JP2007063961A - 橋台との非弾性衝突で安定を図る既設多径間橋梁の耐震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 既設橋梁の沓は鋳鉄で衝撃力に脆く，且つ現行所要性能を満足していない。また連続桁は１点固定のため慣性力が固定橋脚に集中し負担が過大になり易く，単純桁は小数ながら落橋事故が見受けられる。既設橋梁の設計水平震度は０．２〜０．３であるが現行震度は０．７５〜１．０程度なので主桁が橋台に衝突するのは確実で耐震性能が確保できない。
【解決手段】 連続桁の端子点は可動沓，中間支点は固定沓に，単純桁は可動支点は可動沓，固定支点は固定沓に，夫々現行所要性能を持つ鋳鋼沓に交換する。連続桁は多点固定となるため慣性力は各橋脚に分散される。単純桁は隣接桁同士をピン連結し落橋防止を図る。橋台と桁端には非弾性体を使った緩衝装置を設け，橋台と主桁の衝突力を非弾性衝突によって緩和し耐震性能を確保する。
【選択図】 図１８

Description

本発明は既設多径間橋梁の耐震安定に関する。

橋梁は図１のように上部工１と下部工２とから成り立つ。上部工とは橋台や橋脚に支持された橋桁部分で人や車の通路である。下部工とは上部工からの荷重と下部工に働く荷重を基礎地盤に伝達する部分で，橋台３と橋脚４に分けられる。

上部工は図２のように単純桁５と図３のように連続桁６に分類される。単純桁は２つの支点で支えられ，その一方が固定支点７，他端が可動支点８の梁である。連続桁は３つ以上の支点で支えられ，そのうち１つが固定支点７，他はすべて可動支点８の梁である。

固定支点は図４のように上部工が地震荷重や自動車の制動荷重により，水平に動かないよう支持する点で，可動支点は図５のように温度変化による上部工の伸縮を妨げないよう桁の長さ方向の移動のみを許す支点である。

１点固定・他点可動支点の連続桁は，図６のように地震時には慣性力９が固定支点にのみ作用し，可動支点には摩擦力１０が作用する。温度変化では図７のように固定支点を中心に桁が伸縮するため，可動支点にのみ摩擦力１０が作用する。

端支点可動・中間支点固定の連続桁は，図８のように地震時には中間支点に分散した慣性力９が作用し、可動支点には摩擦力１０が作用する。温度変化では図９のように中間支点に橋脚からの水平力１１，端支点には摩擦力１０が作用する。

単純桁は，地震時には図１０のように慣性力９が固定支点に作用し，可動支点には摩擦力１０が作用する。温度変化では図１１のように可動支点に摩擦力１０が作用する。

地震波は図１２のように深部の堅い地盤の中を伝わってくる。そして屈折作用により地表に達する。この堅い地盤を基盤１２という。地盤を通る地震波の速度をセン断弾性波速度という。地盤の固有振動周期とは基盤から地表までの距離を地震波が２往復するに要する時間で，基盤と地表間距離の４倍をセン断弾性波速度で割った値である。

衝突した２個の物体は互に圧せられてへこみ，その変形が増すとともに弾性によって大きな反発力を生じ，変形がある大きさに達すると逆に反発する。このとき弾性力が完全に初めの変形を回復しうるだけの大きさを持つ場合を弾性衝突，ある程度の変形があとに残る場合を非弾性衝突，最大圧縮の状態から少しも回復が行なわれない場合を完全非弾性衝突という。非弾性衝突は衝突前の運動エネルギーが変形や発熱のために他のエネルギーに変り，その分運動エネルギーが減少する。

兵庫県南部地震以来，国土交通省では図１３のようなゴム支承１３による水平力分散構造を推奨しており，現在建設される連続桁は殆どこの型式を採用している。地震時にはゴム沓の弾性固定により慣性力を各橋脚に分散し，温度変化では桁の伸縮量をゴムの変形で吸収するため，橋脚天端の変位は小さく上部工に作用する軸力や橋脚下端の曲げモーメントは大巾に軽減される。但しゴム支承は極めて高価なのと変形量が大きいため図１４のように遊間１４を２５０ｍｍから５００ｍｍ程度あけるのが一般的である。

既設橋梁の沓は水平震度０．２〜０．３程度で設計されており，現行示方書の所要性能を満足していない。また鋳鉄沓が多く，衝撃的な力に脆いという欠点があり，過去の地震で破損した例が多い。この処置が第１の課題である。

既設連続桁は１点固定・他点可動支点のため，固定支点を支持している橋脚に慣性力が集中し，橋脚の負担が過大になりやすい。これをどう処置するかが第２の課題である。

既設単純桁複連橋梁の過去の震害記録を見ると，小数ではあるが落橋事故が見受けられる。この対策が第３の課題である。

現行示方書の設計水平震度は，レベル２タイプＩＩ地震動で０．７５〜１．０程度なので０．２で設計されている既設橋梁の水平変位は３〜５倍となり，主桁が橋台に衝突するのは明らかである。これをどう処置するかが第４の課題である。

