用いた構造物を含むものとする。

【0010】

また、上述の鋼コンクリートサンドイッチ構造は、所定間隔を隔てて配置した主鋼板と、該主鋼板同士を連結するせん断補強鋼板複数で構成する鋼製エレメントを連結して内部空間を形成するとともに、内部空間にコンクリートを充填して構成した鋼コンクリートサンドイッチ構造、あるいは、所定間隔を隔てて配置した主鋼板に対して複数のせん断補強鋼板を配置し、内部空間にコンクリートを充填して構成した鋼コンクリートサンドイッチ構造を含むものとする。
上述の断面コ字状の鋼製エレメントは、鋼コンクリートサンドイッチ構造の少なくとも一部のみを構成すればよい。

【0011】

この発明により、変形量を適切に算定することができる。
詳述すると、本発明の鋼コンクリートサンドイッチ構造に対して行った載荷試験の結果によると、内部空間に充填したコンクリートにおけるせん断補強鋼板近傍にひび割れが集中することから、曲げひび割れはせん断補強鋼板の位置でのみ発生し、せん断補強鋼板とコンクリートは付着せず、主鋼板とせん断補強鋼板とに囲まれたブロック状のコンクリートの曲率は一様であるため、鋼コンクリートサンドイッチ構造部材の変形は、主鋼板とせん断補強鋼板とに囲まれたブロック状のコンクリートに発生する回転変形の和となる。

【0012】

また、せん断補強鋼板とコンクリートは付着していないことから、ひび割れ断面における中立軸はひび割れの先端とし、断面高さに対するひび割れ深さの比をα、圧縮縁の圧縮変形量をdxとすると、回転角λは数式６のように表わすことができる。

【0013】

なお、主鋼板とせん断補強鋼板とに囲まれたブロック状のコンクリートの曲率は一様とし、回転変形によるひび割れはコンクリートの左右で対称となっているため、片側に発生するひび割れの回転角度をλ/2とする。

【0014】

また、維ひずみは断面の中立軸からの距離に比例するとし、コンクリートの応力ひずみ関係はコンクリート標準示方書に示す曲線とすることで、中立軸からyだけ離れた位置におけるコンクリートの圧縮ひずみε’_c(y)及び圧縮縁の変形量dxは数式３及び数式４のように表わせるとともに、回転角λを数式５のように表わすことができる。
さらに、主鋼板とせん断補強鋼板とに囲まれたブロック状のコンクリートに発生する断面力から求まる力のつり合いの関係式は、数式１及び数式２のように表わすことができる。

【0015】

以上の関係から、主鋼板とせん断補強鋼板とに囲まれた各コンクリートに発生する断面力から回転角λを算出するが、せん断補強鋼板位置に発生する回転角は隣り合うコンクリートの回転角の半分の和となることから、せん断補強鋼板位置の回転角θを数式７のように表すことができる。

【0016】

以上より、数式８のように各コンクリートにおける回転変形を累加することにより、鋼コンクリートサンドイッチ構造のたわみ量を正確に算出することができる。したがって、所望の変形量を満足できる鋼コンクリートサンドイッチ構造を構築することができる。

【0017】

所望の変形量とは、例えば、鋼コンクリートサンドイッチ構造で構成される構造物のスパン中央における変形量が当該構造物のスパン長の１／１００などの所定量を満足することや、例えば、鋼コンクリートサンドイッチ構造で構成される構造物の下方に軌道が構築される場合における建築限界を侵さない量などとすることができる。

【0018】

また、前記主鋼板を、所定長さの部分主鋼板を応力伝達可能な噛み合わせ継手で連結した連結鋼板で構成することにより、主鋼板に比べて小さな部分主鋼板を噛み合わせ継手で応力伝達可能に連結するため、施工性を向上することができる。

【0019】

また、２枚の前記部分主鋼板と、前記せん断補強鋼板とで断面コ字状の鋼製エレメントを構成することにより、断面コ字状の鋼製エレメントは、所定間隔を隔てて配置した主鋼板と、該主鋼板同士を連結する複数のせん断補強鋼板が一体化した鋼コンクリートサンドイッチ構造に比べ、例えば地中部へ挿入する場合において、施工規模が小さくなり、施工性をさらに向上することができる。

