JP2009001994A - 荷重検知機能を備えた積層ゴム - Google Patents

Abstract

【課題】積層ゴムのせん断変形による支圧面積の変化の影響を受けず、鉛直荷重を正確に測定することができる荷重検知機能を備えた積層ゴムを提供する。
【解決手段】厚肉の上下部鋼板１３，１４及び薄肉の複数の中間部鋼板１５からなる鋼板とゴム層１６とを交互に積層してなり、上下部鋼板１３，１４に上下部構造２，３との間で水平力を伝達するための上下部せん断キー１８，１９が設けられた積層ゴム６であって、下部鋼板１４の下方に下部せん断キー２２が貫通する補助ゴム層１９及び補助鋼板２０が順に積層され、下部鋼板１４の下面にその中央部から外周側に所要大きさの平面的な広がりを持つ凹部２１が形成されるとともに、該凹部２１が薄肉の蓋２３で閉鎖されて内部に粘性流体が充填され、下部鋼板１４の側面に粘性流体に作用する圧力を検知するための圧力センサー２６が設けられている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、荷重検知機能を備えた積層ゴムに関し、より詳細には橋梁や建築物などの構造物の支承として適用される積層ゴムの構造に関する。

橋梁において上部構造（橋桁）と下部構造（橋脚、橋台）との間に設置される支承として、ゴム支承が知られている。このゴム支承は上部構造に固定される上沓、下部構造に固定される下沓及びこれら上下沓間に配置されるゴム沓で構成されている。ゴム沓は鋼板とゴム層とを交互に積層してなる積層ゴムからなり、上下部構造の水平力を伝達するためにせん断キーが設けられている。

このようなゴム支承は、複数箇所の上下部構造間に、また各上下部構造間に複数個設置されるが、各々の支承に実際に加わっている鉛直荷重を計測し、設計荷重と照合することは施工上またその後の維持管理上、極めて重要である。

積層ゴムの内部に荷重センサーを埋込み、支承に作用する鉛直荷重を計測することも可能である。しかしながら、ゴム支承は桁の温度変化などに追従してせん断変形するので、支圧面積が変化し、単にセンサーを埋め込んだだけでは正確な荷重値を測定することができない。

非特許文献１には、ゴム支承の回転特性を知るために圧縮応力分布を測定する技術が開示されている。この技術は積層ゴムに多数の測定孔を設け、オイルを媒体として圧力計で圧縮応力を測定するものである。しかしながら、この測定技術はあくまでも実験室レベルのもので、積層ゴムのせん断変形による支圧面積の変化の影響は何ら考慮されていない。
「道路橋支承便覧」、平成１６年４月、社団法人 日本道路協会、ｐ．３９２−４０１

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、積層ゴムのせん断変形による支圧面積の変化の影響を受けず、鉛直荷重を正確に測定することができる荷重検知機能を備えた積層ゴムを提供することにある。

この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、厚肉の上下部鋼板及び薄肉の複数の中間部鋼板からなる鋼板とゴム層とを交互に積層してなり、前記上下部鋼板に上下部構造との間で水平力を伝達するための上下部せん断キーが設けられた積層ゴムであって、
前記下部鋼板の下方に前記下部せん断キーが貫通する補助ゴム層及び補助鋼板が順に積層され、
前記下部鋼板の下面にその中央部から外周側に所要大きさの平面的な広がりを持つ凹部が形成されるとともに、該凹部が薄肉の蓋で閉鎖されて内部に粘性流体が充填され、
前記下部鋼板の側面に前記粘性流体に作用する圧力を検知するための圧力センサーが設けられていることを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴムにある。

より具体的には、前記下部せん断キーは前記凹部の外周に該凹部を包囲するように複数個設けられている。また、前記下部鋼板の側面から前記凹部に連通する２つの横孔が設けられ、一方の横孔には前記圧力センサーが取り付けられ、他方の横孔にはエア抜きプラグが取り付けられている。

この発明によれば、上部構造の温度変化による伸縮あるいはコンクリートのクリープなどにより積層ゴムがせん断作用を受けても、圧力センサーが設置される補助ゴム層にはせん断キーがあることからせん断変形が生じない。したがって、補助ゴム層の部分の支圧面積は圧縮試験時と変わることがなく、したがって圧縮試験時における測定データと対応させることにより正確な荷重を測定することができる。

また、積層ゴムに加わる応力分布は中央部が最も大きくなることが知られているが、この発明では、下部鋼板の下面にその中央部から外周側に平面的に広がる大きさの凹部を設け、この凹部に充填した粘性流体の圧力を測定するようにしたので、積層ゴムに加わる最大応力を測定することができる。

