JP2005330688A

JP2005330688A - 橋梁の耐震補強方法及び構造

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Publication number: JP2005330688A
Application number: JP2004149121A
Authority: JP
Inventors: Akihide Kubo; 明英久保; Kiyoshi Kirikawa; 潔桐川
Original assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Current assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】橋梁の耐震補強において、橋脚を補強する場合、橋脚の柱の耐震補強は可能であるが、地中の杭の補強は困難である。各支承を弾性支承に取り替える技術は、施工が困難である。桁端に緩衝材を取り付け、地震時の衝撃を緩衝する技術では従来のゴム衝撃材では、地震エネルギー吸収量が小さい。
【解決手段】エネルギー吸収量の大きい緩衝材３０を、橋桁１０の端部と橋台２０の壁面２２との間に間隔をあけて介在させ、橋桁１０に加えられた地震エネルギーをこの緩衝材３０に吸収させ、緩衝材３０が破損した時は、取替えて機能を回復させる。また、一定規模以上の地震に対して剪断する取替自在な上下挿入ピン５０を橋桁１０と橋脚４０に挿通して固定支承とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、橋梁の耐震補強方法及び構造に関し、さらに詳しくは、多径間の橋梁において、地震によって生じる水平力を減衰させることにより、橋脚に作用する地震力を低減させ、橋梁の耐震性能を向上させる方法及びその構造に関するものである。

多径間の連続する橋梁において、温度変化等の常時の移動を拘束するため１支点を固定し、他の支点を可動とする橋梁が多くある。このような場合、地震による橋桁重量の慣性力（水平力）は、固定支点を有する橋脚１基に作用する。

より大きな地震荷重に対して橋梁の安全性を確保するためには、耐震補強を行う必要がある。

多径間連続橋梁の耐震補強を行う場合、以下のような技術がある。
（１）地震時の水平力が作用する固定支点の橋脚を補強する技術。

例えば、鋼板、強化プラスチックその他の補強材や補強コンクリートなどを橋脚の周囲に巻き立てて補強する技術である。橋脚の柱の部分の耐震補強は可能であるが、地中に埋まっている杭などの基礎の部分の補強は困難である。
（２）固定支点をなくし、各支点の支承条件を弾性支承とし、地震時の水平力を各橋脚に分散させる技術。

例えば、ゴムのせん断変形によって弾性バネ構造とした水平反力分散支承を各橋脚上に設置する技術である。この場合、橋の交通を確保しながら支承の取替工事を施工することは困難であり、費用も高くなる。
（３）橋梁の桁端に緩衝材を取り付け、地震時の衝撃を緩衝材によって緩衝する技術（例えば、非特許文献１参照。）。

従来はゴムによる緩衝材、例えばハニカム型緩衝装置を取り付けていた。桁端に緩衝材を取り付け、地震時の衝撃を緩衝する技術は有効であるが、衝撃材にゴムを用いた場合、桁端に取り付け可能なサイズでは、地震エネルギー吸収量が小さく、緩衝効果もあまり期待できない。

一方、エネルギー吸収量の非常に大きい緩衝材が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
第４回地震時保有耐力に基づく橋梁の耐震設計に関するシンポジウム講演論文集（２０００年１２月）ｐ．５１３〜５１６『けた衝突を考慮した橋システムの地震挙動』特開平５−１４７０３１号公報（第２−３頁、図１）

橋脚を補強する場合、多大な費用が必要となる。また、橋脚の柱の耐震補強は可能であるが、地中に埋まっている杭などの基礎の補強は困難である。支承を取り替えて補強する技術は、橋の交通を確保しながら工事を施工することが困難であり、費用も高くなる。桁端に緩衝材を取り付け、地震時の衝撃を緩衝する技術は有効であるが、衝撃材にゴムを用いた場合、桁端に取り付け可能なサイズでは、地震エネルギー吸収量が小さく、緩衝効果もあまり期待できない。

本発明は上記問題点を解決し、安価で確実な橋梁の耐震補強方法及び構造を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、次の技術手段を講じたことを特徴とする橋梁の耐震補強方法である。すなわち、本発明は、橋桁端と橋台との間にエネルギー吸収量の大きい緩衝材を介在させ、橋梁に加えられた地震エネルギーを前記緩衝材に吸収させ、該緩衝材が破損した時は、取替えて機能を回復させることを特徴とする橋梁の耐震補強方法である。

前記緩衝材はガラス繊維強化プラスチックのロッドと可撓性のマトリックスゴムとから成る３次元複合材料を用いると、エネルギー吸収量が大きく、適切な衝撃緩衝効果を得る設計が容易であり、好適である。