【発明の効果】

【0020】

この発明によれば、変形量を適切に算定し、所望の変形量を満足することができる鋼コンクリートサンドイッチ構造及びその設計方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】軌道下に構築する地下横断構造物の概略斜視図。

【図2】同状態の概略正面図。

【図3】鋼製エレメントについての説明図。

【図4】同状態の概略縦断面図。

【図5】鋼コンクリートサンドイッチ構造の算定モデルの説明図。

【図6】鋼コンクリートサンドイッチ構造における回転角によるたわみ量の算定モデル。

【図7】鋼コンクリートサンドイッチ構造の載荷試験体についての説明図。

【図8】鋼コンクリートサンドイッチ構造の載荷試験と算定結果との比較についての説明図。

【図9】載荷試験の試験結果についての説明図。

【発明を実施するための形態】

【0022】

まず、本発明の鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓを用いた地下横断構造物３００について図１乃至４とともに説明する。
図１は軌道２００の下方に構築する地下横断構造物３００についての概略斜視図を示し、図２は軌道２００の下方に構築する地下横断構造物３００についての概略正面図を示し、図３は地下横断構造物３００を構成する角型鋼製エレメント５０についての説明図を示し、図４は軌道２００の下方に構築する地下横断構造物３００についての概略縦断面図を示している。なお、本明細書の説明において、連結空間５６に充填するコンクリートＣについて断面を示すハッチングの図示を省略している。

【0023】

角型鋼製エレメント５０を挿入して、下方に地下横断構造物３００を構築する軌道２００は、地山４００の上部に、路床４０１ａと路盤４０１ｂとを盛土して盛土部４０１を構成し、盛土部４０１の上にバラスト４０２を締め固め、枕木２０２を長さ方向に等間隔で載置し、枕木２０２の上に軌条２０１を固定して構成している。

【0024】

軌道２００を横断する方向（図４において左右方向）に構築する地下横断構造物３００は、上床部３００ａが所定の土被りとなる位置で、地山４００に構築される矩形断面のボックスである。なお、図１，２，４において、連結した角型鋼製エレメント５０がむき出したままの地下横断構造物３００を図示しているが、地下横断構造物３００の用途に応じて、地下横断構造物３００の内部空間３００ｂや端部に舗装やコンクリートを構築して地下横断構造物３００を完成させる。

【0025】

このように、地下横断構造物３００は、図４に示すように軌道２００の横断方向両側に予め建て込んだ土留め壁（図示省略）を用いて掘り下げて構築した立坑４２０（４２０ａ，４２０ｂ）間の軌道２００下の地山４００を貫通する構造物である。
そして、地下横断構造物３００は、図１乃至３に示すように、正面視横長四角形状に配置した角型鋼製エレメント５０を連結し、その内部を掘削して構築している。

【0026】

図２，３に示すように、角型鋼製エレメント５０は、略四角形型に形成され、後述する連結継手５３で連結方向Ｚ１に連結可能に構成するとともに、所定の長さに形成している。そして、所定の長さに形成した角型鋼製エレメント５０を複数、長さ方向（挿入方向）Ｘにおいて、接続部材（図示省略）で接続して、地下横断構造物３００の長さを確保する構成である。

【0027】

詳述すると、図３に示すように、地下横断構造物３００を構成する角型鋼製エレメント５０は、連結方向Ｚ１に対して直交する交差方向Ｚ２に所定の間隔を隔てて配置する２枚のフランジ鋼板５１と、フランジ鋼板５１における連結方向Ｚ１の両側で交差方向Ｚ２に向いたせん断補強鋼板５２とで断面四角形に構成している。
なお、上述の角型鋼製エレメント５０の長さ方向Ｘは、角型鋼製エレメント５０の挿入方向Ｘと一致する方向であるため、本明細書において同じ符号Ｘで示している。