連続桁なら端子点は可動沓，中間支点は固定沓に，単純桁なら可動支点は可動沓，固定支点は固定沓に，現行示方書で規定されている所要性能を持つ鋳銅沓に交換する。これで第１の課題は解決する。

既設連続桁の端子点を可動沓，中間支点を固定沓にしたため，多点固定の地震時水平力分散構造となる。これで第２の課題は解決する。しかし多点固定にすることにより，今まで温度変化の影響を受けなかった橋脚天端が桁の伸縮によって水平変位することにより，躯体には曲げモーメント，基礎支持地盤には水平変位や横方向地盤反力などが発生し，上部工には軸力が作用する。温度変化は夏冬間の長期にわたるため，基礎地盤は持続荷重によりクリープが発生し水平変位は進行する。進行分だけ主桁との相対変位は小さくなるので上部工軸力や横方向地盤反力は減少する。現在の設計法はクリープを無視しているが多点固定連続桁の温度変化に対してはクリープを考慮するのを原則とする。

地表面から基盤までの深さが異なると固有周期も異なるため，基盤までの深さが同じでない橋脚は別々な動きをし，互いに開く方向に動くこともある。そのとき単純桁の可動沓は橋脚から外れ落橋する。従って落橋を防ぐには桁と桁を連結し開かないようにする必要がある。それで隣接桁の桁端をピン結合すれば第３の課題も解決する。ただしピン位置は主桁中立軸上とし，連結板には温度よる伸縮を考慮し長孔を開ける。

橋台と主桁の衝突は弾性衝突が一般的で衝突力は慣性力の数倍になる。主桁側に非弾性体を使った緩衝装置を設け橋台に衝突させると，非弾性体が変形したり摩擦熱を発生したりして運動エネルギーが減少し，弾性衝突のような大きな衝突力は生じない。
衝突力が非弾性衝突で緩和されれば，橋台の抵抗力で耐震性能３を確保するのは可能である。これで第４の課題は解決されたが，橋長が余り長いと慣性力が大きくなり耐震性能３の確保は困難となるので，橋長には適用限界がある。衝突で生ずる橋台背面の地盤反力は弾塑性解析で求め安定を照査する。

図１５に示す非弾性体１５は力を取り去っても変形が残り，完全に元の形状には戻らない。地震波は２波３波と続くので，復元装置１６（一例）で元の位置に戻す。

既設橋梁の橋台沓座巾が現行規定による桁かかり長に足りない場合は，鋼製ブラケット１７を取り付け十分に拡巾する。

既設橋梁は連続桁も単純桁も非合成桁として設計施工されている場合が多いが，載荷試験を行ない応力度を測定すると，全て合成桁の応力度を示している。従って単純桁をピン結合するときの位置は図１７のように合成断面の中立軸１８とする。

構造や方式の検証

多点固定による地震時水平力分散構造として耐震性能を照査するには，上部工と下部工のほか地盤までを含めた連成系として解析しなければならない。多点固定連続桁は１次の振動モードが卓越しているため照査は静的照査法でよい。しかし鉄筋コンクリート橋脚に関しては，ひび割れから降伏を経て終局に至るまで，橋台および杭基礎に関しては変位の増加に伴って，弾性から塑性，さらに破壊までを追跡するため，コンピューターの助けなしには解析不可能である。このプログラムは完成しており，これによる計算の結果，構造や方式の妥当性は確認しており，非弾性体の緩衝効果も実験で確認している。

橋梁の構造説明図 単純桁の説明図 連続裄の説明図 固定支点の説明図 可動支点の説明図 １点固定，他点可動連続桁地震時水平力の説明図 １点固定，他点可動連続桁温度変化時水平力の説明図 端支点可動，中間支点固定連続桁地震時水平力の説明図 端支点可動，中間支点固定連続桁温度変化時水平力の説明図 単純桁地震時水平力の説明図 単純桁温度変化時水平力の説明図 地盤振動の説明図 ゴム支承による地震時水平力分散構造の説明図 ゴム支承による地震時水平力分散構造遊間の説明図 桁端緩衝装置の説明図 既設橋台に取り付けるブラケットの説明図 主桁の中立軸位置の説明図 本発明の安定機能説明図

符号の説明

１ 上部工
２ 下部工
３ 橋台
４ 橋脚
５ 単純桁
６ 連続桁
７ 固定支点
８ 可動支点
９ 慣性力
１０ 摩擦力
１１ 水平力
１２ 基盤
１３ ゴム支承
１４ 遊間
１５ 非弾性体
１６ 復元装置
１７ ブラケット
１８ 中立軸
１９ 非弾性緩衝装置
２０ 地盤反力
２１ 地震時主動土圧
２２ 橋台反力
２３ 橋脚反力

Claims (1)

1. 既設多径間橋梁の支承を現行規定を満足する鋼製沓に交換し，連続桁なら多点固定にして水平力分散，単純桁ならヒンジ結合して落橋防止を図ると共に，強い地震動に対しては端支点と橋台間に非弾性体の緩衝装置を設け，桁と橋台の衝突力を非弾性衝突によって緩和し，橋台の抵抗力で耐震性能を確保する耐震構造。

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