JP2005299080A - 耐震橋脚 - Google Patents

Abstract

【課題】 不確定な地震の揺れの方向によらず橋脚の倒壊を防ぎ、製造コストが低い耐震橋脚を提供する。
【解決手段】 基礎である鋼管杭Ｋは、地面に対して多角形を形成する各頂点上に配置されており、柱材１１は、鋼管杭Ｋの上端部に接合されている。隣り合う柱材１１，１１を連結するつなぎ部材１２は、柱材１１に接合される両端部が取付用鋼材１２１間に低降伏点鋼材１２２が設けられ、取付用鋼材１２１の降伏点よりも低い降伏点を有する板状の鋼材が溶接により接合されている。そして、このように、地面Ｇに対して正四角形の各頂点に配置したそれぞれの柱材１１，１１・・・に、正四角形の４辺を形成するようにつなぎ部材１２を隣り合う柱材１１，１１に接合して、４本の柱材１１，１１・・・を束ねることにより、１基の耐震橋脚１０を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地震の揺れに耐える耐震橋脚に関する。

一般に、構造物には、地震発生時における地震の振動に対応するために耐震構造や免震構造、制震構造等が採用されている。
例えば、図８（ａ）に示すような鋼製橋脚３００の場合は、コンクリートにより製作されたフーチング３３０上に鋼板により箱状または円筒状に製作された柱部分３２０が設けられ、この柱部分３２０の下端部にベースプレート３４０が設けられ、アンカーフレーム３７０がフーチング３３０に埋設され、これらのベースプレート３４０とアンカーフレーム３７０とがアンカーボルト３５０及びナット３６０，３６０により締め付けられて、柱部分３２０とフーチング３３０とが連結されている。このように構成される鋼製橋脚３００は、柱部分３２０が降伏、損傷するまでの間、地震力に耐えられるようになっている。したがって、柱部分３２０が降伏、損傷してしまうと、橋脚のみならず高架橋全体の大規模な改修等が必要となるため、橋脚の構造を頑丈なものとする必要があった。
そこで、橋脚の柱部分３２０が降伏、損傷しないように、例えば、特許文献１及び特許文献２に示すような耐震構造を有する耐震橋脚が提案されている。

特許文献１に示されている耐震橋脚３００ａは、図８（ｂ）に示すように、上部ブラケット３８０ａが柱部分３２０の上部に取り付けられ、下部ブラケット３８０ｂが柱部分２下部側のベースプレート３４０に取り付けられており、この上部ブラケット３８０ａと下部ブラケット３８０ｂとの間には、両端に制震部材３９０，３９０を備えた棒部材３１０が配置され、各端部の制震部材３９０，３９０と上部ブラケット３８０ａ又は下部ブラケット３８０ｂと接合して構成されている。ここで、制震部材３９０は、柱部分３２０よりも降伏点が低い鋼材が用いられている。これにより、地震によって耐震橋脚３００ａが振動した場合、柱部分３２０よりも先に制震部材３９０が降伏するので、柱部分３２０が降伏、損傷することがなく、耐震橋脚３００ａを地震の振動から守ることができる。
しかしながら、このような、耐震橋脚３００ａでは、棒部材３１０が地震の振動によって大きく揺れてしまった場合は、この棒部材３１０の振動が地震の振動に付加された状態で制震部材３９０に作用する恐れがあり、地震発生後、地震力の小さい早い時期に制震部材３９０が降伏する危険性がある。この場合、早い時期に制震部材が降伏すると、地震の振動が耐震橋脚３００ａの柱部分３２０に負荷をかけて、柱部分３２０を降伏、損傷させる危険性がある。また、下部の制震部材３９０が降伏した場合、棒部材３１０が揺れて柱部分３２０に損傷を与える恐れや、上部の制震部材３９０が降伏した場合、棒部材３１０の重みで下部の制震部材３９０が降伏して、道路周辺に棒部材３１０が倒壊する恐れもある。
さらに、フーチング３３０に埋設されるアンカーフレーム３７０は高価であって、耐震橋脚３００ａのコスト増加の原因の一つにあげられる。このような高価な耐震橋脚３００ａは、公共事業削減の中、道路建設の予算削減に対応しにくいため、従来の耐震性を確保しつつ安価な耐震構造の耐震橋脚が望まれている。