【0028】

フランジ鋼板５１の両端には、略Ｃ型断面の連結継手５３を備えている。詳しくは、フランジ鋼板５１の連結方向Ｚ１の基端側に配置した基端側連結継手５３ａは、フランジ鋼板５１より交差方向Ｚ２の外側に突出態様で略逆Ｃ型に形成されている。これに対し、フランジ鋼板５１の連結方向Ｚ１の先端側に配置した先端側連結継手５３ｂは、フランジ鋼板５１より交差方向Ｚ２の内側に突出態様で略Ｃ型に形成されている。したがって、隣接する角型鋼製エレメント５０同士は、既に挿入された挿入済みの角型鋼製エレメント５０の先端側連結継手５３ｂと、後で挿入する角型鋼製エレメント５０の基端側連結継手５３ａとを嵌合させて連結している。

【0029】

また、せん断補強鋼板５２は、フランジ鋼板５１の先端側及び基端側において、連結継手５３より連結方向Ｚ１の適宜の間隔を隔てて配置されている。したがって、隣接する角型鋼製エレメント５０同士の間には、挿入済みの角型鋼製エレメント５０のせん断補強鋼板５２と、後で挿入する角型鋼製エレメント５０のせん断補強鋼板５２と、フランジ鋼板５１の連結継手５３によって囲まれた連結空間５６を構成している。

【0030】

このように構成した角型鋼製エレメント５０は、仮設構造物ではなく、地下横断構造物３００の本体の構造部材として本設利用される。したがって、フランジ鋼板５１の交差方向Ｚ２の間隔、つまりせん断補強鋼板５２の交差方向Ｚ２の長さは、連結空間５６に充填するコンクリートＣとともに、地下横断構造物３００の上床部、下床部あるいは側壁として、作用する荷重に耐える間隔で構成されている。また、角型鋼製エレメント５０の幅、つまりフランジ鋼板５１の連結方向Ｚ１の長さは、構築する地下横断構造物３００の高さや幅寸法に応じて割り付けて決定する。

【0031】

なお、基端側連結継手５３ａと先端側連結継手５３ｂとは同断面形状であり、点対称配置され、基端側連結継手５３ａと先端側連結継手５３ｂとが噛み合わせ可能な形状である。また、基端側連結継手５３ａと先端側連結継手５３ｂとの噛み合わせ状態において、施工性を考慮した遊間が設けられているため、角型鋼製エレメント５０の地中への挿入完了後、噛み合わせ状態の角型鋼製エレメント５０同士の間に鋼板の応力伝達や漏水防止のためのセメントグラウト材Ｇ（以下においてグラウトＧという）を充填する。そのため、基端側連結継手５３ａと先端側連結継手５３ｂのそれぞれには、噛み合わせ状態において他方に被さって、充填するグラウトＧの漏出を防止するグラウト鋼板５４を備えている。さらに、基端側連結継手５３ａの外側には防錆シート５５を備えている。

【0032】

また、上述の角型鋼製エレメント５０の説明では、地下横断構造物３００を構成する一般部の一般エレメント５０ａについて説明したが、図２，３に示すように、最初に地山４００に挿入する基準エレメント５０ｃ、地下横断構造物３００の隅角部を構成する隅角部エレメント５０ｂ、最後に挿入し、環状に閉合する調整エレメント５０ｄは、以下に説明するように、上述の一般部の一般エレメント５０ａとわずかに構成が異なる。

【0033】

最初に、地山４００に挿入する基準エレメント５０ｃは、基準エレメント５０ｃを基準として左右両側に角型鋼製エレメント５０を連結するため、図３（ｃ）に示すように、フランジ鋼板５１の両端に先端側連結継手５３ｂを備えるとともに、せん断補強鋼板５２が連結方向Ｚ１の両側に配置される（図示省略）。

【0034】

逆に、最後に挿入し、環状に閉合する調整エレメント５０ｄは、左右両側に挿入されている挿入済みの角型鋼製エレメント５０の間において、両方の挿入済みの角型鋼製エレメント５０に連結するため、図３（ｄ）に示すように、フランジ鋼板５１の両側に基端側連結継手５３ａを備えるとともに、せん断補強鋼板５２が連結方向Ｚ１の両側に配置される（図示省略）。

【0035】

隅角部エレメント５０ｂは、図３（ｂ）に示すように、連結方向が基端側連結継手５３ａのある基端側に対して直交するため、先端側連結継手５３ｂがせん断補強鋼板５２の延長上に配置される。

