JP2008179950A - 橋梁用変厚剪断パネル型制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でありながら十分な免震性能を発揮する橋梁用変厚剪断パネル型制御装置を提供する。
【解決手段】橋梁下部構造１０と、橋梁下部構造の上面に可動支承部材１２を介して支持された橋梁上部構造２０と、を連結する、低降伏点鋼からなる変厚剪断パネル型制御装置５０であって、橋梁下部構造の橋梁上部構造との対向部に連結される下部連結部５２と、橋梁上部構造の橋梁下部構造との対向部に連結される上部連結部５３と、表裏両面に凹設した、正面視円形で中心部に向かうにつれて凹み量が増大する曲面状凹部５６、５７と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、橋梁下部構造に固定した支承部材で橋梁上部構造を支持する橋梁に利用される変厚剪断パネル型制御装置に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、橋梁下部構造と橋梁上部構造の間に低降伏点鋼からなる等厚剪断パネル型制御装置を設けて、橋梁の免震性能を向上させる技術は従来から知られている。
特許文献１の等厚剪断パネル型制御装置は断面Ｈ形状であり、平板状のウェブ１０と、ウェブ１０の両端部に連なりウェブ１０の変形を防止する一対のフランジ１３とを有している。
地震が起きた際に等厚剪断パネル型制御装置に水平荷重が掛かると、この水平荷重により等厚剪断パネル型制御装置が剪断変形（塑性変形）することにより、地震のエネルギーを吸収する。
特許第３７５５８８６号公報

しかし特許文献１の等厚剪断パネル型制御装置は剪断変形（塑性変形）し難い（破断し易い）ので、十分な免震性能が得ることができない。
さらに、上記等厚剪断パネル型制御装置はウェブ１０の他に一対のフランジ１３を備える複雑な構造なので、製造コストが高くなってしまう。

本発明の目的は、簡単な構造でありながら十分な免震性能を発揮する橋梁用変厚剪断パネル型制御装置を提供することにある。

本発明の橋梁用変厚剪断パネル型制御装置は、橋梁下部構造と橋梁上部構造とを連結する、低降伏点鋼からなる変厚剪断パネル型制御装置であって、上記橋梁下部構造の上記橋梁上部構造との対向部に連結される下部連結部と、上記橋梁上部構造の上記橋梁下部構造との対向部に連結される上部連結部と、上記下部連結部と上部連結部を接続する塑性変形部と、該塑性変形部の表裏両面に凹設した、正面視円形で中心部に向かうにつれて凹み量が増大する曲面状凹部と、を備えることを特徴としている。

上記塑性変形部における上記曲面状凹部の外側部分が、該曲面状凹部が形成された部分より板厚が大きい強度部を構成するのが好ましい。

正面視において左右対称かつ上下対称であるのが好ましい。

上記表面側の上記曲面状凹部と裏面側の上記曲面状凹部が同心をなすのが好ましい。

上記表面側の上記曲面状凹部と裏面側の上記曲面状凹部が同一形状であるのが好ましい。

上記低降伏点鋼として極軟鋼を利用することができる。

本発明の請求項１の変厚剪断パネル型制御装置は、塑性変形部の表裏両面に曲面状凹部を形成したことにより、従来の等厚剪断パネル型制御装置に比べて剪断変形（塑性変形）し易い（破断しにくい）ので、地震のエネルギーを効率的に吸収することが可能である。従って、従来の等厚剪断パネル型制御装置に比べて橋梁の免震性能を向上させることが可能である。
しかも曲面状凹部は、例えば旋盤を利用した切削加工により簡単に成形できるので、本発明の変厚剪断パネル型制御装置は低コストで製造できる。

請求項２のような強度部を構成すれば、この強度部が従来の等厚剪断パネル型制御装置のフランジと同様に変厚剪断パネル型制御装置の変形防止機能を発揮する。
しかも、強度部は変厚剪断パネル型制御装置の曲面状凹部を形成しない部分であり、特別な加工をせずに得られるので、捻り防止機能を有する変厚剪断パネル型制御装置を従来より簡単かつ低コストで製造できる。

変厚剪断パネル型制御装置を請求項３から５のように構成すれば、変厚剪断パネル型制御装置が剪断変形（塑性変形）し易くなる。従って、地震のエネルギーをより効率良く吸収できる。