また、特許文献２に示されている耐震橋脚４００は、図９に示すように、ラーメン橋脚における一対の立設する脚部４１０，４１０の間に設けた耐震梁４２０に降伏点の低い極軟鋼材４２１が備えられた構造となっており、地震が発生した場合に極軟鋼材４２１が最初に降伏し、又は降伏点を超えて変形することで、耐震橋脚４００（ラーメン橋脚）を保護することができるようになっている。
しかしながら、このような耐震橋脚４００は、地震による揺れがどの方向に作用するか不確定であるため、一方向にしか設けられていない耐震梁４２０では不確定な方向に揺れる地震の揺れに対応できない恐れがあった。
また、この耐震橋脚４００（ラーメン橋脚）の場合、脚部４１０と脚部４１０との間隔が広いため、この間隔に耐震梁４２０を設けると、耐震梁４２０の大型化、高性能化が要求され、耐震梁４２０の製造コストが増大するという問題もある。
また、このような耐震梁４２０は、ラーメン橋脚形式にしか適応することができないため、汎用性が低いという問題もあった。
特開平１０−１３１１２０号公報（段落００２０〜００２９、図３） 特開２００１−６４９１３号公報（段落００２０〜００２９、図１）

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、不確定な地震の揺れの方向によらず橋脚の倒壊を防ぎ、また、建設コストが低い耐震橋脚を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明では、基礎に立設される複数の柱材と、隣り合う前記柱材を連結するつなぎ部材と、を備え、前記つなぎ部材が、前記柱材に取り付けられる両端部の取付用鋼材の間に低降伏点鋼材を備え、前記柱材が鋼管材であり、前記低降伏点鋼材の降伏点が前記取付用鋼材及び前記柱材の降伏点よりも低く設定されて構成されることを特徴とする。

このように、つなぎ部材が、柱材に取り付けられる取付用鋼材と、この取付用鋼材よりも降伏点の低い低降伏点鋼材から構成されており、低降伏点鋼材の両端部に取付用鋼材を備えて、隣り合う柱材の間に配置させて、取付用鋼材を柱材に取り付ける。
また、柱材に鋼管材を用いて、耐震橋脚を構成した。
これにより、地震力により各柱材が揺れた場合、つなぎ部材を取り付けた位置において、各柱材の相対変位によりつなぎ部材にせん断力が作用し、つなぎ部材の低降伏点鋼材が、取付用鋼材及び柱材よりも先に降伏する。
このように、柱材につなぎ部材を取り付けることにより、柱材が降伏する前に低降伏点鋼材が先に降伏するので、柱材を降伏または損傷させずに地震力から保護することができるようになっている。また、つなぎ部材が隣り合う柱材を連結するので、不確定な地震の揺れの方向に対応してつなぎ部材を降伏させることができるようになっている。
また、柱材を鋼管材とすることにより、柱材（鋼管材）の架設期間が短縮されるため、耐震橋脚の建設コストを低くすることができる。
なお、建設コストとは、製作コストと施工コストとを合計させたコストをいう。

また、本発明は、前記複数の柱材が、多角形を形成する頂点上に各々配置されていることを特徴とする。

「多角形を形成する頂点上に各々配置」とは、地面に対して多角形を描くように、その多角形の頂点位置に、複数の柱材を各々配置するということである。

このように、複数の柱材が、多角形を形成する頂点上に各々配置されているので、これら複数の柱材につなぎ部材を連結することにより、不確定な地震の揺れの方向によらず、柱材を保護することができるようになっている。

