JP2007177516A - 免震支承装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性ゴム層の厚さに起因した前述の問題点、即ち圧縮やローリングによる横側方への孕み出しや凹みによる局部歪を抑制して亀裂や経たりの発生を抑制又は解消させ、橋梁用として耐久性の改善される免震支承装置を提供する。
【解決手段】複数の弾性ゴム層１と複数の剛性板２とを交互に積層して成る積層ゴム部３を、一対のフランジ板４，５間に配置して成る免震支承装置において、弾性ゴム層１は、水平となる一方向に配向された繊維材６をゴムｇに埋設して成る繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂが二段に積層されて構成されるとともに、弾性ゴム層１としては繊維材６の方向性が無い又はほぼ無い状態となるように、二段の繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂがそれらの繊維材６，６の向きを互いに平面視で９０度ずらして積層する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地震等によって橋梁等の免震対象に伝わる横揺れや振動を減衰させる免震支承装置に係り、詳しくは、複数の弾性ゴム層と複数の剛性板とを交互に積層して成る積層ゴム部を、一対のフランジ板間に配置して成る免震支承装置、とりわけ橋梁用として好適な免震支承装置に関するものである。

免震支承装置が支持する免震対象としてはビル・マンションや戸建住宅等の建築物、鉄道橋や道路橋等の橋梁等が一般的である。建築用の免震支承装置の従来例としては、特許文献１において開示されたものが知られており、橋梁用の免震支承装置の従来例としては、特許文献２や特許文献３において開示されたものが知られている。建築用免震支承装置の積層ゴム部は、２０〜４０段の弾性ゴム層が積層される多段構造を有しているに対して、橋梁用免震支承装置の積層ゴム部は、多くは１０段未満という比較的少ない段数の弾性ゴム層を有する構造になっている。

橋梁用の免震支承装置では、鉛直方向の荷重（図５参照）のみならず、桁（橋梁桁）の回転移動に伴うローリング荷重にも耐える（図６参照）必要があることから、一つの弾性ゴム層当りのゴム厚が比較的大きく（従って段数が少なく）、一次形状係数Ｓ１を小さくする構造が採られている。ここで、一次形状係数Ｓ１を、図１を参照して説明すると、弾性ゴム層１の面積（平面視の面積）をＡｒ、弾性ゴム層１の１層あたりの側面（周面）の面積をＡｆとした場合、
Ｓ１＝Ａｒ／Ａｆ……（１）
と定義されるものである。

しかしながら、弾性ゴム層の厚みを厚くすることによる不都合もあった。図５、図６には、上下の剛性板２，２に挟まれた一つの弾性ゴム層１の模式図を示しており、前記不都合をこれらの模式図を用いて説明する。まず、大なる鉛直荷重を受ける場合には、図５に示すように、上下の剛性板２，２間に介装される弾性ゴム層１が上下に圧縮されるのであるが、厚さが厚いゴムが制限の無い横側方に膨張変形（孕み出し）して局部歪が大きくなるから、その部位である外周部１ｇにおいては、交通振動（橋梁を走行するトラック、自動車、或いは鉄道の走行振動）等による疲労により、亀裂や経たりが生じて耐久性が落ちるという問題があった。

また、渋滞時の過重による橋梁の撓み等によって免震支承装置にローリング荷重を受ける場合には、図６に示すように、弾性ゴム層１における圧縮される側においては横側方に膨張変形（孕み出し）し、引張り側においては収縮による内方への凹み変形が生じるようになり、それによって前記と同様な問題（亀裂や経たりによる耐久性劣化）があった。
特開２００１−９８７９０号公報 特開２００３−５５９１３号公報 特開２００５−７６１９５号公報