請求項６のように、極軟鋼により変厚剪断パネル型制御装置を成形すれば、塑性変形部がより塑性変形し易くなるので、免震機能が向上する。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明中における左右方向は図１を基準とし、前後方向は図１の紙面に直交する方向とする。
本実施形態の橋梁Ａは以下の構造である。
地盤Ｇには複数の橋梁下部構造（橋脚）１０が前後方向に並べて固定してある。各橋梁下部構造１０の平坦な上面には、左右一対の可動支承部材１２の下端部が固定してある。そして、各橋梁下部構造１０に固定された左右の可動支承部材１２の上端面に前後方向に延びる橋梁上部構造（桁や床版等からなる）２０の下面が固定してある。周知のように各可動支承部材１２は橋梁下部構造１０の鉛直方向の荷重を受けるだけでなく、地震時に橋梁上部構造２０に水平方向の力が掛かった場合あるいは橋梁下部構造１０や橋梁上部構造２０に温度変化による収縮が起こった場合に、自身の一部を変形させることにより、橋梁上部構造２０を橋梁下部構造１０に対して水平方向にスライドさせる機能を有する。

図示するように、各橋梁下部構造１０の上面の左右方向の中央部と橋梁上部構造２０の下面の左右方向の中央部の間は、以下に説明する構造の剪断変形装置３０によって連結してある。
橋梁下部構造１０の上面には平板状の下部連結板３１の下面が載置してあり、下部連結板３１の上面には前後一対の下部支持板３３が載置してある。図３に示すように、前後の下部支持板３３は互いに同一形状の断面Ｌ字形の部材であり、下部支持板３３は水平片３４と垂直片３５を具備している。下部連結板３１及び水平片３４の３箇所には互いに連通する貫通孔３２と貫通孔３６が左右方向に並べて穿設してあり、さらに橋梁下部構造１０の上面の各貫通孔３２と対応する６箇所には各貫通孔３２と連通するねじ孔１１が穿設してある。さらに、下部支持板３３の垂直片３５には３つの貫通孔３７が左右方向に並べて穿設してある。そして、互いに連通する貫通孔３２と貫通孔３６にはボルトＢ１が挿入してあり、ボルトＢ１の下端部がねじ孔１１に螺合しているので、下部連結板３１は橋梁下部構造１０の上面に固定され、前後の下部支持板３３は両者の間に前後方向の隙間を形成しつつ下部連結板３１の上面に固定されている。
一方、橋梁上部構造２０の下面には平板状の上部連結板４１の上面が当接しており、上部連結板４１の下面には前後一対の上部支持板４３の上面が当接している。図３に示すように、前後の上部支持板４３は下部支持板３３と同形状であり、水平片４４と垂直片４５を具備している。上部連結板４１及び水平片４４の３箇所には互いに連通する貫通孔４２と貫通孔４６が左右方向に並べて穿設してあり、さらに橋梁上部構造２０の下面の各貫通孔４２と対応する６箇所には各貫通孔４２と連通するねじ孔２１が穿設してある。さらに、上部支持板４３の垂直片４５には３つの貫通孔４７が左右方向に並べて穿設してある。そして、互いに連通する貫通孔４２と貫通孔４６にはボルトＢ２が挿入してあり、ボルトＢ２の上端部がねじ孔２１に螺合しているので、上部連結板４１は橋梁上部構造２０の下面に固定され、前後の上部支持板４３は両者の間に前後方向の隙間を形成しつつ上部連結板４１の下面に固定されている。

前後の下部支持板３３と前後の上部支持板４３は変厚剪断パネル型制御装置５０によって連結されている。
変厚剪断パネル型制御装置５０は、上下対称かつ左右対称な正面視略Ｈ字形状の板材であり、低降伏点鋼の一種である極軟鋼によって成形してある。極軟鋼は低降伏点鋼の中でも特に降伏点が低い（１００Ｎ／ｍｍ²以下）鋼材であり、ＳＳ４００やＳＭ４００等の普通鋼に比べて降伏点が低く、かつ普通鋼に比べて大きな伸び性能を有する。
変厚剪断パネル型制御装置５０は、正面視略矩形の塑性変形部５１と、塑性変形部５１の上下両端に連続し塑性変形部５１より左右幅が大きい下部連結部５２及び上部連結部５３を備えている。塑性変形部５１の左右両側部と下部連結部５２の接続部はＲ面となっており、塑性変形部５１の左右両側部と上部連結部５３の接続部もＲ面となっている。下部連結部５２には３つの貫通孔５４が左右方向に並べて穿設してあり、上部連結部５３には３つの貫通孔５５が左右方向に並べて穿設してある。
さらに、塑性変形部５１の前後両面の中心部には正面視円形の曲面状凹部５６と曲面状凹部５７が凹設してある。曲面状凹部５６と曲面状凹部５７は同一形状の凹部であり、両者の中心点は互いに同心をなしている。曲面状凹部５６と曲面状凹部５７は、例えば旋盤を利用した切削加工により凹設可能である。曲面状凹部５６と曲面状凹部５７は、その外周側から中心に向かうにつれて凹み量が徐々に増大する、断面形状が放物線をなす凹部である。図４に示すように、塑性変形部５１の曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７を除いた部分は強度部５８を構成している。図４に示すように強度部５８、下部連結部５２及び上部連結部５３の板厚は一定であり、これらの部分は曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７が形成された部分より板厚が大きい。