上記本発明方法を好適に実施することができる本発明の構造は、橋桁の端面又は端部近傍に設けた鉛直面と、これに対向する橋台の壁面との間に空隙を設け、該空隙内に緩衝材を取替自在に介在させたことを特徴とする橋梁の耐震補強構造である。

上記橋梁の耐震補強構造において、一定規模以上の地震に対応して剪断する取替自在な上下挿入ピンを橋桁と橋脚に挿通して固定支承とした橋梁の耐震補強構造とすると、この構造は通常の温度変化に伴う熱膨張や小規模地震に対して固定支点として作用し、大規模な地震に対してはピンが剪断するので、この橋脚が大きな水平力を負担する必要がなく、橋脚の補強を必要としないので好適である。

本発明によれば、安価で確実な橋梁の耐震補強方法及び構造を実現することができ、大地震に対して橋梁や橋脚の破壊を生ずることなく、また、大地震後に緩衝材や上下挿入ピンを取替えることによって、耐震性能の完全な復旧を達成することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、従来の技術について説明する。

図６は、多径間に連続する橋桁の支承を示す模式的側面図である。橋脚４０は固定支承４２を備え、橋桁１０は橋脚４０に固定されており、その他の橋脚４１は可動支承４３によって橋桁１０を可動支持している。橋桁１０に温度変化による伸び又は地震動による水平力が加わった場合、水平力は固定支承４２を基点として作用する。

このような多径間連続橋梁の耐震補強を行う場合、図７に示すように、固定支承４２を有する橋脚４０の周囲４５に、例えば、鋼板、強化プラスチックその他の補強材や補強コンクリートなどを巻き立てて補強する技術がある。このような補強技術では橋脚４０の地上の部分の耐震補強は可能であるが、地中に埋まっている杭などの基礎の部分の補強は困難である。

また、図８に示すように、固定支点をなくし、各橋脚上の支承条件をすべて弾性支承４４とし、地震時の水平力を固定支承４２を有する橋脚４０以外の橋脚４１に分散させる技術がある。例えば、ゴムのせん断変形によって弾性バネ構造とした水平反力分散支承を各橋脚４０および４１上に設置する。この場合、橋の交通を確保しながら支承を弾性支承４４に取替える工事は困難であり、費用も高くなる。

また、橋梁の桁端にゴムによる緩衝材、例えばハニカム型緩衝装置を取り付け、地震時の衝撃を緩衝材によって緩衝する技術では地震時の衝撃を緩衝することには有効であるが、緩衝材にゴムを用いた場合、桁端に取り付け可能なサイズでは、地震エネルギー吸収量が小さく、緩衝効果もあまり期待できない。

また、図５は、従来の耐震補強の説明図である。従来の耐震補強では、橋台２０上の支承部６１、橋脚４０上の支承部６２、橋脚の柱体の付根６３、基礎部６４、支持杭６５それぞれを個々に補強を必要としていた。

図３はこれに対して、本発明の実施例の耐震補強の説明図であって、図５に示すような補強とは異なる耐震補強を行うものである。図３のＡ部及びＢ部の拡大図をそれぞれ図１、図２に示した。図１は本発明の実施例の橋梁の耐震補強方法を示す図である。

橋桁１０の端と橋台２０のパラペット２１の壁面２２との間にエネルギー吸収量の大きい緩衝材３０を介在させ、橋桁１０に加えられた地震エネルギーを緩衝材３０に吸収させる。大きな地震によって緩衝材３０が破損した時は、これを取替えて機能を回復させることが容易にできる。

図１に仮想線で示すように橋台２０の胸面２３にブラケット２４を設け、この上に緩衝材３０ａを載設し、これに対面するブラケット１２を橋桁１０に設けてもよい。

すなわち、橋桁１０の端面１１又は端部近傍に設けたブラケット１２の鉛直面と、これに対向する橋台２０のパラペット２１の壁面２２又は胸面２３との間に、空隙を設け、この空隙内に緩衝材３０、３０ａを取替自在に介在させる。

この緩衝材３０としては、例えば、ガラス繊維強化プラスチックのロッドを立方体の対角４方向に密に配置しその空隙に可撓性のマトリックスゴムを充填した３次元複合材料を用いると吸収エネルギーが大きく、大きな地震に対しても橋梁が保護される。

次に図２は橋桁１０が載置されている橋脚４０上に、一定規模以上の地震に対応して剪断する取替自在な上下挿入ピン５０を備えた実施例の橋梁の耐震補強構造を示している。

ピン５０は橋桁１０を貫通する孔１３と橋脚に設けた孔４６に挿通され、橋梁の温度変化による伸縮や小規模地震による水平力に対して固定支承として作用し、大地震に対しては剪断ピンとして作用する。従って、この橋脚４０は大地震に対する格別の補強を必要としない。挿入ピン５０が剪断したときは新しいピンと取替えることによって、簡単に元の状態に復帰させることができる。