【0036】

なお、上述の説明では、一般部の一般エレメント５０ａ、基準エレメント５０ｃ、隅角部エレメント５０ｂ及び調整エレメント５０ｄで断面横長四角形状の地下横断構造物３００を構築することについて説明しているが、基準エレメント５０ｃと隅角部エレメント５０ｂとで横一文字状配置、または縦一列配置、あるいは角型鋼製エレメント５０、基準エレメント５０ｃ、及び隅角部エレメント５０ｂでＴ字状配置、門型配置またはＬ型配置にして地下横断構造物３００を構築してもよい。
さらには、台形断面や帯状円弧型の一般エレメント５０ａ、基準エレメント５０ｃ及び調整エレメント５０ｄを用いて、円形断面や円弧状断面の地下横断構造物３００を構築してもよい。

【0037】

このような構成の角型鋼製エレメント５０（５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ）は、刃口や掘削装置を角型鋼製エレメント５０の長さ方向Ｘの先端に装着し、刃口や掘削装置で前方の地山４００を掘削しながら、到達側立坑４２０ｂから１次けん引ワイヤー（図示省略）でけん引あるいは、発進側立坑４２０ａから元押しして地山４００に挿入して地下横断構造物３００を構築する。

【0038】

このようにして、地山４００に構築する地下横断構造物３００を構成する複数の角型鋼製エレメント５０を連結させて鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓを構成している。

【0039】

しかしながら、フランジ鋼板５１、せん断補強鋼板５２及び連結継手５３で構成する角型鋼製エレメント５０を連結し、連結空間５６にコンクリートＣを充填して構成した鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓは、鋼板に囲まれたコンクリートが鋼板と一体となって挙動する合成構造として評価するため、鋼板とコンクリートの一体性を確保するための適切なずれ止めを適切な間隔で設けている一般的な鋼コンクリートサンドイッチ構造に対して、角型鋼製エレメント５０を構成するフランジ鋼板５１やせん断補強鋼板５２とコンクリートＣとを一体化するためのずれ止めを設けていない。

【0040】

このように、ずれ止めを設けていない鋼コンクリートサンドイッチ構造の場合、一般的な鋼コンクリートサンドイッチ構造の曲げ特性に関するこれまでの研究において、鋼板とコンクリートの間にずれが生じ、たわみの計算値は梁理論による計算値に比較して大きくなることがわかっており、複数の角型鋼製エレメント５０を連結し、連結空間５６にコンクリートＣを充填して構成した地下横断構造物３００の鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓについて、一般的な鋼コンクリートサンドイッチ構造として構造解析した場合、例えば地下横断構造物３００の上床部３００ａの中央付近が大きくたわみ、想定以上の変形量となるおそれがある。

【0041】

そこで、２枚のフランジ鋼板５１と、せん断補強鋼板５２とで断面コ字状に構成した角型鋼製エレメント５０を、フランジ鋼板５１の両端に設け、応力伝達可能な連結継手５３で連結して構成した鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓについて以下のように評価する。
なお、鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓにおいて、連結継手５３によって応力伝達可能に連結した複数のフランジ鋼板５１を連結主鋼板５１ｓとする。

【0042】

まず、フランジ鋼板５１とせん断補強鋼板５２に囲まれたコンクリートＣの回転変形による圧縮変形とひび割れの概要を図５（ａ）に示す。ここで、せん断補強鋼板５２とコンクリートＣは付着していないことから、ひび割れ断面における中立軸はひび割れの先端とする。

【0043】

このとき、断面高さに対するひび割れ深さの比をα、圧縮縁の圧縮変形量をdxとすると、回転角λは、数式６のように表わすことができる。ここで、フランジ鋼板５１とせん断補強鋼板５２に囲まれたコンクリートＣの曲率は一様であると仮定していることから、回転変形によるひび割れはコンクリートＣの左右で対称となるため、片側に発生するひび割れの回転角度をλ/2としている。

【0044】

【数19】

また、フランジ鋼板５１とせん断補強鋼板５２に囲まれたコンクリートＣのひずみ分布及び力のつり合いを図５（ｂ）に示すようなモデルとした。ここで、維ひずみは断面の中立軸からの距離に比例すると仮定し、コンクリートＣの応力ひずみ関係はコンクリート標準示方書に示す曲線に準拠した図８（ｂ），（ｃ）に示す図より、中立軸からyだけ離れた位置におけるコンクリートＣの圧縮ひずみε’_c(y)及び圧縮縁の変形量dxは、数式３及び数式４のように表わすことができる。