また、本発明は、前記つなぎ部材が交換可能に設けられていることを特徴とする。

このように、つなぎ部材を交換可能にすることで、地震により低降伏点鋼材が降伏した場合であっても、新たな低降伏点鋼材に交換することができるので、引き続き耐震橋脚の耐震構造の性能を保持することができる。

このような耐震橋脚によれば、不確定な地震の揺れの方向によらず橋脚の倒壊を防ぎ、建設コストを低くすることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、説明において、同一要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る耐震橋脚の一例を示す斜視図である。図２は、図１のＡ部拡大図である。図３は、つなぎ部材の一例を示す斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態に係る耐震橋脚の一例を示す平面図である。

本発明の第１実施形態に係る耐震橋脚１０は、図１に示すように、複数の柱材１１と、隣り合う柱材１１，１１を連結するつなぎ部材１２とから構成されており、各柱材１１，１１・・・は、基礎に立設している。この耐震橋脚１０は、直上からの荷重を受ける耐震橋脚であって、１本の柱材１１だけでは耐震橋脚１０としての役割を果たさないが、複数の柱材１１，１１・・・を用いて、つなぎ部材１２，１２・・・により隣り合う柱材１１を連結することで耐震橋脚１０としての役割を果たす。
なお、本実施形態において、耐震橋脚１０を構成する柱材１１を４本用いた単橋脚形式の場合について説明する。

耐震橋脚１０の柱材１１が立設される基礎には鋼管杭Ｋが用いられ、鋼管杭Ｋは、地面に対して正四角形を形成する各頂点上（図４参照）に配置されている。また、各鋼管杭Ｋ，Ｋ・・・は、その上端部を地表に残して地中に設けられている（図１参照）。
したがって、各鋼管杭Ｋ，Ｋ・・・の上端部に立設される柱材１１，１１・・・も、地面に対して正四角形を形成する各頂点上に位置することとなる。

柱材１１は、図２に示すように、中空であって、長尺の鋼管材を用いており、例えば、杭として用いられている鋼管杭を用いることができる。この柱材１１は、基礎である鋼管杭Ｋの上端部と接合することにより立設する。
ここで、鋼管杭Ｋと接合している柱材１１の下端部（基部）に、コンクリートを充填（合成構造）することができる（図示せず）。これにより、各柱材１１の耐震性を向上させることができる。

また、柱材１１は、所定の長さの鋼製管材を軸方向に連設して用いることもできる。したがって、橋脚として必要となる高さに対応して、本発明の耐震橋脚１０の高さを適宜変更することができるようになっている。
なお、この各柱材１１の上部には梁材Ｈが設けられ、その梁材Ｈに橋桁材（図示せず）を架設することができるようになっている。

つなぎ部材１２は、取付用鋼材１２１と低降伏点鋼材１２２とから構成されており、図３に示すように、柱材１１（図１，図２参照）に取り付けられる両端部が取付用鋼材１２１となっており剛性の高い板状の鋼材が用いられ、また、この両端部の取付用鋼材１２１の間には低降伏点鋼材１２２が設けられ、各柱材１１及び取付用鋼材１２１の降伏点よりも低い降伏点を有する板状の鋼材が用いられている。この低降伏点鋼材１２２は溶接により取付用鋼材１２１に接合される。

低降伏点鋼材１２２の両端部に接合された取付用鋼材１２１と低降伏点鋼材１２２とは、Ｉ型鋼材のウェブとして用いられる。これにより、耐震橋脚１０が受けるせん断力は、ウェブとなる両端部の取付用鋼材１２１と低降伏点鋼材１２２とが受け持つこととなる。また、ウェブとなる両端部の取付用鋼材１２１と低降伏点鋼材１２２との上部及び下部には低降伏点鋼材１２２よりも降伏点が高い鋼製のフランジＦ，Ｆが設けられる。

このつなぎ部材１２は、図２に示すように、隣り合う柱材１１，１１の間に配置され、つなぎ部材１２の取付用鋼材１２１の柱材１１側端部を柱材１１に溶接又はボルト・ナット（図示せず）で取り付けられる。

