桁橋

桁橋とは、桁を橋桁を支える手段として用いる橋のことである。^{[ 1 ]}現代の鋼製桁橋で最も一般的な2つのタイプは、プレート型とボックス型である。

橋梁設計においては、「桁」という用語は「梁」とほぼ同義語として用いられることが多い。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}しかし、一部の著者は梁橋を桁橋とは少し異なるものとして定義している。^{[ 6 ]}

桁はコンクリートまたは鋼で作られます。特に水が越流したり腐食したりする可能性のある農村部では、多くの短い橋にコンクリート箱桁が使用されます。「桁」という用語は通常、鋼梁を指すのに使用されます。梁橋または桁橋では、梁自体がデッキの主要な支持であり、荷重を基礎に伝達する役割を担います。材料の種類、形状、重量はすべて、梁が支えられる重量に影響します。断面二次モーメントの特性により、桁の高さは耐荷重に最も大きな影響を与える要因です。スパンが長い、交通量が多い、または梁の間隔が広い場合は、すべて梁が深くなります。トラス橋やアーチ橋では、桁は依然としてデッキの主要な支持ですが、荷重はトラスまたはアーチを介して基礎に伝達されます。これらの設計により、梁の深さを実用的な範囲を超えて増やすことなく、橋はより長い距離をスパンすることができます。しかし、トラスやアーチが組み込まれると、その橋はもはや真の桁橋ではなくなる。

桁橋は、利用可能な資源に応じてさまざまな形で何千年にもわたって存在してきました。最も古いタイプの橋は、桁橋、アーチ橋、旋回橋で、これらは今日でも建設されています。これらのタイプの橋は古代から人類によって建設されてきましたが、初期の設計は今日私たちが使用しているものよりもはるかに単純でした。技術が進歩するにつれて、建設方法は改良され、岩、石、モルタル、その他の材料の利用と加工に基づいて、より強く、より長い橋が作られるようになりました。

古代ローマでは、橋を建設する技術として、木製の柱を橋脚として打ち込み、その間に様々な建築材料を詰める方法が用いられていました。ローマ人が建設した橋は、当時としては簡素なものでしたが、非常に信頼性が高く頑丈で、社会生活において非常に重要な役割を果たしていました。

産業革命の盛衰に伴い、物理的特性が向上した新素材が利用されるようになり、鋼鉄の強度の高さと幅広い用途への可能性から、錬鉄は鋼鉄に取って代わられた。

橋梁は、下部構造と上部構造という2つの主要部分から構成されています。上部構造とは、支承パッドから上部までのすべての部分を指し、荷重を支える役割を担い、橋梁の中で最も目立つ部分です。下部構造は、上部構造から地面へ荷重を伝達する基礎部分です。この2つの構造が一体となって機能することで、丈夫で長持ちする橋梁が実現します。

上部構造はいくつかの部分から構成されている。

• デッキとは、道路や歩道の表面のことです。道路の場合、通常は鉄筋コンクリートスラブですが、鋼製グリッドや木製板の場合もあります。デッキには、車線、中央分離帯、歩道、欄干、手すり、排水設備や照明などの付帯設備も含まれます。
• 支持構造は、橋桁を支える鋼鉄またはコンクリート製のシステムで構成されます。これには、桁自体、横隔膜またはブレース、そして（該当する場合）トラスまたはアーチシステムが含まれます。桁橋の場合、これには桁とブレースシステムのみが含まれます。桁は主要な荷重支持部であり、ブレースシステムは桁が一体となって機能することを可能にするとともに、桁の転倒を防ぎます。
• 支承パッドの役割は、上部構造が下部構造からある程度独立して動くことを可能にすることです。すべての材料は温度変化によって自然に膨張・収縮します。橋が完全に剛性であれば、構造に不必要なストレスがかかり、破損や故障につながる可能性があります。上部構造の一端を固定し、スパンのもう一方の端が長手方向に自由に動くようにすることで、熱応力が緩和され、橋の寿命が延びます。

下部構造も複数の部分から構成されている。

• 橋台とは、橋梁構造物を道路や歩道などの強固な地盤に支える基礎部分です。橋脚は、橋梁の中間的な支持構造です。
• キャップは、支承パッドを支える部分です。支持構造の種類によっては、キャップが必要な場合と不要な場合があります。壁柱や短い橋台にはキャップは不要ですが、多柱式、ハンマーヘッド式、または杭曲げ式の橋脚にはキャップが必要です。
• 基礎の本体部分であるステムまたはスタブは、上部構造からの荷重をキャップを通して下部のフーチングに伝達する役割を担います。
• 基礎は、荷重を地盤に伝える構造物です。基礎には主に2つのタイプがあります。1つは、岩盤の上に設置されたシンプルなコンクリートスラブであるスプレッド基礎、もう1つは、鋼杭を用いて地下深くにある可能性のある健全な岩盤に到達する杭基礎です。また、基礎の下部にケーソンまたは鉄筋コンクリート製の「柱」を用いるシステムもあります。

• 圧延鋼桁は、鋼の円筒状のブランクを一連の金型に通して所望の形状に圧延することによって製造される桁です。これらによって、長さ100フィートまでの標準的なI形梁と広フランジ梁^{[ 7 ]の形状が作成されます。}
• プレートガーダーとは、複数の鋼板を溶接して所望の形状に成形したガーダーです。製造業者は、所定の厚さの鋼板を受け取り、フランジとウェブを所定の長さと形状に切断します。プレートガーダーは、圧延鋼ガーダーよりも高さが高く、標準的な形状に限定されません。ガーダーを荷重条件に合わせてカスタマイズできるため、橋梁設計の効率化につながります。プレートガーダーは、10メートルから100メートル以上（33フィートから330フィート以上）のスパンに使用できます。 ガーダーの強度を高めるために、圧縮フランジとウェブの間に補強材を溶接することもあります。
• ボックスガーダー、または「チューブガーダー」は、その名の通り箱型をしています。2本の垂直なウェブ、各ウェブの上部にある短い上フランジ、そしてウェブ同士をつなぐ幅広の下フランジで構成されています。ボックスガーダーはねじれに非常に強く、高価ではありますが、標準的なガーダーではねじれや転倒の影響を受けやすい状況で使用されます。

• 桁橋― プレートガーダー橋の祖先
• プレートガーダー橋
• ボックスガーダー橋― プレートガーダー橋の進化形

• 構造システムと寸法（PDF） - モンタナ州運輸局
• 構造用鋼製上部構造（PDF） - モンタナ州運輸局