本発明の目的は、弾性ゴム層の構造工夫により、この弾性ゴム層の厚さに起因した前述の問題点、即ち圧縮やローリングによる横側方への孕み出しや凹みによる局部歪を抑制して亀裂や経たりの発生を抑制又は解消させ、耐久性の改善される免震支承装置を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、複数の弾性ゴム層１と複数の剛性板２とを交互に積層して成る積層ゴム部３を、一対のフランジ板４，５間に配置して成る免震支承装置において、
前記弾性ゴム層１は、水平又はほぼ水平となる一方向に配向された繊維材６をゴムｇに埋設して成る繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂが複数積層されて構成されるとともに、前記弾性ゴム層１としては前記繊維材６の方向性が無い又はほぼ無い状態となるように、前記複数の繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂがそれらの前記繊維材６，６の向きが分散する状態に積層されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の免震支承装置において、積層方向で隣合う任意の前記繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂどうしは、各々の前記繊維材６，６の向きが異なり、かつ、前記各々の繊維材６，６どうしの角度差が全て互いに等しい値となる状態に設定されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の免震支承装置において、前記繊維材６は短繊維であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の免震支承装置において、前記弾性ゴム層１の積層方向での表面積Ａｒを前記弾性ゴム層１の外周面積Ａｆで除した値である一次形状係数Ｓ１が４〜１５に、好ましくは４〜７に設定されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の免震支承装置において、前記剛性板２の長さａを、前記弾性ゴム層１の積層方向幅ｔと前記弾性ゴム層１の総数ｎとを乗じた値で除した値である二次形状係数Ｓ２が３〜２０に、好ましくは３〜５に設定されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、弾性ゴム層を、繊維材をゴムに混入させて成る繊維補強ゴムシート材から構成してあるので、ゴムのみで作成されている従来のものに比べて、弾性ゴム層の厚みを変えることなく縦弾性係数（ヤング率）を大きくすることができ、繊維材の配向方向の弾性変形は抑制されるようになるとともに、その配向の方向性が弾性ゴム層において無い又はほぼ無いようにできる。故に、水平剛性は従来と殆ど変わらないようにしながら、弾性ゴム層の局部歪が軽減又は解消されて、亀裂や経たりが抑制又は解消され、耐久性の向上が図れるようになり、また、従来よりも大荷重に耐え得るようにすることができる。

繊維補強ゴムシート材においては、製作が容易で効率良く行え、かつ、品質が安定するように繊維材を揃えてゴムに混入させてあるから、その揃っている一方向には弾性ゴム層としてのばね定数が、それに直交する横方向のばね定数に比べてやや高くなる傾向がある（図３参照）。そこで、本発明では、隣合う繊維補強ゴムシート材の繊維材の方向を９０度ずらすといった具合に、複数の繊維補強ゴムシート材をそれらの繊維材の向きが分散する状態で積層して、弾性ゴム層としては繊維材の方向性が無い又はほぼ無い状態としてあるから、ローリングの作用方向によって横側方への孕み出しが変化することも無く、安定した耐久性の向上効果を発揮可能になる。

その結果、弾性ゴム層の構造工夫により、この弾性ゴム層の厚さに起因した前述の問題点、即ち圧縮やローリングによる横側方への孕み出しや凹みによる局部歪を抑制して亀裂や経たりの発生を抑制又は解消させ、耐久性の改善される橋梁用として好適な免震支承装置を提供することができる。この場合繊維材としては請求項３のように、製造が容易な短繊維を用いることができる。

請求項２の発明によれば、剛性板を介して積層方向で隣合う弾性ゴム層どうしの繊維材に角度差が付き、しかもその角度差はどの弾性ゴム層どうしのものでも互いに同じであるから、例えば、隣の繊維材との角度差が全て９０度になる等、繊維材の方向性を少ない弾性ゴム層で相殺することが可能であり、より品質の安定する免震支承装置とすることができる。

請求項３の発明によれば、弾性ゴム層を形成すべくゴムに混入される繊維材を短繊維としてあるので、免震支承装置に高い圧縮荷重（高面圧）が作用したときの側方への孕み出しが抑制される（後述の「一次形状係数」を高くした場合と同様の効果が得られる）ことにより、クリープが小さくなる利点を得ることが可能になる。

請求項４の発明や５の発明によれば、次のような作用効果を得ることができる。即ち、
建築用の免震支承装置と橋梁用の免震支承装置とを比較した場合、桁の回転荷重による変形に追従できるようにするため、橋梁用の一次形状係数を小さくするのが望ましい。建築用の免震支承装置に使用されるゴムは、せん断弾性率Ｇ（例えば、Ｇ＝３．５〜４．５Ｎ／ｍｍ² ）の柔らかいゴムであるのに対して、橋梁用の免震支承装置に使用されるゴムは、せん断弾性率Ｇ（例えば、Ｇ＝８〜１４Ｎ／ｍｍ² ）の硬いゴムが使用される。一方、免震支承装置に作用する鉛直荷重（面圧）は、建築用のものが高面圧で使用されるに対して、橋梁用のものはそれよりも低い面圧で使用されるので、一次形状係数は建築用のものの方を高くして鉛直剛性を高くする必要がある。

建築用の免震支承装置の場合は、その水平剛性を柔らかくすることにより、固有周期を長周期化し、地震時の短周期の激しい揺れに対して、上部構造物はゆっくりとした長周期の揺れになり、応答加速度を低減して建物に与えるダメージが抑制されるように機能する。揺れの周期は、荷重が高いほど、そして水平剛性が低い（柔らかい）ほど長くなり、ゴムのせん断弾性率（Ｇ）が低いほど、水平剛性は低くなり、長周期化（３〜４秒）することができる。一方、橋梁用の免震支承装置の場合は、それほど長周期化は必要ではなく、ゴム支承構造によって橋脚への反力を分散できる効果を得ることが重要となる。