次に本発明に用いる緩衝材について説明する。

本発明に用いる緩衝材は、例えばガラス繊維強化プラスチックと可撓性のマトリクスゴムとから成る３次元の複合材料である。この緩衝材は高い耐荷重性を有し、さらに、可撓性のマトリックスゴムが衝撃エネルギー吸収量が大きく、振動を減衰させる。

この緩衝材はコンパクト・低剛性・高耐荷・高変形能の材料であり、降伏を超える苛重が負荷されると、塑性し、潰れるまでに大きなエネルギー吸収能を発揮する。例えば図４はこのような特性を有する緩衝材の荷重―変形グラフである。この緩衝材に荷重を掛けると曲線７０で示すように変位し、降伏して斜線を施して示したような大きな変形エネルギーを吸収し、終局点７１で破断する。破断後は終局後曲線７２で示すように変形する。

この緩衝材を橋台と桁の間（桁遊間）に配置することにより、地震時に発生する大きなエネルギーを吸収させ、地震力を低減させることができる。また、この緩衝材はエネルギー吸収性能のみではなく減衰効果も持つため、地震動による桁の揺れを抑え、地震時に発生するエネルギー自体を減少させることもできる。

またこの緩衝材は、高耐荷重・低剛性の特性があり、圧縮強度はコンクリートの約１０倍でヤング係数は約１／３００と高耐荷重・低剛性を有し、高衝撃力緩和性を備え、柔らかく、欠落が起きにくい材料である。また、衝撃力の緩和性に優れていると共に、低グリープ変形性であり、グリープ変形が小さく、安定した弾性を持つ材料で、緊張力を持続する能力に優れている。また、自在形状加工性を有し、使用目的に応じた形状に加工できる。

この緩衝材は優れた材料であり、例えば受圧面５０ｍｍ×５０ｍｍ×高さ５０ｍｍの材料で負荷速度を２ｍｍ／ｍｉｎとした載荷時の破壊に至るまでの圧縮試験では最終破壊に至る荷重は約４４０ｋＮ以上となり、破壊強度は約１７６ＭＰａ以上である。この値はコンクリートの１０倍である。また、繰り返し載荷すると、応力−ひずみ曲線にヒステリシスを生じ振動エネルギーを吸収する。またクリープ特性も優れている。なお、静的特性は表１に示す通りである。

本発明では、大きな地震力に対して橋梁構成要素の各箇所が耐えうるよう補強するのではなく、発生する地震力のエネルギーを吸収して地震力を抑制することによって、補強箇所および補強量を格段に減少させることができる。

地震力が作用した状態で、連結鋼材の引張応力度を常時荷重用の許容引張応力度として下記（１）式を満たすように連結鋼材を設計する。

１．５Ｒ_d≦１．５σ_pa・Ｎ・ａ_p ……（１）
但し、Ｒ_d：
σ_pa：許容引張応力度
Ｎ：使用本数
ａ_p：断面積
である。なお、地震力が作用しない状態で、緩衝材の圧縮応力が３０ＭＰａ程度になるような設計とする。水平震度０．２程度の発生頻度の高い地震に対して、緩衝材の圧縮応力が降伏応力を超えないようにする。

次に、本発明の実施例として現実に適用された設計例について説明する。

両橋端部にエネルギー吸収量の大きい緩衝材を配置する。レベル２地震時は、この緩衝材が潰れて地震エネルギーを吸収する設計とする。結果的に上部工の応答が低減し、脚頭の応答変位も低減する。脚頭の応答変位を低減することによって橋脚の応答部材力を低減することができる。

緩衝材を橋端と橋台との間に配置し、許容以上の地震エネルギーを吸収させることによって、主桁・脚頭の応答を小さくし、橋脚の補強を行わなくて済む。

この緩衝材の個数及び長さを変えることによって効き始めの長さ、バネ係数最大反力を調節することができる。なお旧来の支承をそのまま利用する。

設計の内容は次の通りである。

固有周期（１次）Ｔ₁＝０．４９０ｓｅｃすなわち、ω₁＝１２．８２ｓｅ^-1
最大応答変位Ｄｍａｘ＝０．０９４ｍ
最大応答速度Ｖｍａｘ＝１．２０ｍ／ｓｅｃ（＝Ｄｍａｘ×ω₁）
最大応答加速度Ａｍａｘ＝１５．４ｍ／ｓｅｃ²
実施例の橋桁の重量Ｍ₁＝２７８ｔｏｎ
最大応答時の運動エネルギーＥは、Ｖ＝１．２０ｍ／ｓｅｃとすると、
Ｅ＝０．５×Ｍ₁×Ｖ²＝０．５×２７８×１０³×１．２０²
＝２００×ｋＪ（Ｎｍ）
４径間の運動エネルギーＥ＝３．５５×２００×１０³＝７１０ｋＪ
４径間の合計質量Ｍ＝３．５５×２７８＝９８７ｔｏｎ
橋端の１方に配置する緩衝材の個数の計算は次の通りとなる。