【0045】

【数20】

また、数式６、数式３及び数式４に基づき、回転角λは、数式５のように表わすことができる。

【0046】

【数21】

さらに、フランジ鋼板５１とせん断補強鋼板５２に囲まれたコンクリートＣに発生する断面力から求まる力のつり合いの関係式は、数式１及び数式２のように表わすことができる。

【0047】

【数22】

以上の関係から、フランジ鋼板５１とせん断補強鋼板５２に囲まれた各コンクリートＣに発生する断面力から回転角λを算出する。ここで、せん断補強鋼板５２の位置に発生する回転角は隣り合うコンクリートＣの回転角の半分の和となることから、せん断補強鋼板５２の位置における回転角θを数式７のように表すことができる。

【0048】

【数23】

以上より、フランジ鋼板５１とせん断補強鋼板５２に囲まれたコンクリートＣの回転変形を図６（ａ）に示すようにモデル化し、数式８のように各コンクリートＣにおける回転変形を累加することにより、地下横断構造物３００を構成する鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓのスパン中央におけるたわみ量δを正確に算出することができる。

【0049】

【数24】

したがって、鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓで構成する地下横断構造物３００について構造解析する場合、数式８で算定する変形量δが地下横断構造物３００の要求性能である所望の変形量を満足するように、角型鋼製エレメント５０の諸元や、角型鋼製エレメント５０を連結して構成する地下横断構造物３００の諸元を決定する。

【0050】

所望の変形量とは、例えば、地下横断構造物３００において鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓで構成する上床部３００ａのスパン中央における変形量が上床部３００ａのスパン長の１／１００などの所定量を満足することや、内部空間３００ｂに軌道が構築される場合の建築限界を侵さない量などとすることができる。

【0051】

このようにして、上述の数式１乃至数式８を用いて諸元が定められた角型鋼製エレメント５０を連結して構築した鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓの地下横断構造物３００は、所望の要求性能を満足することができる。

【0052】

なお、所望の要求性能とは、地下横断構造物３００において鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓで構成する上床部３００ａのスパン中央におけるたわみなどの変形量やせん断耐力など、地下横断構造物３００の上床部３００ａに対して求められる性能である。

【0053】

次に、上述の数式１乃至数式８による算定結果（以下において、本願算定結果という）について、その算定精度を検証するために行った確認試験について述べる。
角型鋼製エレメント５０で構成する鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓを評価するため、図７に示す試験体Ｓ１及びＳ２を用い、載荷試験を実施した。

【0054】

詳述すると、部材軸直角方向にのみせん断補強鋼板５２を配置した鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓの荷重と変位の関係や破壊形態、曲げ耐力を確認することを目的に載荷試験を実施するため、連結継手５３により連結された複数の角型鋼製エレメント５０を模した鋼コンクリートサンドイッチ構造の梁試験体（試験体Ｓ１，Ｓ２）を用いて静的曲げ載荷試験を実施した。

【0055】

載荷は、２種類の試験体（試験体Ｓ１，Ｓ２）に対して、油圧ジャッキを用いた変位制御による２点単調載荷とした。ここで、載荷試験に用いた試験体（Ｓ１，Ｓ２）は寸法効果の影響を避けるために実構造物を忠実に再現し、試験体Ｓ１は、本工法の最も標準的な形状とし、断面高さを８５０ｍｍ、せん断補強鋼板５２同士の間隔を１０３５ｍｍとするとともに、試験体Ｓ２は、断面高さを１０００ｍｍ、せん断補強鋼板５２同士の間隔を１１６０ｍｍとし、試験体Ｓ１と試験体Ｓ２との結果の比較をおこなった。

【0056】

なお、載荷は、図７に示すようにスパン中央のせん断補強鋼板５２に挟まれた区間が等曲げ区間となる位置に載荷点を設け、載荷点から支点の間に上下３箇所ずつの連結継手５３を配置する形状とした。また、載荷点と支点間のせん断スパンは、部材高におけるせん断スパン比が３程度となるように設定した。