従って、一次形状係数、及び二次形状係数を請求項４や５のように規定することにより、鉛直方向の荷重の他にローリング荷重も作用する橋梁用に好適な免震支承装置とすることができている。特に、一次形状係数を４〜７にするとか、二次形状係数を３〜５にすれば、従来構造のものと比較して、ゴムの孕み出し、局部歪を抑制することによる水平変形時においても、荷重支持能力を高く保持することができる利点がある。

以下に、本発明による免震支承装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は免震支承装置の断面図、図２は弾性ゴム層の配置構造を示す部分断面の斜視図、図３は繊維補強ゴムシート材における繊維材の方向を示す平面図、図４は種々の橋梁用免震支承装置の主要緒元を示す図表である。尚、便宜上、図１〜図３は積層ゴム部の平面視形状が円形の橋梁用免震支承装置として、図４は積層ゴム部の平面視形状が正方形（矩形）の免震支承装置として描いてある。

〔実施例１〕
実施例１による免震支承装置Ｍを図１に示す。この免震支承装置Ｍは橋梁用のものであって、複数の弾性ゴム層１と複数の鋼板（剛性板の一例）２とを交互に積層し成る積層ゴム部３を、上下一対のフランジ板４，５間に配置して構成されている。積層ゴム部３は、その上下端には弾性ゴム層１が配置されるように、弾性ゴム層１と鋼板２との積層段数が設定されているとともに、各フランジ板４，５に密着する外周ゴム層７によって外側が覆われる構成となっている。

弾性ゴム層１は、ゴムｇに繊維材６を水平又はほぼ水平となる一方向に揃えて配向される状態に混入して成る繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂが複数積層されて構成されるとともに、弾性ゴム層１としては繊維材６の方向性が無い又はほぼ無い状態となるように、２枚（複数の一例）の繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂがそれらの繊維材６，６の向きを分散させて積層されている。つまり、積層方向で隣合う任意の繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂどうしは、各々の繊維材６，６の向きが異なり、かつ、各々の繊維材６，６どうしの角度差が全て互いに９０度（等しい値の一例）となる状態に設定されている。なお、繊維材６は短繊維から成っている。

各繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂ単品の特性としては、例として図３に示す上側の第１繊維補強ゴムシート材１Ａのように、ばね定数は、繊維材６の配向方向ｈ１には高い値を示し、繊維材６に交差する方向（直交する方向）には低い値を示す。従って、繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂを、それらの繊維材６の向きが例えば第１方向ｈ１に揃うように積層すると、第１方向ｈ１にはばね定数が高くて横変位し難く、第２方向ｈ２にはばね定数が低くて容易に横変位するという、極めてアンバランスな横揺れ吸収機能となってしまい、都合が悪い。

そこで、図２に示すように、上側の第１繊維補強ゴムシート材１Ａは、その繊維材６の配向方向を第１方向ｈ１とし、下側の第２繊維補強ゴムシート材１Ｂは、その繊維材６の配向方向を第１方向ｈ１と軸心Ｐに関して９０度異なる第２方向ｈ２を向く姿勢に設定されている。従って、弾性ゴム層１としてみた場合には、繊維材６の方向性（異方性）は理論上は無くなったものとなっている。また、各弾性ゴム層１においては、それらの上側に第１繊維補強ゴムシート材１Ａが配置され、かつ、それら第１繊維補強ゴムシート材１Ａが全て第１方向ｈ１を向く状態に揃えられている。

弾性ゴム層１は、繊維材６を一方向に揃えて混入させることで、その配向方向には弾性変形し難いものとなるから、第１繊維補強ゴムシート材１Ａは第１方向に伸縮し難く、第２繊維補強ゴムシート材１Ｂは第２方向に伸縮し難い。従って、これら両繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂを９０度（平面視で９０度）ずらして積層すれば、軸心Ｐ周りのどの方向（３６０度）にもほぼ等しいに弾性変形の規制作用が得られ、組付け施工時の配置方向如何に拘らずに、桁の回転に伴う過大なローリングによる弾性ゴム層１の横側方への孕み出し、並びに過大な鉛直荷重による圧縮変形に伴う横側方への膨張変形（孕み出し）が軽減又は解消されるようになる。

その結果、弾性ゴム層１としての水平剛性は従来と殆ど変わらないようにしながら、弾性ゴム層１の局部歪が軽減又は解消されて、亀裂や経たりが抑制又は解消され、耐久性の向上が図れる橋梁用として好適な免震支承装置Ｍを提供することができる。そして、積層ゴム部３としては、軸心Ｐに関する３６０度のどの方向にも互いに等しいばね定数が発揮されることになるので、弾性ゴム層１の単品当りの厚みを厚いままとしても見かけのヤング率を上げることができ、一次形状係数Ｓ１を上げるのと同じ効果を得ること、即ち、面圧依存性を小さくすることができている。また、より高い面圧、即ち大荷重にも耐え得る利点もある。

