JP2005330746A

JP2005330746A - 伸縮性ジョイント用板ばね

Info

Publication number: JP2005330746A
Application number: JP2004151427A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Nakako; 武文仲子
Original assignee: Nitta Corp; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nitta Corp; Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】無負荷時のばね自由長に対して最大負荷時のばねの寸法が小さく、限られたスペース内に適用することが可能な道路，橋梁等の伸縮性ジョイント部材に使用する板ばねを提供する。
【解決手段】円弧状に曲げられた矩形の金属板２枚が互いの円弧の端部において接触するように配置されるとともに、接触する円弧状矩形金属板端部の接触部分において、一方に板厚以下の高さの突起が形成され、対向する他方に前記突起が収まる大きさの凹部あるいは孔が設けられたばね要素が、直列および／または並列に配置されている板ばね７を、橋梁の桁間に橋渡しされたサポートビーム３を貫通させる形で配置された複数のミドルビーム４の間に介装する。
【選択図】図７

Description

本発明は、道路，橋梁等の伸縮性ジョイント部材に使用される板ばねであって、無負荷時のばねの自由長に対して最大負荷時のばねの寸法が小さく、限られたスペースに適用することができる伸縮性ジョイント用板ばねに関する。

橋梁と橋台、あるいは橋梁同士の遊間は、橋梁の振動、あるいは橋梁の温度変化による伸縮等によってその間隔が変化することから、伸縮可能なジョイントで接続されている。伸縮可能なジョイントしては、いわゆる櫛の歯状に鋼材を組み合わせたフィンガージョイントが一般的である。
近年、橋梁の遊間部にサポートビームを橋絡させるとともに、このサポートビーム上に、あるいはサポートビームを貫通させて、橋梁に直交する複数のミドルビームを配置した伸縮性ジョイントが使用されるようになっている。複数のミドルビームを配置した伸縮性ジョイントにあっては、ミドルビームとしてＨ型鋼やＩ型鋼を用い、各々のミドルビームの上面を路面あるいは路面支持面として使用している。上面を有効に使用するためには、伸縮のいずれの段階にあっても、複数のミドルビームは等間隔で配置されていることが好ましい。複数のミドルビームの間を等間隔にするために、ミドルビーム間にコイルばねを配設することが、例えば特許文献１，２で提案されている。

図１，２は特許文献１で提案されているものであるが、橋梁の桁１−１，１−２間に橋渡しされたサポートビーム３を貫通させる形で複数のミドルビーム４を配置している。そして、桁壁２−１，２−２とミドルビーム４の間隔、およびミドルビーム４同士の間隔を等間隔にするために、それぞれの間にコイルばね５を配置している。なお図中６は、シールゴムである。
また、ミドルビームを用いるものではないが、橋梁桁間の遊間部に、橋梁の長手方向に弾性変形自在な板バネ材と当該板ばね材の伸縮空間にゴム状弾性体を充填配置して構成された間隙介装材を介装した伸縮性ジョイント構造が、特許文献３で提案されている。
特開平１１−２００３１０号公報特開２００１−７３３２０号公報特許第３１０２６８３号公報

ところで、長大な橋梁では、温度変化による橋梁の伸縮がより大きくなり、橋梁間の隙間間隔の変化量も大きくなりやすいことから、ジョイントにも大きな伸縮能力が要求されるようになっている。
多数のミドルビームを、ジョイント部の橋軸方向に平行にほぼ等間隔で並べてその上面を路面あるいは路面支持面として有効に活用するためには、橋梁の遊間が橋梁の長手方向に大きく伸縮しても、遊間内に配設された複数のミドルビーム間の間隔が常に等しくなるような反発力がばねに要求される。すなわち、ミドルビームは、荷重を負担するサポートビーム上に、あるいはサポートビームに貫通される形で載せられており、ミドルビームを移動させる際にはサポートビームとの間に大きな摩擦力が働くことになるのでばねに大きな反発力が必要になる。また、ばねが配置されるミドルビーム間の空間は、最狭時と最広時とは最大３〜５倍程度の範囲で変化している。配置されるばねには、この広い領域で、すなわち隙間が最大に開いた状態においても、必要とする反発力を発揮しなければならない。さらに、作動範囲内で永久変形を起さないことも必要となる。

一般的に使用頻度の高いコイルばねは、無負荷時の自由長から荷重を受けて密着するまでの寸法変化は高々数十％程度であり、所定の予荷重が作用した状態から密着するまでの高さ変化は２０〜３０％程度となる。このため、ミドルビームの隙間の変化率である数百％には遠く及ばない。また、必要な反発力を得るためにばね定数を高くすると、ばねの伸縮範囲はさらに小さくなる。
したがって、コイルばねを使用した特許文献１，２に記載の技術では、ばねの伸縮範囲および反発力の点で、長大な橋梁で要求される伸縮能力の増大化要求には対応できない。