図２、図３及び図６に示すように、変厚剪断パネル型制御装置５０の下部連結部５２は前後の下部支持板３３の垂直片３５の間に挿入されている（下部連結部５２の板厚は前後の下部支持板３３の間の隙間寸法と略同一である）。３つの貫通孔５４は前後の垂直片３５の３つの貫通孔３７とそれぞれ連通しており、互いに連通する前側の下部支持板３３の貫通孔３７、貫通孔５４及び後側の下部支持板３３の貫通孔３７には、前後方向に延びるボルトＢ３がそれぞれ前方から挿入してある。さらに、後側の下部支持板３３の垂直片３５の後方に突出するボルトＢ３の後端部にはナット６０が螺合しており、各ナット６０は後側の下部支持板３３の垂直片３５に当接している。このように変厚剪断パネル型制御装置５０の下部連結部５２は前後の垂直片３５に移動不能に固定されている。
同様に変厚剪断パネル型制御装置５０の上部連結部５３は前後の上部支持板４３の垂直片４５の間に挿入されている（上部連結部５３の板厚は前後の上部支持板４３の間の隙間寸法と略同一である）。３つの貫通孔５５は前後の垂直片４５の３つの貫通孔４７とそれぞれ連通しており、互いに連通する前側の上部支持板４３の貫通孔４７、貫通孔５５及び後側の上部支持板４３の貫通孔４７には前後方向に延びるボルトＢ４がそれぞれ前方から挿入してある。さらに、後側の上部支持板４３の垂直片４５の後方に突出するボルトＢ４の後端部にはナット６１が螺合しており、各ナット６１は上部支持板４３の垂直片４５に当接している。このように変厚剪断パネル型制御装置５０の上部連結部５３は前後の垂直片４５に移動不能に固定されている。
以上説明した下部連結板３１、下部支持板３３、上部連結板４１、上部支持板４３、変厚剪断パネル型制御装置５０、ボルトＢ１、ボルトＢ２、ボルトＢ３、ボルトＢ４、ナット６０及びナット６１が剪断変形装置３０の構成要素である。

以上構成の剪断変形装置３０は橋梁下部構造１０と橋梁上部構造２０を連結しているが、剪断変形装置３０には橋梁上部構造２０を支承する（橋梁上部構造２０の荷重を受ける）機能はなく、剪断変形装置３０は地震により橋梁Ａが振動したときに機能する。
即ち、地震のエネルギーにより橋梁上部構造２０が橋梁下部構造１０に対して左右方向にスライドしようとすると、この動き（エネルギー）が橋梁上部構造２０から上部連結板４１及び上部支持板４３を介して変厚剪断パネル型制御装置５０に伝わる。すると、変厚剪断パネル型制御装置５０は最初に弾性変形を起こし、次いで板厚が最も薄い曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７が形成された部分の中心から塑性変形（剪断変形）を起こす。この塑性変形は曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７の中心から徐々に外周側に放射状に拡がり、やがて曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７の外周縁部に達する。さらにこの塑性変形は、強度部５８側に放射状に拡大するので、変厚剪断パネル型制御装置５０は図６のような形状となる（塑性変形部５１は略平行四辺形となり、曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７は楕円形となる）。変厚剪断パネル型制御装置５０は、このような塑性変形を起こす過程で降伏点に達する。降伏点に達すると塑性変形部５１の弾塑性変形量が急激に増大し、やがて塑性変形部５１全体が歪硬化を起こし、さらに変形が進行すると塑性変形部５１の荷重に対する抵抗力が低下する。また、塑性変形部５１にこのような変形が生じると、曲面状凹部５６は変形前に比べて僅かに板厚が増し、強度部５８は変形前に比べて僅かに板厚が減少する。

本実施形態の変厚剪断パネル型制御装置５０は曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７を形成したことにより、従来の等厚剪断パネル型制御装置に比べて剪断変形（塑性変形）し易くなっている（破断しにくくなっている）ので、地震のエネルギーを効率的に吸収することが可能である。従って、従来の等厚剪断パネル型制御装置に比べて橋梁Ａの免震性能を向上させることができる。
さらに、変厚剪断パネル型制御装置５０は低降伏点鋼からなる板材に曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７を成形するだけで製造できるので、従来の等厚剪断パネル型制御装置に比べて製造が簡単であり、しかも製造コストを抑えることが可能である。
また、本実施形態の変厚剪断パネル型制御装置５０は強度部５８を具備するので、フランジを具備する従来の等厚剪断パネル型制御装置と同様に変厚剪断パネル型制御装置５０の変形を防止できる。しかも、強度部５８は、塑性変形部５１の曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７を除いた部分であり、なんら加工を施さずに得られるので、この点においても本実施形態の変厚剪断パネル型制御装置５０は製造が簡単である。