参考に、図４に橋梁用の免震支承装置の種々の実施例の主要緒元を示す。それら橋梁用の免震支承装置は、積層ゴム部３が平面視の形状が正方形（矩形）を呈するものを対象としており、「辺長」とはその一辺の長さを示している。この図４から、橋梁用の免震支承装置は、弾性ゴム層１の厚みが厚くて積層数が少なく、比較的一次形状係数Ｓ１が小さいという特徴を有している。

図４に示す橋梁用の免震支承装置Ｍの一次形状係数Ｓ１及び二次形状係数Ｓ２は、弾性ゴム層１の辺長をａ、厚みをｔ、積層数をｎとすると、前記式（１）より、
Ｓ１＝Ａｒ／Ａｆ＝ａ²／４ａｔ（ａ×ａ／４ａｔ）……（２）
Ｓ２＝ａ／ｎ・ｔ……（３）
であり、例えば実施例１の場合には、
Ｓ１＝７００×７００／７００×４×２５＝７
Ｓ２＝７００／２５×４＝７
となる。また、実施例９の場合には、
Ｓ１＝１２００×１２００／１２００×４×３０＝１０
Ｓ２＝１２００／３０×６＝６．６７
となる。

〔別実施例〕
上下で隣合う繊維補強ゴムシート材１Ａ，１Ｂどうしの繊維材６の軸心Ｐに関する角度差は、前述の９０度のほか、４５度や１３５度、或いは６０度等でも良い。角度差が４５度と１３５度の場合は、四段の繊維補強ゴムシート材が一組の弾性ゴム層１とすれば、繊維材６の方向性をほぼ完全に相殺することができる。また、角度差が６０度の場合は三段の繊維補強ゴムシート材が一組とするのが良い。

例えば、五段の薄い繊維補強ゴムシート材で弾性ゴム層１が構成される場合に、それら五つの繊維補強ゴムシート材の繊維材６が互いに異なる方向に配向（分散）されている構造でも良い。また、繊維材の角度差を、例えば１００度といった具合の３６０度では割り切れないような値でも、繊維材６の方向性を大幅に減少させることができる点では有効である。要するに「分散する状態」とは、各繊維補強ゴムシート材の繊維材６を均等角度ずらすことや、不均等角度ずらすこと、二つずつ９０度ずらすこと等の種々の手段が可能である。

免震支承装置の構造を示す断面図（実施例１） 単一の弾性ゴム層における繊維補強ゴムシート材の配向状況を示す平面図 繊維材の配向とバネ定数との関係を示す模式図 橋梁用免震支承装置の主要緒元を数例示す図表 従来の免震支承装置の単純圧縮に伴う変形具合を示す模式図 従来の免震支承装置のローリングに伴う変形具合を示す模式図

符号の説明

１ 弾性ゴム層
１Ａ 繊維補強ゴムシート材
１Ｂ 繊維補強ゴムシート材
２ 剛性板
３ 積層ゴム部
４，５ フランジ板
６ 繊維材
ｇ ゴム
ｔ 弾性ゴム層の積層方向幅
Ｓ１ 一次形状係数
Ｓ２ 二次形状係数

Claims (5)

1. 複数の弾性ゴム層と複数の剛性板とを交互に積層して成る積層ゴム部を、一対のフランジ板間に配置して成る免震支承装置であって、
   前記弾性ゴム層は、水平又はほぼ水平となる一方向に配向された繊維材をゴムに埋設して成る繊維補強ゴムシート材が複数積層されて構成されるとともに、前記弾性ゴム層としては前記繊維材の方向性が無い又はほぼ無い状態となるように、前記複数の繊維補強ゴムシート材がそれらの前記繊維材の向きが分散する状態に積層されている免震支承装置。
2. 積層方向で隣合う任意の前記繊維補強ゴムシート材どうしは、各々の前記繊維材の向きが異なり、かつ、前記各々の繊維材どうしの角度差が全て互いに等しい値となる状態に設定されている請求項１に記載の免震支承装置。
3. 前記繊維材は短繊維である請求項１又は２に記載の免震支承装置。
4. 前記弾性ゴム層の積層方向での表面積を前記弾性ゴム層の外周面積で除した値である一次形状係数が４〜１５に、好ましくは４〜７に設定されている請求項１〜３の何れか一項に記載の免震支承装置。
5. 前記剛性板の長さを、前記弾性ゴム層の積層方向厚みと前記弾性ゴム層の総数とを乗じた値で除した値である二次形状係数が３〜２０に、好ましくは３〜５に設定されている請求項１〜４の何れか一項に記載の免震支承装置。
   
   

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