また、特許文献３に記載の伸縮性ジョイント構造にあっては、橋梁の長手方向に伸縮可能な弾性体としてウレタンエラストマー等で間隙を充填した金属ばねが用いられている。金属ばねとして、円弧状の板ばねを対向させたものを複数組直列に配置した例が示されているが、各ばね要素のズレを防止するために、円弧状板ばねの間隙に充填したウレタンエラストマーによりばね要素の位置関係を固定したり、ウレタンエラストマーに加えて、板ばね中央部を貫通するロッドによりばね要素の位置関係を固定したりしている。本来特許文献３に記載の技術は、伸縮可能な弾性体の上に舗装を構築しようとするものであり、大きな伸縮を期待していたものではない。板ばね間にウレタンエラストマーを介在させているために、自ずと伸縮能には限界がある。したがって、特許文献３に記載の、円弧状板ばねとその隙間に充填されたウレタンエラストマーとからなる弾性体をそのまま使用することはできない。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、無負荷時のばね自由長に対して最大負荷時のばねの寸法が小さく、限られたスペース内に適用することが可能な道路，橋梁等の伸縮性ジョイント部材に使用する板ばねを提供することを目的とする。

本発明の伸縮性ジョイント用板ばねは、その目的を達成するため、円弧状に曲げられた矩形の金属板２枚が互いの円弧の端部が接触するように配置されるとともに、接触する円弧状矩形金属板端部の接触部分において、一方に板厚以下の高さの突起が形成され、対向する他方に前記突起が収まる大きさの凹部あるいは孔が設けられたばね要素が、直列および／または並列に配置されていることを特徴とする。
それぞれのばね要素としては、矩形のばね用金属板を、円弧形状に塑性曲げ加工したもの、あるいは塑性曲げ加工した後、一旦平坦な形状に保持する処理が施されたばね板材を組み合わせたものが好ましい。

本発明において、伸縮性ジョイント用板ばねは、２枚の矩形金属板が円弧状に曲げられ、その円弧状端部が互いに接触するように配置されたばね要素から構成されているので、伸縮範囲が広いとともに、ばね要素が板ばねであるのでばね材の反発力が有効に利用されることになる。しかも、円弧状矩形金属板の接触部分において互いに嵌め合わされる凹凸が形成されているので、ばね要素のばね板がずれることはない。したがってこのばね要素を直列および／または並列に配置した板ばねは、橋梁用伸縮ジョイントのミドルビーム間のような限られたスペース内にも容易に適用でき、板ばねの機能を最大限に発揮できるので、橋梁用等の伸縮ジョイントに最適な板ばねを提供することができる。

まず、ばね要素を構成する１枚のばね板の円弧形状から説明する。
本発明を構成する各板ばね要素は、矩形のばね用金属板を図３に示すような所定の曲率半径Ｒに曲げられた２枚のばね板からなる。ばね板は、使用されるにあたって、ジョイントの間隔が最も狭くなるときに平坦な形状まで圧縮される場合もある。このため、使用中に塑性変形を生じてばねの機械的特性を損なわないようにする必要がある。板ばねの機械的特性を長時間維持するためには、ばね板を所定の曲げ半径に塑性的に曲げた後、一旦平坦な形状となるまで変形させ、その状態からの弾性回復により最終的な形状とすることが好ましい。

このような所定の曲率半径に曲げられた２枚のばね板をその両端同士が当接するように対向させて組み合わせたものを一対としてばね要素を構成し、１あるいは２対以上のばね要素を直列および／または並列に配置する（図４参照）。この際、互いに当接させるばね板の端部において、それぞれの板材の相対的位置がずれるとばね本来の機能を発揮することはできない。ずれを防ぐために、それぞれの板材をボルト等により機械的に接合する態様も考えられるが、機械的に接合するとばねの変形を妨げることになる。また、例えば前記特許文献３にみられるように、ばね部材中央部を貫通するロッドによりばね部材の位置関係を固定する態様は、ばね材の最も曲げモーメントの負荷の大きい中央部に穴を開ける必要があり、ばね材の強度を損なうおそれがある。

そこで、本発明では、図５に示すように、一対のばね板材端部において、一方に突起を設け、他方にはその突起に対向する位置に若干の余裕をもって突起を収めることができる凹部を設け、当該凹凸部の嵌合関係で、ばね板材のずれを防いでいる。凹部の大きさを突起よりも若干隙間ができるほどに大きくすることにより、ばねの動きを妨害することなく、各ばね板材の位置を規制することができる。この際、突起の高さをばね板材の板厚以下に抑えると、ばねを密着状態まで押したときに、直列配置された他のばね板材との干渉を防ぐことができる。
上記凹凸の具体的形成手段としては、一方の端部にドリル等により穴を開け、他方の対向する位置に、打抜きを途中で止める半抜きにより突起を形成することが好ましい。
なお、ばね要素を直列配置した際の板ばねの中央部分については必ずしも固定する必要はないが、端部と同様に、突起と穴により固定してもよい。しかしこの場合、ばねの中央部は最も大きな負荷が作用する場所であるため、設ける突起および穴は必要最低限の大きさに止めることが好ましい。