この緩衝材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍ）が、歪み６０％までに吸収するエネルギーは８ｋＪである。緩衝材の配置として、パラペット部には１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×７０ｍｍの緩衝材を２個配置する。台部には１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１８０ｍｍの緩衝材を２個配置する。パラペット部の１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×７０ｍｍの２個の緩衝材が、歪み６０％（７０ｍｍから２８ｍｍ）までに吸収するエネルギーは
ΔＥ＝８．０６×８×２＝１２９ｋＪ
である。最大反力は
Ｒ＝１２×１２×１２ｋＮ×２
＝３，４５６ｋＮ
であり４０００ｋＮより小さい。従って、パラペット部が壊れる以前に緩衝材が歪み６０％まで潰れる。

パラペット部が壊れる時点の上部工の運動エネルギー、最大速度、最大変位は次の通りとなる。

上部工の運動エネルギー：Ｅ₁＝Ｅ−ΔＥ₁＝７１０−１２９−１０８＝４７３ｋＪ
上部工の最大速度：Ｖ₁＝（４７３×２／９８７）^1/2＝０．９７９ｍ／ｓｅｃ
上部工の最大変位：Ｄ₁＝Ｄｍａｘ×Ｖ₁／Ｖｍａｘ
＝０．０９４×０．９７９／１．２０＝０．０７７ｍ
パラペット部が壊れる時点の上部工の速度は次の通りとなる。なお、変位は０．０４ｍとする。

θ＝Ａｓｉｎ（０．０４／Ｄ₁）＝３１．３０ｄｅｇ
上部工の速度：Ｖ＝Ｖ₁×ｃｏｓ（θ）＝０．９７９×０．８５４
＝０．８３６ｍ／ｓｅｃ
減衰が無い場合のパラペット部が壊れる時点の上部工の速度は次の通りとなる。

θ＝Ａｓｉｎ（０．０４／Ｄｍａｘ）＝２５．１８ｄｅｇ
上部工の速度：Ｖ＝Ｖｍａｘ×ｃｏｓ（θ）＝１．２×０．９０５
＝１．０８６ｍ／ｓｅｃ
減衰の有無によって、衝突した時、主桁等に生じる損傷が大きく異なる。この影響は速度の２乗で効く。

なお、台部の１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１８０ｍｍの緩衝材２個が、歪み６０％（１８０ｍｍから７２ｍｍ）までに吸収するエネルギーは
ΔＥ＝３２，４×８ｋＪ×２＝５１８ｋＪ
である。また、最大反力は
Ｒ＝１５×１５×１２ｋＮ×２＝５４００ｋＮ
となる。

実施例の橋桁端の側面図である。実施例の橋桁端の側面図である。実施例の橋梁の全体図である。緩衝材の荷重変形曲線を示すグラフである。従来工法の例を示す全体図である。従来工法の例を示す全体図である。従来工法の例を示す全体図である。従来工法の例を示す全体図である。

符号の説明

１０橋桁
１１端面
１２ブラケット
１３孔
２０橋台
２１パラペット
２２壁面
２３胸面
２４ブラケット
３０、３０ａ緩衝材
４０橋脚
４１橋脚
４２固定支承
４３可動支承
４４弾性支承
４５周囲
４６孔
４７ゴム支承
５０挿入ピン
６１支承部
６２支承部
６３柱体の付根
６４基礎部
６５支持杭
７０曲線
７１終局点
７２終局後曲線

Claims

橋桁端と橋台との間にエネルギー吸収量の大きい緩衝材を介在させ、橋梁に加えられた地震エネルギーを前記緩衝材に吸収させ、該緩衝材が破損した時は、取替えて機能を回復させることを特徴とする橋梁の耐震補強方法。
前記緩衝材はガラス繊維強化プラスチックのロッドと可撓性のマトリックスゴムとから成る３次元複合材料であることを特徴とする請求項１記載の橋梁の耐震補強方法。
橋桁の端面又は端部近傍に設けた鉛直面と、これに対向する橋台の壁面との間に空隙を設け、該空隙内に緩衝材を取替自在に介在させたことを特徴とする橋梁の耐震補強構造。
さらに、一定規模以上の地震に対応して剪断する取替自在な上下挿入ピンを橋桁と橋脚に挿通して固定支承としたことを特徴とする請求項３記載の橋梁の耐震補強構造。