この発明の実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明の実施形態を示す鉛直方向断面図、図２は図１の線Ａによる矢視断面図である。橋桁である上部構造２と橋脚や橋台である下部構造３との間に設置されるゴム支承１は、上沓４、下沓（ベースプレート）５及びこれらの上下沓４，５間に配置されるゴム沓６を備えている。これら上沓４、下沓５及びゴム沓６はいずれも平面形状が矩形形状のものである。上沓４は複数のセットボルト７（鋼桁の場合）により上部構造２に固定される。この上沓４には上面中央に上部構造２との間で水平力を伝達するためのせん断キー８が設けられている。

下沓５は下部構造３に埋め込まれる複数のアンカーボルト９により下部構造３に固定される。このアンカーボルト９は、上端部の雄ねじ１０が下沓５にねじ込まれる形式のもので、上端部は下沓５の上面から突出しない。この下沓５とゴム沓６との間には中間プレート１１が設けられている。中間プレート１１は複数のボルト１２により下沓５に固定される。

ゴム沓６は積層ゴムからなり、鋼板１３，１４，１５とゴム層１６を交互に積層して形成される。鋼板１３，１４，１５のうち、鋼板１３，１４はゴム沓６のそれぞれ上下部に配置される厚肉の上下部鋼板であり、鋼板１５は中間部に複数配置される薄肉の中間部鋼板である。上部鋼板１３は複数のボルト１７により上沓４に固定されている。また、上部鋼板１３には上面中央に上沓４との間で水平力を伝達するためのせん断キー１８が設けられている。

この発明によれば、下部鋼板１４の下方にさらに補助ゴム層１９及び補助鋼板２０が順に積層されている（図３の拡大図も併せて参照）。下部鋼板１４の下面には凹部２１が設けられている。この凹部２１は下部鋼板１４の下面中央部から外周側に平面的な広がりを持つ所要大きさのものである。下部鋼板１４と中間プレート１１との間で水平力を伝達するための下部せん断キー２２は、凹部２１を包囲するように複数個（実施形態では４個）設けられている。これらのせん断キー２２は、補助ゴム層１９及び補助鋼板２０を貫通して配置され、下部鋼板１４及び中間プレート１１にそれぞれ形成された嵌合穴に上下部が嵌合されている。

凹部２１はその周縁に固定される蓋２３で閉鎖され、その内部には粘性流体が充填されている。後述するように、ゴム支承１に作用する鉛直荷重の反力が補助ゴム層１９から蓋２３を介して粘性流体に伝達される。このため、蓋２３は板厚が１〜３ｍｍ程度の薄肉のものからなる。蓋２３としてはＳＵＳが用いられるが、普通鋼板であってもよい。また、蓋２３は溶接によって凹部２１の周縁に固定されるが、シール手段を施せばボルトによる固定であってもよい。粘性流体としては、ゴム沓６は加硫接着により成形されるため、耐熱性の高いオイルが用いられる。

なお、凹部２１の形状すなわち蓋２３の形状は、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、実施形態で示されている円形以外にも、種々の形状を採ることができる。一方、凹部２１の大きさについては、蓋２３の厚みを加味したうえ、補助ゴム層１９からの圧縮反力が粘性流体の圧力として伝達され得る大きさとされる。

下部鋼板１４にはその相対する側面（橋軸方向Ｘに沿う側面、図２参照）から２つの横孔２４，２５が設けられ、これらの横孔２４，２５は凹部２１と連通している。一方の横孔２４には圧力センサー２６が取り付けられている。圧力センサー２６は周知のもので、例えばひずみゲージ式のものを用いることができる。この実施形態で用いられている圧力センサー２６はねじ取付け式のもので、横孔２４の入口部に取り付けられている。

他方の横孔２５はエア抜きのためのものであり、その入口部にエア抜き用のプラグ２７が取り付けられている。ゴム沓６は上下部鋼板１３，１４、中間部鋼板１５、補助鋼板２０、ゴム層１６及び補助ゴム層１９を積層し加硫接着して成形されるが、粘性流体は成形前に下部鋼板１４の凹部２１に充填される。その際、プラグ２７が上方を向くように下部鋼板１４を傾け、エア抜きを行う。エア抜き後、図４（ａ）に示すように、プラグ２７と被覆ゴム層１６ａとの間の隙間にはシリコンパテ２８を埋める。同様に、同図（ｂ）に示すように、圧力センサー２６と被覆ゴム層１６ａとの間にもシリコンパテ２８を埋める。

再び図１，図２を参照し、ゴム沓６の下部鋼板１４は多数のボルト２９により中間プレート１１に固定されている。このボルト２９は上部構造２に作用する上揚力を受け止めるための上揚力止めボルトである。この上揚力止めボルト２９を取り付けるために、中間プレート１１の下面に座繰り穴３０が形成されている。上揚力止めボルト２９は接着剤を塗布して、座繰り穴３０から下部鋼板１４に緩くねじ止めされる。後述するように、圧力センサー２６による荷重測定時には、補助ゴム層１９に荷重が作用し鉛直方向に圧縮変位が生じることが必要である。この変位を許容するために、上揚力止めボルト２９の頭部が収容される座繰り穴３０には隙間が形成されている。同様の理由で、下部鋼板１４に設けられたせん断キー２２の嵌合穴にも隙間が形成されている。