ところで、本発明の板ばねの使用環境を考慮すると、ばね用金属板としては耐食性に優れたステンレス鋼板を使用することが好ましい。
例えば、表１に示す成分組成を有するステンレス鋼を、熱間圧延，冷間圧延により厚さ２．３ｍｍの冷延鋼板とし、この冷延鋼板に１０２０℃×３分の連続焼鈍を施した後、１００℃までを平均冷却速度２０℃／秒で冷却すると、マルテンサイトが約７５体積％のフェライト＋マルテンサイトの複相組織を持ったステンレス鋼帯が得られる。このステンレス鋼帯は０．２％耐力が約１０００ＭＰａ，ヤング率が約２００ＧＰａであり、ばね材として十分使用できる。

前記冷延鋼帯を長さ１９０ｍｍ，幅１５０ｍｍの矩形に裁断した後、長手方向に約３３０ｍｍの曲率半径の曲がりを付与した。円弧状に曲げ加工を行った板の曲げ内側の短辺側のみについて、厚み約２ｍｍ，長さ約５ｍｍの範囲を面取り加工した後、一方の面取り面の幅方向中央に高さ２ｍｍ，直径３ｍｍの突起を設け、他方の面取り面の幅方向中央部に直径４ｍｍの穴を開けた。
このようにして作製された２枚の円弧状ばね板を、それぞれの曲げの内側を向かい合わせて両端において突起が穴の中に収まるようにして一対のばね要素とした。このばね要素を８対直列に重合せて配置し、１ユニットとした。８対のばね要素同士が接触する部分には、一方に高さ２ｍｍ，外径５ｍｍの突起を、他方に直径６ｍｍの穴を設けて、重合せ部がずれないようにした。
このようにして作製された１ユニットの板ばねの高さ（伸縮方向の寸法）は、負荷を掛けない状態で約２５８ｍｍであった。

この１ユニットの板ばねについて圧縮試験を行った。その結果を図６に示す。図中の直線は、板ばね１枚を曲がり梁に見立てて変位と荷重の関係を理論的に求めたものである（求め方については、中原一郎著「材料力学上巻」（１９７９）の２０９〜２１１頁参照）。これに対して、板ばねの圧縮試験結果では、自由長２５８ｍｍから１００ｍｍまでは理論値とほぼ一致しているが、部分拡大図である図６（ｂ）にみられるように、１００ｍｍを超えてさらに圧縮すると、荷重の立ち上がりが急峻になり、ばねが密着する高さの３７ｍｍの寸前である４０ｍｍまで圧縮すると荷重が急激に上昇した。４０ｍｍまで圧縮した状態から除荷していくと、負荷時と同じ曲線をたどって無負荷時の高さ２５８ｍｍまで弾性的に回復した。

この１ユニットの板ばねに約１．８ｋＮの予荷重を掛けて高さ１２０ｍｍまで圧縮し、ビームの長手方向、すなわち橋梁の幅方向に３ユニット並列に並べて、図７に示す伸縮性橋梁ジョイントのビーム４間に設けられたスペースに入れた。このジョイントの通常位置では板ばね７のスペースは８０ｍｍであり、図６に示す１ユニットによる圧縮試験結果から、その状態では板ばねには１ユニット当り２．５ｋＮの反発力が作用していることがわかる。また、ビームが密着して板ばねが最も圧縮された状態では板ばねのスペースは４０ｍｍとなり、その状態では１０ｋＮを大きく超える反発力が発生することがわかる。
図７に示されたような橋梁の伸縮ジョイントでは、ビーム４間に約５ｋＮ以上の反発力があれば、ジョイントの伸縮に追従してビーム４を等間隔に保持することが可能になる。上記形態の板ばね７であれば、３ユニットで所望の反発力を得ることができ、橋梁の伸縮ジョイントに十分適用することができる。

従来の伸縮ジョイント構造を説明する断面図従来の伸縮ジョイント構造のミドルビーム間にコイルばねを配置した部分構造を説明する断面図本発明板ばねを構成する１枚のばね板の円弧状形状を説明する図本発明板ばねの無負荷時、負荷時の形状変化を説明する図本発明ばね要素の端部接続構造を説明する図ばね要素８対を直列に組み込んだ板ばねの圧縮試験結果を示すグラフ橋梁用伸縮ジョイントに板ばねを組み込んだ例を説明する図

Claims

円弧状に曲げられた矩形の金属板２枚が互いの円弧の端部において接触するように配置されるとともに、接触する円弧状矩形金属板端部の接触部分において、一方に板厚以下の高さの突起が形成され、対向する他方に前記突起が収まる大きさの凹部あるいは孔が設けられたばね要素が、直列および／または並列に配置されていることを特徴とする伸縮性ジョイント用板ばね。