コンクリート梁橋

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背景

約590,000の道路橋が、米国全土の水路、乾燥地の窪地、その他の道路、および鉄道にまたがっています。最も劇的な橋は、アーチ、ケーブル、三角形で満たされたトラスなどの複雑なシステムを使用して、壮大な柱や塔の間の道路を運びます。しかし、高速道路橋梁システムの主力は、比較的単純で安価なコンクリート梁橋です。

桁橋とも呼ばれる梁橋は、両端で支持された水平スラブで構成されています。スラブ（およびスラブ上のオブジェクト）のすべての重量が支柱に垂直に伝達されるため、支柱は、重量の一部を水平に伝達するアーチ橋または吊橋の支柱よりも軽量にすることができます。

単純なビーム橋は、一般に250フィート（76.2 m）以下の距離にまたがるのに使用されます。一連の単純なビーム橋を連続スパンと呼ばれるものに接続することにより、より長い距離にまたがることができます。実際、世界最長の橋であるルイジアナ州のポンチャートレイン湖コーズウェイは、長さが約24マイル（38.4 km）の平行な2車線の連続スパン橋のペアです。 2つの橋のうち最初の橋は1956年に完成し、2,000を超える個別のスパンで構成されています。姉妹橋（現在は北行きの交通を運んでいる）は13年後に完成しました。最初の橋より228フィート長いですが、1,500スパンしか含まれていません。

橋には3つの主要な要素があります。まず、下部構造（基礎）が橋の荷重荷重を地面に伝達します。柱（橋脚とも呼ばれます）や橋台などのコンポーネントで構成されています。アバットメントは、橋の端と地球の間の接続です。ブリッジのエンドセクションをサポートします。第二に、橋の上部構造は、柱の間のスペースにまたがる水平プラットフォームです。最後に、橋の甲板は上部構造に追加された交通を運ぶ表面です。

歴史

先史時代の人は、自然を模倣して橋を架け始めました。川を渡って倒れた木の上を歩くのが便利だと思った彼は、川を渡りたい場所に木の幹や石のスラブを置き始めました。彼がより広い小川を橋渡ししたいと思ったとき、彼は水に石を積み、これらの柱と土手との間に木や石の梁を置く方法を考え出しました。

文書化された最初の橋は、紀元前484年にヘロドトスによって記述されました。 それは石の柱で支えられた材木で構成されており、約300年前にユーフラテス川を渡って建てられました。

石とコンクリートのアーチ橋で最も有名なローマ人は、梁橋も建設しました。実際、紀元前620年にテヴェレ川を渡って建設された最も初期の既知のローマ橋。 、 Pons Sublicius と呼ばれていました それは木製の梁（サブリカ）でできていたからです。 ローマの橋の建設技術には、柱を建設する際のコッファダムの使用が含まれていました。彼らは、意図された柱の位置の周りの地面に木の棒の円形の配置を打ち込むことによってこれをしました。木製のリングを粘土で裏打ちして水密にした後、彼らは囲いから水を汲み出しました。この により、柱の土台にコンクリートを注ぐことができました。

橋の建設は、フランスのエンジニア、ユベールゴーティエが橋の建設に関する論文を書いたときに、1717年に芸術から科学への移行を開始しました。 1847年、スクワイアホイップルという名前のアメリカ人が、橋梁建設に関する研究を書きました。 これには、橋の応力とひずみを計算するための最初の分析方法が含まれていました。 「コンサルティングブリッジエンジニアリング」は、1880年代に土木工学の専門分野として設立されました。

ビーム橋建設のさらなる進歩は、主に建築材料の改善からもたらされるでしょう。

建設資材
とその開発

ほとんどの高速道路の梁橋はコンクリートと鋼でできています。ローマ人は橋に石灰とポザラナ（赤い火山の粉）でできたコンクリートを使用していました。この素材は水中でも素早く硬化し、丈夫で防水性がありました。ヨーロッパの中世には、代わりに石灰モルタルが使用されていましたが、水溶性でした。今日人気のあるポルトランドセメントは、石灰岩と粘土の特定の混合物であり、1824年にジョセフアスプディンという英国の煉瓦工によって発明されましたが、1900年代初頭まで基礎材料として広く使用されていませんでした。