【0057】

これらの試験体（Ｓ１，Ｓ２）を構成する角型鋼製エレメント５０は、標準的に使用されている板厚１６ｍｍのＳＭ４００材を使用し、角型鋼製エレメント５０の連結空間５６に充填するコンクリートＣとして一軸圧縮強度が３０Ｎ／ｍｍ^２程度の普通コンクリートを使用し、角型鋼製エレメント５０を横にした状態で全ての連結継手５３を嵌合させ、嵌合した連結継手５３同士の遊間に設計基準強度が３０Ｎ／ｍｍ^２となるセメントミルク（グラウトＧ）を充填した。

【0058】

セメントミルクの硬化後、角型鋼製エレメント５０の連結空間５６に普通コンクリートを打設してコンクリートＣを構成し、試験体（Ｓ１，Ｓ２）を製作した。なお、コンクリートＣと接する角型鋼製エレメント５０の表面は目粗し等をおこなわず無処理の状態とした。

【0059】

載荷試験から得られた荷重と変位の関係を図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示す。いずれの試験結果も載荷荷重１３００ｋＮ付近までは直線的な関係を示し、その後、荷重の増加傾向は非常に緩やかになった。

【0060】

試験体（Ｓ１，Ｓ２）に発生した最初のひび割れは、いずれの試験体（Ｓ１，Ｓ２）も載荷点直近の引張側の連結継手５３から発生した。その後は、鉄筋コンクリート構造の曲げひび割れとは異なり、載荷荷重の増加に伴って分散することなく、せん断補強鋼板５２の近傍にのみひび割れが発生し、伸展していることが確認できた。それに伴い、引張側の角型鋼製エレメント５０とコンクリートＣの間に滑りが発生しており、図９（ａ）に示すようにせん断補強鋼板５２の近傍のひび割れ幅が増大していった。

【0061】

試験体Ｓ１は、載荷荷重が１４３１ｋＮに達した時点で載荷点間の圧縮側鋼板の座屈が発生し荷重が急激に低下し、その後、図９（ｂ）に示すように圧縮側のコンクリートＣが破壊していき、荷重は緩やかに減少した。これに対し、試験体Ｓ２は、載荷荷重が約１４５０ｋＮ付近で載荷点間の圧縮側鋼板が降伏しはじめ、載荷荷重が約１８００ｋＮに達した時点で図９（ｃ）に示すような局部座屈が発生し、その後もコンクリートＣは大きな破壊をせず荷重は緩やかに増加し続けた。

【0062】

以上のように、これらの破壊の進行状況を見ると、いずれの試験体（Ｓ１，Ｓ２）も曲げひび割れが分散せずにせん断補強鋼板５２の近傍でひび割れが局所化することで変形が増大していることが分かる。さらに、せん断補強鋼板５２の近傍では引張側の角型鋼製エレメント５０とコンクリートＣの間に滑りが発生しており、平面保持が成立していないと考えられ、平面保持を仮定して曲げ変形を算定する鉄筋コンクリート構造とは異なる変形挙動になることが確認できた。

【0063】

上述の載荷試験結果と、上述の本願算定結果とを比較するにあたり、角型鋼製エレメント５０の弾性係数について、以下のように設定した。
角型鋼製エレメント５０は、図６（ｂ）に示すように連結継手５３でフランジ鋼板５１を連結して、応力伝達する連結主鋼板５１ｓを構成している。しかしながら、連結主鋼板５１ｓを構成するフランジ鋼板５１と連結継手５３は、表１に示すように引張特性が異なる部材を繋ぎ合わせた合成部材となっており、その引張特性を適切に評価する必要がある。なお、連結継手５３の特性値は標点間距離（図６（ｂ）のＬ_ｊ）を２２０ｍｍとして測定した実験結果の平均値を用いた。