ここで、つなぎ部材１２は、柱材１１の長さによって、地面Ｇの位置に対して、高さ方向に所定の間隔で、適宜、配置することができる。

図１に示すように、つなぎ材１２が柱材に複数取り付けられている場合の各つなぎ材の取り付け間隔は、例えば、地面Ｇからの長さが３０ｍである柱材１１を用いた場合は、地面Ｇから高さ方向に１０ｍの位置に第１のつなぎ部材１２Ａを取り付け、第１のつなぎ部材１２Ａを取り付けた位置から高さ方向上方に６ｍづつ２箇所に第２，第３のつなぎ部材１２Ｂ，１２Ｃを取り付けることができる。

このように、地面Ｇに対して正四角形の各頂点に配置したそれぞれの柱材１１，１１・・・に、正四角形の４辺を形成するようにつなぎ部材１２を隣り合う柱材１１，１１に取り付けて、４本の柱材１１，１１・・・を束ねることにより、単橋脚形式（橋脚が１基である）の耐震橋脚１０を形成する。

この耐震橋脚１０において、地震が発生した場合のつなぎ部材１２，１２・・・の役割を説明する。図５は、図１のＢ矢視方向から耐震橋脚１０を臨んだ場合の、耐震橋脚１０が地震により揺れた場合の柱材１１，１１の上端部の変位を示す平面図であり、（ａ）は、西側に柱材１１，１１・・・の上端部が変位した場合を示す平面図であり、（ｂ）は、北側に柱材１１，１１・・・の上端部が変位した場合を示す平面図である。図６は、耐震橋脚１０の柱材１１が撓んだ状態の一例を示す側面図である。
なお、方向を示す東，西，南，北は、図５の紙面上において、上方向を北、下方向を南、左方向を西、右方向を東、とする。

この耐震橋脚１０は、東西側に揺れる地震が発生すると、各柱材１１，１１・・・は、鋼管杭Ｋと接合した下端部から東西側に反復するように曲げられる。このとき、各柱材１１，１１・・・が西側に曲げられた場合について説明すると、図５（ａ）に示すように、柱材１１，１１・・・が曲げられると、北側のつなぎ部材１２の北西側の柱材１１の取り付け位置と北東側の柱材１１の取り付け位置とに相対変位が生じ、北側のつなぎ部材１２がせん断力を受けることとなる。同様に、南側のつなぎ部材１２の南西側の柱材１１の取り付け位置と南東側の柱材１１の取り付け位置とに相対変位が生じ、南側のつなぎ部材１２がせん断力を受けることとなる。一方、西側のつなぎ部材１２と東側のつなぎ部材１２とには、せん断力の影響をほとんど受けることがない。

図６に示すように、北側のつなぎ部材１２と南側のつなぎ部材１２とがせん断力を受けると、柱材１１，１１・・・が倒壊に至る前に、北側、南側それぞれのつなぎ部材１２，１２の取付用鋼材１２１，１２１及びフランジＦ，Ｆ、さらに柱材１１，１１・・・よりも早く低降伏点鋼材１２２，１２２が降伏して柱材１１，１１・・・の倒壊を防ぐ。

また、北側のつなぎ部材１２の低降伏点鋼材１２２と南側のつなぎ部材１２の低降伏点鋼材１２２とは、地震の規模により、北側、南側のつなぎ部材１２，１２の両方、又は、いずれか一方が降伏することにより柱材１１，１１・・・の倒壊を防ぐことができる。
したがって、つなぎ部材１２の低降伏点鋼材１２２が地震力（地震エネルギ）を吸収することにより、低降伏点鋼材１２２が損傷することなく各柱材１１及び取付用鋼材１２１よりも早く降伏し、各柱材１１の倒壊を防ぐことができる。つまり、つなぎ部材１２の低降伏点鋼材１２２が各柱材１１の身代わりとなって降伏することで、各柱材１１を保護することができる。
ここで、降伏とは、鋼材としての機能を有しつつ鋼材が塑性域に入った状態を示している。また、損傷とは、鋼材がその機能を果たせない状態となっていることを示している。