コンクリートは圧縮（押圧力）に耐える強度がありますが、引張（引張力）下ではそれほど強くありません。 19世紀のヨーロッパとアメリカでは、耐張力鉄を埋め込んでコンクリートを強化する試みがいくつかありました。優れたバージョンは、1880年代にフランスで、鋼製の鉄筋を使用したフランソワ・アネビックによって開発されました。米国の橋での鉄筋コンクリートの最初の重要な使用は、サンフランシスコのゴールデンゲートパークにあるAlvord LakeBridgeでした。 1889年に完成し、現在も使用されています。設計者のアーネストL.ランサムによって考案されたねじれた鋼の鉄筋で作られました。

コンクリート建設における次の重要な進歩は、プレストレスの開発でした。コンクリート梁は、梁を通る鋼棒を引っ張ってから、棒の端を梁の端に固定することによってプレストレスを与えられます。これにより、コンクリートに圧縮力が加わり、梁に荷重がかかったときに梁に加えられる引張力が相殺されます。 （水平ビームを押し下げるおもりは、ビームを中央で下向きに曲げる傾向があり、ビームの上部に沿って圧縮力が発生し、ビームの下部に沿って引張力が発生します。）

プレストレスは、工場でプレキャストされ、建設現場に運ばれ、クレーンで所定の位置に持ち上げられるコンクリート梁に適用できます。または、梁の最終位置に注入される現場打ちコンクリートに適用することもできます。コンクリートを流し込む前に鋼線や棒に張力をかける（プリテンション）か、コンクリートが硬化した後に張力をかける無張力鋼を含むチューブの周りにコンクリートを注ぐ（ポストテンション）ことができます。

デザイン

各橋は、建設する前に個別に設計する必要があります。設計者は、地域の地形、水流、河川の氷の形成の可能性、風のパターン、地震の可能性、土壌の状態、予想される交通量、審美性、コスト制限など、多くの要因を考慮に入れる必要があります。

さらに、橋は構造的に健全であるように設計されなければなりません。これには分析が含まれます 典型的なコンクリート梁橋の断面図。 完成した橋の各コンポーネントに作用する力。 3種類の荷重がこれらの力に寄与します。デッドロードとは、橋自体の重量を指します。活荷重とは、橋が運ぶ交通量のことです。環境負荷とは、風、地震の可能性、橋脚との交通衝突の可能性など、他の外力を指します。解析は、死荷重の静的（静止）力と、活荷重および環境荷重の動的（移動）力に対して実行されます。

1960年代後半以降、設計における冗長性の価値は広く受け入れられてきました。これは、橋は、いずれかのメンバーの故障が構造全体の即時崩壊を引き起こさないように設計されていることを意味します。これは、損傷したメンバーを補うのに十分な強度を持つ他のメンバーを作成することによって実現されます。

製造
プロセス

各橋は特定の場所と機能のために独自に設計されているため、建設プロセスも橋ごとに異なります。以下に説明するプロセスは、浅い川にまたがるかなり典型的な鉄筋コンクリート橋を建設する際の主要なステップを表しており、川には中間のコンクリート柱の支柱があります。

ブリッジコンポーネントの多くのサイズの例は、視覚化の補助として以下の説明に含まれています。一部は、サプライヤのパンフレットまたは業界標準の仕様から取得されています。その他は、1993年にニューメキシコ州アルバカーキのリオグランデ川を渡って建設された高速道路橋の詳細です。長さ1,245フィート、幅10車線の橋は88本の支柱で支えられています。構造物には11,456立方ヤードのコンクリートが含まれ、舗装にはさらに8,000立方ヤードが含まれています。また、620万ポンドの鉄筋が含まれています。