また、変厚剪断パネル型制御装置５０の下部連結部５２と下部支持板３３を前後方向に延びるボルトＢ３（及びナット６０）で連結し、かつ変厚剪断パネル型制御装置５０の上部連結部５３と上部支持板４３を前後方向に延びるボルトＢ４（及びナット６１）で連結しているので、変厚剪断パネル型制御装置５０は下部支持板３３に対してボルトＢ３回り及びボルトＢ４回りに僅かに回転可能である。従って、地震によって橋梁上部構造２０が橋梁下部構造１０に対して左右方向にスライドしようとすると、変厚剪断パネル型制御装置５０が下部支持板３３と上部支持板４３に対して僅かに回転することにより地震のエネルギーを吸収するので、下部連結部５２と下部支持板３３及び上部連結部５３と上部支持板４３を溶接により固定する場合に比べて地震のエネルギーを効率的に吸収できる。
さらに、変厚剪断パネル型制御装置５０は上下対称かつ左右対称形状であり、しかも曲面状凹部５６と曲面状凹部５７が互いに同心をなす同一形状なので、変厚剪断パネル型制御装置５０は剪断変形し易く、地震のエネルギーを効率良く吸収できる。

以上、上記実施形態を利用して本発明を説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、様々な変更を施しながら実施可能である。
例えば、曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７を断面形状が放物線をなす形状としてあるが、曲面状凹部５６及び曲面状凹部５７は球面の一部をなす形状であってもよい。
変厚剪断パネル型制御装置５０を、極軟鋼ではない低降伏点鋼（降伏点が２２５Ｎ／ｍｍ²以下の鋼材）によって成形してもよい。

本発明の一実施形態の橋梁の横断面図である。 橋梁上部構造の下端部と橋梁下部構造の上端部とダンパー装置の正面図である。 図２のIII矢線方向に見た側面図である。 変厚剪断パネル型制御装置の正面図である。 図４のＶ−Ｖ矢線に沿う断面図である。 地震のエネルギーにより変厚剪断パネル型制御装置が剪断変形（塑性変形）したときの図２と同様の正面図である。

符号の説明

１０ 橋梁下部構造
１１ ねじ孔
１２ 可動支承部材
２０ 橋梁上部構造
２１ ねじ孔
３０ 剪断変形装置
３１ 下部連結板
３２ 貫通孔
３３ 下部支持板
３４ 水平片
３５ 垂直片
３６ ３７ 貫通孔
４１ 上部連結板
４２ 貫通孔
４３ 上部支持板
４４ 水平片
４５ 垂直片
４６ ４７ 貫通孔
５０ 変厚剪断パネル型制御装置
５１ 塑性変形部
５２ 下部連結部
５３ 上部連結部
５４ ５５ 貫通孔
５６ ５７ 曲面状凹部
５８ 強度部
６０ ６１ ナット
Ａ 橋梁
Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｂ４ 固定ボルト

Claims (6)

1. 橋梁下部構造と橋梁上部構造とを連結する、低降伏点鋼からなる変厚剪断パネル型制御装置であって、
   上記橋梁下部構造の上記橋梁上部構造との対向部に連結される下部連結部と、
   上記橋梁上部構造の上記橋梁下部構造との対向部に連結される上部連結部と、
   上記下部連結部と上部連結部を接続する塑性変形部と、
   該塑性変形部の表裏両面に凹設した、正面視円形で中心部に向かうにつれて凹み量が増大する曲面状凹部と、
   を備えることを特徴とする橋梁用変厚剪断パネル型制御装置。
2. 請求項１記載の橋梁用変厚剪断パネル型制御装置において、
   上記塑性変形部における上記曲面状凹部の外側部分が、該曲面状凹部が形成された部分より板厚が大きい強度部を構成する橋梁用変厚剪断パネル型制御装置。
3. 請求項１または２記載の橋梁用変厚剪断パネル型制御装置において、
   正面視において左右対称かつ上下対称である橋梁用変厚剪断パネル型制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の橋梁用変厚剪断パネル型制御装置において、
   上記表面側の上記曲面状凹部と裏面側の上記曲面状凹部が同心をなす橋梁用変厚剪断パネル型制御装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の橋梁用変厚剪断パネル型制御装置において、
   上記表面側の上記曲面状凹部と裏面側の上記曲面状凹部が同一形状である橋梁用変厚剪断パネル型制御装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の橋梁用変厚剪断パネル型制御装置において、
   上記低降伏点鋼が極軟鋼である橋梁用変厚剪断パネル型制御装置。