また、耐震橋脚１０は、南北側に揺れる地震が発生すると、各柱材１１，１１・・・は、鋼管杭Ｋと取り付けた下端部から南北側に反復するように曲げられる。このとき、各柱材１１，１１・・・が北側に曲げられた場合について説明すると、図５（ｂ）に示すように、柱材１１，１１・・・が曲げられると、西側のつなぎ部材１２の北西側の柱材１１の取り付け位置と南西側の柱材１１の取り付け位置とに相対変位が生じ、西側のつなぎ部材１２がせん断力を受けることとなる。同様に、東側のつなぎ部材１２の北東側の柱材１１の取り付け位置と南東側の柱材１１の取り付け位置とに相対変位が生じ、東側のつなぎ部材１２がせん断力を受けることとなる。一方、北側のつなぎ部材１２と南側のつなぎ部材１２とには、せん断力の影響をほとんど受けることがない。

西側のつなぎ部材１２と東側のつなぎ部材１２がせん断力を受けると、柱材１１，１１・・・が倒壊に至る前に、西側、東側それぞれのつなぎ部材１２，１２の取付用鋼材１２１，１２１及びフランジＦ，Ｆ、さらに柱材１１，１１・・・よりも早く低降伏点鋼材１２２，１２２が降伏して、柱材１１，１１・・・の倒壊を防ぐ。

また、西側のつなぎ部材１２の低降伏点鋼材１２２と東側のつなぎ部材１２の低降伏点鋼材１２２は、地震の規模により、西側、東側のつなぎ部材１２，１２の両方、又は、いずれか一方が降伏することにより柱材１１，１１・・・の倒壊を防ぐことができる。

また、耐震橋脚１０は、図示しないが、北西−南東側や北東−南西側に揺れる地震が発生すると、各柱材１１，１１・・・は、鋼管杭Ｋと接合した下端部から北西−南東側や北東−南西側に反復するように曲げられ、北側，南側，西側，東側の各つなぎ部材１２，１２・・・がせん断力を受ける。
これらつなぎ部材１２，１２・・・は、せん断力を受けると、降伏点を超えない範囲で弾性変形するが、降伏点を超えると取付用鋼材１２１及びフランジＦ，柱材１１よりも早く低降伏点鋼材１２２，１２２・・・が降伏して、柱材１１，１１・・・の倒壊を防ぐ。

これにより、あらゆる方向で揺れる地震が発生しても、倒壊しない耐震橋脚１０とすることができる。

また、地震により降伏した低降伏点鋼材１２２は、新たな低降伏点鋼材と取り替えることができる。地震により降伏した低降伏点鋼材１２２については、目視で確認することができるため、容易に降伏した低降伏点鋼材１２２を見つけることができる。降伏した低降伏点鋼材１２２は、つなぎ部材１２の両端部の取付用鋼材１２１から切断されて取り外される。そして、新たな低降伏点鋼材を降伏した低降伏点鋼材１２２が取り外された位置に溶接によりつなぎ部材１２の両端部の取付用鋼材１２１に接合される。

このように、耐震橋脚１０を構成したので、建設コストの低コスト化を実現でき、不確定な方向に発生する地震の揺れにも確実に対応することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の耐震橋脚１０をラーメン構造の橋脚の脚部として用いた場合について説明する。図７は、ラーメン構造の耐震橋脚の一例を示す斜視図である。

本発明の第２実施形態に係る耐震橋脚２０は、図７に示すように、第１実施形態に係る耐震橋脚１０を２基並べ、各柱材１１，１１・・・・に掛かるように梁材Ｈが横架され固定されたラーメン構造の耐震橋脚２０となっている。