【0064】

【表1】

ここで、合成部材である角型鋼製エレメント５０の弾性係数は、各材料の弾性係数を用いて算出した平均弾性係数とし、数式９に示す平均ひずみから数式１０を用いて算出した。

【0065】

【数25】

上記の数式９及び数式１０から求められた角型鋼製エレメント５０の平均弾性係数を表２に示す。ここで、角型鋼製エレメント５０の応力ひずみ関係は降伏点以降のひずみ硬化を考慮し、２次勾配比が１／１００となるような二直線関係とした。また、角型鋼製エレメント５０は降伏強度が異なる合成部材であり、降伏点が２箇所となる三直線関係となるが、連結継手５３が降伏強度に達する点が支配的であり、その後フランジ鋼板５１が降伏強度に達する影響は非常に小さいことから、簡略化のために連結継手５３が降伏強度に達した時点で平均弾性係数の２次勾配比が１／１００となる二直線関係とし、試験体Ｓ１における角型鋼製エレメント５０の応力とひずみの関係を図８（ａ）に示す。
試験体Ｓ１における荷重と変位の関係を図８（ｂ）に、試験体Ｓ２の関係を図８（ｃ）に示す。

【0066】

【表2】

ここで、図中に示すＹ_１点はスパン中央に最も近い引張側の連結継手５３のひずみが表１に示す連結継手５３の降伏強度（２５６Ｎ／ｍｍ^２）から求めた降伏ひずみに達した点、Ｙ_２点はスパン中央のフランジ鋼板５１の引張ひずみが表１に示す降伏強度（２９４Ｎ／ｍｍ^２）から求めた降伏ひずみに達した点、Ｍ点はスパン中央の圧縮縁ひずみが３５００μに達した点としている。これらの点は、平面保持を仮定して鉄筋コンクリート構造と同様に曲げ理論を用いて断面力を算出し、その断面力から荷重に換算して図中に記載した。

【0067】

図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、継手降伏荷重の半分程度の応力領域までは、荷重と変位の関係が直線的に推移しており、その荷重勾配は本願算定結果と同じとみなすことができ、本願算定結果は、曲げ変形を精度良く近似すると考えられる。

【0068】

その後は変位の増加に伴い、本願算定結果から得られた荷重勾配はＹ_１点まで直線的に推移しているのに対し、実験から得られた荷重勾配は変位が進むにつれてその傾きが緩くなり、本願算定結果との乖離が見られるようになった。さらに変位が増加するにつれて、実験から得られた荷重勾配は非常に緩やかになっていくことが分かる。これに対し、本願算定結果では連結継手５３の降伏点（Ｙ_１点）以降に荷重勾配が非常に緩やかになり、スパン中央の角型鋼製エレメント５０が降伏する点（Ｙ_２点）までの荷重勾配が実験結果と同様とみなせることから、本願算定結果は、この範囲における曲げ変形を近似できたと考える。

【0069】

スパン中央の角型鋼製エレメント５０が降伏する点（Ｙ_２点）以降は、実験から得られた荷重の増加が非常に緩やかになり、特に試験体Ｓ１では圧縮側のコンクリートが破壊した時点から緩やかに荷重の低下が見られた。これに対し、本願算定結果から得られた荷重勾配は直線的な増加傾向を示し、実験結果との荷重勾配に若干の乖離が生じている。

【0070】

以上のことから、部材軸直角方向にせん断補強鋼板５２を配置した鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓの曲げ変形に対して、初期の曲げ剛性及びスパン中央が降伏する付近までの曲げ変形については、本願算定結果は精度良く評価できることが確認できた。

【0071】

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、この発明の主鋼板、連結鋼板は連結主鋼板５１ｓに対応し、
以下同様に、
噛み合わせ継手は連結継手５３に対応し、
部分主鋼板はフランジ鋼板５１に対応するも、
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

【0072】

上述の説明では、角型鋼製エレメント５０を連結した鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓを構成し、地下横断構造物３００を構築したが、所定間隔を隔てて配置した主鋼板と、主鋼板同士を連結する複数のせん断補強鋼板と、主鋼板及び前記せん断補強鋼板との間に充填したコンクリートとで構成する鋼コンクリートサンドイッチ構造で地下横断構造物３００を構成してもよい。しかし、角型鋼製エレメント５０を連結した鋼コンクリートサンドイッチ構造Ｓの方が地山４００へ挿入する際の施工規模が小さくなり、施工性をさらに向上することができる。

【符号の説明】

【0073】

５０…角型鋼製エレメント
５１…フランジ鋼板
５１ｓ…連結主鋼板
５２…せん断補強鋼板
５３…連結継手
Ｃ…コンクリート
Ｓ…鋼コンクリートサンドイッチ構造

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】