次に、鉛直荷重の測定方法について説明する。工場で製作されたゴム沓６は、図示しない圧縮試験機にかけられる。また、圧力センサー２６は入出力ケーブル３１を介して図示しないコンピュータに接続される。試験中、荷重は徐々に載荷され、この載荷によって下部鋼板１４と補助鋼板２０との間の補助ゴム層２０が圧縮される。この結果、圧縮反力が凹部２１の蓋２３に作用し、蓋２３が凹部２１の内方に向けて押されて凹部２１内の粘性流体に圧力が発生する。この粘性流体の圧力は、パスカルの原理により凹部２１内及び横孔２４内で均等に作用し、圧力センサー２６によって測定される。圧力センサー２６の測定値はコンピュータに入力され、コンピュータにより測定圧力値と載荷した荷重との関係が演算処理される。図６は、このようにして得られた荷重−圧力の関係を示している。

一方、支承の設置現場においてはゴム沓６に上部構造２の鉛直荷重が載荷され、その鉛直荷重に基づいて粘性流体に発生する圧力が、圧力センサー２６によって測定される。圧力センサー２６の測定値は、圧縮試験の場合と同様にコンピュータに入力され、コンピュータは予め圧縮試験によって得られた荷重−圧力特性データからその圧力に対応する荷重を演算し表示する。このようにして得られた荷重値と、設計荷重値とを照合することにより、その後の維持管理を適切なものとすることができる。

上下部構造２，３間に設置されたゴム沓６には、上部構造２の温度変化による伸縮あるいはコンクリートのクリープなどにより、せん断変形が生じている。しかし、この発明によれば、せん断キー２２が貫通することによってせん断作用を受けない補助ゴム層１９のの圧縮反力を、粘性流体に作用する圧力として取り出しているので、補助ゴム層２２の部分の支圧面積は圧縮試験時と変わることがなく、したがって正確な荷重を測定することができる。

また、ゴム沓６に加わる応力分布は中央部が最も大きくなることが知られているが、この発明では、下部鋼板１４の下面にその中央部から外周側に平面的に広がる大きさの凹部２１を設け、この凹部２１に充填した粘性流体の圧力を測定するようにしたので、ゴム沓に加わる最大応力を測定することができる。

上記実施形態では、この発明による積層ゴムを橋梁のゴム支承に適用したが、これに限るものではなく、建築用のゴム支承にも適用することができる。

この発明の実施形態を示す鉛直方向断面図である。 図１の線Ａによる矢視断面図である。 圧力センサーの取付け部を拡大して示す鉛直方向断面図である。 エア抜きプラグ及び圧力センサーの取付け部を示す水平断面図である。 凹部（蓋）の形状の例を示す平面図である。 圧力センサーによって測定される圧力と荷重との関係を示す図である。

符号の説明

１ ゴム支承
２ 上部構造
３ 下部構造
４ 上沓
５ 下沓
６ ゴム沓
７ セットボルト
１１ 中間プレート
１３ 上部鋼板
１４ 下部鋼板
１５ 中間鋼板
１６ ゴム層
１８ 上部せん断キー
１９ 補助ゴム層
２０ 補助鋼板
２１ 凹部
２２ 下部せん断キー
２３ 蓋
２４ 横孔
２５ 横孔
２６ 圧力センサー
２７ エア抜きプラグ
２９ 上揚力止めボルト

Claims (3)

1. 厚肉の上下部鋼板及び薄肉の複数の中間部鋼板からなる鋼板とゴム層とを交互に積層してなり、前記上下部鋼板に上下部構造との間で水平力を伝達するための上下部せん断キーが設けられた積層ゴムであって、
   前記下部鋼板の下方に前記下部せん断キーが貫通する補助ゴム層及び補助鋼板が順に積層され、
   前記下部鋼板の下面にその中央部から外周側に所要大きさの平面的な広がりを持つ凹部が形成されるとともに、該凹部が薄肉の蓋で閉鎖されて内部に粘性流体が充填され、
   前記下部鋼板の側面に前記粘性流体に作用する圧力を検知するための圧力センサーが設けられていることを特徴とする荷重検知機能を備えた積層ゴム。
2. 前記下部せん断キーは前記凹部の外周に該凹部を包囲するように複数個設けられていることを特徴とする請求項１記載の荷重検知機能を備えた積層ゴム。
3. 前記下部鋼板の側面から前記凹部に連通する２つの横孔が設けられ、一方の横孔には前記圧力センサーが取り付けられ、他方の横孔にはエア抜きプラグが取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の荷重検知機能を備えた積層ゴム。

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