このように構成されたラーメン構造の耐震橋脚２０は、不確定な方向に揺れる地震が発生したとしても、前記のとおり、各耐震橋脚１０，１０が地震の揺れに対抗するので、隣り合う柱材１１，１１を連結するつなぎ部材１２が、柱材１１が倒壊する前に地震力（地震エネルギ）を吸収することにより降伏して、各耐震橋脚１０，１０の柱材１１，１１・・・を保護することができる。

このように、ラーメン構造の耐震橋脚２０を構成したので、低コストを実現でき、不確定な方向に発生する地震の揺れにも対応することができる。

以上、本発明について、好適な実施形態の一例を説明した。しかし、本発明は、前記実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能である。

例えば、基礎は、鋼管杭のほかに、地中に埋設されるフーチングを用いることもできる。このフーチングは、例えば、コンクリート構造物であって、その上面が矩形形状になっており、地中に設けられた複数の鋼管杭により支持されている。このように支持されたフーチングの上面に柱材を、フーチングの上部に対して多角形を形成するように、その多角形の頂点上にそれぞれ配置し固定することもできる。
したがって、柱材を支持する基礎の種類に制限されることなく、柱材を基礎に立設することができる。
なお、柱材１１，１１・・・は、その下端部をフーチング内に埋設させて立設してもよい。この場合、柱材１１の下端部には、外周面に沿ってスタッドを取り付けておく。これにより、スタッドが硬化したコンクリートに引っかかるので柱材１１がフーチングから抜け出るのを防止することができる。

また、柱材の配置位置は正四角形に限られず、地面に対して三角形、角形（長方形）、五角形、六角形等、多角形となる各頂点上にしても良い。

また、柱材の長さ（耐震橋脚の高さ）に応じて、つなぎ部材を高さ方向に２段、４段、等、複数段設けても良い。このようにすることにより、耐震橋脚が高架橋の橋脚として用いられる場合であっても、不確定な方向に発生する地震の揺れにも対応することができる。

また、地面は傾斜していても良い。したがって、傾斜している地面に耐震橋脚を設ける場合は、傾斜した地面に対して多角形を描くように、その多角形の各頂点上に基礎としての鋼管杭を設置し、その各鋼管杭の外部に露出する端部に柱材の下端部を接合して、柱材を多角形の各頂点上に配置することができる。
このようにして設ける耐震橋脚は、例えば、法面に脚部を設置する高速道路等に架けられるラーメン橋脚の脚部として用いることができる。

本発明の第１実施形態に係る耐震橋脚の一例を示す斜視図である。 図１のＡ部拡大図である。 つなぎ部材の一例を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る耐震橋脚の一例を示す平面図である。 （ａ）は、一方向に柱材が変位した場合を示す平面図であり、（ｂ）は、他の方向に柱材が変位した場合を示す平面図である。 耐震橋脚の柱材が撓んだ状態の一例を示す側面図である。 ラーメン構造の耐震橋脚の一例を示す斜視図である。 （ａ）は、従来の耐震橋脚を示す側面図であり、（ｂ）は、（ａ）を変形させた従来の耐震橋脚を示す側面図である。 他の従来の耐震橋脚を示す側面図である。

符号の説明

１０ 耐震橋脚
１１ 柱材
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ つなぎ部材
１２１ 取付用鋼材
１２２ 低降伏点鋼材
Ｆ フランジ
Ｇ 地面
Ｋ 鋼管杭（基礎）

Claims (3)

1. 基礎に立設される複数の柱材と、隣り合う前記柱材を連結するつなぎ部材と、を備え、
   前記つなぎ部材が、前記柱材に取り付けられる両端部の取付用鋼材の間に低降伏点鋼材を備え、
   前記柱材が鋼管材であり、
   前記低降伏点鋼材の降伏点が前記取付用鋼材及び前記柱材の降伏点よりも低く設定されて構成されることを特徴とする耐震橋脚。
2. 前記複数の柱材が、多角形を形成する頂点上に各々配置されていることを特徴とする請求項１に記載の耐震橋脚。
3. 前記つなぎ部材が交換可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐震橋脚。

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