下部構造

• 1河床の各柱の位置の周りにコッファダムが建設され、水は囲いの内側から汲み上げられます。基礎を設定する1つの方法は、川床から岩盤までシャフトを掘削することです。オーガーがシャフトから土を持ち上げるとき、土を取り替えてシャフトが崩壊するのを防ぐために、粘土スラリーが穴にポンプで送られます。適切な深さに達すると（たとえば、約80フィートまたは24.4 m）、補強鋼（鉄筋）の円筒形のケージがスラリーで満たされたシャフト（たとえば、直径72インチまたは2 m）に下げられます。コンクリートはシャフトの底にポンプで送られます。シャフトがコンクリートで満たされると、スラリーはシャフトの上部から押し出され、そこで収集されて洗浄され、再利用できるようになります。各柱の地上部分は、成形して所定の位置にキャストするか、プレキャストして所定の位置に持ち上げて基礎に取り付けることができます。
• 2橋台は、橋の端が置かれる川岸に用意されています。堤防の頂上と河床の間にコンクリートの裏壁が形成され、注がれています。これは、橋の端を越えた土の擁壁です。後壁の上部には、ブリッジの端を載せるための棚（シート）が形成されています。橋のアプローチのために不陸整正を保持するために、川岸に沿って後壁から外側に伸びる翼壁も必要になる場合があります。
• 3この例では、橋は各サポートポイントの1対の柱に載っています。下部構造は、橋の方向に垂直にキャップ（鉄筋コンクリート梁）を配置し、1つの柱の上部からそのパートナーの上部に達することで完成します。他の設計では、橋は、橋全体の長方形の桟橋や単一のT字型の柱などのさまざまな支持構成に載っている場合があります。

上部構造

• 4クレーンを使用して、橋の長さ全体にわたって連続する柱のセットの間に鋼またはプレストレストコンクリート桁を設置します。桁は柱キャップにボルトで固定されています。アルバカーキ高速道路橋の場合、各桁の高さは6フィート（1.8 m）、長さは最大130フィート（40 m）で、重量は54トンにもなります。
• 5鋼製パネルまたはプレキャストコンクリートスラブが桁全体に配置されて堅固なプラットフォームを形成し、橋の上部構造を完成させます。あるメーカーは、たとえば、4.5インチ（11.43 cm）の深さの重い（7ゲージまたは9ゲージ）鋼の波形パネルを提供しています。別の代替案は、後で注がれるコンクリートデッキ用の定位置鋼フォームです。

デッキ

• 6上部構造プラットフォームの上に防湿層が配置されています。たとえば、熱間塗布されたポリマー改質アスファルトが使用される場合があります。
• 7防湿層の上に鉄筋のグリッドが構築されています。このグリッドは、その後、コンクリートスラブに入れられます。グリッドは3次元であり、スラブの下部近くに鉄筋の層があり、上部近くに別の鉄筋の層があります。
• 8コンクリート舗装を流し込みます。高速道路には、8〜12インチ（20.32〜30.5 cm）のコンクリート舗装が適切です。上部構造プラットフォームとして定位置フォームが使用された場合、コンクリートがそれらに注がれます。フォームを使用しなかった場合は、1回の連続操作でコンクリートを広げ、固め、滑らかにするスリップフォーム舗装機でコンクリートを塗布できます。いずれの場合も、ブラシまたは黄麻布などの粗い材料で表面を手動または機械的にスコアリングすることにより、滑りにくいテクスチャをフレッシュコンクリートスラブに配置します。舗装のひび割れを防ぐために、約15フィート（5 m）ごとに横方向の目地が設けられています。これらは、コンクリートを注入する前にフォームに追加するか、すべり成形されたスラブが硬化した後にカットします。柔軟なシーラントを使用してジョイントをシールします。

品質管理

橋の設計と建設は、全州道路交通局の米国協会、米国材料試験協会、米国コンクリート学会など、いくつかの機関によって開発された基準を満たす必要があります。建設が進むにつれて、さまざまな材料（コンクリートバッチなど）と構造コンポーネント（梁や接続など）がテストされます。さらなる例として、アルバカーキ橋プロジェクトでは、現場で建設されたサンプル柱基礎と2本の生産シャフトで静的および動的強度試験が実施されました。

未来

数多くの政府機関や業界団体が、材料や建設技術を改善するための研究を後援し、実施しています。主な目標は、改質された高性能コンクリートなど、より軽く、より強く、より耐久性のある材料の開発です。一部のコンポーネントのコンクリートに代わる繊維強化ポリマー複合材料。鉄筋の腐食を防ぐためのエポキシコーティングと電気化学的保護システム。代替合成強化繊維;より速く、より正確なテスト手法。